一种角度可调光伏装置的设计

操龙斌

摘 要：目前可通过安装太阳跟踪装置来解决固定式光伏电池板发电效率低的问题，但这类太阳跟踪装置前期投入成本大、后期维护成本高且使用稳定性差，在国内仅高纬度地区才会考虑投入使用，推广也因此受限。因此在固定式光伏装置的基础上，可设计出一种角度可调光伏装置。

关键词：角度可调 太阳能 有效投射面积 实用性

Design of a Photovoltaic Device with Adjustable Angle

Cao Longbin

Abstract：At present， the problem of low power generation efficiency of fixed photovoltaic panels can be solved by installing solar tracking devices. However， such solar tracking devices have high initial investment costs， high maintenance costs and poor use stability. They are only available in high-latitude areas in China， where they are put into use， and wide spread promotion is therefore limited. Therefore， a photovoltaic device with adjustable angle can be designed on the basis of a fixed photovoltaic device.

Key words：adjustable angle， solar energy， effective projection area， practicality

1 设计思路

1.1 结构

本装置主要结构包括：固定金属杆、光伏电池板、可动金属杆和金属滑块，所述固定金属杆、光伏电池板、可动金属杆和金属滑块构成空间四杆机构，所述固定金属杆的横截面为正圆形，所述限位销镶铸在固定金属杆上，所述光伏电池板顶部与金属球铸成一體，所述金属球与固定金属杆顶部实现万向转动连接，所述固定金属杆的顶部通过凹槽和挡圈转动卡接金属球，所述可动金属杆顶部与光伏电池板底部实现限位销转动连接，所述可动金属杆底部与两个金属滑块承孔实现限位销转动连接，所述金属滑块空套在固定金属杆上，所述金属滑块内圆柱面与固定金属杆外圆柱面接触，所述金属滑块内圆柱面与固定金属杆外圆柱面均涂覆有光滑耐磨涂层，所述限位销插接在金属滑槽上，所述三个金属滑槽通过联通槽实现联通，所述金属滑槽外壁均涂覆有光滑耐磨涂层，所述金属滑槽在上端面上的投影为一个圆心角为60°的弧，所述三个金属滑槽的弧高可根据不同地区的纬度进行调整，所述金属楔块为可拆卸结构与联通槽为过盈配合，所述金属楔块上下两个弧面的曲率与金属滑槽所接触弧面的曲率相等，将可拆卸金属箍套在金属滑块外圆柱面上，以限制金属楔块的径向移动。

1.2 可行性

分析本装置的运动时，首先要区分清楚机构的杆件数目以及运动副类型。要保证机构具有确定的运动条件，则要满足该机构的自由度等于1。同平面机构自由度计算公式推导过程一样，空间机构的自由度=所有活动构件自由度-所有运动副引入的约束数[4]，空间自由度公式为：

F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1       （1）

式中：n为活动构件数，P1、P2、P3、P4 、P5分别为1至5级运动副的个数。本装置为固定金属杆、光伏电池板、可动金属杆和金属滑块构成空间四杆机构，因固定金属杆为机架，所以本机构的活动构件数n为3。固定金属杆与金属滑块构成圆柱副，限制4个自由度，为4级副。金属滑块与可动金属杆构成转动副，限制5个自由度，为5级副，同样可动金属杆与光伏电池板也构成转动副，也为5级副。光伏电池板上端固定的金属球与固定金属杆上端的凹槽构成球面副，限制3个自由度，为3级副。整个运动链没有2级副和1级副，同时也不存在虚约束和局部自由度，故有：P1为0，P2为0，P3为1，P4为1，P5为2，将得到的值代入公式1中，得出：

F=6×3-5×2-4×1-3×1=1

通过计算，其自由度等于1，故本装置设计合理，符合条件。因本装置结构简单且所涉及的构件数量少，其稳定性和可靠性会更高。

2 工作原理

一年中，不同的季节，限位销的位置不同：夏至时，可拆下金属楔块，限位销调整至夏至金属滑槽，然后装上两个金属楔块（图3，右图所示）并用金属箍限制两个金属楔块的径向移动。冬至时，拆下金属楔块，限位销调整至冬至金属滑槽，然后装上两个金属楔块（图3，中图所示）并用金属箍限制两个金属楔块的径向移动;春分或秋分时，拆下金属楔块，限位销调整至春秋金属滑槽，然后装上两个金属楔块（图3，左图所示）并用金属箍限制两个金属楔块的径向移动。

