聚光跟蹤光伏光熱一體機聯動裝置的研制

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

太陽能聚光發電技術是近年來國內外學者關注的一個重要課題。采用聚光、自動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，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電系統的造價[1]。

聚光器對太陽的跟蹤精度會對聚光效果產生很大的影響。目前，傳統的集流器均為單機操作，每個集流器配一組跟蹤設備，并配有獨立的追蹤控制線路。通常采取增大聚光板照明面積的辦法來減少跟蹤費用，但這通常需要加大聚光板的體積和質量，從而增加了安裝的難度。

1 聚光跟蹤光伏光熱一體機概述

1.1 聚光原理

聚光跟蹤光伏光熱一體機（以下簡稱“一體機”）采用了追蹤式集光技術，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。一體機的聚光原理如圖1所示。在聚光架的底部安裝有一個平面反射鏡，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均勻地集中在聚光電池板上，由此實現多聚光效果；聚光電池板可以通過冷卻器中的水介質吸收光熱，實現光電、光熱的聯用；在聚光器的頂端，還有一個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 聚光裝置的結構

在一體機的微型聚光裝置中，左右2個反光單元由1根驅動框架橫梁固定。左右2個反光單元都由1個鏡架、1個平面鏡和1個聚光電池板組成；驅動框架能夠帶動左右2個反光單元繞著高度角傳動軸轉動，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動的長軸上。小型聚光裝置的鏡框大多采用沖壓成型技術，既能提高聚光板的精確度，又能減少生產成本。

2 一體機聯動裝置的結構和傳動分析

2.1 裝置結構

一體機聯動裝置包含2臺或多臺微型聚光器，所有微型聚光器均以一條長的傳動軸為基礎，用多個支柱支承，并利用一個定向傳動裝置帶動長軸旋轉，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的傾斜軸旋轉，利用四邊形的平行連桿將其串聯，并利用傾斜角度的傳動裝置使其搖晃，可以使全部的聚光器互相配合，以實現對太陽角度的同步[2]。

每個聚光器的傳動軸用一個連桿緊固在一個方向的傳動軸上，再用另一個方向的驅動器控制旋轉，這樣可以讓所有的聚光器都跟著旋轉。高角度連桿將各臺聚光器串聯起來，構成一個平行四邊形的結構，通過角度傳動裝置帶動4個并排的四邊形結構，從而使聚光器圍繞相應的角度傳動軸線旋轉，同時追蹤太陽角度，使所有聚光器都能在2D方向上進行連桿追蹤。

2.2 傳動分析

2.2.1 方位角傳動分析

在聚光跟蹤過程中，存在傳動間隙，使跟蹤不穩定，因此，要選擇具有較少齒距的驅動裝置，以減小螺桿的齒隙[3]。在實際應用中，使用了一種動力推進裝置，該裝置是以直流馬達與螺帽為基礎的動力裝置，可以間斷地驅動裝置來追蹤太陽方向，從而達到精確的驅動效果[4]。定向驅動裝置結構如圖2所示，全部聚光裝置均與方位角傳動長軸相連，擺桿的一端連接方位角傳動長軸，另一端連接方位角電動推桿。擺桿的旋轉由方位角電動推桿的伸長和收縮驅動，而方位角傳動長軸的旋轉由擺桿驅動，從而可以使全部的聚光裝置跟隨太陽方向的改變及時旋轉。

圖2 方位角驅動裝置結構示意圖

在旋轉聚焦支架時，擺桿與方位角電動推桿之間的夾角a1減小，使方向驅動力矩減小。定向角度的傳動扭矩Ma為

式中：Fa為方位角電動推桿的推力；B1為擺桿的長度。在8級大風（風速為17.2～20.7 m/s）時，集光設備可承受的最大風壓為267.5 Pa。利用集光器最大迎風面積和平均力臂，可以求得方位角風載阻扭矩Maf；根據支座重量、重心與驅動軸的偏差值，可以求得方位角中心阻力矩Maz。測量方向傳遞力矩Ma為

