双抛物面均匀反射聚光跟踪光伏发电供热装置

贾兴旺 朱青青 马铭 张晋梓 崔茂臻 徐泉德 王海源

摘要：为了解决投入太阳辐射密度低、光伏电池昂贵等问题，设计了聚光型光伏发电供热装置，主要由聚光系统、冷却子系统、伺服跟踪系统组成。聚光子系统采用双抛物面均匀反射新型聚光方法，可获得高平行度、高聚光比的汇聚光;冷却子系统采用滤红外线和水冷法相结合的新型冷却技术，改善对光伏电板的降温效果;伺服跟踪子系统采用太阳轨迹跟踪的日历法结合光伏电板功率扰动爬山法的新型无光传感器组合跟踪策略，减少光检测元件的硬件投资，提高跟踪速度，增强跟踪的稳定性和抗扰能力。

关键词：聚光子、冷却子系统、伺服跟踪、方位角控制、散热器。

引言

市面上对太阳能利用虽然已取得巨进大的进步，但还是基于传统的供电方式，想要实现方便快捷的用电，还需要新的技术创新设计一种新型的聚光光伏发电供热装置，及一种无光传感器的高效追日跟踪策略。新能源技术是高技术的支柱，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等。太阳能发电不产生任何废弃物，无污染，无噪声，是理想的清洁能源。以太阳能为代表的新能源产业属于国家战略性新兴产业，具有科技含量高、市场潜力大、增长速度快、产业带动强的特点。加快发展对内地积极调整能源结构、加快转变能源增长方式等，具有十分重要的战略意义。目前，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容，然而太阳辐射密度低、光伏电池昂贵等问题，导致光伏发电系统的成本居高不下。据调查，目前太阳能发电成本约为15-20元/万，昂贵的太阳能电池板严重束缚着太阳能产业的发展。另根据教育部光伏系统工程研究中心能源研究所统计分析，以最佳倾角和垂直安装两种并网光伏系统情况计算，每安装1kW光伏系统在其生命周期内总共减少CO2排放量差异较大，范围约为8.92吨到39.20吨之间。因此，大力发展聚光型光伏发电设备，利用较低成本的聚光器件弥补昂贵的光伏电池成本投入，以进一步提高发电效率，降低发电成本，发挥光伏节能减排作用，是目前国内外光伏发电应用研究与产业化推广领域中的重要研究方向。光伏发电供热装置的整体系统设计如图1所示。

1.机械系统设计

1.1轴承的相关部件结构设计

轴承是根据轴的最末端尺寸来选择的，在轴承的左端用轴盖来顶住，轴承的右端用轴肩来挡住，使轴承不会松动。为了保证轴承的密封，在轴承的右侧加入一个塑性挡油密封圈，这样一来就大大增加了轴的密封性，同时也起到一定的稳定性作用。

1.2底座滚轮结构设计

整个装置用到4个轮子，轮子的结构由圆柱销过盈配合固定滚轮来形成每个轮子，成双的分布在底座的四个方向，可以达到旋转的目的。用这种方法装配可以使物体的移动更加灵活方便，避免了轮子数量过多而起到的转向困难问题。

1.3抛物面的位置布置和结构设计

抛物面的位置布置如图2所示的上下端投影所示。

1.4自动跟踪系统设计的整体方案

太阳的高度角和方位角的变化，使聚光光伏发电的聚光器与入射光线难以始终保持一定的角度，因此要求采用一套自动跟踪机构，使聚光器自动跟踪太阳转动。如图3所示，通过光电传感器2实时接收变动的太阳光线并产生电信号给处理电路，当跟踪误差达到设定值时，处理电路产生开关信号，控制驱动装置1，通过传动轴5带动聚光器自动跟踪太阳，使实时变化的太阳光线与聚光器始终保持一定的位置关系，从而确保聚光器底部的平面镜4把太阳光线均匀地反射到聚光器顶部的太阳能电池板3，以实现数倍聚光功能。

1.5方位角控制结构部件设计

应用摆放在底座上的电动机的旋转来控制整个装置的旋转，因为电动机与小套筒相互带动旋转，而底座中轴又与大套筒一起配合旋转，大小套筒用皮带轮相连，电动机就能带动下横梁，即相当于整个装置上半部分旋转。即方位角得到了控制。电动机与小带轮，套筒和大带轮，套筒与转动轴均为过盈配合，因为整个装置质量不大，所以不用键配合，过盈配合带动即可。

1.6电池板背面散热器设计

对于低倍聚光的发电系统，太阳能电池方阵产生的热量可以通过电池板背面的铝制翅片式散热器直接散发到大气中。散热器中翅片的齿高、齿间距、齿厚等结构尺寸是影响散热器散热能力的重要因素。因此，对翅片散热器结构尺寸进行优化，在一定范围内增加散热器结构之间的尺寸，以提高散热器的散热能力。

2.硬件系统设计

2.1聚光系统

該聚光器采用多块平面反射镜并通过巧妙的结构设计，使得太阳光经平面镜反射后均匀地照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，实现数倍聚光功能，从而提高单位面积太阳能电池的发电效率。

