基于空氣熱力學混合驅動的光伏組件自動跟蹤裝置的設計與研究

歐佳順

(長沙航空職業技術學院，長沙 410123)

0 引言

我國在日常生產生活中的電能需求較大，甚至會出現供電缺口。據報道，在2020年年底時，我國由于電力供應形勢緊張，只能實現有序用電，對人們的生產生活會產生一定影響，因此需要實現多元化電力供應。為了環保及能源可持續利用，新能源發電在所有發電形式中的占比越來越高，其中，太陽能發電由于地域限制小而受到青睞。太陽能是一種穩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點，太陽能發電日益成為全球新能源產業中裝機規模增長最快且取得較大成果的新能源發電形式[2]。根據相關統計，太陽能發電在所有新能源發電形式中的占比正以30%的速度逐年增長[3]。

光伏發電作為太陽能發電的主要形式之一，光伏組件是其中重要的發電設備。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，以實現對太陽直射光線的實時跟蹤。根據研究顯示，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，對光伏組件自動跟蹤裝置的結構進行了設計，并對其工作原理進行了分析，研究設計出一種結構簡單、抗干擾性強、低耗能的基于空氣熱力學混合驅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外研究現狀

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棱鏡，實現了光調節定位，從而使太陽能達到最大程度的吸收。BARBOSA等[6]和FATHABADI等[7]設計了一種高精度無傳感器的開環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，光伏組件的光電轉換效率可提高約19.6%。PARTHIPAN等[8]利用2個傳感器，設計了一種閉環控制的單軸自動太陽跟蹤系統。HONG等[9]和FERDAUS等[10]設計了一種采用太陽能映射規律和基于光電傳感器的連續跟蹤機制，使光伏組件的光電轉換效率提高了約34.4%。張屹等[11]設計了一種基于GPS定位的光伏組件自動追光系統，有效提高了光伏組件的跟蹤精度和跟蹤穩定性。崔之超[12]設計了一種并聯型太陽能自動跟蹤裝置，該裝置采用3個鉸鏈并聯支撐與傳動的方式，對支撐和傳動結構進行了改進優化；但該自動跟蹤裝置由3個步進電機分別控制3個鉸鏈轉動，結構較為笨重，能源消耗量較大。王正等[13]設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，減少了追蹤控制系統的電力消耗，并提高了跟蹤準確度。李強等[14]設計了一種光伏電站自動跟蹤集散控制系統，利用集散控制系統實現閉環控制，可以實現集中控制。張順心等[15]設計的并聯球面跟蹤設備和賀新升等[16]設計的三自由度并聯裝置，均是通過支撐安裝部分上的調節機構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，從而達到減少驅動執行部件的電能消耗、提高最終發電量的目的。

由于目前國內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動的單、雙軸自動跟蹤方式，導致裝置的整體結構笨重、成本昂貴，且需要額外消耗光伏組件產生的電能。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動時所消耗的能量，但是技術尚不夠成熟，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節過程中的高電能消耗問題，實現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，本文設計了一種基于空氣熱力學混合驅動的光伏組件自動跟蹤裝置。

2 基于空氣熱力學混合驅動的光伏組件自動跟蹤裝置的系統方案原理設計

為了解決傳統光伏組件自動跟蹤裝置在光伏組件傾角調節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換效率未達到最佳的問題，本文研究設計了一種光伏組件自動跟蹤裝置。該裝置根據不同太陽輻射強度條件，分別采用2種動力源驅動。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動，密封容積內的氣體被加熱后會膨脹，驅動伸縮氣缸里面的活塞伸縮，以實現光伏組件傾角的調節，從而實現零電能消耗。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，從而實現低太陽輻射強度條件下光伏組件傾角的調節，達到光伏組件自動跟蹤裝置驅動能耗最少的效果。

