張 瑋，楊景發(fā)，鄒鵬飛，李文靜，侯國棟，蘇安閣

（1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002；2.保定市第一中學(xué)，河北 保定 071002）

太陽能作為取之不盡、用之不竭的第一大清潔能源，已成為世界各國競相開發(fā)的重點(diǎn)［1］，太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無污染、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。2010年中國太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電年新增安裝容量（峰值功率）138MW，累計(jì)安裝500MW。太陽能產(chǎn)業(yè)已成為全球發(fā)展最快的新興行業(yè)之一。但同時(shí)太陽能也存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化等問題。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化裝置——陣列式太陽能電池板，多采用固定式安裝，不能實(shí)時(shí)追蹤太陽位置的變化，致使采光效率較低，影響光電轉(zhuǎn)換效率。另外，由于電池板表面充分裸露在室外空氣中，隨著時(shí)間積累，空氣中的無機(jī)和有機(jī)灰塵會(huì)逐漸積累在其表面，既降低電池的能量轉(zhuǎn)換效率，也容易因“熱島效應(yīng)”造成電池局部發(fā)熱而損壞，導(dǎo)致太陽能蓄電池因不能保持足夠的電量而大大縮短壽命。綜合比較實(shí)現(xiàn)追蹤太陽的單軸追蹤、雙軸追蹤、光敏電阻光強(qiáng)比較等方法［2］，以及人工擦拭、刮刷式、高壓水流／氣流清潔等電池板除塵方法［3］，我們設(shè)計(jì)了集“聚光”、“電池板傾角調(diào)節(jié)”、“平行于地軸的定點(diǎn)定角單軸追蹤”和“高壓風(fēng)力除塵”于一體的“太陽能電池板捕光及除塵系統(tǒng)”，充分提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 追蹤／不追蹤太陽照度比較

在空曠的樓頂進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，通過測量追蹤太陽與不追蹤2種情況下的太陽照度（EA為不追蹤太陽時(shí)的照度，EB為追蹤太陽時(shí)的照度），來比較太陽能電池板的受光情況，測量結(jié)果見表1。由表1可得出：當(dāng)對太陽進(jìn)行追蹤時(shí)，其照度值比不追蹤時(shí)平均高出約29.8%。

表1 追蹤／不追蹤太陽照度

1.2 光強(qiáng)對太陽能電池開路電壓和短路電流的影響

利用FZ－GDD硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀，調(diào)整電池板與光源之間距離，測量不同距離下電池板的開路電壓UOC和短路電流ISC，測量結(jié)果見圖1。

圖1 硅光電池板光照效應(yīng)

1.3 保定地區(qū)太陽運(yùn)行軌道圖

太陽高度角α、太陽赤緯角δ和太陽方位角的計(jì)算公式［4］分別為：

式中，φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋?］，ω為太陽時(shí)角，N 為從1月1日起，到該天的天數(shù)。

根據(jù)以上式計(jì)算與太陽能應(yīng)用有關(guān)的參數(shù)，并由所得數(shù)據(jù)獲得了太陽運(yùn)行軌跡，見圖2［6］。

圖2 保定地區(qū)太陽軌跡圖計(jì)算模擬

1.4 太陽能電池板傾角選擇

根據(jù)地球繞太陽運(yùn)行的規(guī)律可知：即使在同緯度的地方，在不同的季節(jié)，太陽的入射角也是不同的。依據(jù)本次設(shè)計(jì)并參考相關(guān)文獻(xiàn)中的資料，為獲得最大的日射量，電池板的傾角β推薦值如下：全年使用，β＝φ，夏季（從春分到秋分）使用，β＝φ－10°；冬季（從秋分到春分）使用，β＝φ＋10°；由保定的地理位置可得，夏季太陽能電池板傾角為38°，冬季為43°。

2 太陽能電池板捕光與除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽能電池板捕光與除塵系統(tǒng)主要由聚光模塊、追蹤模塊、高壓風(fēng)力除塵模塊和電源模塊等部分組成，見圖3。

2.1 聚光模塊設(shè)計(jì)

利用聚集反射技術(shù)，在太陽能電池板的左右兩側(cè)布置反光鋁板，通過實(shí)驗(yàn)比較，確定鋁板和太陽能電池板夾角，使太陽能電池板接收盡可能多的太陽能，減小太陽能量的分散性和太陽光的不均勻性，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

經(jīng)過計(jì)算比較，將鋁板和太陽能電池板成60°角布置時(shí)，在電池板受光面積不變的情況下，其使用的反射鋁板的面積最小，成本也就低。聚光板塊結(jié)構(gòu)示意見圖4。

2.2 太陽能電池板追蹤模塊設(shè)計(jì)

