基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置的設(shè)計與研究

歐佳順

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，長沙 410123)

0 引言

我國在日常生產(chǎn)生活中的電能需求較大，甚至會出現(xiàn)供電缺口。據(jù)報道，在2020年年底時，我國由于電力供應形勢緊張，只能實現(xiàn)有序用電，對人們的生產(chǎn)生活會產(chǎn)生一定影響，因此需要實現(xiàn)多元化電力供應。為了環(huán)保及能源可持續(xù)利用，新能源發(fā)電在所有發(fā)電形式中的占比越來越高，其中，太陽能發(fā)電由于地域限制小而受到青睞。太陽能是一種穩(wěn)定且用之不竭的清潔綠色能源，每天以1.2×105MW的能量照射在地球表面，具有滿足日益增長的世界電力需求的巨大潛力[1]。鑒于太陽能的眾多優(yōu)點，太陽能發(fā)電日益成為全球新能源產(chǎn)業(yè)中裝機規(guī)模增長最快且取得較大成果的新能源發(fā)電形式[2]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，太陽能發(fā)電在所有新能源發(fā)電形式中的占比正以30%的速度逐年增長[3]。

光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電的主要形式之一，光伏組件是其中重要的發(fā)電設(shè)備。然而當光伏組件采用固定傾角安裝方式時，不能保證其與太陽直射光線實時垂直，導致其光電轉(zhuǎn)換效率不能達到最佳。因此，可以加裝光伏組件自動跟蹤裝置，以實現(xiàn)對太陽直射光線的實時跟蹤。根據(jù)研究顯示，若能保證光伏組件時刻與太陽直射光線垂直，則可以使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提高34%，因此研究光伏組件自動跟蹤裝置具有較大的社會意義和社會價值。

本文基于空氣熱力學原理，以光、氣、熱作為混合動力源，從理論可靠性出發(fā)，對光伏組件自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并對其工作原理進行了分析，研究設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強、低耗能的基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置。

1 光伏組件自動跟蹤裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當前，研究人員已對光伏組件自動跟蹤裝置進行了大量的研究。比如：SKOURI等[4]和NARASIMHAN等[5]分別利用拋物面聚光鏡和調(diào)棱鏡，實現(xiàn)了光調(diào)節(jié)定位，從而使太陽能達到最大程度的吸收。BARBOSA等[6]和FATHABADI等[7]設(shè)計了一種高精度無傳感器的開環(huán)控制算法的光伏組件自動跟蹤裝置，可以有效提升雙軸跟蹤器的跟蹤精度，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率可提高約19.6%。PARTHIPAN等[8]利用2個傳感器，設(shè)計了一種閉環(huán)控制的單軸自動太陽跟蹤系統(tǒng)。HONG等[9]和FERDAUS等[10]設(shè)計了一種采用太陽能映射規(guī)律和基于光電傳感器的連續(xù)跟蹤機制，使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提高了約34.4%。張屹等[11]設(shè)計了一種基于GPS定位的光伏組件自動追光系統(tǒng)，有效提高了光伏組件的跟蹤精度和跟蹤穩(wěn)定性。崔之超[12]設(shè)計了一種并聯(lián)型太陽能自動跟蹤裝置，該裝置采用3個鉸鏈并聯(lián)支撐與傳動的方式，對支撐和傳動結(jié)構(gòu)進行了改進優(yōu)化；但該自動跟蹤裝置由3個步進電機分別控制3個鉸鏈轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)較為笨重，能源消耗量較大。王正等[13]設(shè)計了一種基于光電自動跟蹤和人為矯正2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)的電力消耗，并提高了跟蹤準確度。李強等[14]設(shè)計了一種光伏電站自動跟蹤集散控制系統(tǒng)，利用集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)集中控制。張順心等[15]設(shè)計的并聯(lián)球面跟蹤設(shè)備和賀新升等[16]設(shè)計的三自由度并聯(lián)裝置，均是通過支撐安裝部分上的調(diào)節(jié)機構(gòu)使光伏組件的絕大部分重力被光伏支架承擔，利用3根鋼絲繩改變光伏組件的位姿，從而達到減少驅(qū)動執(zhí)行部件的電能消耗、提高最終發(fā)電量的目的。

