基于向日葵原理的光伏發電自動追光裝置設計

摘 要：【目的】為進一步提高光伏發電的效率，開發了一種基于向日葵原理的光伏發電自動追光裝置。【方法】該裝置集成了光伏板、中部控制板、雙軸追光系統、GPS定位系統、自我保護系統和自動儲能等模塊，可以實時捕捉太陽位置，保持太陽光在光伏板上的最大直射面積，從而提高光的轉化率。同時，安裝在光伏板上的壓力電阻和熱敏電阻可以有效減少惡劣環境對設備的影響，從而延長設備的使用壽命。【結果】為檢驗光伏板中的支架是否滿足強度要求，對該部件進行有限元分析。計算結果顯示，支架屈服強度為6.204e+02 MPa，滿足設計要求。同時，對制作的樣機進行性能測試。實驗結果表明，所制作的樣機各項性能符合要求，平均發電量提升了約19.56%，發電效率顯著提升。【結論】該光伏發電裝置在精準定位和自動捕光方面具有顯著的優勢，有一定的市場推廣價值。

關鍵詞：向日葵原理；自動追光；精準捕光；有限元分析

中圖分類號：TH137.5 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0025-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.005

Design of Automatic Light Tracing Device for Photovoltaic Power

Generation Based on Sunflower Principle

HE Tianchao1 WANG Yuqin1 ZHOU Luxiang1，2 SUN Hanbing1 ZHOU Sheng1

（1. School of Mechanical Engineering ， Chaohu University， Hefei 238024， China;

2. School of Mechanical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

Abstract： [Purposes] To further improve the efficiency of photovoltaic power generation， an automatic light tracing device based on sunflower principle is developed. [Methods] The designed automatic light tracking device for photovoltaic power generation integrates photovoltaic panel， central control panel， dual-axis light tracking system， GPS positioning system， self-protection system， and automatic energy storage module. The device can capture the position of the sun in real time and keep the maximum direct area of sunlight on the photovoltaic panel， thus improving the light conversion rate. Additionally， the piezoresistor and thermistor installed on the photovol2f00c94bb483a0e4d953f2ad17a43f13taic panel can effectively reduce the impact of harsh environment on the equipment， thus prolonging the service life of the equipment. [Findings] In order to test whether the bracket in the photovoltaic panel meets the strength requirements， the finite element analysis of this component is carried out. The calculation results show that the strength of the support is 6.204e+02 MPa，which meets the design requirements. Furthermore， the performance of the prototype is tested. The experimental results show that the performance of the prototype meets the requirements， the average power generation is increased by about 19.56% and the power generation efficiency is significantly improved. [Conclusions] The designed photovoltaic power generation device has obvious advantages in accurate positioning and automatic light capture， and has certain market promotion value.

Keywords： sunflower principle; automatic light chasing; accurate light capture; finite element analysis

0 引言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，新能源光伏發電作為一種可再生能源技術受到越來越多的關注，并在全球范圍內得到廣泛應用［1］。然而，目前市面上的光伏發電裝置仍面臨著一些問題，例如，光的轉化率低、生產成本高、維護難度大以及容易損壞等。而提高光伏發電的轉化率是實現能源效率最大化的關鍵，因此，研究如何優化光伏自動追光裝置已成為光伏技術領域的一個重要課題。謝鑫焱等［2］設計了一種可以隨著太陽的移動自動調節太陽能板的自動追光裝置，提高了發電效率；張屹等［3］提出了一種創新的基于GPS定位的太陽能光伏自動追光系統設計，通過精確定位太陽位置來提高光伏發電的轉化率；馮月等［4］設計了一種雙軸光伏自動追光系統，通過步進電機驅動太陽板精準捕光。

本研究擬采用雙軸追光系統和GPS定位系統來實時調節光伏板，以提高發電效率。同時，在設備上裝有保護系統，提高其使用壽命。基于上述設計，該設備不僅具有結構簡單、材料環保和發電效率高等特點，而且具有廣泛的市場應用前景。

1 工作原理及設計思路

借鑒向日葵的自然追光特性，光伏發電裝置通過自動調整自身朝向以捕捉更多陽光，這一設計有效地提高了光伏板的發電效率。此外，這種模仿自然界的智能設計，為可再生能源產業的穩定和可持續發展提供了強有力的支持。通過安裝光敏傳感器和GPS定位系統，可以調節設備始終面向太陽光，保證光伏板接收光的面積最大，從而提高光的轉換率。雙軸追光系統使用兩個直流減速電機，分別控制裝置的左右和上下旋轉，其最大旋轉角度可以達到±80°。為降低雨雪等惡劣天氣對設備的損壞，設備安裝壓力電阻和熱敏電阻。壓力電阻可以調節光伏板角度，減少外界壓力；熱敏電阻可以加熱融化光伏板上的積雪。自我儲能系統能夠自動將裝置產生的電能儲存到蓄電池中，便于后期使用。