圖3 太陽電池板捕光及除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

追蹤模塊采用“平行于地軸的定點(diǎn)定角單軸追蹤”系統(tǒng)，包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件兩部分。首先進(jìn)行初始設(shè)定：根據(jù)不同的季節(jié)、地理緯度，通過手動(dòng)旋鈕設(shè)定電池板的安裝傾角；通過軟件設(shè)定每個(gè)時(shí)鐘點(diǎn)的水平方向旋轉(zhuǎn)角度。設(shè)定完成后，系統(tǒng)軟件發(fā)出控制信號（步進(jìn)時(shí)鐘脈沖）驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池板單軸（東西向）跟蹤。

2.2.1 追蹤模塊的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

追蹤模塊硬件主要由底座、主軸、齒輪、軸承和步進(jìn)電機(jī)［7］、手動(dòng)刻度旋鈕等部分組成，見圖5。

圖4 太陽電池板聚光結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 追蹤模塊后視、前視和整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：主軸與地軸平行；根據(jù)電池板質(zhì)量確定扭矩，進(jìn)而選擇步進(jìn)電機(jī)的型號和驅(qū)動(dòng)器；通過齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)變速；使用軸承減小阻力；硬件部分安裝在立桿的頂部平臺(tái)上，樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，縮短立桿；控制箱設(shè)計(jì)在底部。設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行Pro／E模型設(shè)計(jì)［8］，再進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)。

2.2.2 電池板專用調(diào)角盤

設(shè)置一個(gè)“電池板專用調(diào)角盤”（見圖6），用于調(diào)節(jié)太陽能電池板的傾角。根據(jù)地理緯度、不同的季節(jié)，通過手動(dòng)旋鈕方便、準(zhǔn)確地設(shè)定電池板的安裝仰俯角。

圖6 太陽電池板專用調(diào)角結(jié)構(gòu)

2.2.3 單片機(jī)主控器硬件接口電路設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)最小系統(tǒng)，分配步進(jìn)電機(jī)的控制端口，設(shè)計(jì)控制接口電路（見圖7），用繼電器實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流，完成電池板追蹤旋轉(zhuǎn)。

圖7 單片機(jī)控制接口電路

2.2.4 追蹤模塊的軟件設(shè)計(jì)

跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)所用單片機(jī)為STC89C54，系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，依據(jù)跟蹤方案，完成時(shí)鐘、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度和自動(dòng)復(fù)位設(shè)定［9］，程序流程圖見圖8。

圖8 程序流程圖

2.3 高壓風(fēng)力除塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在太陽能電池板的高端斜后方，安裝一個(gè)帶傾角的氣體噴管。首先進(jìn)行噴管進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)計(jì)［10］。設(shè)計(jì)時(shí)，參照相應(yīng)的流體力學(xué)知識，為使噴管出風(fēng)較為均勻，且在一定長度距離內(nèi)使水頭損失、能量損失達(dá)到最小。利用流體力學(xué)fluent軟件對進(jìn)風(fēng)口個(gè)數(shù)、出風(fēng)口孔洞形狀（圓／方）、個(gè)數(shù)進(jìn)行模擬比較［11］。

由模擬分析可知：2個(gè)進(jìn)風(fēng)口、每個(gè)分管一段，出風(fēng)口形狀為圓形，多個(gè)出風(fēng)口的效果最好，風(fēng)量均勻，風(fēng)速較大，而出風(fēng)口開成狹縫以后，風(fēng)速較小，達(dá)不到除塵要求。故最終設(shè)計(jì)為：2個(gè)進(jìn)風(fēng)口、17個(gè)圓形出風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口通過軟管經(jīng)控制閥與高壓儲(chǔ)氣罐連接，利用單片機(jī)定時(shí)點(diǎn)開啟控制閥，一定壓力的氣體通過小孔均勻噴出，轉(zhuǎn)化為高速微細(xì)氣體射流，形成對電池板表面的噴射力，實(shí)現(xiàn)較大面積除塵。

2.4 太陽能電池板光電互補(bǔ)電源模塊設(shè)計(jì)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池（組）組成，同時(shí)備用了一套AC／DC市電供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光電互補(bǔ)［12］，可在2種供電方式中自由切換，以保障系統(tǒng)的運(yùn)行的穩(wěn)定性，增強(qiáng)實(shí)用性。

2.5 整機(jī)設(shè)計(jì)與制作

本系統(tǒng)由太陽能電池板跟蹤裝置、風(fēng)力除塵裝置和控制電路硬軟件等部分組成。制作初期設(shè)計(jì)了多種樣機(jī)模型，經(jīng)多次論證，確定最終的結(jié)構(gòu)。制作過程中嚴(yán)格遵循科學(xué)布局、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)簡潔的思想，按照機(jī)械制作標(biāo)準(zhǔn)制作而成，樣機(jī)見圖9。

圖9 太陽能電池板捕光及除塵裝置

3 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，配合精密機(jī)械裝置使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高系統(tǒng)追蹤太陽的精度，獨(dú)創(chuàng)的高壓風(fēng)除塵法，能夠有效除去太陽能電池板表面灰塵，顯著提高了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合發(fā)電效率。太陽能具有潔凈、方便、無盡等優(yōu)勢，有理由相信，本項(xiàng)目成果的轉(zhuǎn)化，必將產(chǎn)生可觀的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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