歐佳順，謝方平，劉金榮，殷海瞇

(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410000)

隨著科技的發(fā)展，越來越多的機(jī)械化產(chǎn)品以及現(xiàn)代科技裝備用于農(nóng)業(yè)上，以提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量輸出，保障國家糧食安全。其中影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出的關(guān)鍵因素離不開能源消耗，采用傳統(tǒng)的能源提升產(chǎn)量不僅會污染環(huán)境，而且會面臨能源危機(jī)。因此綠色可持續(xù)發(fā)展的新能源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是未來的發(fā)展方向，太陽能是一種穩(wěn)定且用之不竭的清潔綠色能源，受到地理因素影響小，且安裝方便等[1-3]。因此光伏發(fā)電廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，光伏農(nóng)業(yè)是將光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的一種綠色、環(huán)保的全新產(chǎn)業(yè)模式，是集太陽能光伏發(fā)電、智能溫控系統(tǒng)、現(xiàn)代高科技種植、養(yǎng)殖為一體的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景[4]。雖然光伏發(fā)電已經(jīng)廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，但是目前的光伏板基本都是固定安裝，不能隨著太陽光線轉(zhuǎn)動，從而未能達(dá)到光電轉(zhuǎn)化率最佳的效果。研究數(shù)據(jù)表明一般的晶硅太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)換率在20%到26%之間，新一代光伏板材料的理論極限最高也只能達(dá)到33%，可見光伏板光電轉(zhuǎn)化率飽和光照條件下并不是很高，如果采用固定安裝則轉(zhuǎn)化率更低，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量輸出。有研究表明，相對固定安裝，采用自動跟蹤裝置使得光線與光伏板時(shí)時(shí)垂直，最高可以提升34%的光電轉(zhuǎn)化率。因此研發(fā)農(nóng)業(yè)光伏板自動跟蹤裝置，提高光電轉(zhuǎn)化率，從而提升農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，有著重要的意義。本文根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀分析，結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種具有成本低廉、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的混合驅(qū)動農(nóng)業(yè)光伏板自動跟蹤裝置。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對光伏板的跟蹤裝置都有研究，也取得了一定的成效[5-6]，但是應(yīng)用推廣存在技術(shù)瓶頸，因此未能廣泛運(yùn)用。VinayakNarasimhan[7]利用調(diào)棱鏡面板實(shí)現(xiàn)光線改變，即使太陽角度變化，光伏板不轉(zhuǎn)動，也可以使得光線最大程度上的照射到光伏板上，可使太陽能達(dá)到最大程度的吸收，但是該調(diào)棱鏡面板制造成本高，也不保證光線垂直照射，因此未能達(dá)到最佳轉(zhuǎn)化。Flávia V.Barbosa和Hassan Fathabadi[8-9]設(shè)計(jì)了一種高精度無傳感器的開環(huán)控制算法的太陽能自動跟蹤裝置，根據(jù)太陽一天中某一時(shí)刻的高度和經(jīng)緯度，算出光伏板的角度朝向，可以有效提升雙軸跟蹤器的精度，但是該跟蹤裝置需要安裝兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，以驅(qū)動角度調(diào)節(jié)。J.Parthipan[10]利用兩個(gè)傳感器，設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)控制的單軸自動太陽跟蹤系統(tǒng)，但是仍然需要電機(jī)驅(qū)動調(diào)節(jié)。Taehoon Hong和Rashid Ahammed Ferdaus[11-12]設(shè)計(jì)了一種采用基于太陽能映射規(guī)律和基于光電傳感器的連續(xù)跟蹤機(jī)制，其驅(qū)動方式還是經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動。崔之超[13]研發(fā)了一種并聯(lián)型太陽能自動跟蹤裝置，利用三個(gè)鉸鏈并聯(lián)支撐光伏板，雖然優(yōu)化了傳動機(jī)構(gòu)，但是三個(gè)支撐桿的伸縮需要電動伸縮缸驅(qū)動，增加了1個(gè)電機(jī)驅(qū)動消耗的能量。張屹[14]設(shè)計(jì)了基于GPS定位的太陽能板自動追光系統(tǒng)，可以根據(jù)GPS定位，時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)角度，跟蹤精度和穩(wěn)定性明顯提高，其采用了電機(jī)驅(qū)動。王正[15]設(shè)計(jì)了一種基于光電自動跟蹤和人為矯正兩種模式的四象限法則太陽能跟蹤系統(tǒng)，減少了追蹤控制系統(tǒng)電力消耗，還提高了跟蹤準(zhǔn)確度。

