極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)研究

吳詠昆

（珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東珠海 519060）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，日照跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量，比不跟蹤的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)多25%～70%。對(duì)于提高陽(yáng)光利用率，有效降低土地使用面積，降低光伏發(fā)電的成本，具有很重要的意義。

日照跟蹤系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。雙軸跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)也有很多種，經(jīng)多年的改進(jìn)，現(xiàn)在常見的結(jié)構(gòu)為垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)組成的雙軸系統(tǒng)，垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一般在0°～180°之間，俯仰運(yùn)動(dòng)在0°～90°之間。兩個(gè)方向上，每日都必須進(jìn)行不停的調(diào)整，才能保證太陽(yáng)光直射太陽(yáng)能面板，因此需要2 個(gè)電機(jī)，能量消耗較大，且成本較高。單軸跟蹤系統(tǒng)在南北回歸線內(nèi)使用都比較好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雖然發(fā)電量沒(méi)有雙軸跟蹤系統(tǒng)好，但通過(guò)一年二次及以上的調(diào)整，也可以做到和雙軸系統(tǒng)相差不大。因此著重研究了單軸（極軸式）日照跟蹤系統(tǒng)。

1 極軸式日照跟蹤系統(tǒng)原理

在地球上一點(diǎn)，觀察太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，是由地球圍繞太陽(yáng)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)同時(shí)作用形成的，要想最大限度地讓陽(yáng)光直射太陽(yáng)能面板，就應(yīng)該最大限度地抵消地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)[1]。如圖1所示。

當(dāng)太陽(yáng)能面板軸線OO’與地表成當(dāng)?shù)氐木暥戎郸臅r(shí)，太陽(yáng)能面板軸線即與地球的自轉(zhuǎn)軸線平行，此時(shí)太陽(yáng)能面板繞此軸線OO’與地球自轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，就可抵消地球自轉(zhuǎn)的影響[2]。太陽(yáng)光射向地球的方向，隨四季的不同而不同，如圖1 所示，夏至與春分、秋分的太陽(yáng)光方向相差22°，冬至與春分、秋分的太陽(yáng)光方向也相差22°，因此太陽(yáng)能面板在紙平面的方向，應(yīng)有44°的調(diào)整范圍，一年調(diào)整一個(gè)循環(huán)，每天變化的度數(shù)=44×2/365≈0.24°[3]，太陽(yáng)板這個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，可以抵消地球公轉(zhuǎn)的影響，從而使太陽(yáng)能面板最大限度地接受陽(yáng)光的照射。

2 單軸日照跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 系統(tǒng)原理

單軸日照跟蹤系統(tǒng)中，近期還出現(xiàn)了一種利用阻尼器和太陽(yáng)板自身重力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)白天轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)板不需要電機(jī)能量，靠自身重力和阻尼器轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)能面板，晚上再?gòu)?fù)位，但因?yàn)橐獙⑻?yáng)板移動(dòng)到較高的位置，仍需要較多的復(fù)位能量。比直接電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單軸系統(tǒng)，主要節(jié)約了電機(jī)多次啟動(dòng)的能耗。而且這種系統(tǒng)有個(gè)致命的問(wèn)題，太陽(yáng)能面板一般都會(huì)放在平地或房頂比較空曠的地方，這些地方一般經(jīng)常都會(huì)有比較大的風(fēng)。如果系統(tǒng)靠自身重力和阻尼器運(yùn)動(dòng)，一定會(huì)受到風(fēng)的影響，造成太陽(yáng)板的加速或緩慢的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)不準(zhǔn)太陽(yáng)的位置，因而產(chǎn)生較大的能量損失。因此建議仍然采用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)能面板。

3 極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)單軸日照跟蹤系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文提出了極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。極軸式日照跟蹤系統(tǒng)，因其在圖1 中紙面方向的轉(zhuǎn)動(dòng)（即抵消地球公轉(zhuǎn)運(yùn)行），每天僅需調(diào)整0.24°，因此很多系統(tǒng)采用人工調(diào)整的方法，每年調(diào)整2 次左右。調(diào)整的次數(shù)越多當(dāng)然就越準(zhǔn)確。但是調(diào)整也是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。圖2的系統(tǒng)，可以利用OO’旋轉(zhuǎn)方向的電機(jī)，通過(guò)電磁離合器的控制，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能面板，在圖1 中紙面方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。可以每周調(diào)整一次，甚至可以每天定時(shí)調(diào)整一次。當(dāng)然也可以采用人工調(diào)整，可以編程控制，可根據(jù)實(shí)際的情況靈活改變。

