太陽能聚光發(fā)電裝置角度的調(diào)整與優(yōu)化

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 金麗娜

隨著科技的進(jìn)步，各行各業(yè)對電能的依賴越來越強(qiáng)，電能的生產(chǎn)已成為全世界關(guān)注的焦點，從愛迪生發(fā)明電燈開始到智能化生產(chǎn)蓬勃發(fā)展的今天，電能的生產(chǎn)與使用已成為這個時代的重中之重。2021年國內(nèi)光伏發(fā)電新增裝機(jī)54.88GW、同比增長13.9%，截至2021年末,我國光伏市場累計裝機(jī)超過300GW，而且全國新增的裝機(jī)容量連續(xù)9年都居于全球的首位。

1 太陽能聚光發(fā)電裝置的研究背景及工作原理

時代快速發(fā)展，迎來了智能化生產(chǎn)的大潮。高技術(shù)及裝備制造業(yè)用電量在不斷地增大，再加上我國深入推進(jìn)脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加大了農(nóng)網(wǎng)改造升級力度，使得第一產(chǎn)業(yè)用電潛力得到釋放，使我國的用電需求在不斷增加。但是隨著地球儲備的化石能源的極速的減少，使人類對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識越來越強(qiáng)。目前，國家火力發(fā)電大約60%仍然來自煤炭資源，為了保護(hù)環(huán)境，中國表示爭取在2060年前能夠?qū)崿F(xiàn)碳中和，到2060年煤電比例要求降到10%。在“雙碳”目標(biāo)的指引下，傳統(tǒng)的火力發(fā)電正在慢慢退出發(fā)電歷史的閃亮舞臺，而光伏發(fā)電等新型的發(fā)電模式慢慢進(jìn)入人們的視野[1]，光伏發(fā)電行業(yè)將要迎來一個新的時代。

陽光不僅能帶給人們光明，也能送來電能，只要有陽光的地方就可以進(jìn)行光伏發(fā)電[2]，現(xiàn)存的光伏發(fā)電技術(shù)中，有四種發(fā)電技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，它們是薄膜太陽電池發(fā)電[3]、硅基太陽電池發(fā)電、太陽能聚光光熱發(fā)電和太陽能聚光光伏發(fā)電[4]。這四種技術(shù)各有所長，前兩種適用于使用規(guī)模比較小的一些場所，比如大家比較熟悉的陽光屋頂與建筑一體化的地方，而后兩種發(fā)電裝置適用于陽光輻照指數(shù)較大、使用規(guī)模也比較大的地方，但是由于逐日系統(tǒng)的限制，它們的系統(tǒng)往往做的比較復(fù)雜。

表1 各行業(yè)用電增速

本文的研究對象就是使用規(guī)模較為廣泛的一種可余熱利用太陽能聚光發(fā)電裝置，這個太陽能聚光發(fā)電裝置的底座的一側(cè)安裝有電機(jī)，電機(jī)可靠的固定在裝置的底座上，在電機(jī)靠近底座的一端，設(shè)置有一個旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿的兩端均與裝置的底座通過軸承轉(zhuǎn)動連接。為了提高裝置的穩(wěn)固性和可靠性，旋轉(zhuǎn)桿的表面設(shè)置有多個固定桿，每一個固定桿都與旋轉(zhuǎn)桿可靠的相連接，在固定桿遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)桿的一端設(shè)置有半導(dǎo)體溫差發(fā)電板，半導(dǎo)體溫差發(fā)電板也可靠的與固定桿相連接。

所研究設(shè)備的半導(dǎo)體溫差發(fā)電板的外表面還設(shè)置有多個導(dǎo)熱塊，導(dǎo)熱塊通過太陽光照射在凸透鏡板表面，再通過凸透鏡板進(jìn)行匯集，而太陽能板會因為照射發(fā)熱，熱量到達(dá)半導(dǎo)體溫差發(fā)電板的內(nèi)部，使電機(jī)帶著太陽能板進(jìn)行轉(zhuǎn)動，這樣可以使太陽能電池板不會一直與聚集后的太陽能接觸，防止灼傷。但是經(jīng)過長期使用發(fā)現(xiàn)該發(fā)電裝置存在一個問題，裝置不便根據(jù)太陽光照射方向調(diào)整角度。這樣，當(dāng)陽光斜射時裝置采集到的光照相對較少，太陽能發(fā)電板的利用率就會較低。

2 設(shè)備在使用中存在的問題

光伏發(fā)電的發(fā)電過程簡單，太陽資源取之不盡而且對環(huán)境也沒有污染，符合人們現(xiàn)有的期待。本文所研究的余熱發(fā)電太陽能聚光發(fā)電裝置發(fā)電效率較高、使用成本低，在光伏發(fā)電中使用比較廣泛。可余熱發(fā)電太陽能聚光發(fā)電裝置的底座的一側(cè)設(shè)置有一臺電機(jī)，電機(jī)靠近底座的一端還設(shè)置有一根旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿通過連接在它表面的多個固定桿固定，固定桿在遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)桿的一端設(shè)置有一個半導(dǎo)體溫差發(fā)電板，為了使半導(dǎo)體溫差發(fā)電板正常工作，在它的外表面設(shè)置了多個導(dǎo)熱塊來進(jìn)行導(dǎo)熱。

