基于新型半導(dǎo)體的追光發(fā)電裝置的設(shè)計與仿真

杜宇帆，張 帥，崔 浩，丁 羽

（塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，843300，新疆阿拉爾）

作為新能源的重要組成部分，太陽能具有取之不盡、用之不竭、綠色環(huán)保、分布廣泛等優(yōu)點，日益受到重視和青睞。隨著太陽能光伏板發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，光伏系統(tǒng)的發(fā)電能力自然成為業(yè)界關(guān)注的焦點[1]。

一般將太陽能光伏系統(tǒng)分為固定系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)兩類。在太陽能電池板上，由于太陽具有間歇性和強度、方向時變等特點，當(dāng)光線垂直于光伏陣面時，發(fā)電量最大。采用固定光伏系統(tǒng)不能實現(xiàn)對太陽能的充分利用，所以自動探測太陽光，并控制PV 板自動跟蹤太陽的方向，使得光伏電池板總是與太陽光線垂直，能極大地提高太陽能的利用率。

由于南疆獨具特色的氣候地理特征，利用新疆自然氣候條件，大力開發(fā)太陽能，利用現(xiàn)代化技術(shù)把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，是綠色建筑的目的之一。同時新疆地廣人稀，很多地方?jīng)]有人類涉足，于是很多人前往新疆勘探甚至是野外露營探險；但因為很多地方荒無人煙，用電便成了難題，所以我們團隊便根據(jù)新疆自然氣候條件想到了太陽能發(fā)電。我們團隊經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在南疆地區(qū)利用太陽能電池板作為發(fā)電裝置，由于大部分太陽能電池板的主要材料為硅，制作成本較高，體積較為龐大，而且制作使用的過程中還會對環(huán)境產(chǎn)生污染，因此太陽能電池板不適合用作野外供電裝置，于是我們決定開發(fā)一種新型太陽能發(fā)電裝置，以響應(yīng)國家開發(fā)清潔能源的號召，增加一種新的清潔能源獲取方式，為南疆能源發(fā)展作出一份貢獻。

1 追光發(fā)電研究現(xiàn)狀

自動追光系統(tǒng)一直是國內(nèi)外研究的熱點。1997—2002 年，美國開發(fā)了四款自動跟蹤系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中早期的一種是單軸跟蹤系統(tǒng)，它將太陽能跟蹤設(shè)備的工作效率提高15%，同時它還具有體積小、安裝方便等優(yōu)點。在加利福尼亞州誕生了一款采用菲涅爾鏡頭的雙軸自動追光系統(tǒng)。菲涅爾透鏡是一種平面聚光鏡，它具有質(zhì)量輕、價格低廉等優(yōu)點，并且能夠在不同方向吸收入射光，并能吸收散射光。這種方法可以在單位面積上增加硅光電池板的接收效率，從而提高太陽能的利用率[2]。此外，Joe1.H.Goodman 公司開發(fā)了一種自動跟蹤系統(tǒng)，它能根據(jù)太陽的方位，從東到西跟蹤太陽[3]。還有Arizona 大學(xué)研制的自動追光系統(tǒng)，是一種電機控制裝置，整個機架采用鋁制材質(zhì)，在保證高強度的同時，又能保證工作強度，并具有廣泛的應(yīng)用范圍[4]。

目前，我國也對自動追光系統(tǒng)進行了深入的研究，其中電磁式、重力式、電動式等自動追光裝置得到了廣泛的應(yīng)用。這些裝置都是通過采集光電傳感器的光強偏差信號來識別方位，再通過后置電路進行處理，處理器發(fā)出控制信號，從而驅(qū)動和控制步進電機進行調(diào)整，實現(xiàn)對太陽的追蹤。這種方式被稱為光電追蹤方式，此方式具有光敏感度高、構(gòu)造簡潔、適合量產(chǎn)化等優(yōu)點，但是難以適應(yīng)復(fù)雜的氣象狀況，遇到光強較弱的天氣時，會引起執(zhí)行機構(gòu)的錯誤運行[5-7]。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

在熱溫差材料領(lǐng)域，新型半導(dǎo)體材料通過光聚能使半導(dǎo)體兩端形成溫差從而發(fā)電，實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。其轉(zhuǎn)化效率高，使用壽命長，新型半導(dǎo)體發(fā)電是太陽能發(fā)電的一個新型途徑。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)原理圖

該發(fā)電裝置主要包括追光控制系統(tǒng)、聚光裝置等，如圖2、圖3 所示。

圖2 追光發(fā)電裝置三維示意圖

圖3 基于新型半導(dǎo)體的追光發(fā)電裝置二維示意圖

2.1 聚光裝置的設(shè)計

聚光裝置的主要部件是太陽能拋物面聚光器（8）。入射到此聚光器的太陽光反射后聚集到位于面積較小的集熱體上形成焦面，使發(fā)電裝置的熱端獲得高溫?zé)嵩础Ｌ柲軖佄锩婢酃馄鞯淖畹撞吭O(shè)置有排水孔（7），用來排水，防止水分在太陽能拋物面聚光器中滯留影響聚光效果。拋物面聚光器能夠?qū)μ柟鈱崿F(xiàn)有效的聚光集熱。

