基于新型半导体的追光发电装置的设计与仿真

杜宇帆，张 帅，崔 浩，丁 羽

（塔里木大学 机械电气化工程学院，843300，新疆阿拉尔）

作为新能源的重要组成部分，太阳能具有取之不尽、用之不竭、绿色环保、分布广泛等优点，日益受到重视和青睐。随着太阳能光伏板发电系统的应用日益广泛，光伏系统的发电能力自然成为业界关注的焦点[1]。

一般将太阳能光伏系统分为固定系统和跟踪系统两类。在太阳能电池板上，由于太阳具有间歇性和强度、方向时变等特点，当光线垂直于光伏阵面时，发电量最大。采用固定光伏系统不能实现对太阳能的充分利用，所以自动探测太阳光，并控制PV 板自动跟踪太阳的方向，使得光伏电池板总是与太阳光线垂直，能极大地提高太阳能的利用率。

由于南疆独具特色的气候地理特征，利用新疆自然气候条件，大力开发太阳能，利用现代化技术把太阳能转化成电能，是绿色建筑的目的之一。同时新疆地广人稀，很多地方没有人类涉足，于是很多人前往新疆勘探甚至是野外露营探险；但因为很多地方荒无人烟，用电便成了难题，所以我们团队便根据新疆自然气候条件想到了太阳能发电。我们团队经过调查发现，在南疆地区利用太阳能电池板作为发电装置，由于大部分太阳能电池板的主要材料为硅，制作成本较高，体积较为庞大，而且制作使用的过程中还会对环境产生污染，因此太阳能电池板不适合用作野外供电装置，于是我们决定开发一种新型太阳能发电装置，以响应国家开发清洁能源的号召，增加一种新的清洁能源获取方式，为南疆能源发展作出一份贡献。

1 追光发电研究现状

自动追光系统一直是国内外研究的热点。1997—2002 年，美国开发了四款自动跟踪系统。这些系统中早期的一种是单轴跟踪系统，它将太阳能跟踪设备的工作效率提高15%，同时它还具有体积小、安装方便等优点。在加利福尼亚州诞生了一款采用菲涅尔镜头的双轴自动追光系统。菲涅尔透镜是一种平面聚光镜，它具有质量轻、价格低廉等优点，并且能够在不同方向吸收入射光，并能吸收散射光。这种方法可以在单位面积上增加硅光电池板的接收效率，从而提高太阳能的利用率[2]。此外，Joe1.H.Goodman 公司开发了一种自动跟踪系统，它能根据太阳的方位，从东到西跟踪太阳[3]。还有Arizona 大学研制的自动追光系统，是一种电机控制装置，整个机架采用铝制材质，在保证高强度的同时，又能保证工作强度，并具有广泛的应用范围[4]。

目前，我国也对自动追光系统进行了深入的研究，其中电磁式、重力式、电动式等自动追光装置得到了广泛的应用。这些装置都是通过采集光电传感器的光强偏差信号来识别方位，再通过后置电路进行处理，处理器发出控制信号，从而驱动和控制步进电机进行调整，实现对太阳的追踪。这种方式被称为光电追踪方式，此方式具有光敏感度高、构造简洁、适合量产化等优点，但是难以适应复杂的气象状况，遇到光强较弱的天气时，会引起执行机构的错误运行[5-7]。

2 装置结构设计及工作原理

在热温差材料领域，新型半导体材料通过光聚能使半导体两端形成温差从而发电，实现热电转换，发电系统原理图如图1 所示。其转化效率高，使用寿命长，新型半导体发电是太阳能发电的一个新型途径。

图1 发电系统原理图

该发电装置主要包括追光控制系统、聚光装置等，如图2、图3 所示。

图2 追光发电装置三维示意图

图3 基于新型半导体的追光发电装置二维示意图

2.1 聚光装置的设计

聚光装置的主要部件是太阳能抛物面聚光器（8）。入射到此聚光器的太阳光反射后聚集到位于面积较小的集热体上形成焦面，使发电装置的热端获得高温热源。太阳能抛物面聚光器的最底部设置有排水孔（7），用来排水，防止水分在太阳能抛物面聚光器中滞留影响聚光效果。抛物面聚光器能够对太阳光实现有效的聚光集热。