當(dāng)太陽光照射在凸透鏡板表面時，凸透鏡板會對太陽光進(jìn)行匯集，匯集后的太陽光產(chǎn)生熱量，熱量持續(xù)累積，使太陽能板發(fā)熱，當(dāng)太陽能板上的熱量到達(dá)半導(dǎo)體溫差發(fā)電板的內(nèi)部時，電機(jī)會由于熱量帶著太陽能板進(jìn)行轉(zhuǎn)動，這樣會使太陽能電池板不會一直與聚集后的太陽能接觸[5]。在使用這個余熱發(fā)電太陽能聚光發(fā)電裝置時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽光的照射方向或者角度改變時裝置會跟隨太陽光轉(zhuǎn)動，但是聚光發(fā)電裝置聚光角度轉(zhuǎn)動存在滯后現(xiàn)象，甚至還會經(jīng)常出現(xiàn)錯誤的判斷，這個問題對余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置的正常工作產(chǎn)生了較大的影響，需要研究并解決它。

3 聚光發(fā)電裝置的改進(jìn)措施

針對聚光角度轉(zhuǎn)動存在滯后現(xiàn)象的問題，對現(xiàn)有的余熱發(fā)電太陽能聚光發(fā)電裝置進(jìn)行研究與改造，使太陽能聚光發(fā)電裝置可以可靠的調(diào)整聚光的角度，準(zhǔn)確的判斷太陽光照射的方向與角度，根據(jù)太陽光照射的方向與角度來調(diào)整裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而提高了發(fā)電裝置的聚光利用率與工作可靠性。

圖1是經(jīng)過改進(jìn)、研究和試驗的太陽能聚光發(fā)電裝置，該余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置可以通過聚光器弧形鏡面反射原理，將周圍的太陽能聚集起來，再照射在聚光透鏡上來進(jìn)行發(fā)電作業(yè)。從圖2和圖3可以看出，電機(jī)一可以帶動支撐桿上的聚光器本體轉(zhuǎn)動，這樣可以起到精確調(diào)整聚光角度的作用。電機(jī)二轉(zhuǎn)動可以帶動齒輪一沿著齒輪二轉(zhuǎn)動，它們是用來解決聚光器跟隨太陽光照角度的問題，便于聚光器根據(jù)不同時期的光照不同而進(jìn)行自我調(diào)整的作用。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 轉(zhuǎn)動滑塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

裝置通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，便于根據(jù)光照角度調(diào)整聚光器本體的左右角度，從而解決了發(fā)電裝置不便根據(jù)太陽光照射方向調(diào)整角度，所研究設(shè)備發(fā)電板的光能使用率較低的問題。限位套件用來固定旋轉(zhuǎn)軸和支撐柱的位置，保證其有良好的工作性能。裝置中的電機(jī)二的輸出端右端設(shè)置有限位圈，限位圈的左側(cè)面與滑動槽外表面相接觸，可以限制圖中齒輪一的位置。從圖中可以看出，用來調(diào)整聚光角度的旋轉(zhuǎn)軸由旋轉(zhuǎn)桿、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和限位套件組成。底座是通過固定螺栓與地面固定，來保證設(shè)備工作的穩(wěn)定性的，也便于帶動聚光器本體轉(zhuǎn)動，通過支撐底托內(nèi)壁底部為弧形面，弧形面與轉(zhuǎn)動滑塊外表面相匹配，避免支撐底托限制轉(zhuǎn)動滑塊的位置。

通過以上幾點設(shè)計，余熱發(fā)電太陽能聚光發(fā)電裝置能有效的解決聚光角度轉(zhuǎn)動存在滯后問題，改善裝置的工作性能。

圖1～圖3中各部位如下：1聚光器本體；2支撐桿；3電機(jī)一；4連接架；5電機(jī)支撐架；6轉(zhuǎn)動滑塊；7滑動槽；8限位塊；9連接板；10電機(jī)二；11電機(jī)連接架；12齒輪一；13齒輪二；14固定桿；15固定板；16限位圈；17連接桿；18支撐底托；19旋轉(zhuǎn)軸；20支撐柱；21固定底座。

