聚光跟蹤光伏光熱一體機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置的研制

張德勝

烏魯木齊智源易通智能科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

太陽能聚光發(fā)電技術(shù)是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一個(gè)重要課題。采用聚光、自動(dòng)追蹤太陽方位及高度角的方法，可以使聚光器與聚光器的總夾角保持一致，保證所有的光都集中在電池板上，從而提高太陽能板的光照。同時(shí)，太陽能集熱器的效率也得到了極大的提升，從而極大地減少了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)[1]。

聚光器對(duì)太陽的跟蹤精度會(huì)對(duì)聚光效果產(chǎn)生很大的影響。目前，傳統(tǒng)的集流器均為單機(jī)操作，每個(gè)集流器配一組跟蹤設(shè)備，并配有獨(dú)立的追蹤控制線路。通常采取增大聚光板照明面積的辦法來減少跟蹤費(fèi)用，但這通常需要加大聚光板的體積和質(zhì)量，從而增加了安裝的難度。

1 聚光跟蹤光伏光熱一體機(jī)概述

1.1 聚光原理

聚光跟蹤光伏光熱一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“一體機(jī)”）采用了追蹤式集光技術(shù)，可以讓太陽能板獲得更多的光照，從而增加太陽能板的功率。一體機(jī)的聚光原理如圖1所示。在聚光架的底部安裝有一個(gè)平面反射鏡，該平面反射鏡借助太陽追蹤裝置使陽光總與聚光架保持一定角度；被平面反射鏡反射的太陽光會(huì)均勻地集中在聚光電池板上，由此實(shí)現(xiàn)多聚光效果；聚光電池板可以通過冷卻器中的水介質(zhì)吸收光熱，實(shí)現(xiàn)光電、光熱的聯(lián)用；在聚光器的頂端，還有一個(gè)朝向陽光的平板電池，其可以直接吸收陽光。

圖1 聚光原理

1.2 聚光裝置的結(jié)構(gòu)

在一體機(jī)的微型聚光裝置中，左右2個(gè)反光單元由1根驅(qū)動(dòng)框架橫梁固定。左右2個(gè)反光單元都由1個(gè)鏡架、1個(gè)平面鏡和1個(gè)聚光電池板組成；驅(qū)動(dòng)框架能夠帶動(dòng)左右2個(gè)反光單元繞著高度角傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由此跟蹤太陽高度。聚光裝置整體由方位連接塊固定在方形角度驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)軸上。小型聚光裝置的鏡框大多采用沖壓成型技術(shù)，既能提高聚光板的精確度，又能減少生產(chǎn)成本。

2 一體機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)分析

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

一體機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置包含2臺(tái)或多臺(tái)微型聚光器，所有微型聚光器均以一條長(zhǎng)的傳動(dòng)軸為基礎(chǔ)，用多個(gè)支柱支承，并利用一個(gè)定向傳動(dòng)裝置帶動(dòng)長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)，這樣可以將全部的聚光器連成一體追蹤太陽的方向。所有微型聚光器均可圍繞相應(yīng)的傾斜軸旋轉(zhuǎn)，利用四邊形的平行連桿將其串聯(lián)，并利用傾斜角度的傳動(dòng)裝置使其搖晃，可以使全部的聚光器互相配合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽角度的同步[2]。

每個(gè)聚光器的傳動(dòng)軸用一個(gè)連桿緊固在一個(gè)方向的傳動(dòng)軸上，再用另一個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)器控制旋轉(zhuǎn)，這樣可以讓所有的聚光器都跟著旋轉(zhuǎn)。高角度連桿將各臺(tái)聚光器串聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)平行四邊形的結(jié)構(gòu)，通過角度傳動(dòng)裝置帶動(dòng)4個(gè)并排的四邊形結(jié)構(gòu)，從而使聚光器圍繞相應(yīng)的角度傳動(dòng)軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)追蹤太陽角度，使所有聚光器都能在2D方向上進(jìn)行連桿追蹤。

