热力型向日葵太阳能随动系统设计

韩 晨，李明杰

（新疆铁道职业技术学院，新疆 乌鲁木齐830011）

太阳能光伏板对正太阳，才能得到最大的发电效率，这是基本常识，然而，太阳能电池板时刻对正太阳的过程也需要消耗宝贵的能源，加之现有的太阳能随动系统的控制调整都有一定的迟滞，执行机构很容易受风沙的污染而失效，人工清理维护耗时费力，大大增加了运行成本，降低了系统的可靠性。因此，许多太阳能发电场弃用了已有的随动系统。

美国研究者通过实验研究发现运行良好的太阳能随动系统能使整个系统提高效率30%以上，HCPV系统[1]结合性能良好的随动系统，发电效率必将大幅提升，当采用的聚光比为500倍，太阳光法线与菲涅耳透镜中心轴线的夹角为0.5°时，发电效率将下降20%，当偏差角达到1.2°时，发电效率将下降80%左右[2]。

中国一直在推动光伏发电技术进步、产业升级和成本下降[3]，科研工作者正不断地研究着新型的太阳能随动系统。

1 热力膨胀管随动系统结构设计

现有的太阳能随动系统主要有被动式和主动式两种，控制过程都会消耗宝贵的电能。

被动式系统主要由测量系统、控制系统和执行机构三部分组成。测量系统必须暴露在外，很容易受风沙的污染而失效，而感光部件多为精密元器件，只能人工清理，费用高而且清理效果难以保证。

主动式系统直接执行外来指令，系统简洁可靠，但是尚无成熟可靠控制指令系统。

热力膨胀管太阳能随动系统由感温元件、膨胀活塞和连接软管三部分组成，它仿照自然界中向日葵的运行模式进行，如图1所示。夜间，4支感温管温度相同，对应的膨胀活塞伸出长度也相同，光伏板的位置居中；朝阳升起4支感温管温度因为太阳照射角的不同开始产生差异，感温用的4支热力真空管均匀布置在太阳能光伏板的4边，如图2所示，即时用太阳光的热量来加热管内密封的氟利昂液体，受热的氟利昂液体部分汽化，压力升高，升高的气体压力通过连接软管传递至膨胀活塞内，温度越高，压力越大，推动活塞伸得越长，相应地，当太阳光的热力降低时，活塞也会缩短。膨胀管内的压力随太阳的东升西落发生变化，当压力差足够大时，活塞就会推动太阳能光伏板向对正太阳的位置移动，直到4支感温管温度相同为止。太阳落山之后，4支感温管逐渐放出热量达到热平衡，光伏板又回到居中位置。

图1 热力膨胀管逐日系统运行状态

图2 热力膨胀管逐日系统结构

这样，直接使用太阳的热能完成了太阳能随动系统的测量、比较和调整，免去了其他随动系统消耗的宝贵的电能，就能获得太阳能光伏板最大的发电输出功率了。

现有随动装置的机械加工和现场安装误差远大于太阳位置天文算法的计算误差，而这种随动系统与底座上的钢管通过法兰进行连接，对在现场安装调试的工人的技术要求较低，容易保证安装精度，对安装现场的地形要求很低，只要能立得住一根钢管的地方就可以安装，戈壁沙漠、水面滩涂均可建成太阳能发电场。

随动系统的底座可采用薄壁空腔结构，在安装现场填入砂土，降低运输成本，支腿采用钢管灌注混凝土的方法，可获得良好的综合机械性能。

1.1 感温元件

感温元件用常见的玻璃太阳能真空集热管，结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层，阳光的热量加热管内注入的氟利昂液体，使其汽化，当阳光照射的角度不同时，产生的热量也将不同，从而完成将太阳照射角度按比例地转化为压力信号的过程。

1.2 膨胀活塞

膨胀活塞将感温元件传递过来的压力差转化为活塞的伸出长度之差，两侧的感温管相对太阳的角度差越大，获得的长度补偿越大。这样，4只膨胀活塞通过不断地交替变化，实现了自动对正太阳，达到获得最大发电功率的目的。考虑可能出现的氟利昂泄漏问题，活塞内使用波纹管，管接头尽量使用焊接方式。

1.3 连接软管

连接软管将压力变化传送到对侧的膨胀活塞上，实现状态调节。

2 热力膨胀管随动系统控制方法

整定好活塞上调节阀的开度之后，整个系统就可以进入自动运行的状态，无需人工干预。

个别系统活塞密封件在设计寿命之前损坏时，可以将活塞固定在当地的最佳角度等待维修，将损失将至最小。

太阳能发电场的网络还可以用于控制送变电系统，如果配合安装合适的储能装置，就能实现白天供电，晚上为外电网提供储能服务，不仅可以彻底改善太阳能风能的品质，还能为电网削峰平谷作出自己的贡献，提高整个电网的送电品质，降低控制难度。这样也能克服太阳能发电技术受天气影响的先天缺陷，有助于“风光互补”等项目得以试验进行，对太阳能产业的未来产生积极的影响。

3 结论

这种由热力膨胀管太阳能光伏板随动系统不仅可以实现全自动实时控制，还不消耗宝贵的电力，可以为用户提供最大输出功率，降低运行维护费用，并对更好地开发太阳能随动系统提供新的思路。