歐佳順

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410123)

0 引言

我國(guó)在日常生產(chǎn)生活中的電能需求較大，甚至?xí)霈F(xiàn)供電缺口。據(jù)報(bào)道，在2020年年底時(shí)，我國(guó)由于電力供應(yīng)形勢(shì)緊張，只能實(shí)現(xiàn)有序用電，對(duì)人們的生產(chǎn)生活會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此需要實(shí)現(xiàn)多元化電力供應(yīng)。為了環(huán)保及能源可持續(xù)利用，新能源發(fā)電在所有發(fā)電形式中的占比越來(lái)越高，其中，太陽(yáng)能發(fā)電由于地域限制小而受到青睞。太陽(yáng)能是一種穩(wěn)定且用之不竭的清潔綠色能源，每天以1.2×105MW的能量照射在地球表面，具有滿足日益增長(zhǎng)的世界電力需求的巨大潛力[1]。鑒于太陽(yáng)能的眾多優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能發(fā)電日益成為全球新能源產(chǎn)業(yè)中裝機(jī)規(guī)模增長(zhǎng)最快且取得較大成果的新能源發(fā)電形式[2]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，太陽(yáng)能發(fā)電在所有新能源發(fā)電形式中的占比正以30%的速度逐年增長(zhǎng)[3]。

光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能發(fā)電的主要形式之一，光伏組件是其中重要的發(fā)電設(shè)備。然而當(dāng)光伏組件采用固定傾角安裝方式時(shí)，不能保證其與太陽(yáng)直射光線實(shí)時(shí)垂直，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率不能達(dá)到最佳。因此，可以加裝光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)直射光線的實(shí)時(shí)跟蹤。根據(jù)研究顯示，若能保證光伏組件時(shí)刻與太陽(yáng)直射光線垂直，則可以使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提高34%，因此研究光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置具有較大的社會(huì)意義和社會(huì)價(jià)值。

本文基于空氣熱力學(xué)原理，以光、氣、熱作為混合動(dòng)力源，從理論可靠性出發(fā)，對(duì)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，研究設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、低耗能的基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置。

1 光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，研究人員已對(duì)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置進(jìn)行了大量的研究。比如：SKOURI等[4]和NARASIMHAN等[5]分別利用拋物面聚光鏡和調(diào)棱鏡，實(shí)現(xiàn)了光調(diào)節(jié)定位，從而使太陽(yáng)能達(dá)到最大程度的吸收。BARBOSA等[6]和FATHABADI等[7]設(shè)計(jì)了一種高精度無(wú)傳感器的開(kāi)環(huán)控制算法的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置，可以有效提升雙軸跟蹤器的跟蹤精度，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率可提高約19.6%。PARTHIPAN等[8]利用2個(gè)傳感器，設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)控制的單軸自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)。HONG等[9]和FERDAUS等[10]設(shè)計(jì)了一種采用太陽(yáng)能映射規(guī)律和基于光電傳感器的連續(xù)跟蹤機(jī)制，使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提高了約34.4%。張屹等[11]設(shè)計(jì)了一種基于GPS定位的光伏組件自動(dòng)追光系統(tǒng)，有效提高了光伏組件的跟蹤精度和跟蹤穩(wěn)定性。崔之超[12]設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)型太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置采用3個(gè)鉸鏈并聯(lián)支撐與傳動(dòng)的方式，對(duì)支撐和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化；但該自動(dòng)跟蹤裝置由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制3個(gè)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為笨重，能源消耗量較大。王正等[13]設(shè)計(jì)了一種基于光電自動(dòng)跟蹤和人為矯正2種模式的四象限法則太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，減少了追蹤控制系統(tǒng)的電力消耗，并提高了跟蹤準(zhǔn)確度。李強(qiáng)等[14]設(shè)計(jì)了一種光伏電站自動(dòng)跟蹤集散控制系統(tǒng)，利用集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)集中控制。張順心等[15]設(shè)計(jì)的并聯(lián)球面跟蹤設(shè)備和賀新升等[16]設(shè)計(jì)的三自由度并聯(lián)裝置，均是通過(guò)支撐安裝部分上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使光伏組件的絕大部分重力被光伏支架承擔(dān)，利用3根鋼絲繩改變光伏組件的位姿，從而達(dá)到減少驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件的電能消耗、提高最終發(fā)電量的目的。

