摘 要：【目的】為進(jìn)一步提高光伏發(fā)電的效率，開發(fā)了一種基于向日葵原理的光伏發(fā)電自動(dòng)追光裝置?！痉椒ā吭撗b置集成了光伏板、中部控制板、雙軸追光系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、自我保護(hù)系統(tǒng)和自動(dòng)儲(chǔ)能等模塊，可以實(shí)時(shí)捕捉太陽(yáng)位置，保持太陽(yáng)光在光伏板上的最大直射面積，從而提高光的轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，安裝在光伏板上的壓力電阻和熱敏電阻可以有效減少惡劣環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。【結(jié)果】為檢驗(yàn)光伏板中的支架是否滿足強(qiáng)度要求，對(duì)該部件進(jìn)行有限元分析。計(jì)算結(jié)果顯示，支架屈服強(qiáng)度為6.204e+02 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)制作的樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制作的樣機(jī)各項(xiàng)性能符合要求，平均發(fā)電量提升了約19.56%，發(fā)電效率顯著提升?！窘Y(jié)論】該光伏發(fā)電裝置在精準(zhǔn)定位和自動(dòng)捕光方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：向日葵原理；自動(dòng)追光；精準(zhǔn)捕光；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH137.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）19-0025-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.005

Design of Automatic Light Tracing Device for Photovoltaic Power

Generation Based on Sunflower Principle

HE Tianchao1 WANG Yuqin1 ZHOU Luxiang1，2 SUN Hanbing1 ZHOU Sheng1

（1. School of Mechanical Engineering ， Chaohu University， Hefei 238024， China;

2. School of Mechanical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

Abstract： [Purposes] To further improve the efficiency of photovoltaic power generation， an automatic light tracing device based on sunflower principle is developed. [Methods] The designed automatic light tracking device for photovoltaic power generation integrates photovoltaic panel， central control panel， dual-axis light tracking system， GPS positioning system， self-protection system， and automatic energy storage module. The device can capture the position of the sun in real time and keep the maximum direct area of sunlight on the photovoltaic panel， thus improving the light conversion rate. Additionally， the piezoresistor and thermistor installed on the photovol2f00c94bb483a0e4d953f2ad17a43f13taic panel can effectively reduce the impact of harsh environment on the equipment， thus prolonging the service life of the equipment. [Findings] In order to test whether the bracket in the photovoltaic panel meets the strength requirements， the finite element analysis of this component is carried out. The calculation results show that the strength of the support is 6.204e+02 MPa，which meets the design requirements. Furthermore， the performance of the prototype is tested. The experimental results show that the performance of the prototype meets the requirements， the average power generation is increased by about 19.56% and the power generation efficiency is significantly improved. [Conclusions] The designed photovoltaic power generation device has obvious advantages in accurate positioning and automatic light capture， and has certain market promotion value.

Keywords： sunflower principle; automatic light chasing; accurate light capture; finite element analysis

0 引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，新能源光伏發(fā)電作為一種可再生能源技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，并在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用［1］。然而，目前市面上的光伏發(fā)電裝置仍面臨著一些問題，例如，光的轉(zhuǎn)化率低、生產(chǎn)成本高、維護(hù)難度大以及容易損壞等。而提高光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)化率是實(shí)現(xiàn)能源效率最大化的關(guān)鍵，因此，研究如何優(yōu)化光伏自動(dòng)追光裝置已成為光伏技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。謝鑫焱等［2］設(shè)計(jì)了一種可以隨著太陽(yáng)的移動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板的自動(dòng)追光裝置，提高了發(fā)電效率；張屹等［3］提出了一種創(chuàng)新的基于GPS定位的太陽(yáng)能光伏自動(dòng)追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過精確定位太陽(yáng)位置來提高光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)化率；馮月等［4］設(shè)計(jì)了一種雙軸光伏自動(dòng)追光系統(tǒng)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)板精準(zhǔn)捕光。

本研究擬采用雙軸追光系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏板，以提高發(fā)電效率。同時(shí)，在設(shè)備上裝有保護(hù)系統(tǒng)，提高其使用壽命。基于上述設(shè)計(jì)，該設(shè)備不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料環(huán)保和發(fā)電效率高等特點(diǎn)，而且具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 工作原理及設(shè)計(jì)思路

