具有保護(hù)功能的并聯(lián)式太陽(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

羅嘉慶，張禮兵，董杭峰，毛張萍

（嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興314001）

1 概述

從18 世紀(jì)60年代開始，經(jīng)歷三次工業(yè)革命，人類對(duì)化石燃料的大規(guī)模使用已經(jīng)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，因此，必須主動(dòng)轉(zhuǎn)變和改進(jìn)傳統(tǒng)的能源體系的構(gòu)成。太陽(yáng)能發(fā)電是最具有前景、最為潔凈、最為可靠以及高性能的能源，具有成本低，利用價(jià)值優(yōu)良，無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在居住分散以及較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，利用太陽(yáng)能發(fā)電顯得非常重要。但要得到較高的集熱溫度，太陽(yáng)能跟蹤裝置必須實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，從已知的實(shí)驗(yàn)證明，在太陽(yáng)能光電中，采用自動(dòng)跟蹤裝置要比不采用時(shí)的接受率高37.7%。自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電裝置包括機(jī)械式[1]、電子式[2]、光電跟蹤[3]和GPS 定位跟蹤[4]，而常用的跟蹤裝置一般都為機(jī)械式，其跟蹤太陽(yáng)精度是影響聚光效果的一個(gè)重要因素?；谔?yáng)能跟蹤機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性，又可以將跟蹤裝置機(jī)構(gòu)分為單軸跟蹤[5]和雙軸跟蹤[6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)單軸和雙軸跟蹤裝置進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[7]通過(guò)設(shè)計(jì)和制作單軸式跟蹤太陽(yáng)能裝置，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，得到了較好的實(shí)驗(yàn)效果。而文獻(xiàn)[8]提出了傳統(tǒng)的單軸跟蹤，采用南北軸水平放置、東西向跟蹤和東西軸水平放置、南北向跟蹤，聚光效率低。雙軸跟蹤能控制復(fù)雜，成本高，耗電量大，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高[9]。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)經(jīng)過(guò)不少于兩個(gè)彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，具有兩個(gè)或者兩個(gè)自由度以上，并且利用并聯(lián)方法驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)，相比較于單軸和雙軸機(jī)構(gòu)，其具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差無(wú)累計(jì)等特點(diǎn)，并且現(xiàn)有的單軸或者雙軸跟蹤裝置，其大多數(shù)不能調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板的高度，僅僅只能改變太陽(yáng)能板的角度，在惡劣天氣的影響下，由于惡劣天氣的原因，始終展開的太陽(yáng)能板會(huì)造成損壞，為了避免惡劣天氣對(duì)光伏發(fā)電裝置造成的影響，一種可調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板高度的保護(hù)機(jī)構(gòu)顯得尤為重要。因此針對(duì)目前太陽(yáng)能跟蹤裝置中存在的問(wèn)題，提出了一種具有保護(hù)功能的并聯(lián)式太陽(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 具有保護(hù)功能的并聯(lián)式太陽(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能跟蹤裝置的方案設(shè)計(jì)

為了盡可能保證太陽(yáng)光照角度以及熱量的損失以及在惡劣天氣條件下進(jìn)行裝置的自我保護(hù)，在設(shè)計(jì)上，太陽(yáng)能光伏支架應(yīng)保證太陽(yáng)能板能實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)方位角的變化并能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)突如其來(lái)的惡劣天氣的影響，應(yīng)使其具有太陽(yáng)能板的角度可調(diào)以及上下滑動(dòng)的功能。為了滿足以上功能，本文設(shè)計(jì)的具有保護(hù)功能的并聯(lián)式太陽(yáng)能跟蹤裝置主要由四個(gè)模塊組成，如圖1 所示，由采光支架模塊、底板模塊、角度調(diào)節(jié)模塊和高度調(diào)節(jié)模塊等組成。并在太陽(yáng)能板一側(cè)安裝風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)速，如果環(huán)境風(fēng)速低于設(shè)置的安全風(fēng)速，則給裝置發(fā)送正常的工作指標(biāo)；如果環(huán)境風(fēng)速高于設(shè)置的安全風(fēng)速，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與伸縮桿聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)太陽(yáng)能板沿著伸縮桿往下滑移并收攏，使其減小迎風(fēng)面積，減小太陽(yáng)能跟蹤裝置受到的風(fēng)載，提高跟蹤裝置的安全性，使其具備抵抗大風(fēng)天氣的能力。同時(shí)，在太陽(yáng)能板的一側(cè)也安裝了追光器，通過(guò)角度調(diào)節(jié)以及高度調(diào)節(jié)模塊自動(dòng)調(diào)整太陽(yáng)能板，使其得到更多的太陽(yáng)能能夠垂直照射在太陽(yáng)能板上，極大地提高了太陽(yáng)能的使用效率。

