聚光跟踪光伏光热一体机联动装置的研制

张德胜

乌鲁木齐智源易通智能科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000

0 引言

太阳能聚光发电技术是近年来国内外学者关注的一个重要课题。采用聚光、自动追踪太阳方位及高度角的方法，可以使聚光器与聚光器的总夹角保持一致，保证所有的光都集中在电池板上，从而提高太阳能板的光照。同时，太阳能集热器的效率也得到了极大的提升，从而极大地减少了太阳能发电系统的造价[1]。

聚光器对太阳的跟踪精度会对聚光效果产生很大的影响。目前，传统的集流器均为单机操作，每个集流器配一组跟踪设备，并配有独立的追踪控制线路。通常采取增大聚光板照明面积的办法来减少跟踪费用，但这通常需要加大聚光板的体积和质量，从而增加了安装的难度。

1 聚光跟踪光伏光热一体机概述

1.1 聚光原理

聚光跟踪光伏光热一体机（以下简称“一体机”）采用了追踪式集光技术，可以让太阳能板获得更多的光照，从而增加太阳能板的功率。一体机的聚光原理如图1所示。在聚光架的底部安装有一个平面反射镜，该平面反射镜借助太阳追踪装置使阳光总与聚光架保持一定角度；被平面反射镜反射的太阳光会均匀地集中在聚光电池板上，由此实现多聚光效果；聚光电池板可以通过冷却器中的水介质吸收光热，实现光电、光热的联用；在聚光器的顶端，还有一个朝向阳光的平板电池，其可以直接吸收阳光。

图1 聚光原理

1.2 聚光装置的结构

在一体机的微型聚光装置中，左右2个反光单元由1根驱动框架横梁固定。左右2个反光单元都由1个镜架、1个平面镜和1个聚光电池板组成；驱动框架能够带动左右2个反光单元绕着高度角传动轴转动，由此跟踪太阳高度。聚光装置整体由方位连接块固定在方形角度驱动的长轴上。小型聚光装置的镜框大多采用冲压成型技术，既能提高聚光板的精确度，又能减少生产成本。

2 一体机联动装置的结构和传动分析

2.1 装置结构

一体机联动装置包含2台或多台微型聚光器，所有微型聚光器均以一条长的传动轴为基础，用多个支柱支承，并利用一个定向传动装置带动长轴旋转，这样可以将全部的聚光器连成一体追踪太阳的方向。所有微型聚光器均可围绕相应的倾斜轴旋转，利用四边形的平行连杆将其串联，并利用倾斜角度的传动装置使其摇晃，可以使全部的聚光器互相配合，以实现对太阳角度的同步[2]。

每个聚光器的传动轴用一个连杆紧固在一个方向的传动轴上，再用另一个方向的驱动器控制旋转，这样可以让所有的聚光器都跟着旋转。高角度连杆将各台聚光器串联起来，构成一个平行四边形的结构，通过角度传动装置带动4个并排的四边形结构，从而使聚光器围绕相应的角度传动轴线旋转，同时追踪太阳角度，使所有聚光器都能在2D方向上进行连杆追踪。

2.2 传动分析

2.2.1 方位角传动分析

在聚光跟踪过程中，存在传动间隙，使跟踪不稳定，因此，要选择具有较少齿距的驱动装置，以减小螺杆的齿隙[3]。在实际应用中，使用了一种动力推进装置，该装置是以直流马达与螺帽为基础的动力装置，可以间断地驱动装置来追踪太阳方向，从而达到精确的驱动效果[4]。定向驱动装置结构如图2所示，全部聚光装置均与方位角传动长轴相连，摆杆的一端连接方位角传动长轴，另一端连接方位角电动推杆。摆杆的旋转由方位角电动推杆的伸长和收缩驱动，而方位角传动长轴的旋转由摆杆驱动，从而可以使全部的聚光装置跟随太阳方向的改变及时旋转。

图2 方位角驱动装置结构示意图

在旋转聚焦支架时，摆杆与方位角电动推杆之间的夹角a1减小，使方向驱动力矩减小。定向角度的传动扭矩Ma为

式中：Fa为方位角电动推杆的推力；B1为摆杆的长度。在8级大风（风速为17.2～20.7 m/s）时，集光设备可承受的最大风压为267.5 Pa。利用集光器最大迎风面积和平均力臂，可以求得方位角风载阻扭矩Maf；根据支座重量、重心与驱动轴的偏差值，可以求得方位角中心阻力矩Maz。测量方向传递力矩Ma为

