一種提高農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電效率裝置的設(shè)計(jì)與研究

歐佳順，謝方平，劉金榮，殷海瞇

(1.長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)械化產(chǎn)品以及現(xiàn)代科技裝備用于農(nóng)業(yè)上，以提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量輸出，保障國(guó)家糧食安全。其中影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出的關(guān)鍵因素離不開(kāi)能源消耗，采用傳統(tǒng)的能源提升產(chǎn)量不僅會(huì)污染環(huán)境，而且會(huì)面臨能源危機(jī)。因此綠色可持續(xù)發(fā)展的新能源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是未來(lái)的發(fā)展方向，太陽(yáng)能是一種穩(wěn)定且用之不竭的清潔綠色能源，受到地理因素影響小，且安裝方便等[1-3]。因此光伏發(fā)電廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，光伏農(nóng)業(yè)是將光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的一種綠色、環(huán)保的全新產(chǎn)業(yè)模式，是集太陽(yáng)能光伏發(fā)電、智能溫控系統(tǒng)、現(xiàn)代高科技種植、養(yǎng)殖為一體的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景[4]。雖然光伏發(fā)電已經(jīng)廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，但是目前的光伏板基本都是固定安裝，不能隨著太陽(yáng)光線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而未能達(dá)到光電轉(zhuǎn)化率最佳的效果。研究數(shù)據(jù)表明一般的晶硅太陽(yáng)能電池組件的光電轉(zhuǎn)換率在20%到26%之間，新一代光伏板材料的理論極限最高也只能達(dá)到33%，可見(jiàn)光伏板光電轉(zhuǎn)化率飽和光照條件下并不是很高，如果采用固定安裝則轉(zhuǎn)化率更低，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量輸出。有研究表明，相對(duì)固定安裝，采用自動(dòng)跟蹤裝置使得光線與光伏板時(shí)時(shí)垂直，最高可以提升34%的光電轉(zhuǎn)化率。因此研發(fā)農(nóng)業(yè)光伏板自動(dòng)跟蹤裝置，提高光電轉(zhuǎn)化率，從而提升農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，有著重要的意義。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析，結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種具有成本低廉、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的混合驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)光伏板自動(dòng)跟蹤裝置。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏板的跟蹤裝置都有研究，也取得了一定的成效[5-6]，但是應(yīng)用推廣存在技術(shù)瓶頸，因此未能廣泛運(yùn)用。VinayakNarasimhan[7]利用調(diào)棱鏡面板實(shí)現(xiàn)光線改變，即使太陽(yáng)角度變化，光伏板不轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以使得光線最大程度上的照射到光伏板上，可使太陽(yáng)能達(dá)到最大程度的吸收，但是該調(diào)棱鏡面板制造成本高，也不保證光線垂直照射，因此未能達(dá)到最佳轉(zhuǎn)化。Flávia V.Barbosa和Hassan Fathabadi[8-9]設(shè)計(jì)了一種高精度無(wú)傳感器的開(kāi)環(huán)控制算法的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置，根據(jù)太陽(yáng)一天中某一時(shí)刻的高度和經(jīng)緯度，算出光伏板的角度朝向，可以有效提升雙軸跟蹤器的精度，但是該跟蹤裝置需要安裝兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)角度調(diào)節(jié)。J.Parthipan[10]利用兩個(gè)傳感器，設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)控制的單軸自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，但是仍然需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)。Taehoon Hong和Rashid Ahammed Ferdaus[11-12]設(shè)計(jì)了一種采用基于太陽(yáng)能映射規(guī)律和基于光電傳感器的連續(xù)跟蹤機(jī)制，其驅(qū)動(dòng)方式還是經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。崔之超[13]研發(fā)了一種并聯(lián)型太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置，利用三個(gè)鉸鏈并聯(lián)支撐光伏板，雖然優(yōu)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是三個(gè)支撐桿的伸縮需要電動(dòng)伸縮缸驅(qū)動(dòng)，增加了1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)消耗的能量。張屹[14]設(shè)計(jì)了基于GPS定位的太陽(yáng)能板自動(dòng)追光系統(tǒng)，可以根據(jù)GPS定位，時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)角度，跟蹤精度和穩(wěn)定性明顯提高，其采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。王正[15]設(shè)計(jì)了一種基于光電自動(dòng)跟蹤和人為矯正兩種模式的四象限法則太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，減少了追蹤控制系統(tǒng)電力消耗，還提高了跟蹤準(zhǔn)確度。

