雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發(fā)電供熱裝置

賈興旺 朱青青 馬銘 張晉梓 崔茂臻 徐泉德 王海源

摘要：為了解決投入太陽輻射密度低、光伏電池昂貴等問題，設(shè)計(jì)了聚光型光伏發(fā)電供熱裝置，主要由聚光系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、伺服跟蹤系統(tǒng)組成。聚光子系統(tǒng)采用雙拋物面均勻反射新型聚光方法，可獲得高平行度、高聚光比的匯聚光;冷卻子系統(tǒng)采用濾紅外線和水冷法相結(jié)合的新型冷卻技術(shù)，改善對(duì)光伏電板的降溫效果;伺服跟蹤子系統(tǒng)采用太陽軌跡跟蹤的日歷法結(jié)合光伏電板功率擾動(dòng)爬山法的新型無光傳感器組合跟蹤策略，減少光檢測元件的硬件投資，提高跟蹤速度，增強(qiáng)跟蹤的穩(wěn)定性和抗擾能力。

關(guān)鍵詞：聚光子、冷卻子系統(tǒng)、伺服跟蹤、方位角控制、散熱器。

引言

市面上對(duì)太陽能利用雖然已取得巨進(jìn)大的進(jìn)步，但還是基于傳統(tǒng)的供電方式，想要實(shí)現(xiàn)方便快捷的用電，還需要新的技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種新型的聚光光伏發(fā)電供熱裝置，及一種無光傳感器的高效追日跟蹤策略。新能源技術(shù)是高技術(shù)的支柱，包括核能技術(shù)、太陽能技術(shù)、燃煤、磁流體發(fā)電技術(shù)、地?zé)崮芗夹g(shù)、海洋能技術(shù)等。太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，無污染，無噪聲，是理想的清潔能源。以太陽能為代表的新能源產(chǎn)業(yè)屬于國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，具有科技含量高、市場潛力大、增長速度快、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)。加快發(fā)展對(duì)內(nèi)地積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、加快轉(zhuǎn)變能源增長方式等，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。目前，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，然而太陽輻射密度低、光伏電池昂貴等問題，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本居高不下。據(jù)調(diào)查，目前太陽能發(fā)電成本約為15-20元/萬，昂貴的太陽能電池板嚴(yán)重束縛著太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另根據(jù)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心能源研究所統(tǒng)計(jì)分析，以最佳傾角和垂直安裝兩種并網(wǎng)光伏系統(tǒng)情況計(jì)算，每安裝1kW光伏系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)總共減少CO2排放量差異較大，范圍約為8.92噸到39.20噸之間。因此，大力發(fā)展聚光型光伏發(fā)電設(shè)備，利用較低成本的聚光器件彌補(bǔ)昂貴的光伏電池成本投入，以進(jìn)一步提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，發(fā)揮光伏節(jié)能減排作用，是目前國內(nèi)外光伏發(fā)電應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)化推廣領(lǐng)域中的重要研究方向。光伏發(fā)電供熱裝置的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1軸承的相關(guān)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承是根據(jù)軸的最末端尺寸來選擇的，在軸承的左端用軸蓋來頂住，軸承的右端用軸肩來擋住，使軸承不會(huì)松動(dòng)。為了保證軸承的密封，在軸承的右側(cè)加入一個(gè)塑性擋油密封圈，這樣一來就大大增加了軸的密封性，同時(shí)也起到一定的穩(wěn)定性作用。

1.2底座滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置用到4個(gè)輪子，輪子的結(jié)構(gòu)由圓柱銷過盈配合固定滾輪來形成每個(gè)輪子，成雙的分布在底座的四個(gè)方向，可以達(dá)到旋轉(zhuǎn)的目的。用這種方法裝配可以使物體的移動(dòng)更加靈活方便，避免了輪子數(shù)量過多而起到的轉(zhuǎn)向困難問題。

1.3拋物面的位置布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拋物面的位置布置如圖2所示的上下端投影所示。

1.4自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案

太陽的高度角和方位角的變化，使聚光光伏發(fā)電的聚光器與入射光線難以始終保持一定的角度，因此要求采用一套自動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)，使聚光器自動(dòng)跟蹤太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示，通過光電傳感器2實(shí)時(shí)接收變動(dòng)的太陽光線并產(chǎn)生電信號(hào)給處理電路，當(dāng)跟蹤誤差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，處理電路產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)裝置1，通過傳動(dòng)軸5帶動(dòng)聚光器自動(dòng)跟蹤太陽，使實(shí)時(shí)變化的太陽光線與聚光器始終保持一定的位置關(guān)系，從而確保聚光器底部的平面鏡4把太陽光線均勻地反射到聚光器頂部的太陽能電池板3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍聚光功能。