根據(jù)國內(nèi)分析可知，更多在聚焦點(diǎn)控制算法上及控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)相對較為成熟，但是目前的光伏板自動自動跟蹤裝置存在明顯的缺陷，光伏板的角度調(diào)節(jié)驅(qū)動基本都是采用電機(jī)驅(qū)動，需要額外消耗光伏板產(chǎn)生的電能，得不償失，且每一套光伏板上需要配備兩臺步進(jìn)電機(jī)，整體結(jié)構(gòu)笨重，成本相對增加，且電機(jī)還需要進(jìn)行防水、防高溫處理，維護(hù)成本也相對較高，顯然在戶外采電機(jī)驅(qū)動方式不太適用。尤其是農(nóng)業(yè)用的光伏板基本都是戶外安裝，環(huán)境惡劣，且光伏板數(shù)量相對較多，分布集中，若每一塊光伏板都采用電機(jī)驅(qū)動，則電能消耗大，反而會影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量。為了解決上述存在的問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種混合動力驅(qū)動的農(nóng)業(yè)光伏板自動跟蹤裝置，具有驅(qū)動所需的能耗更低、成本低廉、驅(qū)動裝置少、能夠集中控制和一源多供等優(yōu)點(diǎn)。

2 裝置整體結(jié)構(gòu)理設(shè)計(jì)

為了打破傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，本裝置采用了氣熱混合驅(qū)動，傳動方式為氣壓傳動。裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由：1光伏板、2凹透鏡、3熱敏氣缸、4中心支撐桿、5伸縮氣缸、6安裝板、7固定螺栓、8氣動電磁閥、9活塞、10連桿、光11敏元器件及12控制模塊組成。連桿10兩端分別通過球鉸鏈與光伏板和活塞末端相互連接，中心支撐桿用于支撐光伏板的重量，上端通過球鉸鏈與光伏板連接，下端通過螺栓固定在安裝板上?？刂颇K的作用于是用于接收并對比光敏信號及給電磁閥發(fā)指令，控制電磁閥的開啟和關(guān)閉。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖1.光伏板；2.凹透鏡；3.熱敏氣缸；4.中心支撐桿；5.伸縮氣缸；6.安裝板；7.固定螺栓；8.氣動電磁閥；9.活塞；10.連桿；11.光敏元器件；12.控制模塊

其中光敏元器件11分布于光伏板的四邊，即每邊上都安裝一個(gè)光敏傳感器，光敏傳感器在都安裝在V形槽中(如圖1所示)，以防止側(cè)面光線對傳感器的干擾，因此具有一定的抗干擾性。伸縮氣缸5有兩個(gè)，分別朝向東西方向和南北方向，并固定于安裝板6上。在光伏板的側(cè)邊安裝有凹透鏡2和熱敏氣缸3，凹透鏡在熱敏氣缸正上方，且距離為凹透鏡的光線焦距距離，主要是通過凹透鏡2給熱敏氣缸3進(jìn)行加熱，從而使得氣缸3內(nèi)部氣體膨脹，給伸縮氣缸5提供伸出和縮回的動力來源。伸縮氣缸5的有桿腔和無桿腔都有進(jìn)排氣口，每個(gè)進(jìn)排氣口連接一對二位二通常閉電磁閥，沒有得電情況下，電磁閥1、2、3、4口處于關(guān)閉狀態(tài)，只有收到信號得電以后，電磁閥才開啟，如圖2所示為伸縮氣缸與氣源的連接方式。其中熱敏氣缸通過氣管分別與閥1和閥3的出氣口相連接，氣泵也通過氣管與閥1和閥3的出氣口相連接，但是氣泵伸縮缸氣口中間連接了二位二通常閉電磁閥，通常情況閥口是閉合的，即氣泵不給伸縮缸供氣。

圖2 伸縮桿及電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.電磁閥；2電磁閥；3.電磁閥；4.電磁閥；5.熱敏氣缸；6.凹透鏡；7.氣泵；8.電磁閥；9.氣管

3 動力源設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，本裝置伸縮缸的動力來源有2種，分別是采用熱膨脹的動力源和氣泵。采用熱膨脹動力源的設(shè)計(jì)，由理想氣體狀態(tài)方程可知：

pV=nRT

式中：P為壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；T為溫度，K；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

