一種角度可調光伏裝置的設計

操龍斌

摘 要：目前可通過安裝太陽跟蹤裝置來解決固定式光伏電池板發電效率低的問題，但這類太陽跟蹤裝置前期投入成本大、后期維護成本高且使用穩定性差，在國內僅高緯度地區才會考慮投入使用，推廣也因此受限。因此在固定式光伏裝置的基礎上，可設計出一種角度可調光伏裝置。

關鍵詞：角度可調 太陽能 有效投射面積 實用性

Design of a Photovoltaic Device with Adjustable Angle

Cao Longbin

Abstract：At present， the problem of low power generation efficiency of fixed photovoltaic panels can be solved by installing solar tracking devices. However， such solar tracking devices have high initial investment costs， high maintenance costs and poor use stability. They are only available in high-latitude areas in China， where they are put into use， and wide spread promotion is therefore limited. Therefore， a photovoltaic device with adjustable angle can be designed on the basis of a fixed photovoltaic device.

Key words：adjustable angle， solar energy， effective projection area， practicality

1 設計思路

1.1 結構

本裝置主要結構包括：固定金屬桿、光伏電池板、可動金屬桿和金屬滑塊，所述固定金屬桿、光伏電池板、可動金屬桿和金屬滑塊構成空間四桿機構，所述固定金屬桿的橫截面為正圓形，所述限位銷鑲鑄在固定金屬桿上，所述光伏電池板頂部與金屬球鑄成一體，所述金屬球與固定金屬桿頂部實現萬向轉動連接，所述固定金屬桿的頂部通過凹槽和擋圈轉動卡接金屬球，所述可動金屬桿頂部與光伏電池板底部實現限位銷轉動連接，所述可動金屬桿底部與兩個金屬滑塊承孔實現限位銷轉動連接，所述金屬滑塊空套在固定金屬桿上，所述金屬滑塊內圓柱面與固定金屬桿外圓柱面接觸，所述金屬滑塊內圓柱面與固定金屬桿外圓柱面均涂覆有光滑耐磨涂層，所述限位銷插接在金屬滑槽上，所述三個金屬滑槽通過聯通槽實現聯通，所述金屬滑槽外壁均涂覆有光滑耐磨涂層，所述金屬滑槽在上端面上的投影為一個圓心角為60°的弧，所述三個金屬滑槽的弧高可根據不同地區的緯度進行調整，所述金屬楔塊為可拆卸結構與聯通槽為過盈配合，所述金屬楔塊上下兩個弧面的曲率與金屬滑槽所接觸弧面的曲率相等，將可拆卸金屬箍套在金屬滑塊外圓柱面上，以限制金屬楔塊的徑向移動。

1.2 可行性

分析本裝置的運動時，首先要區分清楚機構的桿件數目以及運動副類型。要保證機構具有確定的運動條件，則要滿足該機構的自由度等于1。同平面機構自由度計算公式推導過程一樣，空間機構的自由度=所有活動構件自由度-所有運動副引入的約束數[4]，空間自由度公式為：

F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1? ? ? ?（1）

式中：n為活動構件數，P1、P2、P3、P4 、P5分別為1至5級運動副的個數。本裝置為固定金屬桿、光伏電池板、可動金屬桿和金屬滑塊構成空間四桿機構，因固定金屬桿為機架，所以本機構的活動構件數n為3。固定金屬桿與金屬滑塊構成圓柱副，限制4個自由度，為4級副。金屬滑塊與可動金屬桿構成轉動副，限制5個自由度，為5級副，同樣可動金屬桿與光伏電池板也構成轉動副，也為5級副。光伏電池板上端固定的金屬球與固定金屬桿上端的凹槽構成球面副，限制3個自由度，為3級副。整個運動鏈沒有2級副和1級副，同時也不存在虛約束和局部自由度，故有：P1為0，P2為0，P3為1，P4為1，P5為2，將得到的值代入公式1中，得出：

F=6×3-5×2-4×1-3×1=1

通過計算，其自由度等于1，故本裝置設計合理，符合條件。因本裝置結構簡單且所涉及的構件數量少，其穩定性和可靠性會更高。

2 工作原理

一年中，不同的季節，限位銷的位置不同：夏至時，可拆下金屬楔塊，限位銷調整至夏至金屬滑槽，然后裝上兩個金屬楔塊（圖3，右圖所示）并用金屬箍限制兩個金屬楔塊的徑向移動。冬至時，拆下金屬楔塊，限位銷調整至冬至金屬滑槽，然后裝上兩個金屬楔塊（圖3，中圖所示）并用金屬箍限制兩個金屬楔塊的徑向移動;春分或秋分時，拆下金屬楔塊，限位銷調整至春秋金屬滑槽，然后裝上兩個金屬楔塊（圖3，左圖所示）并用金屬箍限制兩個金屬楔塊的徑向移動。