2.2 追光控制系統(tǒng)的設(shè)計

追光控制系統(tǒng)主要由太陽跟蹤控制系統(tǒng)、追光裝置組成。太陽跟蹤控制系統(tǒng)包括視覺傳感器（6）和控制箱主體（9）等。視覺傳感器裝有金屬粉末過濾裝置，它能在光線入射時有選擇地吸收組成太陽光線的部分波段，當(dāng)光線照射到鏡片時，有“相消干涉”過程，光線被削減，從而可以時刻精確捕捉到太陽所處的位置，通過主控制器智能圖像追蹤技術(shù)來進行有效工作；導(dǎo)入大量太陽居于圖像中央的照片，利用視覺傳感器，實時拍攝照片，測量太陽與中心偏移線的距離，利用提前燒錄的算法程序得出樹莓派需要控制步進電機轉(zhuǎn)動的方向和角度，從而實現(xiàn)對太陽位置的捕捉。

追光裝置包括底盤U 型架（1）、轉(zhuǎn)向盤（10）、聚光裝置支架（3）、步進電機（14）、絲杠滑塊（16）、小連桿（15）、大連桿（11）、支撐桿（13）、防護罩（2）。裝置主體位于底盤支架上方，利用轉(zhuǎn)向盤實現(xiàn)主體的360°的追光轉(zhuǎn)向動作，由步進電機驅(qū)動絲杠滑塊，帶動滑塊上連接的小連桿，使支撐桿改變傾斜角度，從而改變連接支撐桿的大連桿，進而改變連接大連桿的聚光裝置，實現(xiàn)聚光裝置的傾斜角變化，完成對太陽光的追蹤。

3 關(guān)鍵零部件有限元分析

本文應(yīng)用Ansys workbench 對追光發(fā)電裝置的U 型架進行靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析適用于模型承受固定載荷或載荷近似不變的情況，U 型架在使用過程中主要受到自身重量及追光發(fā)電裝置其他零部件對它的壓力[8]。

3.1 有限元模型構(gòu)建及添加載荷與約束

本設(shè)計由Solidworks 設(shè)計追光發(fā)電裝置的三維模型，并保存為.x_t文件。將.x_t文件導(dǎo)入Ansys workbench 中。通過其中的插件設(shè)置U 型架的材料為Q235 型鋼材，Q235 材料屬性見表1。

表1 Q235 材料屬性

有限元分析由劃分網(wǎng)格開始，網(wǎng)格的尺寸與節(jié)點的數(shù)量關(guān)乎分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)查閱文獻及基于設(shè)計理念，如圖4 所示設(shè)定的網(wǎng)格是尺寸為5 mm 的正4 面體。

圖4 U 型架網(wǎng)格劃分示意圖

在完成網(wǎng)格劃分后，開始添加載荷和約束。由于所分析的機構(gòu)為承重U 型架，故而設(shè)置約束類型為固定約束，約束的面為與追光發(fā)電裝置下架所接觸的滑軌面，添加載荷的面為U 型架上端的面，載荷類型為壓力，單位為MPa。聚光裝置重量約為245 N。

3.2 U 型架靜力學(xué)分析

應(yīng)力、應(yīng)變及總變形量為所需求解的項目。圖5（a～c）分別為U 型架應(yīng)力云圖（Stress Cloud Atlas）、應(yīng)變云圖（Strain Cloud Atlas）及總變形云圖（Deformed Cloud Atlas）。

圖5 U 型架靜力學(xué)分析云圖

根據(jù)圖5 分析可知，U 型架最大應(yīng)力為3.201 3 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.604 4×10-5mm/mm，最大變形為0.307 17 mm。查閱資料可知，機架的強度滿足要求。

4 結(jié)語

（1）自動跟蹤光源的新型半導(dǎo)體材料發(fā)電裝置通過智能圖像跟蹤技術(shù)工作，利用大數(shù)據(jù)導(dǎo)入大量太陽位于圖像中心的照片，測量圖像中太陽與中心偏移線之間的距離，利用提前錄制的算法程序得出伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向和角度，以跟蹤太陽。

（2）在熱溫差材料領(lǐng)域，這種新型半導(dǎo)體材料可以通過兩端溫差實現(xiàn)發(fā)電功能，具有轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長的特點。

（3）對裝置U 型架進行有限元靜力學(xué)分析，其最大應(yīng)力為3.201 3 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.604 4×10-5mm/mm，最大變形為0.307 17mm，符合要求。