由于目前國內(nèi)外針對光伏組件自動跟蹤裝置的研究主要集中在控制算法方面，因此控制算法的研究相對較成熟，但基本都是采用由電機驅(qū)動的單、雙軸自動跟蹤方式，導致裝置的整體結(jié)構(gòu)笨重、成本昂貴，且需要額外消耗光伏組件產(chǎn)生的電能。也有極少的研究人員研究了如何減小光伏組件自動跟蹤裝置在跟蹤轉(zhuǎn)動時所消耗的能量，但是技術(shù)尚不夠成熟，難以推廣。因此，為了解決光伏組件自動跟蹤裝置在光伏組件傾角調(diào)節(jié)過程中的高電能消耗問題，實現(xiàn)低電能或零電能消耗，并適應不同太陽輻射強度條件下光伏組件的精準自動跟蹤定位，本文設(shè)計了一種基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置。

2 基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置的系統(tǒng)方案原理設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)光伏組件自動跟蹤裝置在光伏組件傾角調(diào)節(jié)過程中電能消耗較大及光伏組件采用固定傾角安裝時其光電轉(zhuǎn)換效率未達到最佳的問題，本文研究設(shè)計了一種光伏組件自動跟蹤裝置。該裝置根據(jù)不同太陽輻射強度條件，分別采用2種動力源驅(qū)動。這2種動力源分別為：在高太陽輻射強度條件下，基于空氣熱力學原理，由光、氣、熱產(chǎn)生的熱氣源，以及在低太陽輻射強度條件下額外補充的輔助氣源。

本文設(shè)計的光伏組件自動跟蹤裝置的工作原理為：在太陽輻射強度較高的情況下，該自動跟蹤裝置由基于空氣熱力學熱膨脹原理的熱氣源來驅(qū)動，密封容積內(nèi)的氣體被加熱后會膨脹，驅(qū)動伸縮氣缸里面的活塞伸縮，以實現(xiàn)光伏組件傾角的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)零電能消耗。在太陽輻射強度較低的情況下，當控制模塊判斷出熱氣源不足以提供伸縮氣缸所需要的壓力，此時輔助氣源打開，給伸縮氣缸提供動力，從而實現(xiàn)低太陽輻射強度條件下光伏組件傾角的調(diào)節(jié)，達到光伏組件自動跟蹤裝置驅(qū)動能耗最少的效果。

為了能夠有效判斷太陽輻射強度的高低，本文設(shè)計的光伏組件自動跟蹤裝置采用了雙光感傳感器，從而可以實現(xiàn)任意太陽輻射強度條件下氣源的自動切換。本光伏組件自動跟蹤裝置中氣源的切換原理示意圖如圖1所示。

3 基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)方案原理設(shè)計，對基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)進行了整體設(shè)計，該光伏組件自動跟蹤裝置主要包括動力源模塊、執(zhí)行模塊、檢測模塊、控制模塊、支撐模塊等部分。整個裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在本光伏組件自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)中：

1)動力源模塊分為2個部分，分別是基于空氣熱力學的熱氣源和輔助氣源。熱氣源部分由均布于光伏組件四邊的拋物面聚光鏡、熱敏氣缸、L型固定支架組成；輔助氣源部分由儲氣罐組成，可以為每個光伏組件自動跟蹤裝置均配置1個輔助氣源，也可以由1個輔助氣源同時供多個光伏組件自動跟蹤裝置使用。

2)執(zhí)行模塊由4個伸縮氣缸及氣管組成。

3)檢測模塊由分布于光伏組件四邊的2個光感傳感器組成，分別安裝于光伏組件四邊和支撐模塊的L型固定支架上。

4)控制模塊主要由單片機模塊、氣閥控制模塊組成。

5)伸縮氣缸的底部與支撐模塊通過銷釘連接，伸縮氣缸與光伏組件通過中心球鉸鏈連接。

3.1 工作原理分析

高太陽輻射強度條件下，本光伏組件自動跟蹤裝置的工作原理簡圖如圖3所示。

圖3 高太陽輻射強度條件下基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置的工作原理簡圖Fig. 3 Working principle schematic diagram of PV modules automatic tracking device based on air thermodynamic hybrid drive under high solar radiation intensity