2.2 傳動(dòng)分析

2.2.1 方位角傳動(dòng)分析

在聚光跟蹤過程中，存在傳動(dòng)間隙，使跟蹤不穩(wěn)定，因此，要選擇具有較少齒距的驅(qū)動(dòng)裝置，以減小螺桿的齒隙[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，使用了一種動(dòng)力推進(jìn)裝置，該裝置是以直流馬達(dá)與螺帽為基礎(chǔ)的動(dòng)力裝置，可以間斷地驅(qū)動(dòng)裝置來追蹤太陽方向，從而達(dá)到精確的驅(qū)動(dòng)效果[4]。定向驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，全部聚光裝置均與方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸相連，擺桿的一端連接方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸，另一端連接方位角電動(dòng)推桿。擺桿的旋轉(zhuǎn)由方位角電動(dòng)推桿的伸長(zhǎng)和收縮驅(qū)動(dòng)，而方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸的旋轉(zhuǎn)由擺桿驅(qū)動(dòng)，從而可以使全部的聚光裝置跟隨太陽方向的改變及時(shí)旋轉(zhuǎn)。

圖2 方位角驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在旋轉(zhuǎn)聚焦支架時(shí)，擺桿與方位角電動(dòng)推桿之間的夾角a1減小，使方向驅(qū)動(dòng)力矩減小。定向角度的傳動(dòng)扭矩Ma為

式中：Fa為方位角電動(dòng)推桿的推力；B1為擺桿的長(zhǎng)度。在8級(jí)大風(fēng)（風(fēng)速為17.2～20.7 m/s）時(shí)，集光設(shè)備可承受的最大風(fēng)壓為267.5 Pa。利用集光器最大迎風(fēng)面積和平均力臂，可以求得方位角風(fēng)載阻扭矩Maf；根據(jù)支座重量、重心與驅(qū)動(dòng)軸的偏差值，可以求得方位角中心阻力矩Maz。測(cè)量方向傳遞力矩Ma為

從式（1）和式（2）得出，方位角電動(dòng)推桿的推力Fa為

方位角的跟蹤精度受絲桿傳動(dòng)間隙ΔD的影響，根據(jù)擺桿的長(zhǎng)度B1可以得到方位角的跟蹤偏差Δωa為

2.2.2 高度角傳動(dòng)分析

高度角度傳動(dòng)裝置中，聚光裝置可以圍繞相應(yīng)的高度角傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)；所有聚光裝置由高度角聯(lián)動(dòng)架連接，構(gòu)成一個(gè)平行四邊形的連桿裝置；該平行四邊形連桿裝置通過高度角電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，使全部的聚光裝置圍繞相應(yīng)的高度角傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而同步追蹤太陽高度角度的改變。

當(dāng)聚光支架旋轉(zhuǎn)時(shí)，高度角電動(dòng)推桿和高度角傳動(dòng)軸之間的角度（a2+β）減小，高度角的驅(qū)動(dòng)力矩Me為

式中：a2+β為高度角；Fe為高度角電動(dòng)推桿的推動(dòng)力；B2為高度角傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度。高度角度的傳動(dòng)扭矩Me可以根據(jù)高角度的風(fēng)載阻力扭矩Mef和高角度的中心阻力扭矩Mez確定：

從式（5）和式（6）得出，高度角電動(dòng)推桿的推動(dòng)力Fe為

高度角的跟蹤誤差主要與螺桿驅(qū)動(dòng)的間隙ΔD和高度角連桿的長(zhǎng)度偏差ΔL有關(guān)，利用高度角傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度B2可以得到的高度角跟蹤誤差Δωe為

3 實(shí)例分析

3.1 設(shè)備參數(shù)

基于以上研究成果，研制了一臺(tái)1 kW的一體機(jī)，其使用了4個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)裝置，使4個(gè)聚光器相互配合，能夠?qū)μ柟膺M(jìn)行2D的追蹤。

設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)：長(zhǎng)度為12 000 mm，寬度為2 400 mm，高度為2 000 mm，每個(gè)單元的照明區(qū)域?yàn)?5 m；機(jī)構(gòu)重量為426 kg，整體重量為582 kg；每個(gè)單元均有5個(gè)支柱，以3.2 mm厚的超級(jí)白色鏡子聚集陽光（北方有冰雹或大雪時(shí)，可增加玻璃的厚度）。