1.5方位角控制結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

應(yīng)用擺放在底座上的電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)來控制整個(gè)裝置的旋轉(zhuǎn)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)與小套筒相互帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而底座中軸又與大套筒一起配合旋轉(zhuǎn)，大小套筒用皮帶輪相連，電動(dòng)機(jī)就能帶動(dòng)下橫梁，即相當(dāng)于整個(gè)裝置上半部分旋轉(zhuǎn)。即方位角得到了控制。電動(dòng)機(jī)與小帶輪，套筒和大帶輪，套筒與轉(zhuǎn)動(dòng)軸均為過盈配合，因?yàn)檎麄€(gè)裝置質(zhì)量不大，所以不用鍵配合，過盈配合帶動(dòng)即可。

1.6電池板背面散熱器設(shè)計(jì)

對(duì)于低倍聚光的發(fā)電系統(tǒng)，太陽能電池方陣產(chǎn)生的熱量可以通過電池板背面的鋁制翅片式散熱器直接散發(fā)到大氣中。散熱器中翅片的齒高、齒間距、齒厚等結(jié)構(gòu)尺寸是影響散熱器散熱能力的重要因素。因此，對(duì)翅片散熱器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在一定范圍內(nèi)增加散熱器結(jié)構(gòu)之間的尺寸，以提高散熱器的散熱能力。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1聚光系統(tǒng)

該聚光器采用多塊平面反射鏡并通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得太陽光經(jīng)平面鏡反射后均勻地照射到對(duì)應(yīng)一側(cè)的太陽能電池陣列上，實(shí)現(xiàn)數(shù)倍聚光功能，從而提高單位面積太陽能電池的發(fā)電效率。

反射鏡陣列由至少四列反射鏡組成，分成兩組，向兩側(cè)伸展，對(duì)稱安裝在框架中心線兩側(cè);框架與所述支架固定連接;太陽能電池組陣列也分成兩組按一定角度呈蝶形對(duì)稱安裝在所述支架中心線兩側(cè)，朝向平面反射鏡陣列安裝該形狀使太陽能電池組件能夠最大限度地接受平面反射鏡陣列的反射太陽光;每列反射鏡反射的光線照射到對(duì)應(yīng)一側(cè)的太陽能電池陣列上，且照射寬度略大于被照射的太陽能電池陣列寬度。本項(xiàng)目不采用菲涅爾透鏡、拋物面反射鏡等制造難度較大的聚光鏡，而是采用常見的平面反射鏡，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得每列反射鏡反射的光線都均勻地照射到對(duì)應(yīng)一側(cè)的太陽能電陣列上，從而實(shí)現(xiàn)聚光功能，制造簡單，價(jià)格低廉。

工作原理：

光伏發(fā)電聚光器的底部安裝一排平面反射鏡，太陽能電池板固定在聚光器頂端，聚光器通過光電傳感器、電控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置自動(dòng)跟蹤太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，確保實(shí)時(shí)變化的太陽光線與聚光器始終保持一定的位置關(guān)系。光伏發(fā)電聚光器平面鏡與太陽能電池板之間的位置關(guān)系，入射光線經(jīng)各塊平面鏡反射后均勻地照射到對(duì)應(yīng)一側(cè)的太陽能電池陣列上，實(shí)現(xiàn)數(shù)倍聚光功能。

在電池板和平面鏡間建立直角坐標(biāo)系，假設(shè)電池板的放置角度和寬度分別為p和ABI，入射光線B1O1經(jīng)平面鏡 0102的端點(diǎn)01反射后的光線O1A反射到電池板的端點(diǎn)A，由入射光線和反射光線可得平面鏡0102的放置角度β1。經(jīng)電池板另一端點(diǎn)B1，作反射光線B102//AO1，可得平面鏡的另一端點(diǎn)O2，同理可得出其余平面鏡0203、0304、0405... 的放置角度和尺寸。

2.2冷卻子系統(tǒng)