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動的光伏組件自動跟蹤裝置的整體結構設計

根據系統方案原理設計，對基于空氣熱力學混合驅動的光伏組件自動跟蹤裝置的結構進行了整體設計，該光伏組件自動跟蹤裝置主要包括動力源模塊、執行模塊、檢測模塊、控制模塊、支撐模塊等部分。整個裝置的整體結構如圖2所示。

在本光伏組件自動跟蹤裝置的結構中：

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，實現差動連接；當裝置左側的熱敏氣缸被拋物面聚光鏡匯聚的太陽光線加熱，缸內的氣體膨脹，進入到右側的伸縮氣缸，從而驅動右側的伸縮氣缸里面的活塞伸出，同時左側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一定角度，從而實現光伏組件傾角的調節。而轉動一定角度后，裝置左側的熱敏氣缸不再被太陽光線照射，停止加熱，則其內部氣體不再膨脹，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伸出，停止光伏組件角度移動。若光伏組件轉動角度過大，則裝置右側的熱敏氣缸因太陽光線照射而被加熱，從而給裝置左側的伸縮氣缸提供熱氣源，光伏組件按順時針方向轉動。上述操作能保證太陽直射光線與光伏組件保持實時動態垂直。

對本光伏組件自動跟蹤裝置的驅動力進行分析。忽略氣體泄漏，當其中一側熱敏氣缸被加熱時，設熱敏氣缸內的壓力為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也增大；當F≥0時，此時可以驅動伸縮氣缸里面的活塞伸出；當F＜0時，不能驅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光感傳感器的檢測結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，以驅動光伏組件自動跟蹤裝置旋轉一定的角度。

3.2 基于空氣熱力學的氣源設計與原理分析

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，使熱敏氣缸內的氣體膨脹，從而驅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

由理想氣體狀態方程可知：

式中：P為熱敏氣缸的內部壓強，Pa；V為熱敏氣缸內部氣體的體積，m3；T為熱敏氣缸內部溫度，K；n為熱敏氣缸內部氣體的物質的量，mol；R為摩爾氣體常數(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構設計

為了實現不同太陽輻射強度條件下光伏組件傾角的調節，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構設計和安裝方式如圖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構設計及安裝方式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構設計中，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：當第1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；當第1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節，說明熱氣源不足以驅動伸縮氣缸，需要輔助氣源作為動力源給伸縮氣缸提供動力，驅動光伏組件進行傾角調節。

4 仿真結果分析

利用Pro/ENGINEER對本文設計的基于空氣熱力學混合驅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下熱敏氣缸的溫度與壓強的關系模型。經過仿真分析得到，在太陽輻射強度達到一定值時，熱敏氣缸內部壓強隨著其內部溫度的增加而增加，經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，即可實現無電機驅動的光伏組件傾角調節。經過模型仿真得到的仿真結果為：光伏組件傾角調節誤差在 1°～2°以內。

5 結論

本文設計的基于空氣熱力學混合驅動的光伏組件自動跟蹤裝置在不同太陽輻射強度條件下，根據空氣熱力學的膨脹原理通過不同動力源驅動伸縮氣缸里面的活塞伸縮，無需外接電力驅動，實現了零電能消耗；通過雙光感傳感器的檢測，可以實現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境；光感傳感器的V型槽可以有效抵抗側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動伸縮氣缸內部的活塞伸出，實現無電機驅動的光伏組件傾角調節，仿真誤差值在 1°～2°之間。

本光伏組件自動跟蹤裝置的設計與傳統的光伏組件自動跟蹤裝置的設計相比有較大的創新及較多優點，其省去了傳統的單、雙軸電機控制驅動裝置，整體結構更簡單，便于安裝與調節，成本低廉，具有較強的市場推廣價值。后續將對設計的基于空氣熱力學混合驅動的光伏組件自動跟蹤裝置進行試驗臺的搭建，進行相關實際參數的試驗，為本光伏組件自動跟蹤裝置的產業化生產優化提供有效的數據參考。