一种太阳自动跟踪发电装置

摘 要：本文介绍了一种新型太阳自动跟踪发电装置，该装置采用单轴跟踪方式，跟踪太阳方位角，以两块呈一定夹角的电池板提供驱动电力，并作为检测比较器控制驱动方向，以直流双向水泵来驱动水箱里的液体，带动太阳能电池板随太阳转动。该装置结构简单，皮实耐用，具有经济应用价值。

关键词：太阳跟踪；单轴跟踪；太阳方位角

1 概述

随着化石燃料的大量使用，我们的环境污染越来越严重，雾霾及高温天气已严重影响到人们的生活。对清洁及可再生能源的需求已越来越急迫，光伏发电就是一个很好的替代能源。然而，由于太阳电池组件的成本偏高，在我国还没能普及使用。已有越来越多的人研究降低光伏发电成本的方法，由于自动跟踪太阳后能显著提高太阳电池组件单位面积的发电量，于是涌现了很多自动跟踪太阳的光伏发电装置专利，但现有专利设计的装置要么采用复杂的减速机构，要么稳定性不够，防风能力差，要么自身驱动能耗高，總之，现有很多专利涉及的跟踪装置性价比不高，以至于还没能普遍采用。

本文设计了一种自动跟踪太阳方位角的光伏发电装置，用于提高太阳能电池组件的发电量。

2 设计思路

为了解决现有跟踪装置结构复杂、电子及机械部件故障多、寿命短等问题，本文设计了一种自动跟踪太阳的装置。该装置包括：两块太阳电池板、水箱、水泵、转动支架。太阳电池板及水箱、水泵都安装在旋转轴上。两块太阳电池板之间成一个夹角，向着太阳的一块发电多，驱动水泵带动旋转轴转向太阳，实现自动跟踪。

2.1 装置结构：如下图所示，该跟踪装置包括：两块太阳电池板、水箱、水泵、转动支架。太阳电池板及水箱、水泵都安装在旋转轴上。

2.2 驱动原理：图中，1是用于跟踪的太阳电池板，共两块，一左一右呈一定夹角对称布置，初装时与水平面间理想的夹角是30度；2是旋转支架，用于安装太阳电池组件；3是水箱，水箱呈圆柱形，水平安装，水箱内装大约一半的水或防冻液（防冻液适用于气温低于0℃的地区）；4是水箱内部左右两边的连通气孔；5是水箱左右两边的隔板；6是旋转支架的转动轴，该轴呈南北向水平安装在固定支架上，可绕固定支架在东西方向上旋转；7是连接水箱与水泵的水管；8是直流双向水泵。

初始安装时，直流双向水泵通过水管与水箱的左右两个腔室连接，水箱内装一半的水或防冻液。水箱和旋转支架固定在旋转轴上，由于水泵安装在水箱的下面，导致支架整体的重心偏下，所以旋转支架2在重力的作用下呈水平状态。

将一左一右两块太阳电池板1的输出端直接连到直流双向水泵8的接线端子上，这两块电池板的输出正负极反接。

当早上太阳从东边出现时，右边的太阳电池板受光发电，带动直流双向水泵8转动，将水箱左边的水抽向右边，于是旋转支架在水箱内水的重力作用下向右转动，直到旋转支架左右两边的太阳电池板受到太阳的同等照射时，直流双向水泵8失去动力不再抽水，此时旋转支架正好对准太阳。

当太阳继续从东向西移动时，左边的太阳电池板接收的阳光比右边的多，输出的电力也更多，带动直流双向水泵8转动，又将水箱右边的水抽向左边，于是旋转支架在水箱内水的重力作用下向左跟着太阳转动，直到太阳西下，太阳电池板不再发电，直流双向水泵8失去动力不再抽水。此时由于左边水箱内的水位高于右边水箱的水位，在重力的作用下，水箱里的水通过水管从左边缓慢向右边回流，直到左右两边水箱内的水位相等，旋转支架再次回到水平位置，等待第二天太阳升起后再次跟踪。

2.3 防风设计：由于选择支架可以绕轴自由旋转，一阵风吹过，往往引起支架的摆动，不利于光伏发电。为避免这个不利的影响，我们在旋转轴与固定支架间安装了一个旋转阻尼器。该阻尼器可以抑制阵风引起的旋转支架的摇摆，而不阻碍跟踪太阳的低速转动。

在阴雨多云的天气里，当阳光不足以驱动水泵时，旋转支架总是趋向于返回水平位置对着天空，不但能让太阳电池组件接收最多的散射光，还能减少风阻使系统防风性能更佳。

3 实验效果

本人于2014年5月16日在东莞松山湖的一栋建筑顶上安装了一套这样的跟踪系统，同时安装了一套固定光伏发电系统，两套系统的光伏发电功率都是250W，一年后，跟踪系统发电324KWh，固定系统发电279KWh，跟踪系统比固定系统多发电16%。

经测算，当系统的装机容量大于2Kw时，这种跟踪系统的成本占整个发电系统总成本的比例已低于15%，所以当跟踪系统的装机容量大于2Kw时，这种跟踪系统已具有经济效益。

4 结论

本装置包括：两块太阳电池板、水箱、水泵、转动支架，通过电池板直接驱动水泵实现跟踪功能。省却了其他跟踪系统常用的感光元件、单片机或程序控制器等电子器件，省却了常用的齿轮减速机构，不需要外部供电。由于很多电子器件的寿命短，与光伏发电系统25年的质保期不匹配，而本跟踪系统完全不用电子器件，整套系统结构简单，皮实耐用，可与光伏发电系统寿命周期匹配，具有经济实用价值。

参考文献：

[1]张金荣，邱荣昌，李恒兴.太阳跟踪装置，发明专利申请公开号CN101685310A，2010.03.31.

[2]王忠强.一种自动跟踪太阳光伏发电装置及其控制方法，发明专利申请公布号CN103888047A，2014.06.25.

[3]宋庆烁，刘发慧，陈家媚.一种新型太阳能自动跟踪装置[J].江西电力职业技术学院学报，2012，25（3）：5-8.

作者简介：王忠强，男，汉，本科，工程师，北京大学东莞光电研究院，任项目经理，参与光伏应用技术项目开发。