采用一種太陽能分級(jí)噴射-壓縮與露點(diǎn)間接蒸發(fā)耦合制冷系統(tǒng)，可以充分利用太陽能、空氣焓濕能等自然環(huán)境所提供的能量，提高能源的利用效率，節(jié)約制冷能耗。耦合制冷系統(tǒng)做出建立太陽能分級(jí)噴射-壓縮與露點(diǎn)間接蒸發(fā)耦合供冷系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)包括噴射壓縮制冷子系統(tǒng)與蒸發(fā)冷卻制冷子系統(tǒng)，噴射壓縮子系統(tǒng)為太陽能噴射-壓縮耦合制冷循環(huán)形式，蒸發(fā)冷卻子系統(tǒng)采用蒸發(fā)式冷凝器與露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器一體的形式。建立耦合系統(tǒng)的能量分析模型，計(jì)算分析了集熱器面積、室外空氣狀態(tài)與太陽輻射強(qiáng)度，對(duì)噴射壓縮子系統(tǒng)性能的影響，以及室外空氣干濕球溫度等氣象參數(shù)對(duì)蒸發(fā)冷卻子系統(tǒng)性能的影響。蒸發(fā)冷卻子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的送風(fēng)溫度與焓值隨進(jìn)口空氣干球溫度的升高而升高，且送風(fēng)溫度低于室外空氣濕球溫度，略高于室外空氣露點(diǎn)溫度;露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率與露點(diǎn)效率均隨進(jìn)口空氣干球溫度的升高而降低，且濕球效率下降幅度更大。

2.3伺服跟蹤系統(tǒng)

伺服跟蹤通常采用三種方式：手控跟蹤、自動(dòng)跟蹤和程序跟蹤。其中，自動(dòng)跟蹤是在不知道軌道信息的情況下控制天線指向衛(wèi)星，又分為以下幾種方式。

控制器是以微處理器為核心的多功能控制器。微處理器通RS-232串口，其他計(jì)算機(jī)或顯示終端連接，提供遙控和監(jiān)測通道。程序跟蹤接口用于接收預(yù)報(bào)軌信息和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，并將這些信息送入微處理器，將指令角位數(shù)據(jù)和R/D角位數(shù)字變換器的實(shí)時(shí)角位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到天線方位、俯仰數(shù)字角位誤差，將此誤差送 D/A 變換器，就得到伺服系統(tǒng)的模擬位置誤差信號(hào)。

電機(jī)控制器是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和速度調(diào)節(jié)環(huán)組成。速度調(diào)節(jié)環(huán)包括速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，對(duì)于直流驅(qū)動(dòng)還包括可控硅整流器。通常情況下，直流驅(qū)動(dòng)用于低速自動(dòng)跟蹤和精確定位，交流驅(qū)動(dòng)用于高速旋轉(zhuǎn)。大型全向天線一般采用直流驅(qū)動(dòng)。角位數(shù)字變換器是用于天線方位和俯仰軸的位置顯示，且為程序跟蹤提供即時(shí)角位置參數(shù)。通常用粗，精雙速同步機(jī)傳動(dòng)以提高顯示的分辨度和精度。對(duì)于大型天線或多功能地球站均采用數(shù)字角位顯示器，粗、精通道分解器分別產(chǎn)生4個(gè)按天線軸角位的正、余弦變化的模擬信號(hào)，然后經(jīng)過解調(diào)器、多路開關(guān)和A/D變換器，在微處理器控制下求得粗精角位。

3.結(jié)論

雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發(fā)電供熱裝置就在一定程度上提高了對(duì)新能源的開發(fā)和利用，增加了生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展。新能源技術(shù)是高技術(shù)的支柱，包括核能技術(shù)、太陽能技術(shù)、燃煤、磁流體發(fā)電技術(shù)、地?zé)崮芗夹g(shù)、海洋能技術(shù)等。太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，無污染，無噪聲，是理想的清潔能源。以太陽能為代表的新能源產(chǎn)業(yè)屬于國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，具有科技含量高、市場潛力大、增長速度快、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)。加快發(fā)展對(duì)內(nèi)地積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、加快轉(zhuǎn)變能源增長方式等，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

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作者簡介：賈興旺（2000-），男，山東省菏澤市人，學(xué)士，研究方向：機(jī)械工程。

該項(xiàng)目由省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發(fā)電供熱裝置》（S202113320022）支持。青島黃海學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 《專創(chuàng)融合視角下機(jī)電類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革與探索》（2021CXCY38）支持。