反射镜阵列由至少四列反射镜组成，分成两组，向两侧伸展，对称安装在框架中心线两侧;框架与所述支架固定连接;太阳能电池组阵列也分成两组按一定角度呈蝶形对称安装在所述支架中心线两侧，朝向平面反射镜阵列安装该形状使太阳能电池组件能够最大限度地接受平面反射镜阵列的反射太阳光;每列反射镜反射的光线照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，且照射宽度略大于被照射的太阳能电池阵列宽度。本项目不采用菲涅尔透镜、抛物面反射镜等制造难度较大的聚光镜，而是采用常见的平面反射镜，通过巧妙的结构设计，使得每列反射镜反射的光线都均匀地照射到对应一侧的太阳能电阵列上，从而实现聚光功能，制造简单，价格低廉。

工作原理：

光伏发电聚光器的底部安装一排平面反射镜，太阳能电池板固定在聚光器顶端，聚光器通过光电传感器、电控系统和驱动装置自动跟踪太阳转动，确保实时变化的太阳光线与聚光器始终保持一定的位置关系。光伏发电聚光器平面镜与太阳能电池板之间的位置关系，入射光线经各块平面镜反射后均匀地照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，实现数倍聚光功能。

在电池板和平面镜间建立直角坐标系，假设电池板的放置角度和宽度分别为p和ABI，入射光线B1O1经平面镜 0102的端点01反射后的光线O1A反射到电池板的端点A，由入射光线和反射光线可得平面镜0102的放置角度β1。经电池板另一端点B1，作反射光线B102//AO1，可得平面镜的另一端点O2，同理可得出其余平面镜0203、0304、0405... 的放置角度和尺寸。

2.2冷却子系统

采用一种太阳能分级喷射-压缩与露点间接蒸发耦合制冷系统，可以充分利用太阳能、空气焓湿能等自然环境所提供的能量，提高能源的利用效率，节约制冷能耗。耦合制冷系统做出建立太阳能分级喷射-压缩与露点间接蒸发耦合供冷系统，耦合系统包括喷射压缩制冷子系统与蒸发冷却制冷子系统，喷射压缩子系统为太阳能喷射-压缩耦合制冷循环形式，蒸发冷却子系统采用蒸发式冷凝器与露点间接蒸发冷却器一体的形式。建立耦合系统的能量分析模型，计算分析了集热器面积、室外空气状态与太阳辐射强度，对喷射压缩子系统性能的影响，以及室外空气干湿球温度等气象参数对蒸发冷却子系统性能的影响。蒸发冷却子系统运行时，露点间接蒸发冷却器的送风温度与焓值随进口空气干球温度的升高而升高，且送风温度低于室外空气湿球温度，略高于室外空气露点温度;露点间接蒸发冷却器的湿球效率与露点效率均随进口空气干球温度的升高而降低，且湿球效率下降幅度更大。

2.3伺服跟踪系统

伺服跟踪通常采用三种方式：手控跟踪、自动跟踪和程序跟踪。其中，自动跟踪是在不知道轨道信息的情况下控制天线指向卫星，又分为以下几种方式。

控制器是以微处理器为核心的多功能控制器。微处理器通RS-232串口，其他计算机或显示终端连接，提供遥控和监测通道。程序跟踪接口用于接收预报轨信息和标准时间信息，并将这些信息送入微处理器，将指令角位数据和R/D角位数字变换器的实时角位数据进行比较，得到天线方位、俯仰数字角位误差，将此误差送 D/A 变换器，就得到伺服系统的模拟位置误差信号。

电机控制器是由驱动电机和速度调节环组成。速度调节环包括速度调节器和电流调节器，对于直流驱动还包括可控硅整流器。通常情况下，直流驱动用于低速自动跟踪和精确定位，交流驱动用于高速旋转。大型全向天线一般采用直流驱动。角位数字变换器是用于天线方位和俯仰轴的位置显示，且为程序跟踪提供即时角位置参数。通常用粗，精双速同步机传动以提高显示的分辨度和精度。对于大型天线或多功能地球站均采用数字角位显示器，粗、精通道分解器分别产生4个按天线轴角位的正、余弦变化的模拟信号，然后经过解调器、多路开关和A/D变换器，在微处理器控制下求得粗精角位。

3.结论

双抛物面均匀反射聚光跟踪光伏发电供热装置就在一定程度上提高了对新能源的开发和利用，增加了生态系统的可持续性发展。新能源技术是高技术的支柱，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等。太阳能发电不产生任何废弃物，无污染，无噪声，是理想的清洁能源。以太阳能为代表的新能源产业属于国家战略性新兴产业，具有科技含量高、市场潜力大、增长速度快、产业带动强的特点。加快发展对内地积极调整能源结构、加快转变能源增长方式等，具有十分重要的战略意义。

參考文献

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作者简介：贾兴旺（2000-），男，山东省菏泽市人，学士，研究方向：机械工程。

该项目由省级创新创业训练项目《双抛物面均匀反射聚光跟踪光伏发电供热装置》（S202113320022）支持。青岛黄海学院创新创业项目 《专创融合视角下机电类专业实践教学改革与探索》（2021CXCY38）支持。