根據(jù)國(guó)內(nèi)分析可知，更多在聚焦點(diǎn)控制算法上及控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)相對(duì)較為成熟，但是目前的光伏板自動(dòng)自動(dòng)跟蹤裝置存在明顯的缺陷，光伏板的角度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)基本都是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要額外消耗光伏板產(chǎn)生的電能，得不償失，且每一套光伏板上需要配備兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，整體結(jié)構(gòu)笨重，成本相對(duì)增加，且電機(jī)還需要進(jìn)行防水、防高溫處理，維護(hù)成本也相對(duì)較高，顯然在戶外采電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不太適用。尤其是農(nóng)業(yè)用的光伏板基本都是戶外安裝，環(huán)境惡劣，且光伏板數(shù)量相對(duì)較多，分布集中，若每一塊光伏板都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則電能消耗大，反而會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量。為了解決上述存在的問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)光伏板自動(dòng)跟蹤裝置，具有驅(qū)動(dòng)所需的能耗更低、成本低廉、驅(qū)動(dòng)裝置少、能夠集中控制和一源多供等優(yōu)點(diǎn)。

2 裝置整體結(jié)構(gòu)理設(shè)計(jì)

為了打破傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，本裝置采用了氣熱混合驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)方式為氣壓傳動(dòng)。裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由：1光伏板、2凹透鏡、3熱敏氣缸、4中心支撐桿、5伸縮氣缸、6安裝板、7固定螺栓、8氣動(dòng)電磁閥、9活塞、10連桿、光11敏元器件及12控制模塊組成。連桿10兩端分別通過(guò)球鉸鏈與光伏板和活塞末端相互連接，中心支撐桿用于支撐光伏板的重量，上端通過(guò)球鉸鏈與光伏板連接，下端通過(guò)螺栓固定在安裝板上?？刂颇K的作用于是用于接收并對(duì)比光敏信號(hào)及給電磁閥發(fā)指令，控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖1.光伏板；2.凹透鏡；3.熱敏氣缸；4.中心支撐桿；5.伸縮氣缸；6.安裝板；7.固定螺栓；8.氣動(dòng)電磁閥；9.活塞；10.連桿；11.光敏元器件；12.控制模塊

其中光敏元器件11分布于光伏板的四邊，即每邊上都安裝一個(gè)光敏傳感器，光敏傳感器在都安裝在V形槽中(如圖1所示)，以防止側(cè)面光線對(duì)傳感器的干擾，因此具有一定的抗干擾性。伸縮氣缸5有兩個(gè)，分別朝向東西方向和南北方向，并固定于安裝板6上。在光伏板的側(cè)邊安裝有凹透鏡2和熱敏氣缸3，凹透鏡在熱敏氣缸正上方，且距離為凹透鏡的光線焦距距離，主要是通過(guò)凹透鏡2給熱敏氣缸3進(jìn)行加熱，從而使得氣缸3內(nèi)部氣體膨脹，給伸縮氣缸5提供伸出和縮回的動(dòng)力來(lái)源。伸縮氣缸5的有桿腔和無(wú)桿腔都有進(jìn)排氣口，每個(gè)進(jìn)排氣口連接一對(duì)二位二通常閉電磁閥，沒(méi)有得電情況下，電磁閥1、2、3、4口處于關(guān)閉狀態(tài)，只有收到信號(hào)得電以后，電磁閥才開(kāi)啟，如圖2所示為伸縮氣缸與氣源的連接方式。其中熱敏氣缸通過(guò)氣管分別與閥1和閥3的出氣口相連接，氣泵也通過(guò)氣管與閥1和閥3的出氣口相連接，但是氣泵伸縮缸氣口中間連接了二位二通常閉電磁閥，通常情況閥口是閉合的，即氣泵不給伸縮缸供氣。

圖2 伸縮桿及電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.電磁閥；2電磁閥；3.電磁閥；4.電磁閥；5.熱敏氣缸；6.凹透鏡；7.氣泵；8.電磁閥；9.氣管

3 動(dòng)力源設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，本裝置伸縮缸的動(dòng)力來(lái)源有2種，分別是采用熱膨脹的動(dòng)力源和氣泵。采用熱膨脹動(dòng)力源的設(shè)計(jì)，由理想氣體狀態(tài)方程可知：

pV=nRT

式中：P為壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；T為溫度，K；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

