設(shè)施農(nóng)業(yè)多排布太陽能智能追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳昕楠　龐力豪　程玉峰　閆家銘　邵蕾

摘要：為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)設(shè)施中太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)換效率，提升能量?jī)?chǔ)存速率，設(shè)計(jì)了一種智能型多排布太陽能追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、太陽能電池板組件、太陽能電池板水平及仰角方向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等部分組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽光線的智能追蹤，使太陽能電池板始終垂直于光線方向。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方便，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，立體調(diào)整相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)裝配相互融合，能更大限度地提高能量轉(zhuǎn)換效率，可廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：太陽能;設(shè)施農(nóng)業(yè);智能追蹤;能源裝備

中圖分類號(hào)：TK513.4;S24 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）18-0133-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.032 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of multi-arrangement solar energy intelligent

tracking system for facility agriculture

CHEN Xin-nan，PANG Li-hao，CHENG Yu-feng，YAN Jia-ming，SHAO Lei

（Yantai Research Institute，China Agricultural University，Yantai 264670，Shandong，China）

Abstract： In order to further improve the energy conversion efficiency and energy storage rate of solar panels in facility agriculture， an intelligent multi-arrangement solar tracking system is designed in this paper. The system is mainly composed of control systems， solar panel modules， horizontal and elevation direction adjustment structure and other components. The system realizes the intelligent tracking of sunlight， so that the solar panels are always perpendicular to the direction of light. The system is effective to run and the whole structure is simple. The two regulatory structures for different directions are independent of each other. The system greatly improves energy conversion efficiency and can be widely used in the field of facility agriculture.

Key words： solar energy; facility agriculture; intelligent tracking; energy equipment

《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》中提出深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，實(shí)施農(nóng)村新能源行動(dòng)[1]。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，太陽能技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。利用太陽能電池為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供能源動(dòng)力，有效解決資源與環(huán)境問題，發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)。

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[2-6]?，F(xiàn)有的太陽能電池板有兩種放置方式：一種為直接固定在屋頂、溫室或者運(yùn)動(dòng)體上，太陽能電池板不能隨著光線的變化進(jìn)行方向調(diào)節(jié)。該方式只能保證在正午左右吸收較多的太陽光，其他時(shí)刻效果不佳[7，8];另一種則是固定在可以進(jìn)行水平方向旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)上[9，10]，可以根據(jù)光線的變化進(jìn)行水平方向的自動(dòng)調(diào)整。相對(duì)第一種方式，該方式的太陽能接收效果得到一定的改善，但由于只能進(jìn)行水平面上的方向調(diào)整，效率仍無法實(shí)現(xiàn)最大化。為實(shí)現(xiàn)太陽能電池板追蹤太陽光線的最佳效果，設(shè)計(jì)了一種多排布太陽能智能追蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光線水平與豎直兩個(gè)方向的獨(dú)立追蹤，提升了追蹤的準(zhǔn)確度，各追蹤單體之間形成聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步提高了能量轉(zhuǎn)換效率和能量?jī)?chǔ)存速度，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、太陽能電池板組件、太陽能電池板水平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、太陽能電池板仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、支架等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)工作分為太陽能電池板水平調(diào)節(jié)過程與太陽能電池板仰角調(diào)節(jié)過程。當(dāng)陽光直射太陽能電池板時(shí)，第一至第四感光器受到光照度相同，則控制系統(tǒng)不會(huì)控制內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作;當(dāng)太陽從東向西移動(dòng)時(shí)，光線屏蔽板左、右兩側(cè)的感光元件受到光照度不相同，此時(shí)，控制系統(tǒng)控制內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，使得太陽能電池板在水平方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，直至左、右兩側(cè)的感光元件受到光照度一致;當(dāng)太陽高度角發(fā)生變化時(shí)，外驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)太陽能電池板進(jìn)行仰角的調(diào)整，直至光線屏蔽板上、下兩側(cè)的感光元件受到光照度一致。當(dāng)4個(gè)感光器感光強(qiáng)度均不同時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)過程同時(shí)進(jìn)行，互不干涉、互不影響。

