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太阳能电池板转轴支架的优化控制方式
返回列表 来源: 发布日期: 2020.10.13 浏览次数:

以往的太阳能电池板通常采用固定支架的方式,固定支架的太阳能电池板朝向固定,无法转动,固定支架太阳能电池板的优点是结构简单,易于维护,在大规模布置时可降低施工成本和后期维护成本。但固定支架太阳能电池板朝向固定的特点也决定了其能量转换效率低下的特点,为了进一步提升太阳能电池板对太阳能的利用效率,对太阳能电池板转轴支架的控制进行研究是非常有必要的。

2  太阳能电池板支架

太阳能电池板的支架分为固定支架和转轴支架两种,而转轴支架又可以进一步分为单轴支架和双轴支架两种。其中单轴支架可以使太阳能电池板随着太阳在地球上移动的方向水平移动,从而使太阳能电池板始终能受到太阳的照射[1-3]。但太阳在照射地面时还存在照射角度这一参数,通常来说,当太阳光的照射方向与太阳能电池板所在平面垂直时,能量转换效率最高。但单轴支架只能是太阳能电池板沿水平方向转动,无法保证太阳光始终垂直照射太阳能电池板平面,因此单轴支架对提升太阳能的利用率较为有限。

双轴支架太阳能电池板则具备水平和垂直转动的能力,在水平转轴支架上有连接和支撑太阳能电池板的垂直转轴,可以使太阳能电池板沿水平和垂直两个方向转动,这种转动方式可以保证太阳能电池板始终接受太阳光的照射且与太阳光垂直,提升了太阳能的利用率。

由于太阳能电池板的转轴支架更为脆弱,因此搭载有转轴支架的太阳能电池板往往还配套有风速检测仪,当风速较大时,检测仪就会使太阳能电池板的切面与风向垂直,减轻电池板受风力的作用,以保护电池板的支架。

搭载转轴支架的太阳能电池板虽然可以进一步提升太阳能的利用率,但其造价成本和维护成本相较于固定支架式电池板更高,且运行稳定性较差,因此在目前的技术水平下难以大规模铺设使用。目前大规模铺设使用的电池板中绝大多数都是固定式支架电池板,转轴支架的电池板使用率非常低。虽然固定支架式电池板对太阳能的利用率较低,但可以通过铺设多个角度的太阳能电池板,增大铺设面积的方式起到补偿作用,而且即便是采用这种方式,固定支架式电池板的施工和维护成本依然要低于转轴支架式的太阳能电池板。

3  控制方式

定时法。定时法是根据当地日照随时间的变化条件,为太阳能电池板的转轴支架加装定时器,并按照当地日照的变化时间设置对应的电池板的转动角度,使转轴支架在定时器的控制下按照固定的时间进行转动,以保证电池板的朝向与太阳光的照射方向垂直。定时器的时间要按照季节和气候进行调整,且这种方式不适用于日照不稳定、气候变化频繁的地区。

光敏电阻法。光敏电阻法是一种能够根据光照强度不同自动调整太阳能电池板转动角度的方法。通过将两只光敏电阻布置在太阳能电池板的两端,当太阳能电池板与太阳光的方向垂直时,两只光敏电阻受到的光照强度是一致的,这时太阳能电池板不进行转动操作。但当太阳光照射角度发生变化,使太阳能电池板与太阳光不再垂直时,两只光敏电阻所受到的光照强度不一致,这时便会通过控制电路使电池板偏转,偏转的方向为由受光照较强的光敏电阻朝着受光照较弱的光敏电阻转动,当两只光敏电阻的受光照强度相同时,太阳能电池板即可重新与太阳光垂直。

4  控制方案的优化

定时器控制优化方案。定时器控制的主要缺点在于需要频繁地调节定时器的设置,这是一项非常费时费力的活动。因此,对于定时器控制优化的思路就是使用计算机对电池板阵列的定时器进行同一控制,在布置定时器转轴支架时可以先搭建计算机控制系统,将所有的定时器与计算机相连,即可通过计算机对所用的定时器进行统一的调整与控制,这种控制方式不受定时器数量的影响,减轻了调整定时器的人力劳动。此外,计算机控制定时器还可以实现对根据当地的气象自动对定时器进行调节。计算机可以通过气象、日照采集装置或通过解析天气预报的信息推测出当地日照的变化情况,进而通过计算机程序计算出调整定时器的方案,即可通过计算机实现对定时器的实时控制,可以解决定时器控制法不适用于日照变化频繁地区的缺陷,从而扩大定时器控制法的应用范围。

