一种集成式追光光伏发电冷柜的设计研究

2022-03-04孙赫男郑大宇李学秀

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2022年1期

孙赫男，郑大宇，熊雪，李学秀

(哈尔滨商业大学轻工学院，哈尔滨150028)

随着石油、煤炭和天然气等化石能源的不断减少，人们对于可再生能源的需求不断增加，其开发和利用也备受人们关注.在国家政策的大力支持下，利用太阳能的相关技术产生能源的方式越来越受到重视.相对而言，太阳能比其他能源更容易获得，不需要额外的成本且不需要过多的线路传输，所以在电力输送不到的偏远地区以及景区等空旷场地具有更好的使用价值[1].

目前绝大多数的冷藏用制冷装置都是利用电网提供的交流电能，对压缩机供电，从而使制冷系统正常运行.但是在运输或者野外等特殊条件下，现有的电网无法对制冷装置提供所需电能，制冷系统无法运行.因此，将太阳能发电系统与制冷系统组合在一起，设计并开发适用性强、制冷效果较好的制冷装置,具有非常现实的意义以及广阔的市场需求[2].本文采用了对日跟踪伺服控制系统，设计出适用于电冰箱的单轴追光式光伏板，光伏板随着日光的变化追光转动，确保太阳能电池板所吸收的光能最大化[3].本文旨在利用太阳能，通过所设计的单轴追光机构优化冷藏用制冷装置，大大提高太阳能使用效率，从而提高制冷系统的性能.为较为偏远的地区，景区等提供更好的节能冷藏方式，推动更加便捷的用电生活方式.

1 光伏系统的设计

1.1 总体设计

该制冷装置整体主要由光电传感器、控制电机、蓄电池、追光系统这四个部分组成.其中控制电机属于核心控制器，包括PLC控制步进电机与伺服电机.追光系统的部分是实现追光方式并且大大提高太阳能的使用效率的主要机构.如图1所示，为该装置的整体方案设计，从图1中可以看出从太阳光的收集到太阳能电池板发电的全过程.

图1 总体方案框架图Figure 1 Framework diagram of the overall scheme

1.2 追光系统设计

本文采用了对日跟踪伺服控制系统的设计方法，创新性地将多个追光微元板集成一体：装置整体呈板状，采用单元光伏板与伺服电机一一匹配的方式实现了多个单元光伏板的同步追光，且每一单元的光伏板都可以实现追光转动.由于整体装置呈板状，所以整体的长度与宽度取决于光伏板的规格与数量.该装置机械结构的设计更为精巧：支架与伺服电机本身选取的尺寸就较小，并且仅通过一对光敏电阻即可实现多个伺服电机的联动.由于单轴连接结构的应用(其中单轴旋转角度范围为0°～240°，该旋转范围较大).大大提高了太阳光的收集效率.如图2所示，为光伏板整体结构，其中可清晰看出有20块小光伏板为20个“小单元”，每4块小光伏板为一组，分5行排列，做成的结构有序排列在箱门上，这些光伏板一共有三个动作：1)绕定轴左右摆动，考虑到结构需要扁平化[4],所以该动作的实现采用蜗轮蜗杆结构(如图3示)，一长蜗杆上同时啮合4个小蜗轮实现光伏板的同步摆动，即横向每4个光伏板为一组实现该动作；2)绕定轴的旋转，该动作的实现主要采用同步带传动，其中同步带蛇形排列(如图4所示)，使结构更为紧凑，蜗轮蜗杆减速器输出力矩与扭矩；3)使整体装置伸出箱体，该动作通过摆动滑块机构实现(如图5所示)，两侧采用蜗轮蜗杆作为电机的减速器输出力矩，该动作的目的是使光伏板采光不受箱体的遮挡，采光更充分.

图2 光伏板整体结构侧视图(右)后视图(左)Figure 2 Side view of the overall structure of photovoltaic panels (right) and rear view (left)

图3 涡轮蜗杆结构Figure 3 Turbine worm structure

图4 同步带蛇形排列方式Figure 4 Serpentine arrangement of synchronous belts

图5 摆动滑块机构及其运动简图Figure 5 Swing slider mechanism and its motion diagram

该追光系统总体设计结构紧凑，符合设计要求，前后厚度在250 mm左右，也比较符合实际应用的要求.

1.3 执行机构

本文执行机构主要由两种伺服电机构成，选择该两种电机原因如下：第一种为追光系统动作一所需的电机.研究时发现：光电跟踪中，当两端光敏元件所感受到的太阳光差值较大时控制器开始控制电机转动，当两端光照强度数值相同时，电机停止转动.时控跟踪中，太阳每小时移动的角度为15°，则从早6：00至晚18：00太阳共转动180°角，我们每2 h让电机转动1次，可以得出光伏板每次转动的角度为30°.

从光电追踪与时控追踪中可以看出，光伏板的转速十分缓慢，需要较大的减速比，由于蜗轮蜗杆机构传动平稳，噪音小且具有自锁性[5]，所以选用涡轮蜗杆机构进行减速比的设计，经过一系列计算可以得出整个转动过程要在3 s内实现，因此电机可以选用42系列型号为42HB60B的步进电机.

第二种为追光系统动作二与动作三所需电机.在此动作的设计过程中，只用到一个电机对整体进行驱动，此电机与上面提到的42系列42HB60B步进电机相比，工作情况要求上大体一致，但是所需力矩更大，电机工作过程中不要求转速，光伏板可以在一定时间内平稳缓慢完成此动作[6].所以此处选用60系列型号为60ST-M01330的伺服电机.