2 ?系統(tǒng)主要組成設(shè)計(jì)

2.1 ?自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)

自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)包括感光器總成及控制器。感光器總成（圖2）包括感光器安裝板、第一感光器（G1）、第二感光器（G2）、第三感光器（G3）、第四感光器（G4）、光線屏蔽板。感光器安裝板與太陽能電池板組件托板連接，4個(gè)感光器可采用光敏電阻，感光器將測(cè)量的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給下一級(jí)（信號(hào)調(diào)節(jié)比較控制電路）。當(dāng)兩個(gè)方位上的感光器都正對(duì)太陽時(shí)，輸出的信號(hào)幅值相等，若有偏離則光線強(qiáng)的一側(cè)輸出的信號(hào)會(huì)高于光線弱的一側(cè)。光線屏蔽板呈十字形結(jié)構(gòu)，用于隔擋投射到第一、第二、第三及第四感光器的陽光，確定光線方向。4個(gè)感光器分別位于光線屏蔽板的十字形結(jié)構(gòu)的4個(gè)格內(nèi)，4個(gè)方位的感光器相對(duì)于遮蔽板對(duì)稱。光線屏蔽板材質(zhì)可為不透光的金屬板、木板或黑色塑料板。

當(dāng)太陽能電池板仰角β在式（1）范圍內(nèi)，上（G1、G2）、下（G3、G4）兩個(gè)方位感光器感光無差異;當(dāng)太陽能電池板仰角β不在該范圍內(nèi)，太陽能電池板仰角方向的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，直至仰角β進(jìn)入該范圍內(nèi)。

式中，β為太陽能電池板仰角，（°）;α為太陽高度角，（°）;h1為上、下方位光線屏蔽板高度，mm;s為感光器中心距光線遮蔽板的距離，mm;r1為感光器中心距靠近上下方位光線遮蔽板側(cè)的感光器邊緣的距離，mm。

當(dāng)太陽能電池板水平方位角γ在式（2）范圍內(nèi)，左（G1、G3）、右（G2、G4）兩個(gè)方位感光器感光無差異;當(dāng)太陽能電池板方位角γ不在該范圍內(nèi)，太陽能電池板水平方向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，直至角γ進(jìn)入該范圍內(nèi)。

式中，δ為太陽能電池板水平方位角（太陽能電池板與南向夾角），（°）;γ為太陽方位角，（°）;h2為左、右方位光線屏蔽板高度，mm;r2為感光器中心距靠近左右方位光線遮蔽板側(cè)的感光器邊緣的距離，mm。

控制器接收并分析比較各感光器傳遞的感光強(qiáng)度，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)指令，使太陽能電池板根據(jù)太陽位置做出方向調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)自動(dòng)跟蹤方法流程如圖3所示。

控制器包括信號(hào)調(diào)節(jié)比較控制電路模塊、RS鎖存器模塊、電機(jī)控制輸出電路模塊。信號(hào)調(diào)節(jié)比較控制電路將感光器總成傳輸?shù)碾娦盘?hào)進(jìn)行處理和比較，當(dāng)兩路光電信號(hào)相近或相同，輸出全為低電平，當(dāng)有一側(cè)較強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)的一側(cè)輸出高電平，傳輸給RS鎖存器。RS鎖存器對(duì)來自信號(hào)調(diào)節(jié)比較控制電路的信號(hào)進(jìn)行鎖存，輸出控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的信號(hào)，并傳輸給電機(jī)功率控制輸出電路。電機(jī)功率控制輸出電路用于控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，停止受控于RS鎖存器。

2.2 ?太陽能追蹤系統(tǒng)單體

太陽能追蹤系統(tǒng)由若干結(jié)構(gòu)完全相同的單體構(gòu)成，單體多排列分布。單體核心結(jié)構(gòu)包括太陽能電池板組件、太陽能電池板水平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、太陽能電池板仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)（圖4）。

