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1、光伏结构风载特性分析与最大功率跟踪优化研究1. 引言在碳中和的愿景下，未来的能源发展目标将以“新能源”和“智能能源”体系为主，具有智能化、清洁化和高效化的能源体系特点。为此，许多国家已将太阳能等可再生能源作为 2030 年以后能源供应安全的重点1。为此我国也在全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021-2035 年)(以下简称双重规划)中，将新能源作为七大战略性新兴产业之一，未来将重点发展核电、风电、太阳能和生物质能四大产业2。而太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国的太阳能资源非常丰富，每年接收到的太阳辐射能约为 50 1015 MJ。其中青藏高原地区的太阳辐射总
2、量最大，因而，发展太阳能对于我国西部地区的经济和社会发展具有重要的现实意义3 4。早在 1979 年美国就研制出一种单轴线的引力型太阳能追踪器。这种追踪装置结构简便，成本较低， 但是其追踪距离较短，追踪准确率较低。随后，捷克,美国等相关人员各自研发出太阳能追踪仪装置5 6， 受限于结构尺寸、精度等因素，效率提升有限。2015 年，Fevzi Kentli 等人7设计了一种新型的光敏电阻式太阳能双轴自动追逐装置，利用该装置在不同的光照条件下，通过对其进行调整，使其在阳光照射下的位置与其相匹配，使其光伏转化效率提升30%。随后，太阳能跟踪技术的发展也促进了各种形式的跟踪设备的产生，Fbio Moa
3、cir Hoffmann 使用LDR来确定太阳的方位，并调整引擎的两个轴心的追踪者，从而实现了每个月的太阳能收入的增长，分别达到了 20%和 31.1% 8。另外，日本，瑞士，法国等国家也在对太阳辐射进行观察时，使用了自动化的太阳追踪设备。我国对日面追踪的研究起步较晚，2008 年推出的压差型追踪系统，因其结构简单，操作简便，可根据日晒条件下的不同部位的电压变化，可实现对日晒的实时追踪，但因其无法全天追踪日晒，每日需人工调节一次，无法满足规模化生产的要求9。在同一年，南航和上交也研制出了以 PSD 为基础的高精密太阳能追踪仪，均以强度探测为基础的10 11。重庆大学于 2012 年成功研制出一
4、种由反射镜、支撑结构、轨迹驱动系统等构成的槽型太阳能集热器系统，可为公司的产品设计、优化及技术改造等方面应用12，也可为该公司的具体生产实践提供借鉴与指导，并对公司的生产实践中遇到的问题提供有效的技术支持。基于上述理论，近几年也有许多不同类型的跟踪装置问世。2019 年，封居强团队13根据四象限原理，提出了一套两轴线精密追踪系统，其光电转换效率较静止型太阳电池提升 32.4%，解决了传统追踪型太阳电池效率较静止型太阳电池效率较静止型太阳电池效率降低 32.4%的难题。朱永强等14于 2021 年根据其几何联系，导出了一种新的单轴线追踪模式，并将其与常规单轴线追踪模式进行了对比，并对其进行了数值
5、模拟和计算。横向单轴线追踪模式比横向单轴线追踪模式有 22.7%的改善，全年辐射总量比横向单轴线追踪模式有 97%99%的改善。王青峰15于 2022 年将视日行迹追踪与光电追踪相结合，以光线聚集装置为核心，采用单片机及其它微处理机，研制出一种集日行迹追踪与光电追踪于一体的集日行迹追踪装置。本文基于双轴视日的基础上，针对太阳能装备受恶劣天气破坏严重的问题，开展了设计研究，基于流固耦合分析构建兼顾发电功率和装置使用寿命的优化模型，为小型光伏装备的开发设计提供新的思路， 具有良好的市场前景与应用价值。2. 方案选择与理论分析由于，太阳能板的倾角会影响太阳的入射角，导致其接收到的太阳辐射量不同，如公
6、式(1)所示：sin (aS + b )Rb = S sin aS + D(1)其中， Rb 为倾斜光伏阵列面上太阳能总辐射量，S 为水平面上太阳直射辐射量，D 为散射辐射量，aS 为太阳高度角， b 为太阳能板倾角。发电量如公式(2)所示：G = Eq3600h 103(2)q其中，G 为单位面积太阳能电池板发电量(kWh/m2)， E 为月平均辐射量(MJ/m2)，h 为发电效率。因此，为了提高太阳能的发电效率，一些学者对太阳能自动跟踪系统做出了一系列的研究并提出相应的设计方案。2.1. 跟踪方案选择目前，太阳能自动跟踪系统按照控制系统跟踪方式的不同可以分为：视日轨迹跟踪系统、光电跟踪系统
7、和基于数字图像处理的跟踪系统16。本文采用视日跟踪和光电跟踪的混合跟踪方法，在一级采用视日跟踪方法的同时为避免视日运动轨迹跟踪的误差累计问题，采用二级光电池传感器进行跟踪进行校正。提高了太阳能的追踪精度的同时又避免了死区和天气对追踪造成的影响。2.2. 视日最大功率追踪由于太阳直射点在南北回归线之间运动，为更好的视日追踪，增大入射角提高接受辐射量，故假设以观察者为球心，半径为无限长的球体为天球，通过高度角aS 与方位角g S 来实现太阳位置的确定17 18 19 20。由于赤纬角d 是确定太阳高度角aS 与方位角g S 重要参数，且多位学者中 Spencer 算法误差小、精度高、过程相对简单2
