刘豪杰 张礼兵

（嘉兴学院 信息科学与工程学院，嘉兴 314001）

人类社会正在进入一个节约能源、减少污染和可持续发展的新时代。充分利用太阳能进行光伏发电是能源发展的主要趋势之一[1]。比较常见的光伏太阳能装置为太阳能光电板式集热器[2]，采用简单的固定不动的安装方式。这种集热器的主要缺点是可收集太阳的能量密度不高，导致集热器的转化温度较低。太阳能自动跟踪装置是一种使太阳能光伏板与太阳光线保持垂直的自动装置[3]，主要有单轴自动跟踪装置[4]、双轴自动跟踪装置[5]和并联多轴自动跟踪装置[6-7]3种结构类型。单轴自动跟踪装置难以使太阳能光伏板与太阳光线时刻保持垂直，影响太阳能的光电转化效率。并联多轴自动跟踪装置的结构复杂，制造成本高。双轴自动跟踪装置具备两个方向的旋转轴，可以使太阳能光伏板在方位角和高度角上同时跟踪太阳光线。目前，太阳能自动跟踪装置多采用推杆结构实现太阳能模组的俯仰运动[8]，但推杆结构由于受力面积小，容易产生抖动。同时，推杆结构较为复杂，体积较大，对支架刚度要求很高，存在成本高昂、维护麻烦、控制精度低等问题。为解决双轴太阳能自动跟踪装置的结构缺陷，设计了一种基于双蜗轮蜗杆传动的光伏太阳能双轴跟踪自动装置。该装置使太阳能光伏板能够自动准确地跟踪太阳光，提高了太阳能的光电转化效率。

1 双轴跟踪装置结构设计

为实现光伏太阳能光伏板自动准确跟踪太阳光，设计一种光伏太阳能双轴跟踪装置。该跟踪装置结构如图1所示，主要由底座、双轴直流电机、双轴回转减速器、U形连接板、支架和太阳能光伏板等构成。底座下端与地基固定连接，上端与回转减速器下端通过螺栓连接，回转减速器上端两侧分别与U形连接板通过螺栓连接，U形连接板通过螺栓与支架连接。太阳能光伏板安装在支架上，通过限位块进行固定。双轴直流电机分别通过联轴器与回转减速器的蜗杆进行同轴连接。

图1 光伏太阳能双轴跟踪装置结构图

1.1 双轴回转减速器

双轴回转减速器如图2（a）所示，由方位角减速装置和高度角减速装置两部分组成。方位角减速装置如图2（b）所示，包括直流电机、联轴器、蜗杆轴、涡轮、转轴和固定轴。直流电机通过联轴器与蜗杆轴的一端连接。涡轮安装在转轴上。转轴的下半部分内部套装在固定轴上。转轴下半部分内壁和固定轴外壁各有一圈凹槽，用于放置滚珠。固定轴的下端与底座上端通过螺钉固定连接。转轴的上端与高度角减速装置的下端通过螺钉固定连接。当直流电机通电后，电机输出轴通过联轴器带动蜗杆转动。蜗杆通过涡轮啮合带着转动轴转动，同时转轴带着整个双轴回转减速器绕着固定轴水平转动。双轴回转减速器水平转动实现了太阳能双轴跟踪装置跟踪太阳光的方位角。高度角减速装置由直流电机、联轴器、蜗杆、涡轮、涡轮轴和箱体等部分组成。涡轮轴与U形连接板通过螺钉固定连接。当直流电机通电后，电机输出轴通过联轴器带动蜗杆转动，蜗杆通过涡轮啮合带着涡轮轴转动，涡轮轴带着U形连接板转动，从而调整到太阳能光伏板跟踪太阳光需要的高度角。

1.2 太阳能光伏板支架

光伏太阳能双轴跟踪装置中承载太阳能光伏板支架如图3所示。支架板上设计有若干个与光伏板尺寸相匹配的安装槽，支架板对应安装槽边缘的位置设计有若干限位块。限位块通过螺钉固定在支架板上，实现安装及固定太阳能光伏板的功能，如图3（a）所示。支架板底部两侧有螺纹孔，用于与U形连接板连接。U形连接板如图3（b）所示，均匀分布6个螺纹孔，通过螺钉与高度角减速装置的涡轮轴固定连接。

图3 太阳能光伏板支架结构图

1.3 底座

光伏太阳能双轴跟踪装置的底座如图4所示。底座上端均布若干螺纹孔。方位角减速装置的固定轴通过周向均布的螺纹孔与底座通过螺钉进行固定连接，使整个装置能够稳定固定在底座上。底座下端同样分布有若干周向均布的螺纹孔，通过膨胀螺栓使底座固定在地面上。底座的径向面积大于双轴回转减速器的径向面积，有效提高了光伏太阳能双轴跟踪装置的稳定性。底座内部中空，在保证整个支架稳定性的同时节省材料，降低了成本。

图4 底座

2 测试结果

2022年6月16日，利用太阳跟踪控制系统对研制的光伏太阳能双轴跟踪装置进行控制，在嘉兴市南湖区嘉兴学院进行室外光照度测试实验，分别在A和B两种情况下测量并记录光照度数值，结果如表1所示。A情况为将检测器探头放置在本文所述的光伏太阳能双轴跟踪装置的太阳能光伏板上，B情况为将检测器探头放置在面向正南方向与地面成30°的太阳能光伏板上。

表1 光照度测量实验数据

根据表1数据可知，A情况下所测试时间段内的平均照度为111 837 lux，B情况下所测试时间段内的平均照度为83 861 lux。A情况下的平均照度比B情况的平均照度强度提高了约33.4%。实验结果表明，研制的光伏太阳能双轴跟踪装置能够有效提高光伏太阳能光伏转化效率。

3 结语

对目前太阳能自动跟踪装置研究现状进行分析，指出目前应用广泛的太阳能光伏发电系统的优缺点，设计了一种光伏太阳能双轴自动跟踪装置。通过双轴太阳能自动跟踪装置，使太阳能光伏板能够在竖直方向和水平方向上被动转动，实现光伏太阳能双轴跟踪装置自动跟踪太阳光。它不仅结构更加简单，还具有成本低廉、安装便捷、结构稳定等优点，能提高光伏太阳能的光电转化效率，为太阳能自动跟踪装置和光伏发电的研究提供参考。