光伏太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)及其性能測(cè)試

劉豪杰 張禮兵

（嘉興學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，嘉興 314001）

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

1 雙軸跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)光伏太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)光，設(shè)計(jì)一種光伏太陽(yáng)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(jī)、雙軸回轉(zhuǎn)減速器、U形連接板、支架和太陽(yáng)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(guò)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(guò)螺栓連接，U形連接板通過(guò)螺栓與支架連接。太陽(yáng)能光伏板安裝在支架上，通過(guò)限位塊進(jìn)行固定。雙軸直流電機(jī)分別通過(guò)聯(lián)軸器與回轉(zhuǎn)減速器的蝸桿進(jìn)行同軸連接。

圖1 光伏太陽(yáng)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(jī)、聯(lián)軸器、蝸桿軸、渦輪、轉(zhuǎn)軸和固定軸。直流電機(jī)通過(guò)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(guò)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(guò)螺釘固定連接。當(dāng)直流電機(jī)通電后，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸桿通過(guò)渦輪嚙合帶著轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)軸帶著整個(gè)雙軸回轉(zhuǎn)減速器繞著固定軸水平轉(zhuǎn)動(dòng)。雙軸回轉(zhuǎn)減速器水平轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)光的方位角。高度角減速裝置由直流電機(jī)、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(guò)螺釘固定連接。當(dāng)直流電機(jī)通電后，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿通過(guò)渦輪嚙合帶著渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪軸帶著U形連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整到太陽(yáng)能光伏板跟蹤太陽(yáng)光需要的高度角。

1.2 太陽(yáng)能光伏板支架

光伏太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置中承載太陽(yáng)能光伏板支架如圖3所示。支架板上設(shè)計(jì)有若干個(gè)與光伏板尺寸相匹配的安裝槽，支架板對(duì)應(yīng)安裝槽邊緣的位置設(shè)計(jì)有若干限位塊。限位塊通過(guò)螺釘固定在支架板上，實(shí)現(xiàn)安裝及固定太陽(yáng)能光伏板的功能，如圖3（a）所示。支架板底部?jī)蓚?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(gè)螺紋孔，通過(guò)螺釘與高度角減速裝置的渦輪軸固定連接。

圖3 太陽(yáng)能光伏板支架結(jié)構(gòu)圖

1.3 底座

光伏太陽(yáng)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(guò)周向均布的螺紋孔與底座通過(guò)螺釘進(jìn)行固定連接，使整個(gè)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(guò)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(yáng)能雙軸跟蹤裝置的穩(wěn)定性。底座內(nèi)部中空，在保證整個(gè)支架穩(wěn)定性的同時(shí)節(jié)省材料，降低了成本。

圖4 底座

2 測(cè)試結(jié)果

2022年6月16日，利用太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)對(duì)研制的光伏太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置進(jìn)行控制，在嘉興市南湖區(qū)嘉興學(xué)院進(jìn)行室外光照度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分別在A和B兩種情況下測(cè)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(cè)器探頭放置在本文所述的光伏太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置的太陽(yáng)能光伏板上，B情況為將檢測(cè)器探頭放置在面向正南方向與地面成30°的太陽(yáng)能光伏板上。

表1 光照度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，A情況下所測(cè)試時(shí)間段內(nèi)的平均照度為111 837 lux，B情況下所測(cè)試時(shí)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(qiáng)度提高了約33.4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的光伏太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置能夠有效提高光伏太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)目前太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出目前應(yīng)用廣泛的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種光伏太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)跟蹤裝置。通過(guò)雙軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置，使太陽(yáng)能光伏板能夠在豎直方向和水平方向上被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光伏太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光。它不僅結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，還具有成本低廉、安裝便捷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能提高光伏太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)化效率，為太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置和光伏發(fā)電的研究提供參考。