一種太陽自動跟蹤發電裝置

摘 要：本文介紹了一種新型太陽自動跟蹤發電裝置，該裝置采用單軸跟蹤方式，跟蹤太陽方位角，以兩塊呈一定夾角的電池板提供驅動電力，并作為檢測比較器控制驅動方向，以直流雙向水泵來驅動水箱里的液體，帶動太陽能電池板隨太陽轉動。該裝置結構簡單，皮實耐用，具有經濟應用價值。

關鍵詞：太陽跟蹤；單軸跟蹤；太陽方位角

1 概述

隨著化石燃料的大量使用，我們的環境污染越來越嚴重，霧霾及高溫天氣已嚴重影響到人們的生活。對清潔及可再生能源的需求已越來越急迫，光伏發電就是一個很好的替代能源。然而，由于太陽電池組件的成本偏高，在我國還沒能普及使用。已有越來越多的人研究降低光伏發電成本的方法，由于自動跟蹤太陽后能顯著提高太陽電池組件單位面積的發電量，于是涌現了很多自動跟蹤太陽的光伏發電裝置專利，但現有專利設計的裝置要么采用復雜的減速機構，要么穩定性不夠，防風能力差，要么自身驅動能耗高，總之，現有很多專利涉及的跟蹤裝置性價比不高，以至于還沒能普遍采用。

本文設計了一種自動跟蹤太陽方位角的光伏發電裝置，用于提高太陽能電池組件的發電量。

2 設計思路

為了解決現有跟蹤裝置結構復雜、電子及機械部件故障多、壽命短等問題，本文設計了一種自動跟蹤太陽的裝置。該裝置包括：兩塊太陽電池板、水箱、水泵、轉動支架。太陽電池板及水箱、水泵都安裝在旋轉軸上。兩塊太陽電池板之間成一個夾角，向著太陽的一塊發電多，驅動水泵帶動旋轉軸轉向太陽，實現自動跟蹤。

2.1 裝置結構：如下圖所示，該跟蹤裝置包括：兩塊太陽電池板、水箱、水泵、轉動支架。太陽電池板及水箱、水泵都安裝在旋轉軸上。

2.2 驅動原理：圖中，1是用于跟蹤的太陽電池板，共兩塊，一左一右呈一定夾角對稱布置，初裝時與水平面間理想的夾角是30度；2是旋轉支架，用于安裝太陽電池組件；3是水箱，水箱呈圓柱形，水平安裝，水箱內裝大約一半的水或防凍液（防凍液適用于氣溫低于0℃的地區）；4是水箱內部左右兩邊的連通氣孔；5是水箱左右兩邊的隔板；6是旋轉支架的轉動軸，該軸呈南北向水平安裝在固定支架上，可繞固定支架在東西方向上旋轉；7是連接水箱與水泵的水管；8是直流雙向水泵。

初始安裝時，直流雙向水泵通過水管與水箱的左右兩個腔室連接，水箱內裝一半的水或防凍液。水箱和旋轉支架固定在旋轉軸上，由于水泵安裝在水箱的下面，導致支架整體的重心偏下，所以旋轉支架2在重力的作用下呈水平狀態。

將一左一右兩塊太陽電池板1的輸出端直接連到直流雙向水泵8的接線端子上，這兩塊電池板的輸出正負極反接。

當早上太陽從東邊出現時，右邊的太陽電池板受光發電，帶動直流雙向水泵8轉動，將水箱左邊的水抽向右邊，于是旋轉支架在水箱內水的重力作用下向右轉動，直到旋轉支架左右兩邊的太陽電池板受到太陽的同等照射時，直流雙向水泵8失去動力不再抽水，此時旋轉支架正好對準太陽。

當太陽繼續從東向西移動時，左邊的太陽電池板接收的陽光比右邊的多，輸出的電力也更多，帶動直流雙向水泵8轉動，又將水箱右邊的水抽向左邊，于是旋轉支架在水箱內水的重力作用下向左跟著太陽轉動，直到太陽西下，太陽電池板不再發電，直流雙向水泵8失去動力不再抽水。此時由于左邊水箱內的水位高于右邊水箱的水位，在重力的作用下，水箱里的水通過水管從左邊緩慢向右邊回流，直到左右兩邊水箱內的水位相等，旋轉支架再次回到水平位置，等待第二天太陽升起后再次跟蹤。

2.3 防風設計：由于選擇支架可以繞軸自由旋轉，一陣風吹過，往往引起支架的擺動，不利于光伏發電。為避免這個不利的影響，我們在旋轉軸與固定支架間安裝了一個旋轉阻尼器。該阻尼器可以抑制陣風引起的旋轉支架的搖擺，而不阻礙跟蹤太陽的低速轉動。

在陰雨多云的天氣里，當陽光不足以驅動水泵時，旋轉支架總是趨向于返回水平位置對著天空，不但能讓太陽電池組件接收最多的散射光，還能減少風阻使系統防風性能更佳。

3 實驗效果

本人于2014年5月16日在東莞松山湖的一棟建筑頂上安裝了一套這樣的跟蹤系統，同時安裝了一套固定光伏發電系統，兩套系統的光伏發電功率都是250W，一年后，跟蹤系統發電324KWh，固定系統發電279KWh，跟蹤系統比固定系統多發電16%。

經測算，當系統的裝機容量大于2Kw時，這種跟蹤系統的成本占整個發電系統總成本的比例已低于15%，所以當跟蹤系統的裝機容量大于2Kw時，這種跟蹤系統已具有經濟效益。

4 結論

本裝置包括：兩塊太陽電池板、水箱、水泵、轉動支架，通過電池板直接驅動水泵實現跟蹤功能。省卻了其他跟蹤系統常用的感光元件、單片機或程序控制器等電子器件，省卻了常用的齒輪減速機構，不需要外部供電。由于很多電子器件的壽命短，與光伏發電系統25年的質保期不匹配，而本跟蹤系統完全不用電子器件，整套系統結構簡單，皮實耐用，可與光伏發電系統壽命周期匹配，具有經濟實用價值。

參考文獻：

[1]張金榮，邱榮昌，李恒興.太陽跟蹤裝置，發明專利申請公開號CN101685310A，2010.03.31.

[2]王忠強.一種自動跟蹤太陽光伏發電裝置及其控制方法，發明專利申請公布號CN103888047A，2014.06.25.

[3]宋慶爍，劉發慧，陳家媚.一種新型太陽能自動跟蹤裝置[J].江西電力職業技術學院學報，2012，25（3）：5-8.

作者簡介：王忠強，男，漢，本科，工程師，北京大學東莞光電研究院，任項目經理，參與光伏應用技術項目開發。