2 裝置的整體結構設計

本研究設計的光伏發電自動追光裝置如圖1所示。該裝置主要由光伏板、光敏傳感器、GPS定位系統、壓力電阻、熱敏電阻、雙軸追光系統、支架和蓄電池等組成。

為實現自動捕光功能，裝置上加入了光敏傳感器和GPS9nG7XRh2OiIKf/5yHP3MeA==定位系統［5］。這種設計可以使裝置精準地捕捉到光源，從而顯著提高光能的轉化率。光敏傳感器安裝于光伏板的中央位置，采用高壁擋板設計，擋板將四個光敏傳感器分隔開來，主要檢測太陽光的照射強度。其工作原理是：當太陽直射光伏板表面時，位于太陽光一側的光敏傳感器接收光的強度最大，因此其阻值最小。相比之下，其他位置的光敏傳感器接收到的光強度相對較小，導致產生的阻值較大。在這種情況下，位于太陽光一側的光敏傳感器會產生較大的電信號，并將其傳遞給控制板。這樣，控制板可以調節光伏板，使其更準確地面向太陽光。這四個傳感器組成了光敏感應裝置［6］，其結構如圖2所示。GPS定位系統用來確定裝置所在的經緯度，通過計算太陽的高度角和赤緯角來確定太陽相對于裝置的位置，利用所配備的控制系統使光伏板始終面向太陽光。光敏傳感器與GPS定位的結合，可以顯著提高光能的利用率。

3 主要部件結構設計

3.1 光伏板支架設計

支架位于光伏板下方，采用半框式設計，主要起到支撐光伏板的作用，其結構如圖3所示。支架上方設有兩個螺紋孔，通過螺栓與光伏板連接。支架下方焊接有一根長銷，長銷端部設計為方形凹槽，凹槽內部設有螺紋孔。直流減速電機通過凸塊構件固定于長銷上，由于采用螺紋連接，支架在運行過程中不會脫落。

3.2 雙軸追光系統設計

裝置轉向結構采用雙軸設計，利用兩個直流減速電機分別控制光伏板的水平和垂直轉動，從而確保光伏板始終朝向太陽光方向，捕獲任意方向上的光線，其結構如圖4所示。兩個電機分別位于光伏板下方和底座上方位置，其中位于光伏板下方的電機主要控制光伏板的垂直轉動，位于底座上方的電機主要控制光伏板的水平轉動。直流減速電機是在普通直流電機的基礎上，通過加裝齒輪減速箱來降低輸出轉速并增加扭矩。

3.3 自我保護系統設計

為減少外界惡劣環境對設備造成的破壞，裝置設計了自我保護系統。該系統主要由壓力電阻和熱敏電阻構成，均勻布置在光伏板表面的縫隙中，其結構如圖5所示。當面臨惡劣環境時，壓力電阻和熱敏電阻將發揮作用，抵御外界惡劣環境。在雨天和大風天氣中，壓力電阻將向直流減速電機發送信號，使光伏板自動調整角度，減輕雨水和大風的沖擊［7］。在大雪天氣中，熱敏電阻將向控制系統發送信號，啟動加熱系統以融化光伏板上的積雪。

4 關鍵部件有限元分析

為提高裝置的穩定性，需要對裝置的關鍵部件進行有限元分析［8］。根據軟件計算結果與預先選定的材料屬性進行對比，從而得出關鍵部件的安全性評估。

在光伏發電自動追光裝置中，與光伏板相連的支架扮演著關鍵的支撐角色。使用SolidWorks三維軟件對支架進行有限元分析，這對提升裝置的穩定性和延長使用壽命具有重要意義。

對支架下方的長銷施加固定約束，在其上端施加10 N的力。相應的應力云圖和位移云圖如圖6所示。

支架材料選用合金鋼，張力強度為723.826 MPa，彈性模量為210 000 N/mm2 、質量密度為7.7 g/cm3、抗剪模量為790 00 N/mm2、泊松比為0.28。

由有限元計算結果可知，支架所承受的最大應力為1.814e+02 MPa，最小應力為1.800e-02 MPa，其屈服強度為6.204e+02 MPa。由于支架上方零件的質量不足0.5 kg，因此，其能夠承受大風產生的壓力。壓力最大位移為0.724 3 mm，在其運行的可變形范圍以內。由此可見，本研究所設計的支架滿足使用要求。

5 樣機制作和實驗測試分析

根據裝置的三維模型，制作出的光伏發電自動追光裝置如圖7所示。裝置采用單片機控制各模塊運行，實現自動追光功能［9］。使用電風扇模擬大風天氣對設備的影響，裝置能夠自動調整光伏板的角度，以減輕風力的沖擊。

將制作的帶有光敏傳感器和GPS定位系統功能的裝置與傳統的自動追光系統進行對比測試。每個裝置都安裝有兩塊光伏板，每塊光伏板的尺寸為175 mm×115 mm。將本裝置和傳統自動追光裝置同時放置在相同強度的太陽光下，并分別計算這兩個裝置一天內產生的電量。每天定時檢查裝置是否存在故障，并連續記錄五天的實驗數據，詳見表1。

經過5天的對比測試，本裝置在光伏發電效率上顯著優于傳統自動追光裝置，平均發電量提升了約19.56%，且在不同光照條件下展現出較高的穩定性。研究結果表明，本裝置的光敏傳感器和GPS定位系統能夠有效提高光伏板的發電效率，具有良好的應用前景和經濟效益。

6 結語

本研究基于向日葵原理設計了一款光伏發電自動追光裝置，并對裝置的主要部件進行了結構設計。為驗證支架結構的合理性，利用SolidWorks軟件進行了靜力學分析。分析結果表明，所選用的支架結構強度滿足設計要求。基于三維模型，成功制作了樣機。測試結果表明，所制作的裝置能夠實現自動追光和精準捕光功能。此外，在模擬大風環境下，裝置能自動調整光伏板角度以保護自身。為評估本裝置的發電效率，與傳統發電裝置進行了對比實驗。對比結果表明，該裝置配備光敏傳感器和GPS定位系統后，發電量顯著增加，平均發電量增加了約19.56%。因此，本研究設計的光伏發電自動追光裝置展現出卓越的工作性能，具有廣闊的應用前景和推廣價值。

參考文獻：

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