一種集成式追光光伏發(fā)電冷柜的設(shè)計研究

孫赫男，鄭大宇， 熊 雪， 李學(xué)秀

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱150028)

隨著石油、煤炭和天然氣等化石能源的不斷減少，人們對于可再生能源的需求不斷增加，其開發(fā)和利用也備受人們關(guān)注.在國家政策的大力支持下，利用太陽能的相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生能源的方式越來越受到重視.相對而言，太陽能比其他能源更容易獲得，不需要額外的成本且不需要過多的線路傳輸，所以在電力輸送不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)以及景區(qū)等空曠場地具有更好的使用價值[1].

目前絕大多數(shù)的冷藏用制冷裝置都是利用電網(wǎng)提供的交流電能，對壓縮機(jī)供電，從而使制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行.但是在運(yùn)輸或者野外等特殊條件下，現(xiàn)有的電網(wǎng)無法對制冷裝置提供所需電能，制冷系統(tǒng)無法運(yùn)行.因此，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)組合在一起，設(shè)計并開發(fā)適用性強(qiáng)、制冷效果較好的制冷裝置,具有非常現(xiàn)實(shí)的意義以及廣闊的市場需求[2].本文采用了對日跟蹤伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計出適用于電冰箱的單軸 追光式光伏板，光伏板隨著日光的變化追光轉(zhuǎn)動，確保太陽能電池板所吸收的光能最大化[3].本文旨在利用太陽能，通過所設(shè)計的單軸追光機(jī)構(gòu)優(yōu)化冷藏用制冷裝置，大大提高太陽能使用效率，從而提高制冷系統(tǒng)的性能.為較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，景區(qū)等提供更好的節(jié)能冷藏方式，推動更加便捷的用電生活方式.

1 光伏系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

該制冷裝置整體主要由光電傳感器、控制電機(jī)、蓄電池、追光系統(tǒng)這四個部分組成.其中控制電機(jī)屬于核心控制器，包括PLC控制步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī).追光系統(tǒng)的部分是實(shí)現(xiàn)追光方式并且大大提高太陽能的使用效率的主要機(jī)構(gòu).如圖1所示，為該裝置的整體方案設(shè)計，從圖1中可以看出從太陽光的收集到太陽能電池板發(fā)電的全過程.

圖1 總體方案框架圖Figure 1 Framework diagram of the overall scheme

1.2 追光系統(tǒng)設(shè)計

本文采用了對日跟蹤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，創(chuàng)新性地將多個追光微元板集成一體：裝置整體呈板狀，采用單元光伏板與伺服電機(jī)一一匹配的方式實(shí)現(xiàn)了多個單元光伏板的同步追光，且每一單元的光伏板都可以實(shí)現(xiàn)追光轉(zhuǎn)動.由于整體裝置呈板狀，所以整體的長度與寬度取決于光伏板的規(guī)格與數(shù)量.該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計更為精巧：支架與伺服電機(jī)本身選取的尺寸就較小，并且僅通過一對光敏電阻即可實(shí)現(xiàn)多個伺服電機(jī)的聯(lián)動.由于單軸連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用(其中單軸旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～240°，該旋轉(zhuǎn)范圍較大).大大提高了太陽光的收集效率.如圖2所示，為光伏板整體結(jié)構(gòu)，其中可清晰看出有20塊小光伏板為20個“小單元”，每4塊小光伏板為一組，分5行排列，做成的結(jié)構(gòu)有序排列在箱門上，這些光伏板一共有三個動作：1)繞定軸左右擺動，考慮到結(jié)構(gòu)需要扁平化[4],所以該動作的實(shí)現(xiàn)采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)(如圖3示)，一長蝸桿上同時嚙合4個小蝸輪實(shí)現(xiàn)光伏板的同步擺動，即橫向每4個光伏板為一組實(shí)現(xiàn)該動作；2)繞定軸的旋轉(zhuǎn)，該動作的實(shí)現(xiàn)主要采用同步帶傳動，其中同步帶蛇形排列(如圖4所示)，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，蝸輪蝸桿減速器輸出力矩與扭矩；3)使整體裝置伸出箱體，該動作通過擺動滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)(如圖5所示)，兩側(cè)采用蝸輪蝸桿作為電機(jī)的減速器輸出力矩，該動作的目的是使光伏板采光不受箱體的遮擋，采光更充分.

圖2 光伏板整體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖(右)后視圖(左)Figure 2 Side view of the overall structure of photovoltaic panels (right) and rear view (left)

圖3 渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)Figure 3 Turbine worm structure

圖4 同步帶蛇形排列方式Figure 4 Serpentine arrangement of synchronous belts

圖5 擺動滑塊機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動簡圖Figure 5 Swing slider mechanism and its motion diagram

該追光系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，符合設(shè)計要求，前后厚度在250 mm左右，也比較符合實(shí)際應(yīng)用的要求.

