韓 晨，李明杰

（新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830011）

太陽(yáng)能光伏板對(duì)正太陽(yáng)，才能得到最大的發(fā)電效率，這是基本常識(shí)，然而，太陽(yáng)能電池板時(shí)刻對(duì)正太陽(yáng)的過程也需要消耗寶貴的能源，加之現(xiàn)有的太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)的控制調(diào)整都有一定的遲滯，執(zhí)行機(jī)構(gòu)很容易受風(fēng)沙的污染而失效，人工清理維護(hù)耗時(shí)費(fèi)力，大大增加了運(yùn)行成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，許多太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)棄用了已有的隨動(dòng)系統(tǒng)。

美國(guó)研究者通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)行良好的太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)能使整個(gè)系統(tǒng)提高效率30%以上，HCPV系統(tǒng)[1]結(jié)合性能良好的隨動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)電效率必將大幅提升，當(dāng)采用的聚光比為500倍，太陽(yáng)光法線與菲涅耳透鏡中心軸線的夾角為0.5°時(shí)，發(fā)電效率將下降20%，當(dāng)偏差角達(dá)到1.2°時(shí)，發(fā)電效率將下降80%左右[2]。

中國(guó)一直在推動(dòng)光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和成本下降[3]，科研工作者正不斷地研究著新型的太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)。

1 熱力膨脹管隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)主要有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種，控制過程都會(huì)消耗寶貴的電能。

被動(dòng)式系統(tǒng)主要由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。測(cè)量系統(tǒng)必須暴露在外，很容易受風(fēng)沙的污染而失效，而感光部件多為精密元器件，只能人工清理，費(fèi)用高而且清理效果難以保證。

主動(dòng)式系統(tǒng)直接執(zhí)行外來指令，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠，但是尚無成熟可靠控制指令系統(tǒng)。

熱力膨脹管太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)由感溫元件、膨脹活塞和連接軟管三部分組成，它仿照自然界中向日葵的運(yùn)行模式進(jìn)行，如圖1所示。夜間，4支感溫管溫度相同，對(duì)應(yīng)的膨脹活塞伸出長(zhǎng)度也相同，光伏板的位置居中；朝陽(yáng)升起4支感溫管溫度因?yàn)樘?yáng)照射角的不同開始產(chǎn)生差異，感溫用的4支熱力真空管均勻布置在太陽(yáng)能光伏板的4邊，如圖2所示，即時(shí)用太陽(yáng)光的熱量來加熱管內(nèi)密封的氟利昂液體，受熱的氟利昂液體部分汽化，壓力升高，升高的氣體壓力通過連接軟管傳遞至膨脹活塞內(nèi)，溫度越高，壓力越大，推動(dòng)活塞伸得越長(zhǎng)，相應(yīng)地，當(dāng)太陽(yáng)光的熱力降低時(shí)，活塞也會(huì)縮短。膨脹管內(nèi)的壓力隨太陽(yáng)的東升西落發(fā)生變化，當(dāng)壓力差足夠大時(shí)，活塞就會(huì)推動(dòng)太陽(yáng)能光伏板向?qū)φ?yáng)的位置移動(dòng)，直到4支感溫管溫度相同為止。太陽(yáng)落山之后，4支感溫管逐漸放出熱量達(dá)到熱平衡，光伏板又回到居中位置。

圖1 熱力膨脹管逐日系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

圖2 熱力膨脹管逐日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這樣，直接使用太陽(yáng)的熱能完成了太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)量、比較和調(diào)整，免去了其他隨動(dòng)系統(tǒng)消耗的寶貴的電能，就能獲得太陽(yáng)能光伏板最大的發(fā)電輸出功率了。

現(xiàn)有隨動(dòng)裝置的機(jī)械加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差遠(yuǎn)大于太陽(yáng)位置天文算法的計(jì)算誤差，而這種隨動(dòng)系統(tǒng)與底座上的鋼管通過法蘭進(jìn)行連接，對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的工人的技術(shù)要求較低，容易保證安裝精度，對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)的地形要求很低，只要能立得住一根鋼管的地方就可以安裝，戈壁沙漠、水面灘涂均可建成太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)。

隨動(dòng)系統(tǒng)的底座可采用薄壁空腔結(jié)構(gòu)，在安裝現(xiàn)場(chǎng)填入砂土，降低運(yùn)輸成本，支腿采用鋼管灌注混凝土的方法，可獲得良好的綜合機(jī)械性能。

1.1 感溫元件

感溫元件用常見的玻璃太陽(yáng)能真空集熱管，結(jié)構(gòu)分為外管、內(nèi)管，在內(nèi)管外壁鍍有選擇性吸收涂層，陽(yáng)光的熱量加熱管內(nèi)注入的氟利昂液體，使其汽化，當(dāng)陽(yáng)光照射的角度不同時(shí)，產(chǎn)生的熱量也將不同，從而完成將太陽(yáng)照射角度按比例地轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)的過程。

1.2 膨脹活塞

膨脹活塞將感溫元件傳遞過來的壓力差轉(zhuǎn)化為活塞的伸出長(zhǎng)度之差，兩側(cè)的感溫管相對(duì)太陽(yáng)的角度差越大，獲得的長(zhǎng)度補(bǔ)償越大。這樣，4只膨脹活塞通過不斷地交替變化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)正太陽(yáng)，達(dá)到獲得最大發(fā)電功率的目的。考慮可能出現(xiàn)的氟利昂泄漏問題，活塞內(nèi)使用波紋管，管接頭盡量使用焊接方式。

1.3 連接軟管

連接軟管將壓力變化傳送到對(duì)側(cè)的膨脹活塞上，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)。

2 熱力膨脹管隨動(dòng)系統(tǒng)控制方法

整定好活塞上調(diào)節(jié)閥的開度之后，整個(gè)系統(tǒng)就可以進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)，無需人工干預(yù)。

個(gè)別系統(tǒng)活塞密封件在設(shè)計(jì)壽命之前損壞時(shí)，可以將活塞固定在當(dāng)?shù)氐淖罴呀嵌鹊却S修，將損失將至最小。

太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)還可以用于控制送變電系統(tǒng)，如果配合安裝合適的儲(chǔ)能裝置，就能實(shí)現(xiàn)白天供電，晚上為外電網(wǎng)提供儲(chǔ)能服務(wù)，不僅可以徹底改善太陽(yáng)能風(fēng)能的品質(zhì)，還能為電網(wǎng)削峰平谷作出自己的貢獻(xiàn)，提高整個(gè)電網(wǎng)的送電品質(zhì)，降低控制難度。這樣也能克服太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)受天氣影響的先天缺陷，有助于“風(fēng)光互補(bǔ)”等項(xiàng)目得以試驗(yàn)進(jìn)行，對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的未來產(chǎn)生積極的影響。

3 結(jié)論

這種由熱力膨脹管太陽(yáng)能光伏板隨動(dòng)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)實(shí)時(shí)控制，還不消耗寶貴的電力，可以為用戶提供最大輸出功率，降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，并對(duì)更好地開發(fā)太陽(yáng)能隨動(dòng)系統(tǒng)提供新的思路。