3.1 抵消地球自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

每日日出時(shí)，電磁離合器1 將太陽(yáng)能板左端的OO’軸與電機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸嚙合，帶動(dòng)太陽(yáng)能面板框沿OO’軸，慢慢旋轉(zhuǎn)，建議采取點(diǎn)動(dòng)方式，比如每30分鐘或者60分鐘調(diào)整一次，或者按需調(diào)整，比如早晚的時(shí)候調(diào)整的頻繁一些，中午的時(shí)候間隔稍長(zhǎng)一些。以達(dá)到能量消耗最少，太陽(yáng)能發(fā)電最多的目的。每天日落后，電機(jī)又帶動(dòng)太陽(yáng)能面板框返回每天早晨的起點(diǎn)位置，以備第二天的需要[4]。

3.2 抵消地球公轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

當(dāng)程序控制電磁離合器2的傘齒輪2與電機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸嚙合時(shí)，電磁離合器1 將太陽(yáng)能板左端的OO’軸脫開。這時(shí)傘齒輪2將帶動(dòng)太陽(yáng)能面板框架上的傘齒輪旋轉(zhuǎn)，使傘齒輪1 上的絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠的旋轉(zhuǎn)將使螺母向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鉸鏈A，將太陽(yáng)板頂起，達(dá)到合適的角度，保證太陽(yáng)光直射太陽(yáng)板[5]。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

4 極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）僅用1 臺(tái)電機(jī)，成本較低。運(yùn)動(dòng)所需轉(zhuǎn)過(guò)的總角度要比雙軸日照跟蹤系統(tǒng)還要小，因此更節(jié)約轉(zhuǎn)動(dòng)的能量。

（2）因?yàn)樵黾恿穗姶烹x合器的控制，在改變電機(jī)嚙合位置的同時(shí)，可以增加兩個(gè)方向的鎖定和解鎖的機(jī)構(gòu)。比如電磁離合器1 在與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸嚙合時(shí)，可以用鎖定銷或其他裝置鎖定太陽(yáng)板絲杠與螺母的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電磁離合器2在與傘齒輪嚙合時(shí)，解鎖太陽(yáng)板絲杠與螺母的運(yùn)動(dòng)，改為鎖定太陽(yáng)板沿OO’軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)電磁離合器都處于脫開狀態(tài)時(shí)，電機(jī)不運(yùn)動(dòng)，將太陽(yáng)板絲杠與螺母的運(yùn)動(dòng)和沿OO’軸的轉(zhuǎn)動(dòng)都鎖定。這種鎖定機(jī)構(gòu)是對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置自鎖能力的提高和補(bǔ)充，將極大地提高太陽(yáng)能電池板抵抗強(qiáng)風(fēng)的能力。

圖3 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)副

（3）維護(hù)簡(jiǎn)單方便，幾乎不需要人工的干預(yù)和調(diào)整。

（4）可擴(kuò)展性強(qiáng)，如果是一個(gè)大型的太陽(yáng)能電廠，可以使用連桿機(jī)構(gòu)，將每塊太陽(yáng)能面板沿OO’軸的轉(zhuǎn)動(dòng)都連接起來(lái)，使用一臺(tái)或幾臺(tái)大電機(jī)就可以控制整個(gè)太陽(yáng)能電廠的太陽(yáng)能面板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣的能耗和成本都將會(huì)更低。

（5）采用回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)副簡(jiǎn)化了傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它的效率高，有自鎖能力，降速傳動(dòng)比高，大大降低了結(jié)構(gòu)成本[6]。外形見圖3。

（6）采用兩個(gè)電磁離合器使控制更為靈活，可以分別傳動(dòng)任意一軸，也可讓兩軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要調(diào)整好傳動(dòng)比。

5 結(jié)束語(yǔ)

極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)從理論上講，應(yīng)該比雙軸二維日照跟蹤系統(tǒng)更節(jié)約能源，甚至比阻尼式極軸日照跟蹤系統(tǒng)都節(jié)約電能。而且操控要比阻尼式極軸日照跟蹤系統(tǒng)更靈活，更方便，抗風(fēng)能力也更強(qiáng)。系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)副，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了成本。此系統(tǒng)還有良好的擴(kuò)展性，所以這種日照跟蹤系統(tǒng)有著十分廣闊的發(fā)展前景。

［1］王國(guó)安，米鴻濤，鄧天宏.太陽(yáng)高度角和日出日落時(shí)刻太陽(yáng)方位角一年變化范圍的計(jì)算［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2007，30（09）：161-164.

［2］魏秀東，盧振武，劉華.一種新型極軸跟蹤式定日鏡的研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007（6）：35-36.

［3］饒鵬，孫勝利，葉虎勇.兩維程控太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的研制［J］.控制工程，2004（11）：21-23.

［4］朱世佳.基于嵌入式的太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的研究［J］.電子技術(shù)，2007（9）：34-35.

［5］Marlett Wentzel and Anastassios Pouris.The development impact of solar coolers:Areview of solar cooking impact research in South Africa ［J］.Energy Policy.2007，35（3）：1909-1919.

［6］孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（7）：157-159.