4 改進(jìn)后的優(yōu)點

通過對原裝置進(jìn)行改進(jìn)，它具有精確調(diào)整聚光的角度、精準(zhǔn)追隨照射方向、聚光器本體轉(zhuǎn)動靈活的優(yōu)點。

4.1 精確調(diào)整聚光的角度

該余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置可以精確的調(diào)整自身的聚光的角度。它通過聚光器本體的弧形鏡面反射功能，將太陽能聚集照射在聚光透鏡上，從而進(jìn)行發(fā)電作業(yè)。為了防止聚光器本體在工作的過程中出現(xiàn)錯位，使裝置的聚光角度產(chǎn)生誤差，聚光器背面設(shè)置有支撐桿，可以對聚光器本體進(jìn)行固定，裝置通過固定底座、固定螺栓與地面固定，可以再次對裝置起到支撐的作用。這里要注意，要得到最高效的發(fā)電效果安裝的最佳方位角為正南方向，偏差±20°之內(nèi)的偏差，光伏電站的最佳傾斜角每個地區(qū)是不同的。

4.2 精準(zhǔn)追隨照射方向

該余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置具有精準(zhǔn)追隨照射方向的優(yōu)點，隨著地球的自轉(zhuǎn)，太陽光的照射方向在一天內(nèi)不同的時刻是改變的，為了提高設(shè)備的工作效率，通過余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置的電機(jī)二轉(zhuǎn)動帶動齒輪一轉(zhuǎn)動，齒輪一帶動齒輪二轉(zhuǎn)動，這樣就能實現(xiàn)聚光器本體根據(jù)不同時期太陽的光照角度不同而進(jìn)行調(diào)整的作用，實現(xiàn)精準(zhǔn)追隨照射方向的要求。

在旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的過程中，可以用限位套件將旋轉(zhuǎn)軸和支撐柱固定在相應(yīng)的位置上，這樣太陽能聚光發(fā)電裝置就可以根據(jù)光照方向來調(diào)整聚光器本體的左右角度，使其自由的跟隨太陽光旋轉(zhuǎn)，從而解決了發(fā)電裝置不便根據(jù)太陽光照射方向調(diào)整角度、太陽能發(fā)電板利用率較低的問題[5]，經(jīng)過運行發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后發(fā)電量提高10%～30%，有時會達(dá)到40%。

4.3 聚光器本體轉(zhuǎn)動靈活

該余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置的聚光器本體可靈活轉(zhuǎn)動，不管任何季節(jié)、任何時刻和任何天氣，都能幫助太陽能聚光發(fā)電裝置精準(zhǔn)追隨照射方向，提高陽光利用率和設(shè)備的工作效率。為了實現(xiàn)聚光器本體轉(zhuǎn)動靈活的目的，將太陽能聚光發(fā)電裝置的電機(jī)二的輸出端的右端安裝了限位圈，并將限位圈左側(cè)的表面與滑動槽的外表面相接觸。這樣，在本體轉(zhuǎn)動靈活的基礎(chǔ)上，還可以可靠的限制齒輪一的位置。太陽能聚光發(fā)電裝置的旋轉(zhuǎn)軸由旋轉(zhuǎn)桿、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和限位套件組成，固定螺栓通過固定底座與地面僅相連，起到固定作用。該太陽能聚光發(fā)電裝置通過將支撐底托內(nèi)壁底部設(shè)置為弧形面，便于帶動聚光器本體靈活轉(zhuǎn)動，弧形面與轉(zhuǎn)動滑塊外表面相匹配，避免支撐底托限制轉(zhuǎn)動滑塊的位置。

5 結(jié)語

余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中使用較為廣泛，它不僅安全可靠、沒有噪聲、使用限制少，而且對環(huán)境沒有公害，越來越受到人們的青睞。本文對現(xiàn)有的余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置進(jìn)行分析和研究，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上取長補(bǔ)短，利用聚光器本體的弧形鏡面的反射功能解決了光伏發(fā)電設(shè)備精確調(diào)整聚光角度的問題。通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動齒輪一和齒輪二轉(zhuǎn)動的方式，解決了現(xiàn)有設(shè)備發(fā)電裝置不便根隨太陽光照射方向調(diào)整角度、利用率較低的問題。

通過對改造后的設(shè)備使用、追蹤，發(fā)現(xiàn)它在后期使用中既可以精確的調(diào)整設(shè)備聚光的角度，又可以有效的判斷太陽照射的方向，實現(xiàn)了保持太陽能發(fā)電裝置的聚光設(shè)備隨時正對太陽的目的，這樣就可以讓太陽光的光線在一天的任何時候都能垂直照射在太陽能電池板的動力裝置上，并且設(shè)備聚光裝置的轉(zhuǎn)動相比之前更加靈活，為設(shè)備調(diào)整聚光角度提供了便利條件，可見余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置工作可靠性明顯升高。改進(jìn)后的余熱發(fā)電的太陽能聚光發(fā)電裝置能夠比較好的的工作于霜雪、沙塵較多的環(huán)境中，尤其在無人值守的智能化光伏發(fā)電站中也能夠可靠的使用，向我國的“雙碳”目標(biāo)更進(jìn)一步。