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本文執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由兩種伺服電機(jī)構(gòu)成，選擇該兩種電機(jī)原因如下：第一種為追光系統(tǒng)動作一所需的電機(jī).研究時發(fā)現(xiàn)：光電跟蹤中，當(dāng)兩端光敏元件所感受到的太陽光差值較大時控制器開始控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)兩端光照強(qiáng)度數(shù)值相同時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動.時控跟蹤中，太陽每小時移動的角度為15°，則從早6：00至晚18：00太陽共轉(zhuǎn)動180°角，我們每2 h讓電機(jī)轉(zhuǎn)動1次，可以得出光伏板每次轉(zhuǎn)動的角度為30°.

從光電追蹤與時控追蹤中可以看出，光伏板的轉(zhuǎn)速十分緩慢，需要較大的減速比，由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動平穩(wěn)，噪音小且具有自鎖性[5]，所以選用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速比的設(shè)計，經(jīng)過一系列計算可以得出整個轉(zhuǎn)動過程要在3 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此電機(jī)可以選用42系列型號為42HB60B的步進(jìn)電機(jī).

第二種為追光系統(tǒng)動作二與動作三所需電機(jī).在此動作的設(shè)計過程中，只用到一個電機(jī)對整體進(jìn)行驅(qū)動，此電機(jī)與上面提到的42系列42HB60B步進(jìn)電機(jī)相比，工作情況要求上大體一致，但是所需力矩更大，電機(jī)工作過程中不要求轉(zhuǎn)速，光伏板可以在一定時間內(nèi)平穩(wěn)緩慢完成此動作[6].所以此處選用60系列型號為60ST-M01330的伺服電機(jī).

1.4 控制系統(tǒng)

由于結(jié)合本設(shè)計的應(yīng)用場景，本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用了PLC的控制系統(tǒng)，因?yàn)槠溥m合方位、溫度等的各種工業(yè)操控且其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，可大大減少后期維修成本.

1.5 光電追蹤

光電追蹤方式的基本原理是通過傳感器將不同的光信號傳遞給處理器，處理器通過對比這些信號，對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)送指令從而進(jìn)行角度調(diào)整以達(dá)到追蹤太陽位置的目的.其中傳感器采用的是光敏原件，它的光強(qiáng)檢測模塊主要是采集光強(qiáng)等物理信息，這也是追光裝置精確感知光照強(qiáng)度的重要元件.

光敏傳感器是一種基于內(nèi)光電效應(yīng)的PN結(jié)器件.在受到光照時，光導(dǎo)電體被激發(fā)產(chǎn)生空穴和自由電子，并在外加電場的作用下作相向的漂移運(yùn)動，由此光導(dǎo)電體的電阻率發(fā)生顯著變化，即光敏電阻器的電阻值會隨入射光線的強(qiáng)弱而改變[7].

在追光式光伏板其中一塊太陽能電池微元板上固定一對光敏傳感器，而光敏傳感器左右對稱的固定在一個太陽能電池單元上.其作用原理是：光敏傳感器將光信號反饋給光敏電阻模塊，光敏電阻模塊又將比較處理過的光信號交付于控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)不同強(qiáng)度的光信號控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而帶動太陽能電池板進(jìn)行追光運(yùn)動[8].如圖6為光敏電阻在電池板上放置的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖6 光敏電阻在電池板上的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Schematic diagram of the structure of the photoresistor on the battery board

2 光伏系統(tǒng)供電特性實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

按上述方案將實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接好后，我們接入一個功率為50 W，電阻為20 Ω的電阻器來模擬負(fù)載的冷藏部分，其中太陽能電池板要選用功率相同的固定式光伏板與追光式光伏板進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn).而且進(jìn)行了晴朗天氣與多云天氣的對照實(shí)驗(yàn)，豐富了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具客觀性.表1為選用的設(shè)備及其參數(shù).

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

2.2 晴朗天氣下光伏板的供電特性實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)將光伏板朝南、傾斜30°固定放置.選取哈爾濱地區(qū)晴天下進(jìn)行測試，時間為2020年9月28日，當(dāng)日日出時間為5：26，晝長11h56min，選取時間段6：00～18：00作為記錄周期.圖7為光伏板處太射強(qiáng)度隨時間變化曲線.

圖7 光伏板處太陽輻射強(qiáng)度隨時間變化曲線Figure 7 The curve of solar radiation intensity at the photovoltaic panel with time

從曲線可以看出，在當(dāng)日8:00之前，太陽輻射較弱，太陽未升起時，即使無直射光照，但由于大氣層對陽光的反射，仍有一定的光照強(qiáng)度，同樣，日落后，仍有較弱的光照強(qiáng)度[9].