8、0，因此本文选用 Spencer 算法作为计算太阳赤纬角的近似算法如公式(3)所示：d = 180 C sinq + C sin (2q ) + C sin (3q ) - C cosq - C cos(2q ) - C cos(3q ) - C (3)p 1234567 其中， C1 = 0.070257 ， C2 = 0.000907 ， C3 = 0.00148 ， C4 = 0.399912 ， C5 = 0.006758 ， C6 = 0.002697 ，C7 = 0.006981， q 为日角如公式(4)所示：其中，n 为积日。q = 2p(n -1)365(4)太阳高度角aS 指
9、太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，它与太阳赤纬角d 、时角w 的关系式如公式(5)所示21：sin aS = sinJ sin d + cosJ cosd cosw其中， aS 为太阳高度角， w 为太阳时角， J 为当地纬度， d 为太阳赤纬角。太阳方位角g S 是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角关系式如公式(6)所示22：(5)sin g S= cosd sin wcosa(6)S其中， aS 、w 、d 、的含义与公式(5)中相同， g S 为太阳方位角。太阳时角计算如公式(7)所示：w = 15(ST -12)p180(7)其中， w 的含义与公式(5)中相同，ST 为真
10、太阳时与该地时间、经度、时差相关23 24。2.3. 风产生的应力同时太阳能板还受到其他外界因素影响如温度、太阳能板板面的灰尘、风力等，而本文主要研究风力对太阳能板与太阳能板支撑结构造成的干扰，根据空气阻力的计算如公式(8)所示：F = 1 C2 DrV 2S(8)1其中，CD 为空气阻力系数， r 为空气密度(取 1.29 kg/m3)，V 为物体与空气的相对运动速度，S1 物体迎风面积。迎风面积 S1 如公式(9)所示：S = S sin a cos(g- b ) p(9)12SS1180其中，S2 是太阳能板实际大小， aS 与公式(5)中相同， g S 与公式(6)中相同， b1 是风
11、向角。取雷诺数 R = 6.4 104 ，由于0 R 2 105 故空气阻力系数 CD 如公式(10)所示：ee61+ ReDC = 24 + 0.4Re(10)因此，风产生的应力的大小受视日追踪时的角度变化而影响，当视日追踪遇到恶劣天气会对机构造成严重破坏，导致机构疲劳失效。3. 控制方案与程序机械部分采用双轴跟踪方法，为实现对太阳光的高度角和入射角的调节，如图1 所示。Figure 1. Horizontal rotating mechanical mechanism图 1. 水平转动机械机构水平转动机械机构通过一对齿轮啮合的方式传动，使太阳能板能在水平方向 360的旋转。同时为实现高效传
12、动时避免和减小因加工和装配带来的同轴度误差，电机通过弹性联轴器与转轴连接，而且转轴的轴向采用推力球轴承固定和辅助转动，以达到减小整体机构的摩擦的目的。如图 2 所示，垂直转动机械结构通过电机伸缩杆推拉一组四杆机构传动，使太阳能板能在垂直方向 90的旋转，同样为较少摩擦转轴部分采用与水平结构相似的方法利用轴承固定和辅助转动。同时电机的转动通过程序控制，防止转角超限损坏机械结构。控制部分系统原理如图2 所示，利用 PLC 控制，在太阳能板两侧同一水平线上放置两个光敏传感器， 以减小视日轨迹跟踪时计算的误差，可根据各地情况手动设定传感器二者差值的阈值，当在阈值范围内时，程序根据视日轨迹自动跟踪。当超
13、出阈值时，程序通过传感器修正太阳能板姿态使之回到阈值范围内，之后继续根据视日轨迹跟踪。Figure 2. Track control system program flow chart图 2. 跟踪控制系统程序流程图PLC 控制电机以调整太阳能板各角度，在保持高效追光发电的同时以减小风对系统的损坏。当风速超出阈值时，PLC 再次控制电机调整太阳能板各角度，兼顾视日轨迹跟踪和自保护机构，待风速重回阈值内再开始视日轨迹跟踪。同时在PLC 中添加一些辅助传感器用于采集追踪系统的状态信息如：安装位置(经纬度)、当前时间(月、日、时、分、秒)、温度等。4. 流场建模、仿真分析与优化太阳能电池板工作过程中
14、受到风载作用，计算流体域进行建模时，计算域的尺寸选择为：2 m 1 m 1 m；边界条件设置为：根据风速风向统计结果取平均风速 10 m/s 对应风速风级表约为 5 级，根据与计算域入口实验廓线相似的开阔地形的大气湍流模型，设置湍流强度 20%，底部应用防滑粗糙墙，面板表面、支撑结构以及域的侧面和顶部应用防滑光滑墙，出口区域应用零压力梯度25；为更有效的调查风效应对地面安装的太阳能电池板倾斜角度的影响，选取面板倾斜角度为 30、45和 60三种方案进行仿真分析。4.1. 压力场分析如图3，当倾角为 30放置时板前板面最大压力为 153 Pa，倾角为 45放置时板前板面最大压力 283.6 Pa。倾角为 60放置时板前板面的压力最大为 455 Pa，较倾角为 30放置时压力增长约 297%，较倾角为45放置时压力增长约 160%，因此不难看出当风向风速相同时倾角越大板前板面的压力也越大，底座的冲击越强。从压力数值上看三种放置方法均在流场中产生了负压力系数，这是由于风流撞击太阳能电池板前缘而后分离，由于支撑柱的存在，风在电池板背风侧形成两个漩涡，向上分离的气流到达后缘后，在太阳能板下表面形成一个逆时针旋转的大回流区。因此导致面板迎风面出现正压力系数，背风面出现负压系数，尤其是在倾角为 30和