2.2 追光控制系统的设计

追光控制系统主要由太阳跟踪控制系统、追光装置组成。太阳跟踪控制系统包括视觉传感器（6）和控制箱主体（9）等。视觉传感器装有金属粉末过滤装置，它能在光线入射时有选择地吸收组成太阳光线的部分波段，当光线照射到镜片时，有“相消干涉”过程，光线被削减，从而可以时刻精确捕捉到太阳所处的位置，通过主控制器智能图像追踪技术来进行有效工作；导入大量太阳居于图像中央的照片，利用视觉传感器，实时拍摄照片，测量太阳与中心偏移线的距离，利用提前烧录的算法程序得出树莓派需要控制步进电机转动的方向和角度，从而实现对太阳位置的捕捉。

追光装置包括底盘U 型架（1）、转向盘（10）、聚光装置支架（3）、步进电机（14）、丝杠滑块（16）、小连杆（15）、大连杆（11）、支撑杆（13）、防护罩（2）。装置主体位于底盘支架上方，利用转向盘实现主体的360°的追光转向动作，由步进电机驱动丝杠滑块，带动滑块上连接的小连杆，使支撑杆改变倾斜角度，从而改变连接支撑杆的大连杆，进而改变连接大连杆的聚光装置，实现聚光装置的倾斜角变化，完成对太阳光的追踪。

3 关键零部件有限元分析

本文应用Ansys workbench 对追光发电装置的U 型架进行静力学分析。静力学分析适用于模型承受固定载荷或载荷近似不变的情况，U 型架在使用过程中主要受到自身重量及追光发电装置其他零部件对它的压力[8]。

3.1 有限元模型构建及添加载荷与约束

本设计由Solidworks 设计追光发电装置的三维模型，并保存为.x_t文件。将.x_t文件导入Ansys workbench 中。通过其中的插件设置U 型架的材料为Q235 型钢材，Q235 材料属性见表1。

表1 Q235 材料属性

有限元分析由划分网格开始，网格的尺寸与节点的数量关乎分析结果的准确性。经查阅文献及基于设计理念，如图4 所示设定的网格是尺寸为5 mm 的正4 面体。

图4 U 型架网格划分示意图

在完成网格划分后，开始添加载荷和约束。由于所分析的机构为承重U 型架，故而设置约束类型为固定约束，约束的面为与追光发电装置下架所接触的滑轨面，添加载荷的面为U 型架上端的面，载荷类型为压力，单位为MPa。聚光装置重量约为245 N。

3.2 U 型架静力学分析

应力、应变及总变形量为所需求解的项目。图5（a～c）分别为U 型架应力云图（Stress Cloud Atlas）、应变云图（Strain Cloud Atlas）及总变形云图（Deformed Cloud Atlas）。

图5 U 型架静力学分析云图

根据图5 分析可知，U 型架最大应力为3.201 3 MPa，最大应变为1.604 4×10-5mm/mm，最大变形为0.307 17 mm。查阅资料可知，机架的强度满足要求。

4 结语

（1）自动跟踪光源的新型半导体材料发电装置通过智能图像跟踪技术工作，利用大数据导入大量太阳位于图像中心的照片，测量图像中太阳与中心偏移线之间的距离，利用提前录制的算法程序得出伺服电机的旋转方向和角度，以跟踪太阳。

（2）在热温差材料领域，这种新型半导体材料可以通过两端温差实现发电功能，具有转换效率高、使用寿命长的特点。

（3）对装置U 型架进行有限元静力学分析，其最大应力为3.201 3 MPa，最大应变为1.604 4×10-5mm/mm，最大变形为0.307 17mm，符合要求。