隨后根據(jù)裝置所取數(shù)據(jù)，分別對固定式光伏板與追光式光伏板電壓、電流變化情況作出了研究.從數(shù)據(jù)可以看出：在晴天時，光伏板輸出的電流、電壓的總體趨勢與太陽照射強(qiáng)度大體一致，追光式光伏板的電壓最高值為17.8V，電流為3.5A；固定式光伏板的電壓最高值為17.8V，電流為3.4A.從曲 線的波動程度和上升趨勢來看，追光式光伏板達(dá)到峰值電流及峰值電壓的速率更快，在陽光最為充足的午間，電流和電壓輸值都比較高，同時追光式光伏板實(shí)現(xiàn)了對太陽位置的追蹤，電壓和電流的輸出更為平穩(wěn).

圖8所示為固定式太陽能電池板與追光式太陽能電池板的發(fā)電功率對比曲線圖.圖9為兩者的發(fā)電總量曲線圖.可以看出追光式光伏板的日總計發(fā)電量為526.7 W·h，固定式光伏板的日總計發(fā)電量為391.9 W·h.

由上述數(shù)據(jù)計算可得：天氣晴朗時，追光式光伏板的轉(zhuǎn)換率為13.2%，固定式光伏板的轉(zhuǎn)換率為11.1%，使用追光方式后的光伏板，光電轉(zhuǎn)換效率提高了19%，有明顯的發(fā)電優(yōu)勢和實(shí)用價值[10].表2為兩者的具體對比數(shù)據(jù).從中也可看出追光式光伏板的優(yōu)勢.

圖8 太陽能電池板發(fā)電功率Figure 8 Solar panel power generation

圖9 太陽能電池板總計發(fā)電量Figure 9 Total power generation from solar panels

表2 追光式光伏板與固定式光伏板數(shù)據(jù)對比Table 2 Data comparison between the tracking photovoltaic panel and the fixed photovoltaic panel

2.3 多云天氣下光伏板的供電特性實(shí)驗(yàn)

選取哈爾濱地區(qū)多云天氣下進(jìn)行測試，時間為2020年10月18日，當(dāng)日日出時間為5：50，晝長10h50min，選取時間段6：00～18：00作為記錄周期.圖10為太射強(qiáng)度隨時間變化曲線.從圖10中可以看出：當(dāng)日太陽照射強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)如圖所示.多云天氣下由于云層反射太陽輻射量，故輻射強(qiáng)度波動較大，總輻射量也相應(yīng)較小.

同理，也對光伏板隨電壓、電流的變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，從而可以看出：在多云天氣下，太陽能電池板的輸出電流、電壓都受到了比較大的影響，追光式光伏板的電流最高值為 1.3A，電壓17.7V.固定式光伏板的電流最高值為1.2A，電壓為17.6V.曲線總體呈現(xiàn)先上升、后平穩(wěn)，再下降的趨勢.

圖10 太陽輻射強(qiáng)度隨時間變化曲線Figure 10 Curve of solar radiation intensity with time

圖11 太陽能電池板的發(fā)電功率Figure 11 The power generated by the solar panel

從波動程度來看，追光式光伏板和固定式光伏板的輸出電流差距在0.1～0.2A的范圍內(nèi)，說明在多云陰天時，追光式光伏板的工作情況也有影響，但總體上看還是比固定式傳統(tǒng)的光伏板效果好很多.

雖然在多云條件下，追光式光伏板的工作情況受到了天氣的影響，但追光式光伏板的發(fā)電功率還是比光伏板好；見圖11.再對發(fā)電功率的曲線進(jìn)行積分[11]，得出追光式光伏板和固定式光伏板的累計發(fā)電量曲線，如圖12.追光式光伏板的日總計發(fā)電量為146.2 W·h，固定式光伏板的日總計發(fā)電量為174.3 W·h[12-15].

圖12 累計發(fā)電量Figure 12 Cumulative power generation

在陰云多雨時，追光式光伏板的轉(zhuǎn)換率為12.6%，而固定式光伏板的轉(zhuǎn)換率為10.8%，明顯采用追蹤后的光伏板發(fā)電效率更高，其光電轉(zhuǎn)換效率提升了17%.表3為陰天時的固定光伏板和追光式光伏板的對比情況.從表3中可明顯看出追光式光伏板的優(yōu)勢.

表3 追光式光伏板與固定式光伏板對比

3 結(jié) 語

本文通過對整體光伏系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型和研究等，實(shí)現(xiàn)了單軸自動追光式光伏板的設(shè)計.通過實(shí)驗(yàn)的方式得到在晴朗天氣下和陰雨天氣下固定式光伏板與追光式光伏板的發(fā)電量等數(shù)據(jù)的對比，證明了追光式太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于傳統(tǒng)固定式太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率.