一种提高农业光伏发电效率装置的设计与研究

欧佳顺，谢方平，刘金荣，殷海眯

(1.长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124；2.湖南农业大学，湖南 长沙 410000)

随着科技的发展，越来越多的机械化产品以及现代科技装备用于农业上，以提高农产品的产量输出，保障国家粮食安全。其中影响农产品产出的关键因素离不开能源消耗，采用传统的能源提升产量不仅会污染环境，而且会面临能源危机。因此绿色可持续发展的新能源应用于农业生产是未来的发展方向，太阳能是一种稳定且用之不竭的清洁绿色能源，受到地理因素影响小，且安装方便等[1-3]。因此光伏发电广泛用于农业生产，光伏农业是将光伏发电与农业生产相结合的一种绿色、环保的全新产业模式，是集太阳能光伏发电、智能温控系统、现代高科技种植、养殖为一体的农业产业，有着非常广阔的应用前景[4]。虽然光伏发电已经广泛应用农业生产当中，但是目前的光伏板基本都是固定安装，不能随着太阳光线转动，从而未能达到光电转化率最佳的效果。研究数据表明一般的晶硅太阳能电池组件的光电转换率在20%到26%之间，新一代光伏板材料的理论极限最高也只能达到33%，可见光伏板光电转化率饱和光照条件下并不是很高，如果采用固定安装则转化率更低，从而影响农产品的产量输出。有研究表明，相对固定安装，采用自动跟踪装置使得光线与光伏板时时垂直，最高可以提升34%的光电转化率。因此研发农业光伏板自动跟踪装置，提高光电转化率，从而提升农产品的产量，有着重要的意义。本文根据国内外现状分析，结合现有的相关技术，设计出一种具有成本低廉、环境适应性强、便于维护等优点的混合驱动农业光伏板自动跟踪装置。

1 国内外研究现状

国内外对光伏板的跟踪装置都有研究，也取得了一定的成效[5-6]，但是应用推广存在技术瓶颈，因此未能广泛运用。VinayakNarasimhan[7]利用调棱镜面板实现光线改变，即使太阳角度变化，光伏板不转动，也可以使得光线最大程度上的照射到光伏板上，可使太阳能达到最大程度的吸收，但是该调棱镜面板制造成本高，也不保证光线垂直照射，因此未能达到最佳转化。Flávia V.Barbosa和Hassan Fathabadi[8-9]设计了一种高精度无传感器的开环控制算法的太阳能自动跟踪装置，根据太阳一天中某一时刻的高度和经纬度，算出光伏板的角度朝向，可以有效提升双轴跟踪器的精度，但是该跟踪装置需要安装两个步进电机，以驱动角度调节。J.Parthipan[10]利用两个传感器，设计了一种闭环控制的单轴自动太阳跟踪系统，但是仍然需要电机驱动调节。Taehoon Hong和Rashid Ahammed Ferdaus[11-12]设计了一种采用基于太阳能映射规律和基于光电传感器的连续跟踪机制，其驱动方式还是经过电机驱动。崔之超[13]研发了一种并联型太阳能自动跟踪装置，利用三个铰链并联支撑光伏板，虽然优化了传动机构，但是三个支撑杆的伸缩需要电动伸缩缸驱动，增加了1个电机驱动消耗的能量。张屹[14]设计了基于GPS定位的太阳能板自动追光系统，可以根据GPS定位，时时调节角度，跟踪精度和稳定性明显提高，其采用了电机驱动。王正[15]设计了一种基于光电自动跟踪和人为矫正两种模式的四象限法则太阳能跟踪系统，减少了追踪控制系统电力消耗，还提高了跟踪准确度。

根据国内分析可知，更多在聚焦点控制算法上及控制系统上，控制系统相对较为成熟，但是目前的光伏板自动自动跟踪装置存在明显的缺陷，光伏板的角度调节驱动基本都是采用电机驱动，需要额外消耗光伏板产生的电能，得不偿失，且每一套光伏板上需要配备两台步进电机，整体结构笨重，成本相对增加，且电机还需要进行防水、防高温处理，维护成本也相对较高，显然在户外采电机驱动方式不太适用。尤其是农业用的光伏板基本都是户外安装，环境恶劣，且光伏板数量相对较多，分布集中，若每一块光伏板都采用电机驱动，则电能消耗大，反而会影响农产品产量。为了解决上述存在的问题，本项目设计了一种混合动力驱动的农业光伏板自动跟踪装置，具有驱动所需的能耗更低、成本低廉、驱动装置少、能够集中控制和一源多供等优点。

2 装置整体结构理设计

为了打破传统的电机驱动结构，本装置采用了气热混合驱动，传动方式为气压传动。装置的整体结构如图1所示，主要由：1光伏板、2凹透镜、3热敏气缸、4中心支撑杆、5伸缩气缸、6安装板、7固定螺栓、8气动电磁阀、9活塞、10连杆、光11敏元器件及12控制模块组成。连杆10两端分别通过球铰链与光伏板和活塞末端相互连接，中心支撑杆用于支撑光伏板的重量，上端通过球铰链与光伏板连接，下端通过螺栓固定在安装板上。控制模块的作用于是用于接收并对比光敏信号及给电磁阀发指令，控制电磁阀的开启和关闭。