3.2 傳動(dòng)分析

根據(jù)集流板的外形計(jì)算得到，在8級(jí)大風(fēng)時(shí)，風(fēng)向角的風(fēng)荷轉(zhuǎn)矩為360 kN·m，在較高的風(fēng)向角風(fēng)荷載下，風(fēng)荷轉(zhuǎn)矩為320 kN·m。計(jì)算支架的質(zhì)量、中心到傳動(dòng)軸的間距，得到中心阻力矩為60 kN·m，高轉(zhuǎn)角的中心阻抗力矩Mez=60 N·m；方位角擺桿的長(zhǎng)度B1=600 mm，高度角傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度B2=500 mm。由式（3）得出，在這一時(shí)刻，方位角電動(dòng)推桿的推力最大，F(xiàn)amax=1 400 kN。若a2=45°，由式（7）得出，在a2=45°，β=-15°時(shí)，高度角電動(dòng)推桿的最大推力為Femax=1 520 kN。出于安全原因，采用了3 000 kN的電力推進(jìn)器和推進(jìn)器。

收集器采用電動(dòng)推桿加工的螺桿，螺距D=0.2 mm，而高角連接桿的長(zhǎng)度偏差為0.3 mm。若a1=90°，由式（4）得出，在a1=90°的情況下，最大的方位角跟蹤誤差Δωa=0.02。根據(jù)式（8）得出，在a2=90°，β=15°的情況下，最大的高度角跟蹤誤差為Δωe=0.13。實(shí)踐表明，普通蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的軌跡跟蹤誤差小于0.5，而連桿跟蹤誤差小于0.2，提高了平面反射器的收光率，降低了太陽能電池的成本。

3.3 應(yīng)用效果

項(xiàng)目研制的單片機(jī)螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用金屬保護(hù)套，可有效地避免風(fēng)沙侵襲，并在每一面都留有孔洞；所有的金屬支架都經(jīng)過熱鍍鋅，每一層的采光面積都是28.4 kg，特別適合用于賓館、工廠、住宅的鋼筋混凝土屋頂。研制的樣機(jī)已在廈門某大廈的樓頂進(jìn)行了一年的實(shí)驗(yàn)，雖然受到多次強(qiáng)風(fēng)的影響，但樣機(jī)保持良好，這表明其可以承受很大的風(fēng)暴。

（1）經(jīng)濟(jì)效益。與常規(guī)平面晶硅光電系統(tǒng)相比，文章研制的一體機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置降低了系統(tǒng)造價(jià)，減少了聚光器、跟蹤系統(tǒng)和集熱器的費(fèi)用。對(duì)5 kW一體機(jī)電站和5 kW平板電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和綜合分析，得到的結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知，一體機(jī)電站的成本比平板電站低。

（2）發(fā)電效果。在廈門集美地區(qū)發(fā)電6個(gè)月（2020年7月1日—2020年12月31日）后，兩者的總發(fā)電能力相當(dāng)，平板電站發(fā)電量為2 167 kW·h，一體機(jī)電站發(fā)電量為2 173 kW·h；一體機(jī)電站還能得到等同于4 328 kW/h的電熱（平均水溫為52 ℃的熱水）。一體機(jī)電站的占地面積是平板電站的15倍，其整體性能比普通電站高出許多。

4 結(jié)論

文章開發(fā)的聚光跟蹤光伏光熱一體機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置采用2個(gè)電子推棒驅(qū)動(dòng)多個(gè)聚光裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方向和高度的跟蹤，從而改善了聚光器的穩(wěn)定性、跟蹤精度和聚光效果（聚光效率提高了5%）。利用連桿可以降低聚光支架的高度，整體聚光部件由多根支柱承擔(dān)，平均承載為197.96 N/m2；安裝時(shí)無須使用升降裝置，降低了安裝和維護(hù)費(fèi)用。