借鑒向日葵的自然追光特性，光伏發(fā)電裝置通過自動(dòng)調(diào)整自身朝向以捕捉更多陽(yáng)光，這一設(shè)計(jì)有效地提高了光伏板的發(fā)電效率。此外，這種模仿自然界的智能設(shè)計(jì)，為可再生能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。通過安裝光敏傳感器和GPS定位系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)設(shè)備始終面向太陽(yáng)光，保證光伏板接收光的面積最大，從而提高光的轉(zhuǎn)換率。雙軸追光系統(tǒng)使用兩個(gè)直流減速電機(jī)，分別控制裝置的左右和上下旋轉(zhuǎn)，其最大旋轉(zhuǎn)角度可以達(dá)到±80°。為降低雨雪等惡劣天氣對(duì)設(shè)備的損壞，設(shè)備安裝壓力電阻和熱敏電阻。壓力電阻可以調(diào)節(jié)光伏板角度，減少外界壓力；熱敏電阻可以加熱融化光伏板上的積雪。自我儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠自動(dòng)將裝置產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到蓄電池中，便于后期使用。

2 裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電自動(dòng)追光裝置如圖1所示。該裝置主要由光伏板、光敏傳感器、GPS定位系統(tǒng)、壓力電阻、熱敏電阻、雙軸追光系統(tǒng)、支架和蓄電池等組成。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捕光功能，裝置上加入了光敏傳感器和GPS9nG7XRh2OiIKf/5yHP3MeA==定位系統(tǒng)［5］。這種設(shè)計(jì)可以使裝置精準(zhǔn)地捕捉到光源，從而顯著提高光能的轉(zhuǎn)化率。光敏傳感器安裝于光伏板的中央位置，采用高壁擋板設(shè)計(jì)，擋板將四個(gè)光敏傳感器分隔開來，主要檢測(cè)太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度。其工作原理是：當(dāng)太陽(yáng)直射光伏板表面時(shí)，位于太陽(yáng)光一側(cè)的光敏傳感器接收光的強(qiáng)度最大，因此其阻值最小。相比之下，其他位置的光敏傳感器接收到的光強(qiáng)度相對(duì)較小，導(dǎo)致產(chǎn)生的阻值較大。在這種情況下，位于太陽(yáng)光一側(cè)的光敏傳感器會(huì)產(chǎn)生較大的電信號(hào)，并將其傳遞給控制板。這樣，控制板可以調(diào)節(jié)光伏板，使其更準(zhǔn)確地面向太陽(yáng)光。這四個(gè)傳感器組成了光敏感應(yīng)裝置［6］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。GPS定位系統(tǒng)用來確定裝置所在的經(jīng)緯度，通過計(jì)算太陽(yáng)的高度角和赤緯角來確定太陽(yáng)相對(duì)于裝置的位置，利用所配備的控制系統(tǒng)使光伏板始終面向太陽(yáng)光。光敏傳感器與GPS定位的結(jié)合，可以顯著提高光能的利用率。

3 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 光伏板支架設(shè)計(jì)

支架位于光伏板下方，采用半框式設(shè)計(jì)，主要起到支撐光伏板的作用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。支架上方設(shè)有兩個(gè)螺紋孔，通過螺栓與光伏板連接。支架下方焊接有一根長(zhǎng)銷，長(zhǎng)銷端部設(shè)計(jì)為方形凹槽，凹槽內(nèi)部設(shè)有螺紋孔。直流減速電機(jī)通過凸塊構(gòu)件固定于長(zhǎng)銷上，由于采用螺紋連接，支架在運(yùn)行過程中不會(huì)脫落。

3.2 雙軸追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)采用雙軸設(shè)計(jì)，利用兩個(gè)直流減速電機(jī)分別控制光伏板的水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，從而確保光伏板始終朝向太陽(yáng)光方向，捕獲任意方向上的光線，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。兩個(gè)電機(jī)分別位于光伏板下方和底座上方位置，其中位于光伏板下方的電機(jī)主要控制光伏板的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，位于底座上方的電機(jī)主要控制光伏板的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。直流減速電機(jī)是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過加裝齒輪減速箱來降低輸出轉(zhuǎn)速并增加扭矩。

