罗嘉庆，张礼兵，董杭峰，毛张萍
（嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴314001）
1 概述
从18 世纪60年代开始，经历三次工业革命，人类对化石燃料的大规模使用已经造成严重的环境问题，因此，必须主动转变和改进传统的能源体系的构成。太阳能发电是最具有前景、最为洁净、最为可靠以及高性能的能源，具有成本低，利用价值优良，无副作用等优点。尤其是在居住分散以及较为偏远的地区，利用太阳能发电显得非常重要。但要得到较高的集热温度，太阳能跟踪装置必须实时跟踪太阳，从已知的实验证明，在太阳能光电中，采用自动跟踪装置要比不采用时的接受率高37.7%。自动跟踪式太阳能发电装置包括机械式[1]、电子式[2]、光电跟踪[3]和GPS 定位跟踪[4]，而常用的跟踪装置一般都为机械式，其跟踪太阳精度是影响聚光效果的一个重要因素。基于太阳能跟踪机构的机械特性，又可以将跟踪装置机构分为单轴跟踪[5]和双轴跟踪[6]。目前，国内外学者已对单轴和双轴跟踪装置进行了大量的研究。文献[7]通过设计和制作单轴式跟踪太阳能装置，并对其进行性能测试，得到了较好的实验效果。而文献[8]提出了传统的单轴跟踪，采用南北轴水平放置、东西向跟踪和东西轴水平放置、南北向跟踪，聚光效率低。双轴跟踪能控制复杂，成本高，耗电量大，系统维护费用高[9]。并联机构是指动平台和静平台经过不少于两个彼此独立的运动链相连接，具有两个或者两个自由度以上，并且利用并联方法驱动的一种闭环控制机构，相比较于单轴和双轴机构，其具有刚度大、承载能力强、误差无累计等特点，并且现有的单轴或者双轴跟踪装置，其大多数不能调节太阳能板的高度，仅仅只能改变太阳能板的角度，在恶劣天气的影响下，由于恶劣天气的原因，始终展开的太阳能板会造成损坏，为了避免恶劣天气对光伏发电装置造成的影响，一种可调节太阳能板高度的保护机构显得尤为重要。因此针对目前太阳能跟踪装置中存在的问题，提出了一种具有保护功能的并联式太阳能跟踪装置结构设计。
2 具有保护功能的并联式太阳能跟踪装置结构的设计
2.1 太阳能跟踪装置的方案设计
为了尽可能保证太阳光照角度以及热量的损失以及在恶劣天气条件下进行装置的自我保护，在设计上，太阳能光伏支架应保证太阳能板能实时跟踪太阳方位角的变化并能够及时应对突如其来的恶劣天气的影响，应使其具有太阳能板的角度可调以及上下滑动的功能。为了满足以上功能，本文设计的具有保护功能的并联式太阳能跟踪装置主要由四个模块组成，如图1 所示，由采光支架模块、底板模块、角度调节模块和高度调节模块等组成。并在太阳能板一侧安装风速传感器，实时监测环境风速，如果环境风速低于设置的安全风速，则给装置发送正常的工作指标；如果环境风速高于设置的安全风速，调节机构与伸缩杆联合运动，带动太阳能板沿着伸缩杆往下滑移并收拢，使其减小迎风面积，减小太阳能跟踪装置受到的风载，提高跟踪装置的安全性，使其具备抵抗大风天气的能力。同时，在太阳能板的一侧也安装了追光器，通过角度调节以及高度调节模块自动调整太阳能板，使其得到更多的太阳能能够垂直照射在太阳能板上，极大地提高了太阳能的使用效率。
图1 双轴太阳能跟踪系统机构简图
图2 采光支架模块
2.2 采光支架模块
图3 角度调节模块
如图2 所示，采光支架模块即是承载由单晶硅组成的太阳能板的支架结构，其材料为Q235 结构钢，主要由太阳能板以及支撑杆组成，本设计中的采光支架模块可安装16 块单晶硅板，16 块板呈正方形并依次连接，安装后的采光支架的重心在几何中心上。并在太阳能板的一侧安装追光器，设计中所采用的追光策略，涉及两种传统的追光模式，传统的追光模式主要有程序式追光和光电式追光，程序式追光具有累计偏差等问题，而光电式追光具有不稳定性以及抗干扰能力差等问题，因此本设计结构拟采用程序式和光电式混合追光的方式来克服以上的问题，使其能保证稳定性的前提下还能确保其精度。其主要工作过程为：（1）通过检测是白天还是晚上，如果是晚上，则整个系统不工作；如果是白天，则系统根据程序来让追光器来接受太阳能：（2）检测是阴天还是晴天，如果是晴天就将追光模式切换到光电模式；如果是阴天则继续用程序式追光模式，使太阳能的利用效率最大化。
图4 高度调节模块及底板
2.3 角度调节模块
如图3 所示，太阳能板与底板之间三等分设置用于调节太阳能角度的角度调节模块，其主要由三个传动带驱动装置组成，用万向节与太阳能底板通过铰接相连，使得其调节角度更加精准。而传动带驱动装置又由电机、电机传动轴、传动带、弹簧以及连杆组成。一方面，连杆与底座铰接的一侧设传动齿轮，各个传动带驱动装置联动配合另一方面，传动带驱动装置主要通过利用电机通过传动带带动连杆的运动，从而实现太阳能板的角度以及高度的调节。其工作过程为：（1）当其不是恶劣天气时，传动带驱动装置通过万向节来带动太阳能板的角度调节，实现对太阳的任意角度的跟踪；（2）当其为恶劣天气时，传动带驱动装置与伸缩杆相互配合带动太阳能板沿着伸缩杆往下滑移，带动太阳能板下降收拢，实现对太阳能跟踪装置的保护。
2.4 高度调节模块
高度调节模块主要由伸缩杆组成，如图4 所示，而伸缩杆又由两个可以相对滑移的空心伸缩管组成，其作为采光支架的支撑与高度调节机构，其要求是承载性好，轻质灵活灵活，体积较小。为了满足以上要求，其材料采取Q235 结构钢。伸缩杆底部与底板连接，其顶部与万向球铰接，实现支撑和角度调节的功能。
2.5 底板模块
太阳能底板主要由底座，安装座以及连接座等部分组成，如图4 所示。底座为梯字形结构，连杆同铰接设置在底座上端，其中底座设置在底板上，其采用双侧分别安装连杆的方式，减少连杆之间的干涉，同时能够将驱动结构分别设置在两侧，互不干涉，使其高效工作。太阳能底座上设有安装座，连杆与安装座之间设有连接座，连接座与安装座通过螺纹进行连接，利用连接座直接与安装座之间的连接，保证连杆机构能够直接带动太阳能板实现角度与高度的调节。
3 结束语
综上所述，本文对太阳能跟踪装置研究现状进行了分析，并针对太阳能跟踪装置中存在的问题，设计了一套具有保护功能的并联式太阳能跟踪装置，实现对太阳的自动跟踪，提高光伏发电的转化效率。该装置不仅能够提高太阳能跟踪装置的刚度，而且还能在恶劣天气条件下对太阳能跟踪装置进行有效保护。所设计的装置具有成本低和实用性强的优点，为太阳能跟踪装置设计与推广提供了良好的参考价值。
