熱力型向日葵太陽能隨動系統(tǒng)設計

韓 晨，李明杰

（新疆鐵道職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊830011）

太陽能光伏板對正太陽，才能得到最大的發(fā)電效率，這是基本常識，然而，太陽能電池板時刻對正太陽的過程也需要消耗寶貴的能源，加之現(xiàn)有的太陽能隨動系統(tǒng)的控制調整都有一定的遲滯，執(zhí)行機構很容易受風沙的污染而失效，人工清理維護耗時費力，大大增加了運行成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，許多太陽能發(fā)電場棄用了已有的隨動系統(tǒng)。

美國研究者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)運行良好的太陽能隨動系統(tǒng)能使整個系統(tǒng)提高效率30%以上，HCPV系統(tǒng)[1]結合性能良好的隨動系統(tǒng)，發(fā)電效率必將大幅提升，當采用的聚光比為500倍，太陽光法線與菲涅耳透鏡中心軸線的夾角為0.5°時，發(fā)電效率將下降20%，當偏差角達到1.2°時，發(fā)電效率將下降80%左右[2]。

中國一直在推動光伏發(fā)電技術進步、產業(yè)升級和成本下降[3]，科研工作者正不斷地研究著新型的太陽能隨動系統(tǒng)。

1 熱力膨脹管隨動系統(tǒng)結構設計

現(xiàn)有的太陽能隨動系統(tǒng)主要有被動式和主動式兩種，控制過程都會消耗寶貴的電能。

被動式系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構三部分組成。測量系統(tǒng)必須暴露在外，很容易受風沙的污染而失效，而感光部件多為精密元器件，只能人工清理，費用高而且清理效果難以保證。

主動式系統(tǒng)直接執(zhí)行外來指令，系統(tǒng)簡潔可靠，但是尚無成熟可靠控制指令系統(tǒng)。

熱力膨脹管太陽能隨動系統(tǒng)由感溫元件、膨脹活塞和連接軟管三部分組成，它仿照自然界中向日葵的運行模式進行，如圖1所示。夜間，4支感溫管溫度相同，對應的膨脹活塞伸出長度也相同，光伏板的位置居中；朝陽升起4支感溫管溫度因為太陽照射角的不同開始產生差異，感溫用的4支熱力真空管均勻布置在太陽能光伏板的4邊，如圖2所示，即時用太陽光的熱量來加熱管內密封的氟利昂液體，受熱的氟利昂液體部分汽化，壓力升高，升高的氣體壓力通過連接軟管傳遞至膨脹活塞內，溫度越高，壓力越大，推動活塞伸得越長，相應地，當太陽光的熱力降低時，活塞也會縮短。膨脹管內的壓力隨太陽的東升西落發(fā)生變化，當壓力差足夠大時，活塞就會推動太陽能光伏板向對正太陽的位置移動，直到4支感溫管溫度相同為止。太陽落山之后，4支感溫管逐漸放出熱量達到熱平衡，光伏板又回到居中位置。

圖1 熱力膨脹管逐日系統(tǒng)運行狀態(tài)

圖2 熱力膨脹管逐日系統(tǒng)結構

這樣，直接使用太陽的熱能完成了太陽能隨動系統(tǒng)的測量、比較和調整，免去了其他隨動系統(tǒng)消耗的寶貴的電能，就能獲得太陽能光伏板最大的發(fā)電輸出功率了。

現(xiàn)有隨動裝置的機械加工和現(xiàn)場安裝誤差遠大于太陽位置天文算法的計算誤差，而這種隨動系統(tǒng)與底座上的鋼管通過法蘭進行連接，對在現(xiàn)場安裝調試的工人的技術要求較低，容易保證安裝精度，對安裝現(xiàn)場的地形要求很低，只要能立得住一根鋼管的地方就可以安裝，戈壁沙漠、水面灘涂均可建成太陽能發(fā)電場。

隨動系統(tǒng)的底座可采用薄壁空腔結構，在安裝現(xiàn)場填入砂土，降低運輸成本，支腿采用鋼管灌注混凝土的方法，可獲得良好的綜合機械性能。

1.1 感溫元件

感溫元件用常見的玻璃太陽能真空集熱管，結構分為外管、內管，在內管外壁鍍有選擇性吸收涂層，陽光的熱量加熱管內注入的氟利昂液體，使其汽化，當陽光照射的角度不同時，產生的熱量也將不同，從而完成將太陽照射角度按比例地轉化為壓力信號的過程。

1.2 膨脹活塞

膨脹活塞將感溫元件傳遞過來的壓力差轉化為活塞的伸出長度之差，兩側的感溫管相對太陽的角度差越大，獲得的長度補償越大。這樣，4只膨脹活塞通過不斷地交替變化，實現(xiàn)了自動對正太陽，達到獲得最大發(fā)電功率的目的。考慮可能出現(xiàn)的氟利昂泄漏問題，活塞內使用波紋管，管接頭盡量使用焊接方式。

1.3 連接軟管

連接軟管將壓力變化傳送到對側的膨脹活塞上，實現(xiàn)狀態(tài)調節(jié)。

2 熱力膨脹管隨動系統(tǒng)控制方法

整定好活塞上調節(jié)閥的開度之后，整個系統(tǒng)就可以進入自動運行的狀態(tài)，無需人工干預。

個別系統(tǒng)活塞密封件在設計壽命之前損壞時，可以將活塞固定在當?shù)氐淖罴呀嵌鹊却S修，將損失將至最小。

太陽能發(fā)電場的網(wǎng)絡還可以用于控制送變電系統(tǒng)，如果配合安裝合適的儲能裝置，就能實現(xiàn)白天供電，晚上為外電網(wǎng)提供儲能服務，不僅可以徹底改善太陽能風能的品質，還能為電網(wǎng)削峰平谷作出自己的貢獻，提高整個電網(wǎng)的送電品質，降低控制難度。這樣也能克服太陽能發(fā)電技術受天氣影響的先天缺陷，有助于“風光互補”等項目得以試驗進行，對太陽能產業(yè)的未來產生積極的影響。

3 結論

這種由熱力膨脹管太陽能光伏板隨動系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)全自動實時控制，還不消耗寶貴的電力，可以為用戶提供最大輸出功率，降低運行維護費用，并對更好地開發(fā)太陽能隨動系統(tǒng)提供新的思路。