一天内，不同的时刻，限位销的位置也不同：上午时，金属滑块为主动件，逆时针旋转到底，相对地，限位销滑入相应槽的最左端，可动金属杆带动光伏电池板逆时针转动并锁止，此时光伏电池板朝南向东偏转30°方向;正午时，金属滑块为主动件，顺时针旋转，相对地，限位销从左侧槽内滑出，滑入槽的中央位置，可动金属杆带动光伏电池板顺时针转动并锁止，此时光伏电池板朝正南方向，因夏至金属滑槽和冬至金属滑槽存在弧高，在光伏电池板顺时针旋转的过程中，其安装角会相应的减小或增大，春秋金属槽的弧高为零，光伏电池板在春分或秋分顺时针旋转时，其安装角保持不变;下午时，金属滑块为主动件，继续顺时针旋转到底，相对地，限位销从相应槽的中央位置滑出，滑入最右端的槽内，可动金属杆带动光伏电池板顺时针转动并锁止，此时光伏电池板朝南向西偏转30°方向。

3 现实意义

光伏电池板与太阳的位置关系如图1所示，其中：α为太阳高度角，β为太阳方位角，γ为光伏电池板偏转角、δ为光伏电池板安装角，且α、β、γ、δ与阳光投射到光伏电池板上的单位有效投射面积S有如下关系：

S=sin（α+δ）×sin（90-β+γ）    （2）

其中太阳高度角α和太阳方位角β分别存在如下关系[5]：

sinα=sinηsinφ+cosηcosφcosω  （3）

cosβ=（sinαsinφ-sinθ）/cosαcosφ （4）

式中：η为黄赤交角（冬至为-23°，夏至为23°，春分、秋分为0°），φ为监测点纬度，ω为太阳时角（以当地正午为0°，上午为负，每小时减15°，下午为正，每小时加15°）。

为了进一步说明全年角度可调光伏装置相对固定式光伏电池板的优势，以夏至的合肥（φ为32°N）为例，规定γ1为固定光伏电池板偏转角，δ1为固定光伏电池板安装角，S1为固定光伏电池板上的单位有效投射面积，γ2为本装置的光伏电池板偏转角，δ2为本装置的光伏电池板安装角，S2为本装置光伏电池板上的单位有效投射面积。通过应用公式3和公式4，计算求得：合肥上午9、10和11点的太阳高度角α分别是49°、62°和74°，正午12点的太阳高度角α是81°，下午13、14和15点的太阳高度角α分别是74°、62°和49°，对应的太阳方位角β则分别是-89°、-78°、-59°、0°、59°、78°和89°。δ1根据合肥的实际纬度可设定为40°，因固定朝向正南方向，γ1为0°。本装置中的三个金属滑槽在金属滑块端面上的投影为一段圆心角为60°的弧，上午9至11点，相对地，限位销滑入至夏至金属滑槽最左端，此时光伏电池板逆时针旋转30°，故γ2是-30°（南偏东30°），δ2规定为40°。正午12点，相对地，限位销从左端滑出，滑入至夏至金属滑槽中央位置，光伏电池板顺时针旋转30°，故γ2是0°，此时光伏电池板朝正南方向，因夏至金属滑槽存在弧高，光伏电池板在顺时针旋转的过程δ2可减至30°。下午13至15点，相对地，限位销从金属滑槽中央位置滑出，滑入夏至金属滑槽最右端，光伏电池板继续顺时针旋转30°，故γ2是30°（南偏西30°），δ2则重新增至40°，将所得数据代入公式2求解单位有效投射面积S，本装置与固定式光伏电池板对比所得数据整理如表1所示：

同理，在春分、秋分时，本装置与固定式光伏电池板对比所得数据整理如表2所示：

冬至时，本装置与固定式光伏电池板对比所得数据整理如表3所示：

通过上述三个表格的数据的对比可以看出本装置整体表现优于固定式光伏电池板，其单位有效投射面积得到了不同程度的提升，进而可以提高光能电池板的发电效率。

4 结语

本装置根据不同的季节、一天中不同的時刻，通过空间四杆机构改变光伏电池板的安装角和偏转角以实现其发电效率的提高，其结构简单、造价成本低、执行更可靠，具有较强的应用价值。

参考文献：

[1]秦伟，李国强.光伏太阳能——21世纪的能源之星[J].新经济产业，2003，11（34）：44-46.

[2]王景华，朱凤德.一种新型太阳能聚光器的研制[J].南京师大学报，2007，55（24）：39-42.

[3]高峰.一种太阳跟踪装置及其跟踪方法[P].中国专利：CN106020250A，2016-10-12.

[4]张于贤，陈德淑，廖振方，等.空间机构自由度计算[J].重庆大学学报（自然科学版），2003，26（9）：53-55.

[5]于琼燕，刘帅帅，李海东，等.太阳高度角计算公式及光伏应用[J].河南工程学院学报（自然科学版），2017，29（3）：77-80.