全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車設(shè)計(jì)

劉新林

摘? 要：太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染能源，雖然有著節(jié)能環(huán)保且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但是使用率極低，該文就以設(shè)計(jì)的全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車為對(duì)象，對(duì)全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車從設(shè)計(jì)系統(tǒng)和應(yīng)用范圍等角度進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;自動(dòng)跟蹤;雙軸系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK511? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 設(shè)計(jì)思路

該文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，具有跟蹤太陽(yáng)、實(shí)現(xiàn)360°全方位旋轉(zhuǎn)的功能，可以讀取當(dāng)前太陽(yáng)光方位角、俯仰角、行程開關(guān)狀態(tài)等初始數(shù)據(jù)，通過太陽(yáng)能板或柴油機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)220 V的交流輸出，可以憑借蓄電池儲(chǔ)存的電能逆變輸出供應(yīng)負(fù)載，主要組成配置為拖車底盤、太陽(yáng)能板方陣、控制機(jī)柜、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池組，主要為中小型用電設(shè)備提供應(yīng)急電源，適用于惡劣的野外環(huán)境，如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)案例

該全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車主要的2個(gè)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)在于其太陽(yáng)能方陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、跟蹤控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)。接下來(lái)將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計(jì)案例分析。

2.1 總體方案

首先我們確定該全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車的主要組成部分為太陽(yáng)能板方陣、控制機(jī)柜、蓄電池組、升降臂系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、拖車底盤（艙體）等。其次，確定太陽(yáng)能電池板裝機(jī)容量為3.2 kW，蓄電池容量48 kWh，可提供230 V/12 kW交流及24 V/500 W直流2種輸出，主要為了適用于有一定日照條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)或市電供應(yīng)不便的場(chǎng)合，給通信設(shè)備及其他中小型用電設(shè)備供電，象野外指揮所、野戰(zhàn)醫(yī)院和野外炊事車等多種應(yīng)急或長(zhǎng)期電力需求。通過其具備的太陽(yáng)能跟蹤和太陽(yáng)能板伸縮功能，可在行進(jìn)中發(fā)電，并配備柴油發(fā)電機(jī)組作應(yīng)急供電手段，保證陰雨條件下電源供給連續(xù)性。 該發(fā)電車采用牽引式設(shè)計(jì)，自身不帶動(dòng)力，靠牽引頭拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)。所以整體的原理架構(gòu)為使用操作面板控制主控制器，由主控制器調(diào)節(jié)跟蹤控制和太陽(yáng)能板方針，再將太陽(yáng)能通過一體機(jī)柜、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組進(jìn)行配電輸出，達(dá)到太陽(yáng)能發(fā)電的效果。

2.2 太陽(yáng)能方陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能方陣是該產(chǎn)品的重要結(jié)構(gòu)之一，它保證了太陽(yáng)能可以被充分吸收，為接下來(lái)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：太陽(yáng)能方陣在升降臂高度過低時(shí)容易造成太陽(yáng)能方陣活動(dòng)空間不夠引發(fā)碰撞，在這里為了避免出現(xiàn)這類情況，我們將其設(shè)計(jì)成當(dāng)升降臂上升高度<30 cm時(shí)，除升降外，展開、方位角調(diào)整及俯仰角調(diào)整等功能均禁用。如此一來(lái)可以避免升降臂高度過低造成太陽(yáng)能方陣活動(dòng)空間不夠而引發(fā)碰撞危險(xiǎn)。其次，當(dāng)太陽(yáng)能方陣遇到大風(fēng)、沙塵和積雪等惡劣環(huán)境時(shí)，發(fā)電車自動(dòng)啟動(dòng)撤收程序，2臺(tái)伸縮電機(jī)任意一臺(tái)出現(xiàn)故障或因阻力大發(fā)生停止現(xiàn)象，則另一臺(tái)同步停止工作，避免單機(jī)工作損壞設(shè)備，大大降低了環(huán)境對(duì)太陽(yáng)能收集的影響。