由于目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的研究主要集中在控制算法方面，因此控制算法的研究相對(duì)較成熟，但基本都是采用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單、雙軸自動(dòng)跟蹤方式，導(dǎo)致裝置的整體結(jié)構(gòu)笨重、成本昂貴，且需要額外消耗光伏組件產(chǎn)生的電能。也有極少的研究人員研究了如何減小光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置在跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所消耗的能量，但是技術(shù)尚不夠成熟，難以推廣。因此，為了解決光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置在光伏組件傾角調(diào)節(jié)過(guò)程中的高電能消耗問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低電能或零電能消耗，并適應(yīng)不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下光伏組件的精準(zhǔn)自動(dòng)跟蹤定位，本文設(shè)計(jì)了一種基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置。

2 基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的系統(tǒng)方案原理設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置在光伏組件傾角調(diào)節(jié)過(guò)程中電能消耗較大及光伏組件采用固定傾角安裝時(shí)其光電轉(zhuǎn)換效率未達(dá)到最佳的問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)了一種光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置。該裝置根據(jù)不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件，分別采用2種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。這2種動(dòng)力源分別為：在高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下，基于空氣熱力學(xué)原理，由光、氣、熱產(chǎn)生的熱氣源，以及在低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下額外補(bǔ)充的輔助氣源。

本文設(shè)計(jì)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的工作原理為：在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高的情況下，該自動(dòng)跟蹤裝置由基于空氣熱力學(xué)熱膨脹原理的熱氣源來(lái)驅(qū)動(dòng)，密封容積內(nèi)的氣體被加熱后會(huì)膨脹，驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸里面的活塞伸縮，以實(shí)現(xiàn)光伏組件傾角的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)零電能消耗。在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低的情況下，當(dāng)控制模塊判斷出熱氣源不足以提供伸縮氣缸所需要的壓力，此時(shí)輔助氣源打開(kāi)，給伸縮氣缸提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下光伏組件傾角的調(diào)節(jié)，達(dá)到光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置驅(qū)動(dòng)能耗最少的效果。

為了能夠有效判斷太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的高低，本文設(shè)計(jì)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置采用了雙光感傳感器，從而可以實(shí)現(xiàn)任意太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下氣源的自動(dòng)切換。本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置中氣源的切換原理示意圖如圖1所示。

3 基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案原理設(shè)計(jì)，對(duì)基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，該光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置主要包括動(dòng)力源模塊、執(zhí)行模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊、支撐模塊等部分。整個(gè)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)中：

1)動(dòng)力源模塊分為2個(gè)部分，分別是基于空氣熱力學(xué)的熱氣源和輔助氣源。熱氣源部分由均布于光伏組件四邊的拋物面聚光鏡、熱敏氣缸、L型固定支架組成；輔助氣源部分由儲(chǔ)氣罐組成，可以為每個(gè)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置均配置1個(gè)輔助氣源，也可以由1個(gè)輔助氣源同時(shí)供多個(gè)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置使用。

2)執(zhí)行模塊由4個(gè)伸縮氣缸及氣管組成。

3)檢測(cè)模塊由分布于光伏組件四邊的2個(gè)光感傳感器組成，分別安裝于光伏組件四邊和支撐模塊的L型固定支架上。

4)控制模塊主要由單片機(jī)模塊、氣閥控制模塊組成。

5)伸縮氣缸的底部與支撐模塊通過(guò)銷釘連接，伸縮氣缸與光伏組件通過(guò)中心球鉸鏈連接。

3.1 工作原理分析

高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下，本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的工作原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的工作原理簡(jiǎn)圖Fig. 3 Working principle schematic diagram of PV modules automatic tracking device based on air thermodynamic hybrid drive under high solar radiation intensity