當太陽輻射強度較高時，該光伏組件自動跟蹤裝置的氣閥控制模塊打開，有桿腔和無桿腔連通，實現(xiàn)差動連接；當裝置左側(cè)的熱敏氣缸被拋物面聚光鏡匯聚的太陽光線加熱，缸內(nèi)的氣體膨脹，進入到右側(cè)的伸縮氣缸，從而驅(qū)動右側(cè)的伸縮氣缸里面的活塞伸出，同時左側(cè)伸縮氣缸的控制氣閥打開排氣口，伸縮氣缸被壓縮，光伏組件向逆時針方向旋轉(zhuǎn)一定角度，從而實現(xiàn)光伏組件傾角的調(diào)節(jié)。而轉(zhuǎn)動一定角度后，裝置左側(cè)的熱敏氣缸不再被太陽光線照射，停止加熱，則其內(nèi)部氣體不再膨脹，無法再給伸縮氣缸提供氣體來源，因此伸縮氣缸里面的活塞不能繼續(xù)伸出，停止光伏組件角度移動。若光伏組件轉(zhuǎn)動角度過大，則裝置右側(cè)的熱敏氣缸因太陽光線照射而被加熱，從而給裝置左側(cè)的伸縮氣缸提供熱氣源，光伏組件按順時針方向轉(zhuǎn)動。上述操作能保證太陽直射光線與光伏組件保持實時動態(tài)垂直。

對本光伏組件自動跟蹤裝置的驅(qū)動力進行分析。忽略氣體泄漏，當其中一側(cè)熱敏氣缸被加熱時，設(shè)熱敏氣缸內(nèi)的壓力為P1，由于是差動連接，所以有桿腔和無桿腔的壓力都一樣，均為P1；外界阻力為F1，無桿腔面積為A1，有桿腔面積為A2，則該光伏組件自動跟蹤裝置受到的合力F可表示為：

由于A1、A2、F1是固定值，所以當P1增大時，F(xiàn)也增大；當F≥0時，此時可以驅(qū)動伸縮氣缸里面的活塞伸出；當F＜0時，不能驅(qū)動伸縮氣缸里面的活塞伸出。

在太陽輻射強度不高的情況下，則由單片機模塊根據(jù)光感傳感器的檢測結(jié)果來控制氣閥控制模塊的開啟，從而與輔助氣源連通，為相應的伸縮氣缸提供氣源，以驅(qū)動光伏組件自動跟蹤裝置旋轉(zhuǎn)一定的角度。

3.2 基于空氣熱力學的氣源設(shè)計與原理分析

為了提高熱氣源的靈敏度，采用拋物面聚光鏡的聚光原理，可以對熱敏氣缸表面進行快速加熱，使熱敏氣缸內(nèi)的氣體膨脹，從而驅(qū)動伸縮氣缸里面的活塞伸縮。

當太陽光線斜射時，聚光點不在熱敏氣缸表面上，則熱敏氣缸不會被加熱；當太陽光線與拋物面聚光鏡表面垂直并開始轉(zhuǎn)向時，聚光點開始投射在熱敏氣缸的表面上，此時熱敏氣缸被加熱。太陽光線聚光點是否在熱敏氣缸表面時的原理圖如圖4所示。

圖4 太陽光線聚光點是否在熱敏氣缸表面的原理圖Fig. 4 Schematic diagram of whether focus point of sunlight is on the surface of thermal cylinder

由理想氣體狀態(tài)方程可知：

式中：P為熱敏氣缸的內(nèi)部壓強，Pa；V為熱敏氣缸內(nèi)部氣體的體積，m3；T為熱敏氣缸內(nèi)部溫度，K；n為熱敏氣缸內(nèi)部氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)(也稱為普適氣體恒量)，J/(mol·K)。

由式(2)可知，當熱敏氣缸被加熱時，T會增加，由于n、R沒有變，所以P和V會相應變大，熱敏氣缸內(nèi)部氣體膨脹，壓強足夠給伸縮氣缸提供動力，從而使伸縮氣缸里面的活塞伸出。

3.3 雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)不同太陽輻射強度條件下光伏組件傾角的調(diào)節(jié)，本光伏組件自動跟蹤裝置采用了雙光感傳感器模塊，用于判定太陽輻射強度的高低，從而給控制模塊進行反饋。雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝方式如圖5所示。圖中：γ指L型固定支架與光伏組件之間的角度。