太陽(yáng)能方陣由太陽(yáng)能電池板、骨架、滑軌、雙軸驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)接座、線材等材料構(gòu)成，選用高效單晶硅太陽(yáng)能板，總功率達(dá)3.2 kW，太陽(yáng)能板輸出為70 V/22.8 A。該太陽(yáng)能方陣通過不同的動(dòng)作對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)收集，可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過傳感器進(jìn)行組件的可靠伸縮，具有抗沙塵、抗風(fēng)、抗積雪和抗振動(dòng)能力。太陽(yáng)能方陣4個(gè)角位置設(shè)有光電傳感器，在20 cm以內(nèi)檢測(cè)到有障礙物（象人體、樹枝、墻壁等）則停止動(dòng)作（包括升降、展開、方位角調(diào)整及俯仰角調(diào)整等），障礙物消除后，須人工干預(yù)繼續(xù)工作。俯仰角限位為0°～54°;方位角限位為±270°，即從初始位置分別向2個(gè)方向最大能轉(zhuǎn)動(dòng)270°;為避免升降臂高度過低造成太陽(yáng)能方陣活動(dòng)空間不夠而引發(fā)碰撞危險(xiǎn)，對(duì)于其升降高度、方位角調(diào)整和電池板的展開動(dòng)作進(jìn)行邏輯設(shè)置;發(fā)電車程序設(shè)計(jì)中，為了避免由于電機(jī)的過負(fù)荷工作帶來(lái)的系統(tǒng)損壞風(fēng)險(xiǎn)，不允許單機(jī)工作。因此，太陽(yáng)能陣列具有在復(fù)雜環(huán)境下的自保護(hù)功能，極大地提高了其免維護(hù)性。

2.3 跟蹤控制系統(tǒng)

跟蹤控制系統(tǒng)包括操作面板、中央控制器、跟蹤器及相應(yīng)開關(guān)、線纜等部分，具有實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能跟蹤控制，提供跟蹤發(fā)電人機(jī)操控界面的功能，操作方便性、安全性、可視化。通過自動(dòng)跟蹤控制太陽(yáng)能方陣的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換。

跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于當(dāng)電機(jī)電流超過限值會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞，且任意電機(jī)的損壞則會(huì)造成2臺(tái)電機(jī)同時(shí)停機(jī)，因此在對(duì)此處進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)過載保護(hù)較為重要。

2.4 驅(qū)動(dòng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)（液壓、螺桿、齒輪、電機(jī)等）

這部分系統(tǒng)包括升降臂、油泵站等結(jié)構(gòu)，升降臂含伸縮筒及油缸，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能方陣的升降，確保太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)向空間。油泵站含油泵站、48 V蓄電池組、外殼支架等，為升降臂提供相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。

2.5 光伏發(fā)電系統(tǒng)（含發(fā)電、儲(chǔ)能、逆變、輸出控制）

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能機(jī)柜、蓄電池組、配電部分等結(jié)構(gòu)，見表1。太陽(yáng)能機(jī)柜含太陽(yáng)能控制器、逆變器、匯流排、熔斷器、開關(guān)等結(jié)構(gòu)，利用太陽(yáng)能板實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電及逆變輸出。蓄電池組包括蓄電池、電池支架等，存儲(chǔ)太陽(yáng)能電池板所發(fā)電能通過逆變器實(shí)現(xiàn)交流輸出。配電部分包括配電面板、輸出接口、斷路器、開關(guān)、按鈕等，實(shí)現(xiàn)發(fā)電車日供配電。

2.6 方艙總成

方艙包括廂體和底盤，含骨架、艙門、隔墻、緊固件、附件、龍骨、車橋、輪胎、制動(dòng)及輔助支撐等結(jié)構(gòu)，為艙內(nèi)設(shè)備提供防護(hù)及支撐，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電需要，經(jīng)濟(jì)又節(jié)能。

3 應(yīng)用范圍

該產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，在眾多惡劣的野外環(huán)境下均可適用。設(shè)計(jì)中充分考慮了太陽(yáng)能電池板受天氣的影響，采用柴油機(jī)發(fā)電作為應(yīng)急備用。另外，可移動(dòng)使用的特點(diǎn)，極大地拓展了其應(yīng)用范圍，不僅可以在孤立電網(wǎng)中使用，同時(shí)還可以保證電源的穩(wěn)定供給，因此，在軍事領(lǐng)域、野外醫(yī)療中應(yīng)用較多。

4 結(jié)語(yǔ)

該全自動(dòng)雙軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電車可以很好地應(yīng)對(duì)偏遠(yuǎn)惡劣地區(qū)電力供給不足的狀況，而這類地區(qū)大多處于太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，將該產(chǎn)品投入這樣的地區(qū)，可以改善偏遠(yuǎn)地區(qū)或市電供應(yīng)不便的問題，給通信設(shè)備及其他中小型用電設(shè)備供電，同時(shí)減少對(duì)煤炭的過度依賴，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，為緩解環(huán)境污染和能源危機(jī)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡世杰.太陽(yáng)能利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國(guó)高新科技，2018（21）：50-52.