图1 装置整体结构图1.光伏板；2.凹透镜；3.热敏气缸；4.中心支撑杆；5.伸缩气缸；6.安装板；7.固定螺栓；8.气动电磁阀；9.活塞；10.连杆；11.光敏元器件；12.控制模块

其中光敏元器件11分布于光伏板的四边，即每边上都安装一个光敏传感器，光敏传感器在都安装在V形槽中(如图1所示)，以防止侧面光线对传感器的干扰，因此具有一定的抗干扰性。伸缩气缸5有两个，分别朝向东西方向和南北方向，并固定于安装板6上。在光伏板的侧边安装有凹透镜2和热敏气缸3，凹透镜在热敏气缸正上方，且距离为凹透镜的光线焦距距离，主要是通过凹透镜2给热敏气缸3进行加热，从而使得气缸3内部气体膨胀，给伸缩气缸5提供伸出和缩回的动力来源。伸缩气缸5的有杆腔和无杆腔都有进排气口，每个进排气口连接一对二位二通常闭电磁阀，没有得电情况下，电磁阀1、2、3、4口处于关闭状态，只有收到信号得电以后，电磁阀才开启，如图2所示为伸缩气缸与气源的连接方式。其中热敏气缸通过气管分别与阀1和阀3的出气口相连接，气泵也通过气管与阀1和阀3的出气口相连接，但是气泵伸缩缸气口中间连接了二位二通常闭电磁阀，通常情况阀口是闭合的，即气泵不给伸缩缸供气。

图2 伸缩杆及电磁阀的结构设计1.电磁阀；2电磁阀；3.电磁阀；4.电磁阀；5.热敏气缸；6.凹透镜；7.气泵；8.电磁阀；9.气管

3 动力源设计与分析

根据设计思路，本装置伸缩缸的动力来源有2种，分别是采用热膨胀的动力源和气泵。采用热膨胀动力源的设计，由理想气体状态方程可知：

pV=nRT

式中：P为压强，Pa；V为气体体积，m3；T为温度，K；n为气体的物质的量，mol；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)。

由理想气体方程可知，当热敏气缸被加热，则内部温度T会增加，由于体积n、R没有变，所以内部压强P和体积V会相应的变大，缸内部气体膨胀，压强足够给伸缩气缸提供动力。如图2所示，为了提高热力气源的灵敏度，采用凹透镜的聚光原理，可以快速对热敏材料的气缸进行快速加热，从而使得气缸内部的气体膨胀，所以在强光照条件下热膨胀气体可以驱动伸缩缸活塞伸出与缩回。

如图2所示，另外一种是通过气泵供气，在光照不足的情况下，热膨胀气体不能驱动伸缩缸运动，控制模块进行分选，打开图2中的电磁阀8给伸缩缸供气，从而驱动伸缩气缸内部的活塞伸出或者缩回，使得光伏板角度能够进行调节。其中气泵可以给多套本设计的自动跟踪装置提供动力，实现一气多供，从而避免电机驱动装置的使用，降低成本的同时便于管理和维护。

4 工作原理及控制方式分析

结合图1和图2分析，当太阳光线从东方照射时，位于东侧的光敏传感器收到较强的光照，而光伏板西侧的光敏传感器收到的光照强度明显比东侧的要弱，控制模块对比两侧的信号强弱，从而判断出光照已经偏向于东侧，光伏板的角度需要向东方旋转一定角度，以保证入射光线与光伏板垂直。控制模块会发送指令，使得图2中阀2和阀3开启，那么有杆腔进气，无杆腔排气，活塞向里面缩回，从而带动光伏板向东方旋转一定角度，从而保证光伏板与光线时时垂直，到达光电转化率最佳效果。反之如果光照射到西侧的光敏传感器，那么开启的阀为阀1和阀4。气源切换的控制原理分析，在光照比较充足的条件下，本装置基于空气热力学的热膨胀原理进行驱动，当密封容积里面的气体被加热后会膨胀，从而驱动执行机构伸缩，实现角度的调节，从而实现零电能消耗。当光照不足时，那么其中一侧的光敏传感器则被太阳光线长时间照射，当两侧的光敏传感器的信号强度差别比较大，且长时间处于这种状态时，则控制模块进行判断分析，得出结果热膨胀气源不足以提供伸缩气缸所需要的压力，打开气泵气源给伸缩机构提供动力，从而实现弱光照条件下对光伏板的角度调节，进而实现降低驱动能耗的效果。

5 结论与展望

本自动跟踪装置与传统的电机驱动自动跟踪装置相比，更加适用于农业光伏板的自动跟踪，因为本装置打破了传统的电机驱动，采用了空气热膨胀原理，设计了新的动力驱动源，可以驱动伸缩气缸伸缩，无需外接电力驱动，实现电能零消耗。本装置采用一气多供的方式，通过1个气源，则可以为多套自动跟踪装置提供动力，更加适用于比较集中安装的农业光伏板自动跟踪，且采用气动传动，可以实现远距离动力输送和控制，对于户外农业高温、雨水等恶劣环境适应性强。经过前期的样机试验，跟踪角度误差值不高于2°。后续将对设计的装置继续进行优化，进行相关实际参数的实验，为本装置的产业化生产优化提供有效的数据参考及实现市场推广。