光伏太陽能雙軸自動跟蹤裝置設計及其性能測試

劉豪杰 張禮兵

（嘉興學院 信息科學與工程學院，嘉興 314001）

人類社會正在進入一個節(jié)約能源、減少污染和可持續(xù)發(fā)展的新時代。充分利用太陽能進行光伏發(fā)電是能源發(fā)展的主要趨勢之一[1]。比較常見的光伏太陽能裝置為太陽能光電板式集熱器[2]，采用簡單的固定不動的安裝方式。這種集熱器的主要缺點是可收集太陽的能量密度不高，導致集熱器的轉(zhuǎn)化溫度較低。太陽能自動跟蹤裝置是一種使太陽能光伏板與太陽光線保持垂直的自動裝置[3]，主要有單軸自動跟蹤裝置[4]、雙軸自動跟蹤裝置[5]和并聯(lián)多軸自動跟蹤裝置[6-7]3種結(jié)構(gòu)類型。單軸自動跟蹤裝置難以使太陽能光伏板與太陽光線時刻保持垂直，影響太陽能的光電轉(zhuǎn)化效率。并聯(lián)多軸自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高。雙軸自動跟蹤裝置具備兩個方向的旋轉(zhuǎn)軸，可以使太陽能光伏板在方位角和高度角上同時跟蹤太陽光線。目前，太陽能自動跟蹤裝置多采用推桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)太陽能模組的俯仰運動[8]，但推桿結(jié)構(gòu)由于受力面積小，容易產(chǎn)生抖動。同時，推桿結(jié)構(gòu)較為復雜，體積較大，對支架剛度要求很高，存在成本高昂、維護麻煩、控制精度低等問題。為解決雙軸太陽能自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)缺陷，設計了一種基于雙蝸輪蝸桿傳動的光伏太陽能雙軸跟蹤自動裝置。該裝置使太陽能光伏板能夠自動準確地跟蹤太陽光，提高了太陽能的光電轉(zhuǎn)化效率。

1 雙軸跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)光伏太陽能光伏板自動準確跟蹤太陽光，設計一種光伏太陽能雙軸跟蹤裝置。該跟蹤裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座、雙軸直流電機、雙軸回轉(zhuǎn)減速器、U形連接板、支架和太陽能光伏板等構(gòu)成。底座下端與地基固定連接，上端與回轉(zhuǎn)減速器下端通過螺栓連接，回轉(zhuǎn)減速器上端兩側(cè)分別與U形連接板通過螺栓連接，U形連接板通過螺栓與支架連接。太陽能光伏板安裝在支架上，通過限位塊進行固定。雙軸直流電機分別通過聯(lián)軸器與回轉(zhuǎn)減速器的蝸桿進行同軸連接。

圖1 光伏太陽能雙軸跟蹤裝置結(jié)構(gòu)圖

1.1 雙軸回轉(zhuǎn)減速器

雙軸回轉(zhuǎn)減速器如圖2（a）所示，由方位角減速裝置和高度角減速裝置兩部分組成。方位角減速裝置如圖2（b）所示，包括直流電機、聯(lián)軸器、蝸桿軸、渦輪、轉(zhuǎn)軸和固定軸。直流電機通過聯(lián)軸器與蝸桿軸的一端連接。渦輪安裝在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸的下半部分內(nèi)部套裝在固定軸上。轉(zhuǎn)軸下半部分內(nèi)壁和固定軸外壁各有一圈凹槽，用于放置滾珠。固定軸的下端與底座上端通過螺釘固定連接。轉(zhuǎn)軸的上端與高度角減速裝置的下端通過螺釘固定連接。當直流電機通電后，電機輸出軸通過聯(lián)軸器帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。蝸桿通過渦輪嚙合帶著轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)軸帶著整個雙軸回轉(zhuǎn)減速器繞著固定軸水平轉(zhuǎn)動。雙軸回轉(zhuǎn)減速器水平轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了太陽能雙軸跟蹤裝置跟蹤太陽光的方位角。高度角減速裝置由直流電機、聯(lián)軸器、蝸桿、渦輪、渦輪軸和箱體等部分組成。渦輪軸與U形連接板通過螺釘固定連接。當直流電機通電后，電機輸出軸通過聯(lián)軸器帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿通過渦輪嚙合帶著渦輪軸轉(zhuǎn)動，渦輪軸帶著U形連接板轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整到太陽能光伏板跟蹤太陽光需要的高度角。

1.2 太陽能光伏板支架

光伏太陽能雙軸跟蹤裝置中承載太陽能光伏板支架如圖3所示。支架板上設計有若干個與光伏板尺寸相匹配的安裝槽，支架板對應安裝槽邊緣的位置設計有若干限位塊。限位塊通過螺釘固定在支架板上，實現(xiàn)安裝及固定太陽能光伏板的功能，如圖3（a）所示。支架板底部兩側(cè)有螺紋孔，用于與U形連接板連接。U形連接板如圖3（b）所示，均勻分布6個螺紋孔，通過螺釘與高度角減速裝置的渦輪軸固定連接。

圖3 太陽能光伏板支架結(jié)構(gòu)圖

1.3 底座

光伏太陽能雙軸跟蹤裝置的底座如圖4所示。底座上端均布若干螺紋孔。方位角減速裝置的固定軸通過周向均布的螺紋孔與底座通過螺釘進行固定連接，使整個裝置能夠穩(wěn)定固定在底座上。底座下端同樣分布有若干周向均布的螺紋孔，通過膨脹螺栓使底座固定在地面上。底座的徑向面積大于雙軸回轉(zhuǎn)減速器的徑向面積，有效提高了光伏太陽能雙軸跟蹤裝置的穩(wěn)定性。底座內(nèi)部中空，在保證整個支架穩(wěn)定性的同時節(jié)省材料，降低了成本。

圖4 底座

2 測試結(jié)果

2022年6月16日，利用太陽跟蹤控制系統(tǒng)對研制的光伏太陽能雙軸跟蹤裝置進行控制，在嘉興市南湖區(qū)嘉興學院進行室外光照度測試實驗，分別在A和B兩種情況下測量并記錄光照度數(shù)值，結(jié)果如表1所示。A情況為將檢測器探頭放置在本文所述的光伏太陽能雙軸跟蹤裝置的太陽能光伏板上，B情況為將檢測器探頭放置在面向正南方向與地面成30°的太陽能光伏板上。

表1 光照度測量實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，A情況下所測試時間段內(nèi)的平均照度為111 837 lux，B情況下所測試時間段內(nèi)的平均照度為83 861 lux。A情況下的平均照度比B情況的平均照度強度提高了約33.4%。實驗結(jié)果表明，研制的光伏太陽能雙軸跟蹤裝置能夠有效提高光伏太陽能光伏轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)語

對目前太陽能自動跟蹤裝置研究現(xiàn)狀進行分析，指出目前應用廣泛的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設計了一種光伏太陽能雙軸自動跟蹤裝置。通過雙軸太陽能自動跟蹤裝置，使太陽能光伏板能夠在豎直方向和水平方向上被動轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)光伏太陽能雙軸跟蹤裝置自動跟蹤太陽光。它不僅結(jié)構(gòu)更加簡單，還具有成本低廉、安裝便捷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，能提高光伏太陽能的光電轉(zhuǎn)化效率，為太陽能自動跟蹤裝置和光伏發(fā)電的研究提供參考。