1.4 控制系统

由于结合本设计的应用场景，本系统的控制系统采用了PLC的控制系统，因为其适合方位、温度等的各种工业操控且其抗干扰能力强，故障率低，可大大减少后期维修成本.

1.5 光电追踪

光电追踪方式的基本原理是通过传感器将不同的光信号传递给处理器，处理器通过对比这些信号，对调节机构发送指令从而进行角度调整以达到追踪太阳位置的目的.其中传感器采用的是光敏原件，它的光强检测模块主要是采集光强等物理信息，这也是追光装置精确感知光照强度的重要元件.

光敏传感器是一种基于内光电效应的PN结器件.在受到光照时，光导电体被激发产生空穴和自由电子，并在外加电场的作用下作相向的漂移运动，由此光导电体的电阻率发生显著变化，即光敏电阻器的电阻值会随入射光线的强弱而改变[7].

在追光式光伏板其中一块太阳能电池微元板上固定一对光敏传感器，而光敏传感器左右对称的固定在一个太阳能电池单元上.其作用原理是：光敏传感器将光信号反馈给光敏电阻模块，光敏电阻模块又将比较处理过的光信号交付于控制系统，控制系统根据不同强度的光信号控制伺服电机的转动，从而带动太阳能电池板进行追光运动[8].如图6为光敏电阻在电池板上放置的结构示意图.

图6 光敏电阻在电池板上的结构示意图Figure 6 Schematic diagram of the structure of the photoresistor on the battery board

2 光伏系统供电特性实验研究

2.1 实验方案及设备

按上述方案将实验设备连接好后，我们接入一个功率为50 W，电阻为20 Ω的电阻器来模拟负载的冷藏部分，其中太阳能电池板要选用功率相同的固定式光伏板与追光式光伏板进行对比实验.而且进行了晴朗天气与多云天气的对照实验，丰富了实验数据，可以使实验结果更具客观性.表1为选用的设备及其参数.

表1 实验设备参数

2.2 晴朗天气下光伏板的供电特性实验

本实验将光伏板朝南、倾斜30°固定放置.选取哈尔滨地区晴天下进行测试，时间为2020年9月28日，当日日出时间为5：26，昼长11h56min，选取时间段6：00～18：00作为记录周期.图7为光伏板处太射强度随时间变化曲线.

图7 光伏板处太阳辐射强度随时间变化曲线Figure 7 The curve of solar radiation intensity at the photovoltaic panel with time

从曲线可以看出，在当日8:00之前，太阳辐射较弱，太阳未升起时，即使无直射光照，但由于大气层对阳光的反射，仍有一定的光照强度，同样，日落后，仍有较弱的光照强度[9].

随后根据装置所取数据，分别对固定式光伏板与追光式光伏板电压、电流变化情况作出了研究.从数据可以看出：在晴天时，光伏板输出的电流、电压的总体趋势与太阳照射强度大体一致，追光式光伏板的电压最高值为17.8V，电流为3.5A；固定式光伏板的电压最高值为17.8V，电流为3.4A.从曲线的波动程度和上升趋势来看，追光式光伏板达到峰值电流及峰值电压的速率更快，在阳光最为充足的午间，电流和电压输值都比较高，同时追光式光伏板实现了对太阳位置的追踪，电压和电流的输出更为平稳.

图8所示为固定式太阳能电池板与追光式太阳能电池板的发电功率对比曲线图.图9为两者的发电总量曲线图.可以看出追光式光伏板的日总计发电量为526.7 W·h，固定式光伏板的日总计发电量为391.9 W·h.

由上述数据计算可得：天气晴朗时，追光式光伏板的转换率为13.2%，固定式光伏板的转换率为11.1%，使用追光方式后的光伏板，光电转换效率提高了19%，有明显的发电优势和实用价值[10].表2为两者的具体对比数据.从中也可看出追光式光伏板的优势.

图8 太阳能电池板发电功率Figure 8 Solar panel power generation

图9 太阳能电池板总计发电量Figure 9 Total power generation from solar panels

表2 追光式光伏板与固定式光伏板数据对比Table 2 Data comparison between the tracking photovoltaic panel and the fixed photovoltaic panel

2.3 多云天气下光伏板的供电特性实验

选取哈尔滨地区多云天气下进行测试，时间为2020年10月18日，当日日出时间为5：50，昼长10h50min，选取时间段6：00～18：00作为记录周期.图10为太射强度随时间变化曲线.从图10中可以看出：当日太阳照射强度的测试数据如图所示.多云天气下由于云层反射太阳辐射量，故辐射强度波动较大，总辐射量也相应较小.

同理，也对光伏板随电压、电流的变化进行了数据分析，从而可以看出：在多云天气下，太阳能电池板的输出电流、电压都受到了比较大的影响，追光式光伏板的电流最高值为 1.3A，电压17.7V.固定式光伏板的电流最高值为1.2A，电压为17.6V.曲线总体呈现先上升、后平稳，再下降的趋势.

图10 太阳辐射强度随时间变化曲线Figure 10 Curve of solar radiation intensity with time

图11 太阳能电池板的发电功率Figure 11 The power generated by the solar panel

从波动程度来看，追光式光伏板和固定式光伏板的输出电流差距在0.1～0.2A的范围内，说明在多云阴天时，追光式光伏板的工作情况也有影响，但总体上看还是比固定式传统的光伏板效果好很多.

虽然在多云条件下，追光式光伏板的工作情况受到了天气的影响，但追光式光伏板的发电功率还是比光伏板好；见图11.再对发电功率的曲线进行积分[11]，得出追光式光伏板和固定式光伏板的累计发电量曲线，如图12.追光式光伏板的日总计发电量为146.2 W·h，固定式光伏板的日总计发电量为174.3 W·h[12-15].