光敏电阻控制优化方案。光敏电阻可以较为精确地实现对太阳能电池板的控制,但仍然存在较多的缺陷。首先是光敏电阻易受外部环境的影响,太阳能电池板阵列一般布置在室外环境,光敏电阻长时间暴露在这种室外环境下会不可避免的积累灰尘,影响光敏电阻的精度;室外环境中的不可控因素如动物活动、风沙等很可能会对光敏电阻造成破坏;此外,布置在太阳能电池板两端的两只光敏电阻只能检测与其所在平面平行的光照角度变化,无法检测与其所在平面垂直的光照角度变化,对垂直方向上的日照变化利用率不高。

在对光敏电阻控制方案进行优化时,首先是保证光敏电阻长期暴露在室外的状态下仍能够正常运行,首先可以在光敏电阻外层布置硬质玻璃护罩,从而起到对光敏电阻的保护作用,其次可以在光敏电阻外侧安装雨刷,可以起到像汽车雨刷相同的清洁效果,防止光敏电阻因长时间暴露在室外积尘影响灵敏度;或是将光敏电阻布置在太阳能电池板下部,利用太阳能电池板平面起到对光敏电阻的保护作用,通过反射镜实现对光路的传导,使光敏电阻能够正常的发挥作用。

在布置光敏电阻时,为提升其对光照方向变化的探测能力,可选择在太阳能电池板的四边中心处布置,从而实现对水平和垂直两个方向的日照变化的检测,提高光敏电阻控制太阳能电池板的精度,进一步提升对太阳能的利用率。

为了进一步节省使用光敏电阻控制的成本,可以在一小块区域中的一个太阳能电池板上布置光敏电阻,并根据日照的范围将该电池板周围的电池板设置为同步旋转。一般来说,日照的范围比单块太阳能电池板的面积要大得多,因此在一个小区域内的太阳能电池板可视为一个整体,将这些太阳能电池板设置为同步转动可在提升太阳能利用率的同时减少光敏电阻的布设数量,起到降低施工成本和维护成本的作用。

5  发展趋势

分布式控制。分布式控制是目前互联网技术中的一个研究热点,通过若干台计算机组成控制系统,这种控制系统不但便于维护和后续升级,其自身也有冗余性,可以在一定程度上防御对控制系统的破坏。而太阳能电池板阵列应用分布式控制,可以将不同地区或同一地区不同区域内的太阳能电池板阵列的控制系统组合在一起,形成一个庞大的控制平台,这种分布式控制可以增加控制系统的稳定性,提升对太阳能电池板阵列的控制效率。

智能化控制。智能化控制可以极大地强化计算机的控制水平,减轻人力劳动的负担。对于需要经常维护的太阳能电池板阵列,使用智能化控制技术,不但可以实现对电池板转轴的进一步精密控制,提升太阳能的利用效率。

6  结语

太阳能是重要的新型能源,而太阳能电池板是利用太阳能的中间媒介,因此本文对太阳能电池板的转轴支架的控制进行了研究。目前大多数的太阳能电池板采用的是固定支架,转动支架有水平单向支架和双向支架两种,常用的支架控制方式有定时器控制法和光敏电阻控制法两种,但这两种控制方式都存在缺陷,本文针对缺陷制定了优化方案。未来的太阳能电池板控制技术将在各种新型技术的加持下变得更加先进,对于太阳能的利用效率也将进一步提升。


Optimum Control Method of Rotary Shaft Support for Solar Panels 

PAN Jing, ZHANG Guanghua 

Abstract — Because the solar irradiation has the characteristics of changing with time, when laying solar panels, it can rotate with the direction of solar irradiation by rotating shaft bracket, which can improve the utilization rate of solar energy. Based on this, this paper studies the control of the rotating shaft bracket of solar panels. 

Index Terms —  new energy, solar energy, energy storage battery, spindle bracket. 


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