基于向日葵原理的光伏发电自动追光装置设计

2024-11-07 00:00:00何田超王玉勤周路祥孙含冰周生
河南科技 2024年19期

摘 要:【目的】为进一步提高光伏发电的效率,开发了一种基于向日葵原理的光伏发电自动追光装置。【方法】该装置集成了光伏板、中部控制板、双轴追光系统、GPS定位系统、自我保护系统和自动储能等模块,可以实时捕捉太阳位置,保持太阳光在光伏板上的最大直射面积,从而提高光的转化率。同时,安装在光伏板上的压力电阻和热敏电阻可以有效减少恶劣环境对设备的影响,从而延长设备的使用寿命。【结果】为检验光伏板中的支架是否满足强度要求,对该部件进行有限元分析。计算结果显示,支架屈服强度为6.204e+02 MPa,满足设计要求。同时,对制作的样机进行性能测试。实验结果表明,所制作的样机各项性能符合要求,平均发电量提升了约19.56%,发电效率显著提升。【结论】该光伏发电装置在精准定位和自动捕光方面具有显著的优势,有一定的市场推广价值。

关键词:向日葵原理;自动追光;精准捕光;有限元分析

中图分类号:TH137.5 文献标志码:A 文章编号:1003-5168(2024)19-0025-05

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.005

Design of Automatic Light Tracing Device for Photovoltaic Power

Generation Based on Sunflower Principle

HE Tianchao1 WANG Yuqin1 ZHOU Luxiang1,2 SUN Hanbing1 ZHOU Sheng1

(1. School of Mechanical Engineering , Chaohu University, Hefei 238024, China;

2. School of Mechanical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Abstract: [Purposes] To further improve the efficiency of photovoltaic power generation, an automatic light tracing device based on sunflower principle is developed. [Methods] The designed automatic light tracking device for photovoltaic power generation integrates photovoltaic panel, central control panel, dual-axis light tracking system, GPS positioning system, self-protection system, and automatic energy storage module. The device can capture the position of the sun in real time and keep the maximum direct area of sunlight on the photovoltaic panel, thus improving the light conversion rate. Additionally, the piezoresistor and thermistor installed on the photovol2f00c94bb483a0e4d953f2ad17a43f13taic panel can effectively reduce the impact of harsh environment on the equipment, thus prolonging the service life of the equipment. [Findings] In order to test whether the bracket in the photovoltaic panel meets the strength requirements, the finite element analysis of this component is carried out. The calculation results show that the strength of the support is 6.204e+02 MPa,which meets the design requirements. Furthermore, the performance of the prototype is tested. The experimental results show that the performance of the prototype meets the requirements, the average power generation is increased by about 19.56% and the power generation efficiency is significantly improved. [Conclusions] The designed photovoltaic power generation device has obvious advantages in accurate positioning and automatic light capture, and has certain market promotion value.

Keywords: sunflower principle; automatic light chasing; accurate light capture; finite element analysis

0 引言

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出,新能源光伏发电作为一种可再生能源技术受到越来越多的关注,并在全球范围内得到广泛应用[1]。然而,目前市面上的光伏发电装置仍面临着一些问题,例如,光的转化率低、生产成本高、维护难度大以及容易损坏等。而提高光伏发电的转化率是实现能源效率最大化的关键,因此,研究如何优化光伏自动追光装置已成为光伏技术领域的一个重要课题。谢鑫焱等[2]设计了一种可以随着太阳的移动自动调节太阳能板的自动追光装置,提高了发电效率;张屹等[3]提出了一种创新的基于GPS定位的太阳能光伏自动追光系统设计,通过精确定位太阳位置来提高光伏发电的转化率;冯月等[4]设计了一种双轴光伏自动追光系统,通过步进电机驱动太阳板精准捕光。

本研究拟采用双轴追光系统和GPS定位系统来实时调节光伏板,以提高发电效率。同时,在设备上装有保护系统,提高其使用寿命。基于上述设计,该设备不仅具有结构简单、材料环保和发电效率高等特点,而且具有广泛的市场应用前景。