3.3 自我保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為減少外界惡劣環(huán)境對(duì)設(shè)備造成的破壞，裝置設(shè)計(jì)了自我保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由壓力電阻和熱敏電阻構(gòu)成，均勻布置在光伏板表面的縫隙中，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)面臨惡劣環(huán)境時(shí)，壓力電阻和熱敏電阻將發(fā)揮作用，抵御外界惡劣環(huán)境。在雨天和大風(fēng)天氣中，壓力電阻將向直流減速電機(jī)發(fā)送信號(hào)，使光伏板自動(dòng)調(diào)整角度，減輕雨水和大風(fēng)的沖擊［7］。在大雪天氣中，熱敏電阻將向控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)以融化光伏板上的積雪。

4 關(guān)鍵部件有限元分析

為提高裝置的穩(wěn)定性，需要對(duì)裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析［8］。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果與預(yù)先選定的材料屬性進(jìn)行對(duì)比，從而得出關(guān)鍵部件的安全性評(píng)估。

在光伏發(fā)電自動(dòng)追光裝置中，與光伏板相連的支架扮演著關(guān)鍵的支撐角色。使用SolidWorks三維軟件對(duì)支架進(jìn)行有限元分析，這對(duì)提升裝置的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。

對(duì)支架下方的長(zhǎng)銷施加固定約束，在其上端施加10 N的力。相應(yīng)的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖6所示。

支架材料選用合金鋼，張力強(qiáng)度為723.826 MPa，彈性模量為210 000 N/mm2 、質(zhì)量密度為7.7 g/cm3、抗剪模量為790 00 N/mm2、泊松比為0.28。

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，支架所承受的最大應(yīng)力為1.814e+02 MPa，最小應(yīng)力為1.800e-02 MPa，其屈服強(qiáng)度為6.204e+02 MPa。由于支架上方零件的質(zhì)量不足0.5 kg，因此，其能夠承受大風(fēng)產(chǎn)生的壓力。壓力最大位移為0.724 3 mm，在其運(yùn)行的可變形范圍以內(nèi)。由此可見，本研究所設(shè)計(jì)的支架滿足使用要求。

5 樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

根據(jù)裝置的三維模型，制作出的光伏發(fā)電自動(dòng)追光裝置如圖7所示。裝置采用單片機(jī)控制各模塊運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追光功能［9］。使用電風(fēng)扇模擬大風(fēng)天氣對(duì)設(shè)備的影響，裝置能夠自動(dòng)調(diào)整光伏板的角度，以減輕風(fēng)力的沖擊。

將制作的帶有光敏傳感器和GPS定位系統(tǒng)功能的裝置與傳統(tǒng)的自動(dòng)追光系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。每個(gè)裝置都安裝有兩塊光伏板，每塊光伏板的尺寸為175 mm×115 mm。將本裝置和傳統(tǒng)自動(dòng)追光裝置同時(shí)放置在相同強(qiáng)度的太陽(yáng)光下，并分別計(jì)算這兩個(gè)裝置一天內(nèi)產(chǎn)生的電量。每天定時(shí)檢查裝置是否存在故障，并連續(xù)記錄五天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳見表1。

經(jīng)過5天的對(duì)比測(cè)試，本裝置在光伏發(fā)電效率上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)自動(dòng)追光裝置，平均發(fā)電量提升了約19.56%，且在不同光照條件下展現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，本裝置的光敏傳感器和GPS定位系統(tǒng)能夠有效提高光伏板的發(fā)電效率，具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究基于向日葵原理設(shè)計(jì)了一款光伏發(fā)電自動(dòng)追光裝置，并對(duì)裝置的主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證支架結(jié)構(gòu)的合理性，利用SolidWorks軟件進(jìn)行了靜力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，所選用的支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求?；谌S模型，成功制作了樣機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明，所制作的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)追光和精準(zhǔn)捕光功能。此外，在模擬大風(fēng)環(huán)境下，裝置能自動(dòng)調(diào)整光伏板角度以保護(hù)自身。為評(píng)估本裝置的發(fā)電效率，與傳統(tǒng)發(fā)電裝置進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)比結(jié)果表明，該裝置配備光敏傳感器和GPS定位系統(tǒng)后，發(fā)電量顯著增加，平均發(fā)電量增加了約19.56%。因此，本研究設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電自動(dòng)追光裝置展現(xiàn)出卓越的工作性能，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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