當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)，該光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的氣閥控制模塊打開(kāi)，有桿腔和無(wú)桿腔連通，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接；當(dāng)裝置左側(cè)的熱敏氣缸被拋物面聚光鏡匯聚的太陽(yáng)光線加熱，缸內(nèi)的氣體膨脹，進(jìn)入到右側(cè)的伸縮氣缸，從而驅(qū)動(dòng)右側(cè)的伸縮氣缸里面的活塞伸出，同時(shí)左側(cè)伸縮氣缸的控制氣閥打開(kāi)排氣口，伸縮氣缸被壓縮，光伏組件向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一定角度，從而實(shí)現(xiàn)光伏組件傾角的調(diào)節(jié)。而轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，裝置左側(cè)的熱敏氣缸不再被太陽(yáng)光線照射，停止加熱，則其內(nèi)部氣體不再膨脹，無(wú)法再給伸縮氣缸提供氣體來(lái)源，因此伸縮氣缸里面的活塞不能繼續(xù)伸出，停止光伏組件角度移動(dòng)。若光伏組件轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大，則裝置右側(cè)的熱敏氣缸因太陽(yáng)光線照射而被加熱，從而給裝置左側(cè)的伸縮氣缸提供熱氣源，光伏組件按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。上述操作能保證太陽(yáng)直射光線與光伏組件保持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)垂直。

對(duì)本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。忽略氣體泄漏，當(dāng)其中一側(cè)熱敏氣缸被加熱時(shí)，設(shè)熱敏氣缸內(nèi)的壓力為P1，由于是差動(dòng)連接，所以有桿腔和無(wú)桿腔的壓力都一樣，均為P1；外界阻力為F1，無(wú)桿腔面積為A1，有桿腔面積為A2，則該光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置受到的合力F可表示為：

由于A1、A2、F1是固定值，所以當(dāng)P1增大時(shí)，F(xiàn)也增大；當(dāng)F≥0時(shí)，此時(shí)可以驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸里面的活塞伸出；當(dāng)F＜0時(shí)，不能驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸里面的活塞伸出。

在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不高的情況下，則由單片機(jī)模塊根據(jù)光感傳感器的檢測(cè)結(jié)果來(lái)控制氣閥控制模塊的開(kāi)啟，從而與輔助氣源連通，為相應(yīng)的伸縮氣缸提供氣源，以驅(qū)動(dòng)光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置旋轉(zhuǎn)一定的角度。

3.2 基于空氣熱力學(xué)的氣源設(shè)計(jì)與原理分析

為了提高熱氣源的靈敏度，采用拋物面聚光鏡的聚光原理，可以對(duì)熱敏氣缸表面進(jìn)行快速加熱，使熱敏氣缸內(nèi)的氣體膨脹，從而驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸里面的活塞伸縮。

當(dāng)太陽(yáng)光線斜射時(shí)，聚光點(diǎn)不在熱敏氣缸表面上，則熱敏氣缸不會(huì)被加熱；當(dāng)太陽(yáng)光線與拋物面聚光鏡表面垂直并開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)，聚光點(diǎn)開(kāi)始投射在熱敏氣缸的表面上，此時(shí)熱敏氣缸被加熱。太陽(yáng)光線聚光點(diǎn)是否在熱敏氣缸表面時(shí)的原理圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)光線聚光點(diǎn)是否在熱敏氣缸表面的原理圖Fig. 4 Schematic diagram of whether focus point of sunlight is on the surface of thermal cylinder

由理想氣體狀態(tài)方程可知：

式中：P為熱敏氣缸的內(nèi)部壓強(qiáng)，Pa；V為熱敏氣缸內(nèi)部氣體的體積，m3；T為熱敏氣缸內(nèi)部溫度，K；n為熱敏氣缸內(nèi)部氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)(也稱為普適氣體恒量)，J/(mol·K)。

由式(2)可知，當(dāng)熱敏氣缸被加熱時(shí)，T會(huì)增加，由于n、R沒(méi)有變，所以P和V會(huì)相應(yīng)變大，熱敏氣缸內(nèi)部氣體膨脹，壓強(qiáng)足夠給伸縮氣缸提供動(dòng)力，從而使伸縮氣缸里面的活塞伸出。