圖1 雙軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 采光支架模塊

2.2 采光支架模塊

圖3 角度調(diào)節(jié)模塊

如圖2 所示，采光支架模塊即是承載由單晶硅組成的太陽(yáng)能板的支架結(jié)構(gòu)，其材料為Q235 結(jié)構(gòu)鋼，主要由太陽(yáng)能板以及支撐桿組成，本設(shè)計(jì)中的采光支架模塊可安裝16 塊單晶硅板，16 塊板呈正方形并依次連接，安裝后的采光支架的重心在幾何中心上。并在太陽(yáng)能板的一側(cè)安裝追光器，設(shè)計(jì)中所采用的追光策略，涉及兩種傳統(tǒng)的追光模式，傳統(tǒng)的追光模式主要有程序式追光和光電式追光，程序式追光具有累計(jì)偏差等問(wèn)題，而光電式追光具有不穩(wěn)定性以及抗干擾能力差等問(wèn)題，因此本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)擬采用程序式和光電式混合追光的方式來(lái)克服以上的問(wèn)題，使其能保證穩(wěn)定性的前提下還能確保其精度。其主要工作過(guò)程為：（1）通過(guò)檢測(cè)是白天還是晚上，如果是晚上，則整個(gè)系統(tǒng)不工作；如果是白天，則系統(tǒng)根據(jù)程序來(lái)讓追光器來(lái)接受太陽(yáng)能：（2）檢測(cè)是陰天還是晴天，如果是晴天就將追光模式切換到光電模式；如果是陰天則繼續(xù)用程序式追光模式，使太陽(yáng)能的利用效率最大化。

圖4 高度調(diào)節(jié)模塊及底板

2.3 角度調(diào)節(jié)模塊

如圖3 所示，太陽(yáng)能板與底板之間三等分設(shè)置用于調(diào)節(jié)太陽(yáng)能角度的角度調(diào)節(jié)模塊，其主要由三個(gè)傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)裝置組成，用萬(wàn)向節(jié)與太陽(yáng)能底板通過(guò)鉸接相連，使得其調(diào)節(jié)角度更加精準(zhǔn)。而傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)裝置又由電機(jī)、電機(jī)傳動(dòng)軸、傳動(dòng)帶、彈簧以及連桿組成。一方面，連桿與底座鉸接的一側(cè)設(shè)傳動(dòng)齒輪，各個(gè)傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)裝置聯(lián)動(dòng)配合另一方面，傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)裝置主要通過(guò)利用電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶帶動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板的角度以及高度的調(diào)節(jié)。其工作過(guò)程為：（1）當(dāng)其不是惡劣天氣時(shí)，傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)萬(wàn)向節(jié)來(lái)帶動(dòng)太陽(yáng)能板的角度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的任意角度的跟蹤；（2）當(dāng)其為惡劣天氣時(shí)，傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)裝置與伸縮桿相互配合帶動(dòng)太陽(yáng)能板沿著伸縮桿往下滑移，帶動(dòng)太陽(yáng)能板下降收攏，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能跟蹤裝置的保護(hù)。

2.4 高度調(diào)節(jié)模塊

高度調(diào)節(jié)模塊主要由伸縮桿組成，如圖4 所示，而伸縮桿又由兩個(gè)可以相對(duì)滑移的空心伸縮管組成，其作為采光支架的支撐與高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其要求是承載性好，輕質(zhì)靈活靈活，體積較小。為了滿足以上要求，其材料采取Q235 結(jié)構(gòu)鋼。伸縮桿底部與底板連接，其頂部與萬(wàn)向球鉸接，實(shí)現(xiàn)支撐和角度調(diào)節(jié)的功能。

2.5 底板模塊

太陽(yáng)能底板主要由底座，安裝座以及連接座等部分組成，如圖4 所示。底座為梯字形結(jié)構(gòu)，連桿同鉸接設(shè)置在底座上端，其中底座設(shè)置在底板上，其采用雙側(cè)分別安裝連桿的方式，減少連桿之間的干涉，同時(shí)能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分別設(shè)置在兩側(cè)，互不干涉，使其高效工作。太陽(yáng)能底座上設(shè)有安裝座，連桿與安裝座之間設(shè)有連接座，連接座與安裝座通過(guò)螺紋進(jìn)行連接，利用連接座直接與安裝座之間的連接，保證連桿機(jī)構(gòu)能夠直接帶動(dòng)太陽(yáng)能板實(shí)現(xiàn)角度與高度的調(diào)節(jié)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)太陽(yáng)能跟蹤裝置研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并針對(duì)太陽(yáng)能跟蹤裝置中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套具有保護(hù)功能的并聯(lián)式太陽(yáng)能跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤，提高光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率。該裝置不僅能夠提高太陽(yáng)能跟蹤裝置的剛度，而且還能在惡劣天氣條件下對(duì)太陽(yáng)能跟蹤裝置進(jìn)行有效保護(hù)。所設(shè)計(jì)的裝置具有成本低和實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，為太陽(yáng)能跟蹤裝置設(shè)計(jì)與推廣提供了良好的參考價(jià)值。