一天內，不同的時刻，限位銷的位置也不同：上午時，金屬滑塊為主動件，逆時針旋轉到底，相對地，限位銷滑入相應槽的最左端，可動金屬桿帶動光伏電池板逆時針轉動并鎖止，此時光伏電池板朝南向東偏轉30°方向;正午時，金屬滑塊為主動件，順時針旋轉，相對地，限位銷從左側槽內滑出，滑入槽的中央位置，可動金屬桿帶動光伏電池板順時針轉動并鎖止，此時光伏電池板朝正南方向，因夏至金屬滑槽和冬至金屬滑槽存在弧高，在光伏電池板順時針旋轉的過程中，其安裝角會相應的減小或增大，春秋金屬槽的弧高為零，光伏電池板在春分或秋分順時針旋轉時，其安裝角保持不變;下午時，金屬滑塊為主動件，繼續順時針旋轉到底，相對地，限位銷從相應槽的中央位置滑出，滑入最右端的槽內，可動金屬桿帶動光伏電池板順時針轉動并鎖止，此時光伏電池板朝南向西偏轉30°方向。

3 現實意義

光伏電池板與太陽的位置關系如圖1所示，其中：α為太陽高度角，β為太陽方位角，γ為光伏電池板偏轉角、δ為光伏電池板安裝角，且α、β、γ、δ與陽光投射到光伏電池板上的單位有效投射面積S有如下關系：

S=sin（α+δ）×sin（90-β+γ）? ? （2）

其中太陽高度角α和太陽方位角β分別存在如下關系[5]：

sinα=sinηsinφ+cosηcosφcosω? （3）

cosβ=（sinαsinφ-sinθ）/cosαcosφ （4）

式中：η為黃赤交角（冬至為-23°，夏至為23°，春分、秋分為0°），φ為監測點緯度，ω為太陽時角（以當地正午為0°，上午為負，每小時減15°，下午為正，每小時加15°）。

為了進一步說明全年角度可調光伏裝置相對固定式光伏電池板的優勢，以夏至的合肥（φ為32°N）為例，規定γ1為固定光伏電池板偏轉角，δ1為固定光伏電池板安裝角，S1為固定光伏電池板上的單位有效投射面積，γ2為本裝置的光伏電池板偏轉角，δ2為本裝置的光伏電池板安裝角，S2為本裝置光伏電池板上的單位有效投射面積。通過應用公式3和公式4，計算求得：合肥上午9、10和11點的太陽高度角α分別是49°、62°和74°，正午12點的太陽高度角α是81°，下午13、14和15點的太陽高度角α分別是74°、62°和49°，對應的太陽方位角β則分別是-89°、-78°、-59°、0°、59°、78°和89°。δ1根據合肥的實際緯度可設定為40°，因固定朝向正南方向，γ1為0°。本裝置中的三個金屬滑槽在金屬滑塊端面上的投影為一段圓心角為60°的弧，上午9至11點，相對地，限位銷滑入至夏至金屬滑槽最左端，此時光伏電池板逆時針旋轉30°，故γ2是-30°（南偏東30°），δ2規定為40°。正午12點，相對地，限位銷從左端滑出，滑入至夏至金屬滑槽中央位置，光伏電池板順時針旋轉30°，故γ2是0°，此時光伏電池板朝正南方向，因夏至金屬滑槽存在弧高，光伏電池板在順時針旋轉的過程δ2可減至30°。下午13至15點，相對地，限位銷從金屬滑槽中央位置滑出，滑入夏至金屬滑槽最右端，光伏電池板繼續順時針旋轉30°，故γ2是30°（南偏西30°），δ2則重新增至40°，將所得數據代入公式2求解單位有效投射面積S，本裝置與固定式光伏電池板對比所得數據整理如表1所示：

同理，在春分、秋分時，本裝置與固定式光伏電池板對比所得數據整理如表2所示：

冬至時，本裝置與固定式光伏電池板對比所得數據整理如表3所示：

通過上述三個表格的數據的對比可以看出本裝置整體表現優于固定式光伏電池板，其單位有效投射面積得到了不同程度的提升，進而可以提高光能電池板的發電效率。

4 結語

本裝置根據不同的季節、一天中不同的時刻，通過空間四桿機構改變光伏電池板的安裝角和偏轉角以實現其發電效率的提高，其結構簡單、造價成本低、執行更可靠，具有較強的應用價值。

參考文獻：

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