雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發電供熱裝置

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，設計了聚光型光伏發電供熱裝置，主要由聚光系統、冷卻子系統、伺服跟蹤系統組成。聚光子系統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;冷卻子系統采用濾紅外線和水冷法相結合的新型冷卻技術，改善對光伏電板的降溫效果;伺服跟蹤子系統采用太陽軌跡跟蹤的日歷法結合光伏電板功率擾動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，增強跟蹤的穩定性和抗擾能力。

關鍵詞：聚光子、冷卻子系統、伺服跟蹤、方位角控制、散熱器。

引言

市面上對太陽能利用雖然已取得巨進大的進步，但還是基于傳統的供電方式，想要實現方便快捷的用電，還需要新的技術創新設計一種新型的聚光光伏發電供熱裝置，及一種無光傳感器的高效追日跟蹤策略。新能源技術是高技術的支柱，包括核能技術、太陽能技術、燃煤、磁流體發電技術、地熱能技術、海洋能技術等。太陽能發電不產生任何廢棄物，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業屬于國家戰略性新興產業，具有科技含量高、市場潛力大、增長速度快、產業帶動強的特點。加快發展對內地積極調整能源結構、加快轉變能源增長方式等，具有十分重要的戰略意義。目前，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續發展戰略的重要內容，然而太陽輻射密度低、光伏電池昂貴等問題，導致光伏發電系統的成本居高不下。據調查，目前太陽能發電成本約為15-20元/萬，昂貴的太陽能電池板嚴重束縛著太陽能產業的發展。另根據教育部光伏系統工程研究中心能源研究所統計分析，以最佳傾角和垂直安裝兩種并網光伏系統情況計算，每安裝1kW光伏系統在其生命周期內總共減少CO2排放量差異較大，范圍約為8.92噸到39.20噸之間。因此，大力發展聚光型光伏發電設備，利用較低成本的聚光器件彌補昂貴的光伏電池成本投入，以進一步提高發電效率，降低發電成本，發揮光伏節能減排作用，是目前國內外光伏發電應用研究與產業化推廣領域中的重要研究方向。光伏發電供熱裝置的整體系統設計如圖1所示。

1.機械系統設計

1.1軸承的相關部件結構設計

軸承是根據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，使軸承不會松動。為了保證軸承的密封，在軸承的右側加入一個塑性擋油密封圈，這樣一來就大大增加了軸的密封性，同時也起到一定的穩定性作用。

1.2底座滾輪結構設計

整個裝置用到4個輪子，輪子的結構由圓柱銷過盈配合固定滾輪來形成每個輪子，成雙的分布在底座的四個方向，可以達到旋轉的目的。用這種方法裝配可以使物體的移動更加靈活方便，避免了輪子數量過多而起到的轉向困難問題。

1.3拋物面的位置布置和結構設計

拋物面的位置布置如圖2所示的上下端投影所示。

1.4自動跟蹤系統設計的整體方案

太陽的高度角和方位角的變化，使聚光光伏發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跟蹤機構，使聚光器自動跟蹤太陽轉動。如圖3所示，通過光電傳感器2實時接收變動的太陽光線并產生電信號給處理電路，當跟蹤誤差達到設定值時，處理電路產生開關信號，控制驅動裝置1，通過傳動軸5帶動聚光器自動跟蹤太陽，使實時變化的太陽光線與聚光器始終保持一定的位置關系，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，以實現數倍聚光功能。

1.5方位角控制結構部件設計

應用擺放在底座上的電動機的旋轉來控制整個裝置的旋轉，因為電動機與小套筒相互帶動旋轉，而底座中軸又與大套筒一起配合旋轉，大小套筒用皮帶輪相連，電動機就能帶動下橫梁，即相當于整個裝置上半部分旋轉。即方位角得到了控制。電動機與小帶輪，套筒和大帶輪，套筒與轉動軸均為過盈配合，因為整個裝置質量不大，所以不用鍵配合，過盈配合帶動即可。

1.6電池板背面散熱器設計

對于低倍聚光的發電系統，太陽能電池方陣產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到大氣中。散熱器中翅片的齒高、齒間距、齒厚等結構尺寸是影響散熱器散熱能力的重要因素。因此，對翅片散熱器結構尺寸進行優化，在一定范圍內增加散熱器結構之間的尺寸，以提高散熱器的散熱能力。

2.硬件系統設計

2.1聚光系統

該聚光器采用多塊平面反射鏡并通過巧妙的結構設計，使得太陽光經平面鏡反射后均勻地照射到對應一側的太陽能電池陣列上，實現數倍聚光功能，從而提高單位面積太陽能電池的發電效率。