由理想氣體方程可知，當(dāng)熱敏氣缸被加熱，則內(nèi)部溫度T會增加，由于體積n、R沒有變，所以內(nèi)部壓強(qiáng)P和體積V會相應(yīng)的變大，缸內(nèi)部氣體膨脹，壓強(qiáng)足夠給伸縮氣缸提供動力。如圖2所示，為了提高熱力氣源的靈敏度，采用凹透鏡的聚光原理，可以快速對熱敏材料的氣缸進(jìn)行快速加熱，從而使得氣缸內(nèi)部的氣體膨脹，所以在強(qiáng)光照條件下熱膨脹氣體可以驅(qū)動伸縮缸活塞伸出與縮回。

如圖2所示，另外一種是通過氣泵供氣，在光照不足的情況下，熱膨脹氣體不能驅(qū)動伸縮缸運(yùn)動，控制模塊進(jìn)行分選，打開圖2中的電磁閥8給伸縮缸供氣，從而驅(qū)動伸縮氣缸內(nèi)部的活塞伸出或者縮回，使得光伏板角度能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中氣泵可以給多套本設(shè)計(jì)的自動跟蹤裝置提供動力，實(shí)現(xiàn)一氣多供，從而避免電機(jī)驅(qū)動裝置的使用，降低成本的同時(shí)便于管理和維護(hù)。

4 工作原理及控制方式分析

結(jié)合圖1和圖2分析，當(dāng)太陽光線從東方照射時(shí)，位于東側(cè)的光敏傳感器收到較強(qiáng)的光照，而光伏板西側(cè)的光敏傳感器收到的光照強(qiáng)度明顯比東側(cè)的要弱，控制模塊對比兩側(cè)的信號強(qiáng)弱，從而判斷出光照已經(jīng)偏向于東側(cè)，光伏板的角度需要向東方旋轉(zhuǎn)一定角度，以保證入射光線與光伏板垂直?？刂颇K會發(fā)送指令，使得圖2中閥2和閥3開啟，那么有桿腔進(jìn)氣，無桿腔排氣，活塞向里面縮回，從而帶動光伏板向東方旋轉(zhuǎn)一定角度，從而保證光伏板與光線時(shí)時(shí)垂直，到達(dá)光電轉(zhuǎn)化率最佳效果。反之如果光照射到西側(cè)的光敏傳感器，那么開啟的閥為閥1和閥4。氣源切換的控制原理分析，在光照比較充足的條件下，本裝置基于空氣熱力學(xué)的熱膨脹原理進(jìn)行驅(qū)動，當(dāng)密封容積里面的氣體被加熱后會膨脹，從而驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)伸縮，實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)零電能消耗。當(dāng)光照不足時(shí)，那么其中一側(cè)的光敏傳感器則被太陽光線長時(shí)間照射，當(dāng)兩側(cè)的光敏傳感器的信號強(qiáng)度差別比較大，且長時(shí)間處于這種狀態(tài)時(shí)，則控制模塊進(jìn)行判斷分析，得出結(jié)果熱膨脹氣源不足以提供伸縮氣缸所需要的壓力，打開氣泵氣源給伸縮機(jī)構(gòu)提供動力，從而實(shí)現(xiàn)弱光照條件下對光伏板的角度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低驅(qū)動能耗的效果。

5 結(jié)論與展望

本自動跟蹤裝置與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動自動跟蹤裝置相比，更加適用于農(nóng)業(yè)光伏板的自動跟蹤，因?yàn)楸狙b置打破了傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動，采用了空氣熱膨脹原理，設(shè)計(jì)了新的動力驅(qū)動源，可以驅(qū)動伸縮氣缸伸縮，無需外接電力驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)電能零消耗。本裝置采用一氣多供的方式，通過1個(gè)氣源，則可以為多套自動跟蹤裝置提供動力，更加適用于比較集中安裝的農(nóng)業(yè)光伏板自動跟蹤，且采用氣動傳動，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離動力輸送和控制，對于戶外農(nóng)業(yè)高溫、雨水等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)過前期的樣機(jī)試驗(yàn)，跟蹤角度誤差值不高于2°。后續(xù)將對設(shè)計(jì)的裝置繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行相關(guān)實(shí)際參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，為本裝置的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)參考及實(shí)現(xiàn)市場推廣。