從式（1）和式（2）得出，方位角電動推桿的推力Fa為

方位角的跟蹤精度受絲桿傳動間隙ΔD的影響，根據擺桿的長度B1可以得到方位角的跟蹤偏差Δωa為

2.2.2 高度角傳動分析

高度角度傳動裝置中，聚光裝置可以圍繞相應的高度角傳動軸旋轉；所有聚光裝置由高度角聯動架連接，構成一個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推桿驅動，使全部的聚光裝置圍繞相應的高度角傳動軸旋轉，從而同步追蹤太陽高度角度的改變。

當聚光支架旋轉時，高度角電動推桿和高度角傳動軸之間的角度（a2+β）減小，高度角的驅動力矩Me為

式中：a2+β為高度角；Fe為高度角電動推桿的推動力；B2為高度角傳動軸的長度。高度角度的傳動扭矩Me可以根據高角度的風載阻力扭矩Mef和高角度的中心阻力扭矩Mez確定：

從式（5）和式（6）得出，高度角電動推桿的推動力Fe為

高度角的跟蹤誤差主要與螺桿驅動的間隙ΔD和高度角連桿的長度偏差ΔL有關，利用高度角傳動軸的長度B2可以得到的高度角跟蹤誤差Δωe為

3 實例分析

3.1 設備參數

基于以上研究成果，研制了一臺1 kW的一體機，其使用了4個方向的驅動裝置，使4個聚光器相互配合，能夠對太陽光進行2D的追蹤。

設備的結構參數：長度為12 000 mm，寬度為2 400 mm，高度為2 000 mm，每個單元的照明區域為15 m；機構重量為426 kg，整體重量為582 kg；每個單元均有5個支柱，以3.2 mm厚的超級白色鏡子聚集陽光（北方有冰雹或大雪時，可增加玻璃的厚度）。

3.2 傳動分析

根據集流板的外形計算得到，在8級大風時，風向角的風荷轉矩為360 kN·m，在較高的風向角風荷載下，風荷轉矩為320 kN·m。計算支架的質量、中心到傳動軸的間距，得到中心阻力矩為60 kN·m，高轉角的中心阻抗力矩Mez=60 N·m；方位角擺桿的長度B1=600 mm，高度角傳動軸的長度B2=500 mm。由式（3）得出，在這一時刻，方位角電動推桿的推力最大，Famax=1 400 kN。若a2=45°，由式（7）得出，在a2=45°，β=-15°時，高度角電動推桿的最大推力為Femax=1 520 kN。出于安全原因，采用了3 000 kN的電力推進器和推進器。

收集器采用電動推桿加工的螺桿，螺距D=0.2 mm，而高角連接桿的長度偏差為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。實踐表明，普通蝸輪蝸桿機構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 應用效果

項目研制的單片機螺旋驅動機構采用金屬保護套，可有效地避免風沙侵襲，并在每一面都留有孔洞；所有的金屬支架都經過熱鍍鋅，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。研制的樣機已在廈門某大廈的樓頂進行了一年的實驗，雖然受到多次強風的影響，但樣機保持良好，這表明其可以承受很大的風暴。

（1）經濟效益。與常規平面晶硅光電系統相比，文章研制的一體機聯動裝置降低了系統造價，減少了聚光器、跟蹤系統和集熱器的費用。對5 kW一體機電站和5 kW平板電站進行實時監測和綜合分析，得到的結果如表1所示。根據表1可知，一體機電站的成本比平板電站低。

（2）發電效果。在廈門集美地區發電6個月（2020年7月1日—2020年12月31日）后，兩者的總發電能力相當，平板電站發電量為2 167 kW·h，一體機電站發電量為2 173 kW·h；一體機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 結論

文章開發的聚光跟蹤光伏光熱一體機聯動裝置采用2個電子推棒驅動多個聚光裝置，實現對太陽方向和高度的跟蹤，從而改善了聚光器的穩定性、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，平均承載為197.96 N/m2；安裝時無須使用升降裝置，降低了安裝和維護費用。