2.2.1 ?太陽能電池板組件 ?太陽能電池板組件包括太陽能電池板、托板。太陽能電池板安裝于托板上。托板背面設(shè)置兩個(gè)連接結(jié)構(gòu)，一個(gè)是位于托板中心的U形連接槽，槽寬度40 mm、連接孔直徑20 mm，用于連接太陽能電池板水平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu);一個(gè)是位于托板中心稍偏下方位置的連接軸，直徑20 mm，用于連接太陽能電池板仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

2.2.2 ?太陽能電池板水平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) ?電池板水平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要包括支撐軸、軸座、內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒。內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒通過定位軸承套裝在支撐軸的外側(cè)，為避免旋轉(zhuǎn)干擾，其長(zhǎng)度根據(jù)太陽能電池板組件寬度為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，公式如式（3）所示。

式中，h1為內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒長(zhǎng)度，m;l2為太陽能電池板組件寬度，m;h2為排間外驅(qū)動(dòng)連接件上的帶扣最高位置距離地面高度，m。

2.2.3 ?太陽能電池板仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) ?電池板仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括外旋轉(zhuǎn)套筒及調(diào)節(jié)連桿。外旋轉(zhuǎn)套筒通過軸承套裝在內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒的外側(cè)，距離上方50 mm處設(shè)置連接軸。因排內(nèi)外驅(qū)動(dòng)連桿位于排間內(nèi)驅(qū)動(dòng)連桿下方，外旋轉(zhuǎn)套筒長(zhǎng)度為在太陽能電池板組件寬度1/2基礎(chǔ)上增加30～40 mm。調(diào)節(jié)連桿的一端與太陽能電池板托板中心偏下方的U形連接槽鉸接，另一端與外旋轉(zhuǎn)套筒的連接軸鉸接。

2.3 ?單體的整體連接

2.3.1 ?整體系統(tǒng)水平方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu) ?各太陽能追蹤系統(tǒng)單體的內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒下方10 mm處焊接兩個(gè)對(duì)稱的內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件。內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件為5 mm厚鋼板制成，當(dāng)太陽能電池板在同一位置時(shí)，各排的內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件所處方向相同。同一排兩側(cè)的內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件分別用鋼絲繩通過帶扣依次連接，相鄰內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件連接長(zhǎng)度相同，使同一排太陽能電池板形成聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同一排的水平方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)。

在每一排端部的內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒上，除同排的內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件外，還設(shè)置有多排連接聯(lián)動(dòng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件，與同排內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件垂直，位于其上方10 mm。多排內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件在同一時(shí)刻所處位置相對(duì)于太陽能電池板一致，利用兩條鋼絲繩分別將多排內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件兩側(cè)通過帶扣連接，實(shí)現(xiàn)多排水平方向的統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)。

內(nèi)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)的輸出軸上裝配內(nèi)驅(qū)動(dòng)固定件，與同排內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件位于同一高度，內(nèi)驅(qū)動(dòng)固定件兩側(cè)分別連接水平旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的任意一排的端部或者中間的內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件的兩側(cè)。整體系統(tǒng)水平方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.2 ?整體系統(tǒng)仰角方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu) ?太陽能追蹤系統(tǒng)單體的外旋轉(zhuǎn)套筒下方10 mm處焊接兩個(gè)對(duì)稱的外驅(qū)動(dòng)連接件。外驅(qū)動(dòng)連接件為5 mm厚鋼板制成，安裝時(shí)的位置、方向和連接方式與內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件相同，實(shí)現(xiàn)同一排的仰角方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)。

在每一排端部的外旋轉(zhuǎn)套筒上，除同排的外驅(qū)動(dòng)連接件外，也設(shè)置有多排連接聯(lián)動(dòng)外驅(qū)動(dòng)連接件，與同排外驅(qū)動(dòng)連接件垂直，位于其上方10 mm。安裝時(shí)位置、方向和連接方式與內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件相同，實(shí)現(xiàn)多排的統(tǒng)一仰角方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

外驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)輸出軸裝配外驅(qū)動(dòng)固定件，外驅(qū)動(dòng)固定件兩側(cè)分別連接仰角旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的任意一排的端部或者中間的外驅(qū)動(dòng)連接件的兩側(cè)，安裝高度與同排外驅(qū)動(dòng)連接件高度相同。整體系統(tǒng)仰角方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 ?配置動(dòng)力