从式（1）和式（2）得出，方位角电动推杆的推力Fa为

方位角的跟踪精度受丝杆传动间隙ΔD的影响，根据摆杆的长度B1可以得到方位角的跟踪偏差Δωa为

2.2.2 高度角传动分析

高度角度传动装置中，聚光装置可以围绕相应的高度角传动轴旋转；所有聚光装置由高度角联动架连接，构成一个平行四边形的连杆装置；该平行四边形连杆装置通过高度角电动推杆驱动，使全部的聚光装置围绕相应的高度角传动轴旋转，从而同步追踪太阳高度角度的改变。

当聚光支架旋转时，高度角电动推杆和高度角传动轴之间的角度（a2+β）减小，高度角的驱动力矩Me为

式中：a2+β为高度角；Fe为高度角电动推杆的推动力；B2为高度角传动轴的长度。高度角度的传动扭矩Me可以根据高角度的风载阻力扭矩Mef和高角度的中心阻力扭矩Mez确定：

从式（5）和式（6）得出，高度角电动推杆的推动力Fe为

高度角的跟踪误差主要与螺杆驱动的间隙ΔD和高度角连杆的长度偏差ΔL有关，利用高度角传动轴的长度B2可以得到的高度角跟踪误差Δωe为

3 实例分析

3.1 设备参数

基于以上研究成果，研制了一台1 kW的一体机，其使用了4个方向的驱动装置，使4个聚光器相互配合，能够对太阳光进行2D的追踪。

设备的结构参数：长度为12 000 mm，宽度为2 400 mm，高度为2 000 mm，每个单元的照明区域为15 m；机构重量为426 kg，整体重量为582 kg；每个单元均有5个支柱，以3.2 mm厚的超级白色镜子聚集阳光（北方有冰雹或大雪时，可增加玻璃的厚度）。

3.2 传动分析

根据集流板的外形计算得到，在8级大风时，风向角的风荷转矩为360 kN·m，在较高的风向角风荷载下，风荷转矩为320 kN·m。计算支架的质量、中心到传动轴的间距，得到中心阻力矩为60 kN·m，高转角的中心阻抗力矩Mez=60 N·m；方位角摆杆的长度B1=600 mm，高度角传动轴的长度B2=500 mm。由式（3）得出，在这一时刻，方位角电动推杆的推力最大，Famax=1 400 kN。若a2=45°，由式（7）得出，在a2=45°，β=-15°时，高度角电动推杆的最大推力为Femax=1 520 kN。出于安全原因，采用了3 000 kN的电力推进器和推进器。

收集器采用电动推杆加工的螺杆，螺距D=0.2 mm，而高角连接杆的长度偏差为0.3 mm。若a1=90°，由式（4）得出，在a1=90°的情况下，最大的方位角跟踪误差Δωa=0.02。根据式（8）得出，在a2=90°，β=15°的情况下，最大的高度角跟踪误差为Δωe=0.13。实践表明，普通蜗轮蜗杆机构的轨迹跟踪误差小于0.5，而连杆跟踪误差小于0.2，提高了平面反射器的收光率，降低了太阳能电池的成本。

3.3 应用效果

项目研制的单片机螺旋驱动机构采用金属保护套，可有效地避免风沙侵袭，并在每一面都留有孔洞；所有的金属支架都经过热镀锌，每一层的采光面积都是28.4 kg，特别适合用于宾馆、工厂、住宅的钢筋混凝土屋顶。研制的样机已在厦门某大厦的楼顶进行了一年的实验，虽然受到多次强风的影响，但样机保持良好，这表明其可以承受很大的风暴。

（1）经济效益。与常规平面晶硅光电系统相比，文章研制的一体机联动装置降低了系统造价，减少了聚光器、跟踪系统和集热器的费用。对5 kW一体机电站和5 kW平板电站进行实时监测和综合分析，得到的结果如表1所示。根据表1可知，一体机电站的成本比平板电站低。

（2）发电效果。在厦门集美地区发电6个月（2020年7月1日—2020年12月31日）后，两者的总发电能力相当，平板电站发电量为2 167 kW·h，一体机电站发电量为2 173 kW·h；一体机电站还能得到等同于4 328 kW/h的电热（平均水温为52 ℃的热水）。一体机电站的占地面积是平板电站的15倍，其整体性能比普通电站高出许多。

4 结论

文章开发的聚光跟踪光伏光热一体机联动装置采用2个电子推棒驱动多个聚光装置，实现对太阳方向和高度的跟踪，从而改善了聚光器的稳定性、跟踪精度和聚光效果（聚光效率提高了5%）。利用连杆可以降低聚光支架的高度，整体聚光部件由多根支柱承担，平均承载为197.96 N/m2；安装时无须使用升降装置，降低了安装和维护费用。