全自动双轴跟踪太阳能发电车设计

刘新林

摘  要：太阳能作为一种清洁无污染能源，虽然有着节能环保且经济的特点，但是使用率极低，该文就以设计的全自动双轴跟踪太阳能发电车为对象，对全自动双轴跟踪太阳能发电车从设计系统和应用范围等角度进行分析。

关键词：太阳能;自动跟踪;双轴系统

中图分类号：TK511                  文献标志码：A

1 设计思路

该文设计的全自动双轴跟踪太阳能发电车采用双轴跟踪系统，具有跟踪太阳、实现360°全方位旋转的功能，可以读取当前太阳光方位角、俯仰角、行程开关状态等初始数据，通过太阳能板或柴油机发电，实现220 V的交流输出，可以凭借蓄电池储存的电能逆变输出供应负载，主要组成配置为拖车底盘、太阳能板方阵、控制机柜、柴油发电机、蓄电池组，主要为中小型用电设备提供应急电源，适用于恶劣的野外环境，如图1所示。

2 设计案例

该全自动双轴跟踪太阳能发电车主要的2个亮点结构在于其太阳能方阵结构设计、跟踪控制系统和驱动、调节系统以及光伏发电系统。接下来将对其进行详细地设计案例分析。

2.1 总体方案

首先我们确定该全自动双轴跟踪太阳能发电车的主要组成部分为太阳能板方阵、控制机柜、蓄电池组、升降臂系统、柴油发电机、拖车底盘（舱体）等。其次，确定太阳能电池板装机容量为3.2 kW，蓄电池容量48 kWh，可提供230 V/12 kW交流及24 V/500 W直流2种输出，主要为了适用于有一定日照条件的偏远地区或市电供应不便的场合，给通信设备及其他中小型用电设备供电，象野外指挥所、野战医院和野外炊事车等多种应急或长期电力需求。通过其具备的太阳能跟踪和太阳能板伸缩功能，可在行进中发电，并配备柴油发电机组作应急供电手段，保证阴雨条件下电源供给连续性。 該发电车采用牵引式设计，自身不带动力，靠牵引头拖动实现转场。所以整体的原理架构为使用操作面板控制主控制器，由主控制器调节跟踪控制和太阳能板方针，再将太阳能通过一体机柜、柴油发电机和蓄电池组进行配电输出，达到太阳能发电的效果。

2.2 太阳能方阵结构设计

太阳能方阵是该产品的重要结构之一，它保证了太阳能可以被充分吸收，为接下来的太阳能转换为电能打下坚实基础。设计要点：太阳能方阵在升降臂高度过低时容易造成太阳能方阵活动空间不够引发碰撞，在这里为了避免出现这类情况，我们将其设计成当升降臂上升高度<30 cm时，除升降外，展开、方位角调整及俯仰角调整等功能均禁用。如此一来可以避免升降臂高度过低造成太阳能方阵活动空间不够而引发碰撞危险。其次，当太阳能方阵遇到大风、沙尘和积雪等恶劣环境时，发电车自动启动撤收程序，2台伸缩电机任意一台出现故障或因阻力大发生停止现象，则另一台同步停止工作，避免单机工作损坏设备，大大降低了环境对太阳能收集的影响。

太阳能方阵由太阳能电池板、骨架、滑轨、双轴驱动器、转接座、线材等材料构成，选用高效单晶硅太阳能板，总功率达3.2 kW，太阳能板输出为70 V/22.8 A。该太阳能方阵通过不同的动作对太阳能进收集，可将太阳能转化成电能。系统采用模块化设计，通过传感器进行组件的可靠伸缩，具有抗沙尘、抗风、抗积雪和抗振动能力。太阳能方阵4个角位置设有光电传感器，在20 cm以内检测到有障碍物（象人体、树枝、墙壁等）则停止动作（包括升降、展开、方位角调整及俯仰角调整等），障碍物消除后，须人工干预继续工作。俯仰角限位为0°～54°;方位角限位为±270°，即从初始位置分别向2个方向最大能转动270°;为避免升降臂高度过低造成太阳能方阵活动空间不够而引发碰撞危险，对于其升降高度、方位角调整和电池板的展开动作进行逻辑设置;发电车程序设计中，为了避免由于电机的过负荷工作带来的系统损坏风险，不允许单机工作。因此，太阳能阵列具有在复杂环境下的自保护功能，极大地提高了其免维护性。

2.3 跟踪控制系统

跟踪控制系统包括操作面板、中央控制器、跟踪器及相应开关、线缆等部分，具有实现太阳能跟踪控制，提供跟踪发电人机操控界面的功能，操作方便性、安全性、可视化。通过自动跟踪控制太阳能方阵的动作，实现太阳能转换。

跟踪控制系统的设计难点在于当电机电流超过限值会导致电机损坏，且任意电机的损坏则会造成2台电机同时停机，因此在对此处进行设计时过载保护较为重要。

2.4 驱动、调节系统（液压、螺杆、齿轮、电机等）

这部分系统包括升降臂、油泵站等结构，升降臂含伸缩筒及油缸，实现太阳能方阵的升降，确保太阳能板转向空间。油泵站含油泵站、48 V蓄电池组、外壳支架等，为升降臂提供相对独立的动力结构。

2.5 光伏发电系统（含发电、储能、逆变、输出控制）

光伏发电系统包括太阳能机柜、蓄电池组、配电部分等结构，见表1。太阳能机柜含太阳能控制器、逆变器、汇流排、熔断器、开关等结构，利用太阳能板实现对蓄电池充电及逆变输出。蓄电池组包括蓄电池、电池支架等，存储太阳能电池板所发电能通过逆变器实现交流输出。配电部分包括配电面板、输出接口、断路器、开关、按钮等，实现发电车日供配电。

2.6 方舱总成

方舱包括厢体和底盘，含骨架、舱门、隔墙、紧固件、附件、龙骨、车桥、轮胎、制动及辅助支撑等结构，为舱内设备提供防护及支撑，结合太阳能发电需要，经济又节能。

3 应用范围

该产品应用范围广，在众多恶劣的野外环境下均可适用。设计中充分考虑了太阳能电池板受天气的影响，采用柴油机发电作为应急备用。另外，可移动使用的特点，极大地拓展了其应用范围，不仅可以在孤立电网中使用，同时还可以保证电源的稳定供给，因此，在军事领域、野外医疗中应用较多。

4 结语

该全自动双轴跟踪太阳能发电车可以很好地应对偏远恶劣地区电力供给不足的状况，而这类地区大多处于太阳能资源丰富的地区，将该产品投入这样的地区，可以改善偏远地区或市电供应不便的问题，给通信设备及其他中小型用电设备供电，同时减少对煤炭的过度依赖，实现节能环保的目的，为缓解环境污染和能源危机做出贡献。

参考文献

[1]蔡世杰.太阳能利用技术研究现状及发展前景[J].中国高新科技，2018（21）：50-52.