基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置的设计与研究

欧佳顺

(长沙航空职业技术学院，长沙 410123)

0 引言

我国在日常生产生活中的电能需求较大，甚至会出现供电缺口。据报道，在2020年年底时，我国由于电力供应形势紧张，只能实现有序用电，对人们的生产生活会产生一定影响，因此需要实现多元化电力供应。为了环保及能源可持续利用，新能源发电在所有发电形式中的占比越来越高，其中，太阳能发电由于地域限制小而受到青睐。太阳能是一种稳定且用之不竭的清洁绿色能源，每天以1.2×105MW的能量照射在地球表面，具有满足日益增长的世界电力需求的巨大潜力[1]。鉴于太阳能的众多优点，太阳能发电日益成为全球新能源产业中装机规模增长最快且取得较大成果的新能源发电形式[2]。根据相关统计，太阳能发电在所有新能源发电形式中的占比正以30%的速度逐年增长[3]。

光伏发电作为太阳能发电的主要形式之一，光伏组件是其中重要的发电设备。然而当光伏组件采用固定倾角安装方式时，不能保证其与太阳直射光线实时垂直，导致其光电转换效率不能达到最佳。因此，可以加装光伏组件自动跟踪装置，以实现对太阳直射光线的实时跟踪。根据研究显示，若能保证光伏组件时刻与太阳直射光线垂直，则可以使光伏组件的光电转换效率提高34%，因此研究光伏组件自动跟踪装置具有较大的社会意义和社会价值。

本文基于空气热力学原理，以光、气、热作为混合动力源，从理论可靠性出发，对光伏组件自动跟踪装置的结构进行了设计，并对其工作原理进行了分析，研究设计出一种结构简单、抗干扰性强、低耗能的基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置。

1 光伏组件自动跟踪装置的国内外研究现状

当前，研究人员已对光伏组件自动跟踪装置进行了大量的研究。比如：SKOURI等[4]和NARASIMHAN等[5]分别利用抛物面聚光镜和调棱镜，实现了光调节定位，从而使太阳能达到最大程度的吸收。BARBOSA等[6]和FATHABADI等[7]设计了一种高精度无传感器的开环控制算法的光伏组件自动跟踪装置，可以有效提升双轴跟踪器的跟踪精度，光伏组件的光电转换效率可提高约19.6%。PARTHIPAN等[8]利用2个传感器，设计了一种闭环控制的单轴自动太阳跟踪系统。HONG等[9]和FERDAUS等[10]设计了一种采用太阳能映射规律和基于光电传感器的连续跟踪机制，使光伏组件的光电转换效率提高了约34.4%。张屹等[11]设计了一种基于GPS定位的光伏组件自动追光系统，有效提高了光伏组件的跟踪精度和跟踪稳定性。崔之超[12]设计了一种并联型太阳能自动跟踪装置，该装置采用3个铰链并联支撑与传动的方式，对支撑和传动结构进行了改进优化；但该自动跟踪装置由3个步进电机分别控制3个铰链转动，结构较为笨重，能源消耗量较大。王正等[13]设计了一种基于光电自动跟踪和人为矫正2种模式的四象限法则太阳能跟踪系统，减少了追踪控制系统的电力消耗，并提高了跟踪准确度。李强等[14]设计了一种光伏电站自动跟踪集散控制系统，利用集散控制系统实现闭环控制，可以实现集中控制。张顺心等[15]设计的并联球面跟踪设备和贺新升等[16]设计的三自由度并联装置，均是通过支撑安装部分上的调节机构使光伏组件的绝大部分重力被光伏支架承担，利用3根钢丝绳改变光伏组件的位姿，从而达到减少驱动执行部件的电能消耗、提高最终发电量的目的。

由于目前国内外针对光伏组件自动跟踪装置的研究主要集中在控制算法方面，因此控制算法的研究相对较成熟，但基本都是采用由电机驱动的单、双轴自动跟踪方式，导致装置的整体结构笨重、成本昂贵，且需要额外消耗光伏组件产生的电能。也有极少的研究人员研究了如何减小光伏组件自动跟踪装置在跟踪转动时所消耗的能量，但是技术尚不够成熟，难以推广。因此，为了解决光伏组件自动跟踪装置在光伏组件倾角调节过程中的高电能消耗问题，实现低电能或零电能消耗，并适应不同太阳辐射强度条件下光伏组件的精准自动跟踪定位，本文设计了一种基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置。

2 基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置的系统方案原理设计

为了解决传统光伏组件自动跟踪装置在光伏组件倾角调节过程中电能消耗较大及光伏组件采用固定倾角安装时其光电转换效率未达到最佳的问题，本文研究设计了一种光伏组件自动跟踪装置。该装置根据不同太阳辐射强度条件，分别采用2种动力源驱动。这2种动力源分别为：在高太阳辐射强度条件下，基于空气热力学原理，由光、气、热产生的热气源，以及在低太阳辐射强度条件下额外补充的辅助气源。

