太陽(yáng)光照自動(dòng)跟蹤裝置機(jī)械設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

韓超 林卓銳

摘 要：太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出了一系列的太陽(yáng)能設(shè)備，如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能電池等，但對(duì)太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就現(xiàn)有的太陽(yáng)能裝置而言，如何最大限度地提高太陽(yáng)能的利用率，仍是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。自動(dòng)跟蹤裝置的穩(wěn)定性、精度等性能間接影響了太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置的成本。目的是將此系統(tǒng)應(yīng)用在小型光伏發(fā)電設(shè)備或其它所需太陽(yáng)收集裝置上，這將使光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)生很大的變革。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；自動(dòng)裝置；照射

1 研究背景

為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前化石燃料的危機(jī)，應(yīng)逐步改變能源結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能作為一種可再生資源，具有清潔度高、資源潛力大、可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已為各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)利用。但由于太陽(yáng)能存在空間分布不均、間歇性大的特點(diǎn)，因此其利用率一直較低，不能大面積推廣應(yīng)用。提高太陽(yáng)能利用有兩種方案：一是提高太陽(yáng)能的能量轉(zhuǎn)換率；該方案需要研究材料的性能，也就是要研究太陽(yáng)能電池材料，目前的太陽(yáng)能電池都是用硅材料做的，其能量轉(zhuǎn)換效率較低，并且成本較高，難以普及，因此用該方案來(lái)提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率難度較大。二是提高太陽(yáng)能的接受效率；該方案可以用現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)解決，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是目前提高太陽(yáng)能接受率的有效方法。

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤指在太陽(yáng)光照射過(guò)程中，太陽(yáng)能板的采光面與太陽(yáng)光線始終垂直，在有限的面積內(nèi)獲得更多的太陽(yáng)輻射能量。若采用的跟蹤方式不同，其太陽(yáng)的能量接受率也不同。實(shí)驗(yàn)證明，具有太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置的比固定角度安裝的太陽(yáng)能利用率要高30%以上。

2 研究目的和意義

精確的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置可以根據(jù)太陽(yáng)在一天中不同時(shí)刻的變化，在俯仰和水平方向上自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能采光板，使太陽(yáng)能采光板始終垂直太陽(yáng)的入射光，充分接受太陽(yáng)能。

就目前的高精度自動(dòng)跟蹤裝置來(lái)說(shuō)，由于成本較高，只適用于一些航天、軍事、科研單位方面的應(yīng)用，并不能夠普及推廣。然而，除了價(jià)格昂貴、精度較高的用于觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的那些裝置外，其它的跟蹤裝置又普遍存在著剛度較低，跟蹤范圍較小，精度較差的問(wèn)題。未來(lái)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)朝著低成本、高精度、跟蹤范圍大的方向發(fā)展，并用有限的太陽(yáng)能采光板收集更多的太陽(yáng)輻射能量。在設(shè)計(jì)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，需要遵循以下思想：

（1）在設(shè)計(jì)跟蹤機(jī)構(gòu)時(shí)，除了要滿足跟蹤范圍大的要求外，還要避免機(jī)構(gòu)在極限位置時(shí)的鎖死現(xiàn)象。

（2）在設(shè)計(jì)跟蹤機(jī)構(gòu)時(shí)，需要選用合理的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)來(lái)降低跟蹤裝置本身的重量，進(jìn)而降低整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作耗能量。

（3）在符合上述性能時(shí)，應(yīng)盡量使機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本降低。

3 創(chuàng)新與特色

3.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低

設(shè)計(jì)的新型跟蹤機(jī)構(gòu)由齒輪齒條、細(xì)鋼絲、導(dǎo)向輪、萬(wàn)向節(jié)、導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)構(gòu)成，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且生產(chǎn)加工周期短，制造成本低，具有很高的實(shí)用價(jià)值，能夠大范圍推廣普及。

3.2 結(jié)構(gòu)靈活，剛度高，跟蹤范圍大

該新型跟蹤機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)靈活，跟蹤范圍大，剛度高，承載能力強(qiáng)。設(shè)計(jì)的跟蹤機(jī)構(gòu)可以使水平角到達(dá)360°，俯仰角到達(dá)110°，實(shí)現(xiàn)了全方位的自動(dòng)跟蹤。

4 結(jié)論

本文所研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置具有全天候，成本低，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成。這些通用組件可由專門(mén)廠家生產(chǎn)，因而其制造和庫(kù)存?zhèn)浼杀颈认嗤δ艿膫鹘y(tǒng)機(jī)構(gòu)低得多，容易組裝和模塊化。除了在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機(jī)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。其主要優(yōu)點(diǎn)有剛度質(zhì)量比大，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越，運(yùn)動(dòng)精度高，多功能靈活性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)等。運(yùn)用牛眼輪來(lái)做太陽(yáng)能接收板的支撐結(jié)構(gòu)，可以減少旋轉(zhuǎn)用力，在一定條件下，如果旋轉(zhuǎn)用力小的話，就能輸出比較大的電量。

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作者簡(jiǎn)介：韓超（1992—），男，浙江富陽(yáng)人，研究方向：財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)教育。