1 工作原理及设计思路

借鉴向日葵的自然追光特性,光伏发电装置通过自动调整自身朝向以捕捉更多阳光,这一设计有效地提高了光伏板的发电效率。此外,这种模仿自然界的智能设计,为可再生能源产业的稳定和可持续发展提供了强有力的支持。通过安装光敏传感器和GPS定位系统,可以调节设备始终面向太阳光,保证光伏板接收光的面积最大,从而提高光的转换率。双轴追光系统使用两个直流减速电机,分别控制装置的左右和上下旋转,其最大旋转角度可以达到±80°。为降低雨雪等恶劣天气对设备的损坏,设备安装压力电阻和热敏电阻。压力电阻可以调节光伏板角度,减少外界压力;热敏电阻可以加热融化光伏板上的积雪。自我储能系统能够自动将装置产生的电能储存到蓄电池中,便于后期使用。

2 装置的整体结构设计

本研究设计的光伏发电自动追光装置如图1所示。该装置主要由光伏板、光敏传感器、GPS定位系统、压力电阻、热敏电阻、双轴追光系统、支架和蓄电池等组成。

为实现自动捕光功能,装置上加入了光敏传感器和GPS9nG7XRh2OiIKf/5yHP3MeA==定位系统[5]。这种设计可以使装置精准地捕捉到光源,从而显著提高光能的转化率。光敏传感器安装于光伏板的中央位置,采用高壁挡板设计,挡板将四个光敏传感器分隔开来,主要检测太阳光的照射强度。其工作原理是:当太阳直射光伏板表面时,位于太阳光一侧的光敏传感器接收光的强度最大,因此其阻值最小。相比之下,其他位置的光敏传感器接收到的光强度相对较小,导致产生的阻值较大。在这种情况下,位于太阳光一侧的光敏传感器会产生较大的电信号,并将其传递给控制板。这样,控制板可以调节光伏板,使其更准确地面向太阳光。这四个传感器组成了光敏感应装置[6],其结构如图2所示。GPS定位系统用来确定装置所在的经纬度,通过计算太阳的高度角和赤纬角来确定太阳相对于装置的位置,利用所配备的控制系统使光伏板始终面向太阳光。光敏传感器与GPS定位的结合,可以显著提高光能的利用率。

3 主要部件结构设计

3.1 光伏板支架设计

支架位于光伏板下方,采用半框式设计,主要起到支撑光伏板的作用,其结构如图3所示。支架上方设有两个螺纹孔,通过螺栓与光伏板连接。支架下方焊接有一根长销,长销端部设计为方形凹槽,凹槽内部设有螺纹孔。直流减速电机通过凸块构件固定于长销上,由于采用螺纹连接,支架在运行过程中不会脱落。

3.2 双轴追光系统设计

装置转向结构采用双轴设计,利用两个直流减速电机分别控制光伏板的水平和垂直转动,从而确保光伏板始终朝向太阳光方向,捕获任意方向上的光线,其结构如图4所示。两个电机分别位于光伏板下方和底座上方位置,其中位于光伏板下方的电机主要控制光伏板的垂直转动,位于底座上方的电机主要控制光伏板的水平转动。直流减速电机是在普通直流电机的基础上,通过加装齿轮减速箱来降低输出转速并增加扭矩。

3.3 自我保护系统设计

为减少外界恶劣环境对设备造成的破坏,装置设计了自我保护系统。该系统主要由压力电阻和热敏电阻构成,均匀布置在光伏板表面的缝隙中,其结构如图5所示。当面临恶劣环境时,压力电阻和热敏电阻将发挥作用,抵御外界恶劣环境。在雨天和大风天气中,压力电阻将向直流减速电机发送信号,使光伏板自动调整角度,减轻雨水和大风的冲击[7]。在大雪天气中,热敏电阻将向控制系统发送信号,启动加热系统以融化光伏板上的积雪。

4 关键部件有限元分析

为提高装置的稳定性,需要对装置的关键部件进行有限元分析[8]。根据软件计算结果与预先选定的材料属性进行对比,从而得出关键部件的安全性评估。

在光伏发电自动追光装置中,与光伏板相连的支架扮演着关键的支撑角色。使用SolidWorks三维软件对支架进行有限元分析,这对提升装置的稳定性和延长使用寿命具有重要意义。