本文设计的光伏组件自动跟踪装置的工作原理为：在太阳辐射强度较高的情况下，该自动跟踪装置由基于空气热力学热膨胀原理的热气源来驱动，密封容积内的气体被加热后会膨胀，驱动伸缩气缸里面的活塞伸缩，以实现光伏组件倾角的调节，从而实现零电能消耗。在太阳辐射强度较低的情况下，当控制模块判断出热气源不足以提供伸缩气缸所需要的压力，此时辅助气源打开，给伸缩气缸提供动力，从而实现低太阳辐射强度条件下光伏组件倾角的调节，达到光伏组件自动跟踪装置驱动能耗最少的效果。

为了能够有效判断太阳辐射强度的高低，本文设计的光伏组件自动跟踪装置采用了双光感传感器，从而可以实现任意太阳辐射强度条件下气源的自动切换。本光伏组件自动跟踪装置中气源的切换原理示意图如图1所示。

3 基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置的整体结构设计

根据系统方案原理设计，对基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置的结构进行了整体设计，该光伏组件自动跟踪装置主要包括动力源模块、执行模块、检测模块、控制模块、支撑模块等部分。整个装置的整体结构如图2所示。

在本光伏组件自动跟踪装置的结构中：

1)动力源模块分为2个部分，分别是基于空气热力学的热气源和辅助气源。热气源部分由均布于光伏组件四边的抛物面聚光镜、热敏气缸、L型固定支架组成；辅助气源部分由储气罐组成，可以为每个光伏组件自动跟踪装置均配置1个辅助气源，也可以由1个辅助气源同时供多个光伏组件自动跟踪装置使用。

2)执行模块由4个伸缩气缸及气管组成。

3)检测模块由分布于光伏组件四边的2个光感传感器组成，分别安装于光伏组件四边和支撑模块的L型固定支架上。

4)控制模块主要由单片机模块、气阀控制模块组成。

5)伸缩气缸的底部与支撑模块通过销钉连接，伸缩气缸与光伏组件通过中心球铰链连接。

3.1 工作原理分析

高太阳辐射强度条件下，本光伏组件自动跟踪装置的工作原理简图如图3所示。

图3 高太阳辐射强度条件下基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置的工作原理简图Fig. 3 Working principle schematic diagram of PV modules automatic tracking device based on air thermodynamic hybrid drive under high solar radiation intensity

当太阳辐射强度较高时，该光伏组件自动跟踪装置的气阀控制模块打开，有杆腔和无杆腔连通，实现差动连接；当装置左侧的热敏气缸被抛物面聚光镜汇聚的太阳光线加热，缸内的气体膨胀，进入到右侧的伸缩气缸，从而驱动右侧的伸缩气缸里面的活塞伸出，同时左侧伸缩气缸的控制气阀打开排气口，伸缩气缸被压缩，光伏组件向逆时针方向旋转一定角度，从而实现光伏组件倾角的调节。而转动一定角度后，装置左侧的热敏气缸不再被太阳光线照射，停止加热，则其内部气体不再膨胀，无法再给伸缩气缸提供气体来源，因此伸缩气缸里面的活塞不能继续伸出，停止光伏组件角度移动。若光伏组件转动角度过大，则装置右侧的热敏气缸因太阳光线照射而被加热，从而给装置左侧的伸缩气缸提供热气源，光伏组件按顺时针方向转动。上述操作能保证太阳直射光线与光伏组件保持实时动态垂直。

对本光伏组件自动跟踪装置的驱动力进行分析。忽略气体泄漏，当其中一侧热敏气缸被加热时，设热敏气缸内的压力为P1，由于是差动连接，所以有杆腔和无杆腔的压力都一样，均为P1；外界阻力为F1，无杆腔面积为A1，有杆腔面积为A2，则该光伏组件自动跟踪装置受到的合力F可表示为：

由于A1、A2、F1是固定值，所以当P1增大时，F也增大；当F≥0时，此时可以驱动伸缩气缸里面的活塞伸出；当F＜0时，不能驱动伸缩气缸里面的活塞伸出。

在太阳辐射强度不高的情况下，则由单片机模块根据光感传感器的检测结果来控制气阀控制模块的开启，从而与辅助气源连通，为相应的伸缩气缸提供气源，以驱动光伏组件自动跟踪装置旋转一定的角度。

3.2 基于空气热力学的气源设计与原理分析

为了提高热气源的灵敏度，采用抛物面聚光镜的聚光原理，可以对热敏气缸表面进行快速加热，使热敏气缸内的气体膨胀，从而驱动伸缩气缸里面的活塞伸缩。

当太阳光线斜射时，聚光点不在热敏气缸表面上，则热敏气缸不会被加热；当太阳光线与抛物面聚光镜表面垂直并开始转向时，聚光点开始投射在热敏气缸的表面上，此时热敏气缸被加热。太阳光线聚光点是否在热敏气缸表面时的原理图如图4所示。