由理想氣體方程可知，當(dāng)熱敏氣缸被加熱，則內(nèi)部溫度T會(huì)增加，由于體積n、R沒(méi)有變，所以?xún)?nèi)部壓強(qiáng)P和體積V會(huì)相應(yīng)的變大，缸內(nèi)部氣體膨脹，壓強(qiáng)足夠給伸縮氣缸提供動(dòng)力。如圖2所示，為了提高熱力氣源的靈敏度，采用凹透鏡的聚光原理，可以快速對(duì)熱敏材料的氣缸進(jìn)行快速加熱，從而使得氣缸內(nèi)部的氣體膨脹，所以在強(qiáng)光照條件下熱膨脹氣體可以驅(qū)動(dòng)伸縮缸活塞伸出與縮回。

如圖2所示，另外一種是通過(guò)氣泵供氣，在光照不足的情況下，熱膨脹氣體不能驅(qū)動(dòng)伸縮缸運(yùn)動(dòng)，控制模塊進(jìn)行分選，打開(kāi)圖2中的電磁閥8給伸縮缸供氣，從而驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸內(nèi)部的活塞伸出或者縮回，使得光伏板角度能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中氣泵可以給多套本設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤裝置提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)一氣多供，從而避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的使用，降低成本的同時(shí)便于管理和維護(hù)。

4 工作原理及控制方式分析

結(jié)合圖1和圖2分析，當(dāng)太陽(yáng)光線從東方照射時(shí)，位于東側(cè)的光敏傳感器收到較強(qiáng)的光照，而光伏板西側(cè)的光敏傳感器收到的光照強(qiáng)度明顯比東側(cè)的要弱，控制模塊對(duì)比兩側(cè)的信號(hào)強(qiáng)弱，從而判斷出光照已經(jīng)偏向于東側(cè)，光伏板的角度需要向東方旋轉(zhuǎn)一定角度，以保證入射光線與光伏板垂直。控制模塊會(huì)發(fā)送指令，使得圖2中閥2和閥3開(kāi)啟，那么有桿腔進(jìn)氣，無(wú)桿腔排氣，活塞向里面縮回，從而帶動(dòng)光伏板向東方旋轉(zhuǎn)一定角度，從而保證光伏板與光線時(shí)時(shí)垂直，到達(dá)光電轉(zhuǎn)化率最佳效果。反之如果光照射到西側(cè)的光敏傳感器，那么開(kāi)啟的閥為閥1和閥4。氣源切換的控制原理分析，在光照比較充足的條件下，本裝置基于空氣熱力學(xué)的熱膨脹原理進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)密封容積里面的氣體被加熱后會(huì)膨脹，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)伸縮，實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)零電能消耗。當(dāng)光照不足時(shí)，那么其中一側(cè)的光敏傳感器則被太陽(yáng)光線長(zhǎng)時(shí)間照射，當(dāng)兩側(cè)的光敏傳感器的信號(hào)強(qiáng)度差別比較大，且長(zhǎng)時(shí)間處于這種狀態(tài)時(shí)，則控制模塊進(jìn)行判斷分析，得出結(jié)果熱膨脹氣源不足以提供伸縮氣缸所需要的壓力，打開(kāi)氣泵氣源給伸縮機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)弱光照條件下對(duì)光伏板的角度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低驅(qū)動(dòng)能耗的效果。

5 結(jié)論與展望

本自動(dòng)跟蹤裝置與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)跟蹤裝置相比，更加適用于農(nóng)業(yè)光伏板的自動(dòng)跟蹤，因?yàn)楸狙b置打破了傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用了空氣熱膨脹原理，設(shè)計(jì)了新的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源，可以驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸伸縮，無(wú)需外接電力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能零消耗。本裝置采用一氣多供的方式，通過(guò)1個(gè)氣源，則可以為多套自動(dòng)跟蹤裝置提供動(dòng)力，更加適用于比較集中安裝的農(nóng)業(yè)光伏板自動(dòng)跟蹤，且采用氣動(dòng)傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離動(dòng)力輸送和控制，對(duì)于戶外農(nóng)業(yè)高溫、雨水等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)前期的樣機(jī)試驗(yàn)，跟蹤角度誤差值不高于2°。后續(xù)將對(duì)設(shè)計(jì)的裝置繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行相關(guān)實(shí)際參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，為本裝置的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)參考及實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)推廣。