整體系統(tǒng)水平方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)仰角方向統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分別采用一套獨(dú)立的水平轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)、仰角轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)均固定在U形安裝基板上，安裝基板固定在支架上，如圖1所示。由于跟蹤過程陽光方向變化緩慢，將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)簡(jiǎn)化為低勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)量與質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率由式（4）、式（5）確定。

式中，P1為內(nèi)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)功率，kW;k為太陽能組件數(shù)量，個(gè);n1為內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度，r/min;μ為圓錐滾子軸承摩擦系數(shù)，μ=0.001 7～0.002 5[11];m1為內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒、內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件、太陽能電池板組件質(zhì)量，kg;R1為內(nèi)驅(qū)動(dòng)連接件的帶扣到支撐軸的距離，m。

式中，P2為外驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)功率，kW;n2為外旋轉(zhuǎn)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度，r/min;m2為太陽能電池板組件質(zhì)量，kg;R2為太陽能電池板中心到支撐軸軸線的距離，m。

3 ?結(jié)論

太陽能技術(shù)的研發(fā)與利用已進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，太陽能資源與設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合既可以節(jié)約生產(chǎn)成本，又符合國(guó)家所倡導(dǎo)的綠色、節(jié)能、環(huán)保的總體要求。為進(jìn)一步提高太陽能電池板的工作效率，綜合考慮了現(xiàn)有太陽能追蹤系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種更加智能和高效的多排布太陽能追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測(cè)太陽光線強(qiáng)弱以判斷太陽的移動(dòng)方向，通過水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度和仰角大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)使太陽能電池板始終垂直于光線。兩個(gè)方向的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在安裝上相互融合，在工作上彼此獨(dú)立，互不影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽光線精確追蹤，減少了能量損失。整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多排之間形成聯(lián)動(dòng)，降低了生產(chǎn)成本。該系統(tǒng)還具有能量轉(zhuǎn)換效率高、能量?jī)?chǔ)存速度快、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，可與多種農(nóng)業(yè)設(shè)施相結(jié)合，為其在溫室栽培、畜牧場(chǎng)養(yǎng)殖等領(lǐng)域的廣泛使用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部.農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》的通知[EB/OL].http：//www.moa.gov.cn/xw/bmdt/201703/t20170310_5514395.htm.2017-03-10.

[2] 梁文躍，鐘錦耀，徐海濤，等.利用疊層一維光子晶體調(diào)控半透明有機(jī)太陽能電池的性能[J].光子學(xué)報(bào)，2018，47（8）：139-146.

[3] PUSHPENDRA K S R，DURG S C，RUDRA P S. Decentralized solar rooftop photovoltaic in India：On the path of sustainable energy security[J].Renewable energy，2019，131：297-307.

[4] LI F L，CHANG Z，LI X C，et al. Energy and exergy analyses of a solar-driven ejector-cascade heat pump cycle[J].Energy，2018，165：419-431.

[5] MOHAMMAD A，MOHAMMAD M. Thermodynamic，thermoeconomic

and life cycle assessment of a novel integrated solar combined cycle（ISCC） power plant[J].Sustainable energy technologies and assessments，2018，27：192-205.

[6] JOSEPH H M. Community-scale assessment of rooftop-mounted solar energy potential with meteorological，atlas，and GIS data：A case study of Guelph，Ontario（Canada）[J].Energy，sustainability and society，2012，2（1）：1-19.

[7] 林 ?源.薄膜太陽能電池的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].化工新型材料，2018，46（6）：57-60.

[8] 劉 ?軍，崔學(xué)偉.基于單片機(jī)的雙模式太陽能充電器的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2018，41（18）：91-96.

[9] 閆孝姮，吳 ?琨，王改華.雙跟蹤模式的智能太陽能追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2015，39（10）：2166-2168.

[10] 楊清學(xué).基于PIC18F4520的太陽能追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（20）：137-139.

[11] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第五版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.