3.3 雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下光伏組件傾角的調(diào)節(jié)，本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置采用了雙光感傳感器模塊，用于判定太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的高低，從而給控制模塊進(jìn)行反饋。雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝方式如圖5所示。圖中：γ指L型固定支架與光伏組件之間的角度。

圖5 雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝方式Fig. 5 Structure design and installation mode of dual light sensor module

本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置具有一定的抗干擾性。在雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，第1光感傳感器、第2光感傳感器均放置于V型槽中，防止側(cè)面光線對(duì)光感傳感器的干擾；第1光感傳感器安裝在光伏組件四邊，第2光感傳感器安裝在L型固定支架上；2個(gè)光感傳感器不在同一條直線上，錯(cuò)開(kāi)安裝，以避免2個(gè)光感傳感器同時(shí)接收相近太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的太陽(yáng)光線，如圖5a所示。為避免第1光感傳感器擋住第2光感傳感器的光線，L型固定支架與光伏組件的邊框成角度γ，如圖5b所示。

3.4 檢測(cè)原理及控制算法設(shè)計(jì)

本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置具體的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度檢測(cè)原理為：當(dāng)?shù)?光感傳感器接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于第2光感傳感器接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定值時(shí)，說(shuō)明此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度充足，單片機(jī)模塊做出判斷，此時(shí)不需要由輔助氣源給伸縮氣缸提供動(dòng)力，而是以熱氣源作為動(dòng)力源；當(dāng)?shù)?光感傳感器、第2光感傳感器接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度接近時(shí)，表示太陽(yáng)光線同時(shí)照射到了2個(gè)光感傳感器上，單片機(jī)模塊做出判斷，此時(shí)光伏組件的傾角未及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，說(shuō)明熱氣源不足以驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸，需要輔助氣源作為動(dòng)力源給伸縮氣缸提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)光伏組件進(jìn)行傾角調(diào)節(jié)。

4 仿真結(jié)果分析

利用Pro/ENGINEER對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置建立三維模型，模擬實(shí)際高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件(5～6 J/(min·cm2))，在 Ansys Fluent軟件中建立理想狀態(tài)下熱敏氣缸的溫度與壓強(qiáng)的關(guān)系模型。經(jīng)過(guò)仿真分析得到，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，熱敏氣缸內(nèi)部壓強(qiáng)隨著其內(nèi)部溫度的增加而增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后可以推動(dòng)一定負(fù)載運(yùn)動(dòng)，且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，熱敏氣缸的反應(yīng)越靈敏，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光伏組件傾角調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)模型仿真得到的仿真結(jié)果為：光伏組件傾角調(diào)節(jié)誤差在 1°～2°以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置在不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下，根據(jù)空氣熱力學(xué)的膨脹原理通過(guò)不同動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸里面的活塞伸縮，無(wú)需外接電力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了零電能消耗；通過(guò)雙光感傳感器的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高低的判定，并且有效切換到不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下的動(dòng)力源，適應(yīng)不同的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度環(huán)境；光感傳感器的V型槽可以有效抵抗側(cè)面光線對(duì)光感傳感器的干擾，抗干擾性強(qiáng)；采用差動(dòng)連接，可以在熱膨脹壓力增長(zhǎng)較小的情況下，有效且快速地將伸縮氣缸里面的活塞伸出，增強(qiáng)了裝置的靈敏度。經(jīng)過(guò)仿真分析，可知該光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到一定條件時(shí)可以有效驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸內(nèi)部的活塞伸出，實(shí)現(xiàn)無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光伏組件傾角調(diào)節(jié)，仿真誤差值在 1°～2°之間。

本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)相比有較大的創(chuàng)新及較多優(yōu)點(diǎn)，其省去了傳統(tǒng)的單、雙軸電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)裝置，整體結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，便于安裝與調(diào)節(jié)，成本低廉，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值。后續(xù)將對(duì)設(shè)計(jì)的基于空氣熱力學(xué)混合驅(qū)動(dòng)的光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的搭建，進(jìn)行相關(guān)實(shí)際參數(shù)的試驗(yàn)，為本光伏組件自動(dòng)跟蹤裝置的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)參考。