圖5 雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝方式Fig. 5 Structure design and installation mode of dual light sensor module

本光伏組件自動跟蹤裝置具有一定的抗干擾性。在雙光感傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，第1光感傳感器、第2光感傳感器均放置于V型槽中，防止側(cè)面光線對光感傳感器的干擾；第1光感傳感器安裝在光伏組件四邊，第2光感傳感器安裝在L型固定支架上；2個光感傳感器不在同一條直線上，錯開安裝，以避免2個光感傳感器同時接收相近太陽輻射強度的太陽光線，如圖5a所示。為避免第1光感傳感器擋住第2光感傳感器的光線，L型固定支架與光伏組件的邊框成角度γ，如圖5b所示。

3.4 檢測原理及控制算法設(shè)計

本光伏組件自動跟蹤裝置具體的太陽輻射強度檢測原理為：當?shù)?光感傳感器接收的太陽輻射強度大于第2光感傳感器接收的太陽輻射強度一定值時，說明此時太陽輻射強度充足，單片機模塊做出判斷，此時不需要由輔助氣源給伸縮氣缸提供動力，而是以熱氣源作為動力源；當?shù)?光感傳感器、第2光感傳感器接收的太陽輻射強度接近時，表示太陽光線同時照射到了2個光感傳感器上，單片機模塊做出判斷，此時光伏組件的傾角未及時進行調(diào)節(jié)，說明熱氣源不足以驅(qū)動伸縮氣缸，需要輔助氣源作為動力源給伸縮氣缸提供動力，驅(qū)動光伏組件進行傾角調(diào)節(jié)。

4 仿真結(jié)果分析

利用Pro/ENGINEER對本文設(shè)計的基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置建立三維模型，模擬實際高太陽輻射強度條件(5～6 J/(min·cm2))，在 Ansys Fluent軟件中建立理想狀態(tài)下熱敏氣缸的溫度與壓強的關(guān)系模型。經(jīng)過仿真分析得到，在太陽輻射強度達到一定值時，熱敏氣缸內(nèi)部壓強隨著其內(nèi)部溫度的增加而增加，經(jīng)過一段時間后可以推動一定負載運動，且太陽輻射強度越大，熱敏氣缸的反應越靈敏，即可實現(xiàn)無電機驅(qū)動的光伏組件傾角調(diào)節(jié)。經(jīng)過模型仿真得到的仿真結(jié)果為：光伏組件傾角調(diào)節(jié)誤差在 1°～2°以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置在不同太陽輻射強度條件下，根據(jù)空氣熱力學的膨脹原理通過不同動力源驅(qū)動伸縮氣缸里面的活塞伸縮，無需外接電力驅(qū)動，實現(xiàn)了零電能消耗；通過雙光感傳感器的檢測，可以實現(xiàn)太陽輻射強度高低的判定，并且有效切換到不同太陽輻射強度條件下的動力源，適應不同的太陽輻射強度環(huán)境；光感傳感器的V型槽可以有效抵抗側(cè)面光線對光感傳感器的干擾，抗干擾性強；采用差動連接，可以在熱膨脹壓力增長較小的情況下，有效且快速地將伸縮氣缸里面的活塞伸出，增強了裝置的靈敏度。經(jīng)過仿真分析，可知該光伏組件自動跟蹤裝置在太陽輻射強度達到一定條件時可以有效驅(qū)動伸縮氣缸內(nèi)部的活塞伸出，實現(xiàn)無電機驅(qū)動的光伏組件傾角調(diào)節(jié)，仿真誤差值在 1°～2°之間。

本光伏組件自動跟蹤裝置的設(shè)計與傳統(tǒng)的光伏組件自動跟蹤裝置的設(shè)計相比有較大的創(chuàng)新及較多優(yōu)點，其省去了傳統(tǒng)的單、雙軸電機控制驅(qū)動裝置，整體結(jié)構(gòu)更簡單，便于安裝與調(diào)節(jié)，成本低廉，具有較強的市場推廣價值。后續(xù)將對設(shè)計的基于空氣熱力學混合驅(qū)動的光伏組件自動跟蹤裝置進行試驗臺的搭建，進行相關(guān)實際參數(shù)的試驗，為本光伏組件自動跟蹤裝置的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)參考。