反射鏡陣列由至少四列反射鏡組成，分成兩組，向兩側伸展，對稱安裝在框架中心線兩側;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稱安裝在所述支架中心線兩側，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應一側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，通過巧妙的結構設計，使得每列反射鏡反射的光線都均勻地照射到對應一側的太陽能電陣列上，從而實現聚光功能，制造簡單，價格低廉。

工作原理：

光伏發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、電控系統和驅動裝置自動跟蹤太陽轉動，確保實時變化的太陽光線與聚光器始終保持一定的位置關系。光伏發電聚光器平面鏡與太陽能電池板之間的位置關系，入射光線經各塊平面鏡反射后均勻地照射到對應一側的太陽能電池陣列上，實現數倍聚光功能。

在電池板和平面鏡間建立直角坐標系，假設電池板的放置角度和寬度分別為p和ABI，入射光線B1O1經平面鏡 0102的端點01反射后的光線O1A反射到電池板的端點A，由入射光線和反射光線可得平面鏡0102的放置角度β1。經電池板另一端點B1，作反射光線B102//AO1，可得平面鏡的另一端點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

采用一種太陽能分級噴射-壓縮與露點間接蒸發耦合制冷系統，可以充分利用太陽能、空氣焓濕能等自然環境所提供的能量，提高能源的利用效率，節約制冷能耗。耦合制冷系統做出建立太陽能分級噴射-壓縮與露點間接蒸發耦合供冷系統，耦合系統包括噴射壓縮制冷子系統與蒸發冷卻制冷子系統，噴射壓縮子系統為太陽能噴射-壓縮耦合制冷循環形式，蒸發冷卻子系統采用蒸發式冷凝器與露點間接蒸發冷卻器一體的形式。建立耦合系統的能量分析模型，計算分析了集熱器面積、室外空氣狀態與太陽輻射強度，對噴射壓縮子系統性能的影響，以及室外空氣干濕球溫度等氣象參數對蒸發冷卻子系統性能的影響。蒸發冷卻子系統運行時，露點間接蒸發冷卻器的送風溫度與焓值隨進口空氣干球溫度的升高而升高，且送風溫度低于室外空氣濕球溫度，略高于室外空氣露點溫度;露點間接蒸發冷卻器的濕球效率與露點效率均隨進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

伺服跟蹤通常采用三種方式：手控跟蹤、自動跟蹤和程序跟蹤。其中，自動跟蹤是在不知道軌道信息的情況下控制天線指向衛星，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，其他計算機或顯示終端連接，提供遙控和監測通道。程序跟蹤接口用于接收預報軌信息和標準時間信息，并將這些信息送入微處理器，將指令角位數據和R/D角位數字變換器的實時角位數據進行比較，得到天線方位、俯仰數字角位誤差，將此誤差送 D/A 變換器，就得到伺服系統的模擬位置誤差信號。

電機控制器是由驅動電機和速度調節環組成。速度調節環包括速度調節器和電流調節器，對于直流驅動還包括可控硅整流器。通常情況下，直流驅動用于低速自動跟蹤和精確定位，交流驅動用于高速旋轉。大型全向天線一般采用直流驅動。角位數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角位置參數。通常用粗，精雙速同步機傳動以提高顯示的分辨度和精度。對于大型天線或多功能地球站均采用數字角位顯示器，粗、精通道分解器分別產生4個按天線軸角位的正、余弦變化的模擬信號，然后經過解調器、多路開關和A/D變換器，在微處理器控制下求得粗精角位。

3.結論

雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發電供熱裝置就在一定程度上提高了對新能源的開發和利用，增加了生態系統的可持續性發展。新能源技術是高技術的支柱，包括核能技術、太陽能技術、燃煤、磁流體發電技術、地熱能技術、海洋能技術等。太陽能發電不產生任何廢棄物，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業屬于國家戰略性新興產業，具有科技含量高、市場潛力大、增長速度快、產業帶動強的特點。加快發展對內地積極調整能源結構、加快轉變能源增長方式等，具有十分重要的戰略意義。

參考文獻

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作者簡介：賈興旺（2000-），男，山東省菏澤市人，學士，研究方向：機械工程。

該項目由省級創新創業訓練項目《雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發電供熱裝置》（S202113320022）支持。青島黃海學院創新創業項目 《專創融合視角下機電類專業實踐教學改革與探索》（2021CXCY38）支持。