对支架下方的长销施加固定约束,在其上端施加10 N的力。相应的应力云图和位移云图如图6所示。

支架材料选用合金钢,张力强度为723.826 MPa,弹性模量为210 000 N/mm2 、质量密度为7.7 g/cm3、抗剪模量为790 00 N/mm2、泊松比为0.28。

由有限元计算结果可知,支架所承受的最大应力为1.814e+02 MPa,最小应力为1.800e-02 MPa,其屈服强度为6.204e+02 MPa。由于支架上方零件的质量不足0.5 kg,因此,其能够承受大风产生的压力。压力最大位移为0.724 3 mm,在其运行的可变形范围以内。由此可见,本研究所设计的支架满足使用要求。

5 样机制作和实验测试分析

根据装置的三维模型,制作出的光伏发电自动追光装置如图7所示。装置采用单片机控制各模块运行,实现自动追光功能[9]。使用电风扇模拟大风天气对设备的影响,装置能够自动调整光伏板的角度,以减轻风力的冲击。

将制作的带有光敏传感器和GPS定位系统功能的装置与传统的自动追光系统进行对比测试。每个装置都安装有两块光伏板,每块光伏板的尺寸为175 mm×115 mm。将本装置和传统自动追光装置同时放置在相同强度的太阳光下,并分别计算这两个装置一天内产生的电量。每天定时检查装置是否存在故障,并连续记录五天的实验数据,详见表1。

经过5天的对比测试,本装置在光伏发电效率上显著优于传统自动追光装置,平均发电量提升了约19.56%,且在不同光照条件下展现出较高的稳定性。研究结果表明,本装置的光敏传感器和GPS定位系统能够有效提高光伏板的发电效率,具有良好的应用前景和经济效益。

6 结语

本研究基于向日葵原理设计了一款光伏发电自动追光装置,并对装置的主要部件进行了结构设计。为验证支架结构的合理性,利用SolidWorks软件进行了静力学分析。分析结果表明,所选用的支架结构强度满足设计要求。基于三维模型,成功制作了样机。测试结果表明,所制作的装置能够实现自动追光和精准捕光功能。此外,在模拟大风环境下,装置能自动调整光伏板角度以保护自身。为评估本装置的发电效率,与传统发电装置进行了对比实验。对比结果表明,该装置配备光敏传感器和GPS定位系统后,发电量显著增加,平均发电量增加了约19.56%。因此,本研究设计的光伏发电自动追光装置展现出卓越的工作性能,具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献:

[1] 李巽. 基于标准化的光伏和风力发电系统性能和可靠性分析[J]. 大众标准化, 2024(14):10-12.

[2] 谢鑫焱, 珠扎次仁, 杨晨, 等. 太阳能自动追光及其充电系统的设计[J]. 现代工业经济和信息化, 2023, 13(4):87-89.

[3] 张屹, 胡盘, 刘成恒. 基于GPS定位的太阳能板自动追光系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2020, 28(1):214-218.

[4] 冯月, 王利强, 王啸天, 等. 基于GPS定位算法的双轴轨迹自动太阳能追踪系统[J]. 仪器仪表用户, 2022, 29(1):15-18.

[5] 邓国臣, 王金月, 刘杰. GPS的现代化进展及启示[J]. 北京测绘, 2024, 38(5):667-674.

[6] 蒋宇春, 刘伟. 基于恶劣天气情况下对信号灯及其感应装置的改进[J]. 黑龙江科技信息, 2015(19):28.

[7] 冯昆, 徐天奇, 李琰, 等. 基于经验小波变换的畸变信号电量计量研究[J]. 计算机与数字工程, 2023, 51(10):2224-2230,2262.

[8] 苏维鼎. SOLIDWORKS有限元分析技术在施工机械装备设计中的应用[J].中国设备工程, 2020(2):18-20.

[9] 胡艳茹, 梁乐乐. 基于单片机的太阳能电池板自动追光系统设计[J]. 中国科技信息, 2022 (24):103-107.