图4 太阳光线聚光点是否在热敏气缸表面的原理图Fig. 4 Schematic diagram of whether focus point of sunlight is on the surface of thermal cylinder

由理想气体状态方程可知：

式中：P为热敏气缸的内部压强，Pa；V为热敏气缸内部气体的体积，m3；T为热敏气缸内部温度，K；n为热敏气缸内部气体的物质的量，mol；R为摩尔气体常数(也称为普适气体恒量)，J/(mol·K)。

由式(2)可知，当热敏气缸被加热时，T会增加，由于n、R没有变，所以P和V会相应变大，热敏气缸内部气体膨胀，压强足够给伸缩气缸提供动力，从而使伸缩气缸里面的活塞伸出。

3.3 双光感传感器模块的结构设计

为了实现不同太阳辐射强度条件下光伏组件倾角的调节，本光伏组件自动跟踪装置采用了双光感传感器模块，用于判定太阳辐射强度的高低，从而给控制模块进行反馈。双光感传感器模块的结构设计和安装方式如图5所示。图中：γ指L型固定支架与光伏组件之间的角度。

图5 双光感传感器模块的结构设计及安装方式Fig. 5 Structure design and installation mode of dual light sensor module

本光伏组件自动跟踪装置具有一定的抗干扰性。在双光感传感器模块的结构设计中，第1光感传感器、第2光感传感器均放置于V型槽中，防止侧面光线对光感传感器的干扰；第1光感传感器安装在光伏组件四边，第2光感传感器安装在L型固定支架上；2个光感传感器不在同一条直线上，错开安装，以避免2个光感传感器同时接收相近太阳辐射强度的太阳光线，如图5a所示。为避免第1光感传感器挡住第2光感传感器的光线，L型固定支架与光伏组件的边框成角度γ，如图5b所示。

3.4 检测原理及控制算法设计

本光伏组件自动跟踪装置具体的太阳辐射强度检测原理为：当第1光感传感器接收的太阳辐射强度大于第2光感传感器接收的太阳辐射强度一定值时，说明此时太阳辐射强度充足，单片机模块做出判断，此时不需要由辅助气源给伸缩气缸提供动力，而是以热气源作为动力源；当第1光感传感器、第2光感传感器接收的太阳辐射强度接近时，表示太阳光线同时照射到了2个光感传感器上，单片机模块做出判断，此时光伏组件的倾角未及时进行调节，说明热气源不足以驱动伸缩气缸，需要辅助气源作为动力源给伸缩气缸提供动力，驱动光伏组件进行倾角调节。

4 仿真结果分析

利用Pro/ENGINEER对本文设计的基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置建立三维模型，模拟实际高太阳辐射强度条件(5～6 J/(min·cm2))，在 Ansys Fluent软件中建立理想状态下热敏气缸的温度与压强的关系模型。经过仿真分析得到，在太阳辐射强度达到一定值时，热敏气缸内部压强随着其内部温度的增加而增加，经过一段时间后可以推动一定负载运动，且太阳辐射强度越大，热敏气缸的反应越灵敏，即可实现无电机驱动的光伏组件倾角调节。经过模型仿真得到的仿真结果为：光伏组件倾角调节误差在 1°～2°以内。

5 结论

本文设计的基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置在不同太阳辐射强度条件下，根据空气热力学的膨胀原理通过不同动力源驱动伸缩气缸里面的活塞伸缩，无需外接电力驱动，实现了零电能消耗；通过双光感传感器的检测，可以实现太阳辐射强度高低的判定，并且有效切换到不同太阳辐射强度条件下的动力源，适应不同的太阳辐射强度环境；光感传感器的V型槽可以有效抵抗侧面光线对光感传感器的干扰，抗干扰性强；采用差动连接，可以在热膨胀压力增长较小的情况下，有效且快速地将伸缩气缸里面的活塞伸出，增强了装置的灵敏度。经过仿真分析，可知该光伏组件自动跟踪装置在太阳辐射强度达到一定条件时可以有效驱动伸缩气缸内部的活塞伸出，实现无电机驱动的光伏组件倾角调节，仿真误差值在 1°～2°之间。

本光伏组件自动跟踪装置的设计与传统的光伏组件自动跟踪装置的设计相比有较大的创新及较多优点，其省去了传统的单、双轴电机控制驱动装置，整体结构更简单，便于安装与调节，成本低廉，具有较强的市场推广价值。后续将对设计的基于空气热力学混合驱动的光伏组件自动跟踪装置进行试验台的搭建，进行相关实际参数的试验，为本光伏组件自动跟踪装置的产业化生产优化提供有效的数据参考。