太陽跟蹤裝置

馮小強(qiáng)，宋偉峰，宋婉貞，趙永進(jìn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對(duì)能源消耗急速增大，能源危機(jī)已經(jīng)成為各個(gè)國家不可忽視的問題，為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，世界各國積極發(fā)展新型能源，太陽能、風(fēng)能、核能等紛紛應(yīng)運(yùn)而生。

太陽能是目前已知的最為原始的能源，她無污染、可持續(xù)利用、分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但是太陽能利用率較低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關(guān)心的話題。太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新途徑，能夠大大提高太陽能的利用效率。

跟蹤太陽的方法可以概括為兩種方式，光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器根據(jù)入射光線的強(qiáng)弱變化產(chǎn)生反饋信號(hào)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序調(diào)整采光板的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤。電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，采光效率高；但是成本較高，不易廣泛推廣，同時(shí)受天氣影響較大。視日動(dòng)軌跡跟蹤的缺點(diǎn)是精度低，采光效率低，但是它的優(yōu)點(diǎn)也比較明顯，不受天氣影響，最主要是成本低，可以大范圍推廣。這個(gè)設(shè)計(jì)是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法，采用雙軸跟蹤、雙軸聯(lián)動(dòng)，利用單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙軸，通過對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的全天侯跟蹤。

1 系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)

本文介紹的是一種用單片機(jī)加步進(jìn)電機(jī)控制的雙軸跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由總體支架、太陽能電池板、俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)5部分組成，見圖1所示。

圖1 跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

這套跟蹤系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)最主要的是水平方位和俯仰方位的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩套機(jī)構(gòu)都是按照太陽運(yùn)動(dòng)軌跡來分別進(jìn)行自己的運(yùn)動(dòng)，下面我們主要針對(duì)這兩個(gè)部位進(jìn)行分析。

1.1 水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

首先我們將太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡分成兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)豎直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)。水平方位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是用來控制水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，俯仰機(jī)構(gòu)用來控制豎直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)。太陽水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以看成太陽以跟蹤機(jī)構(gòu)為軸心，圍繞它進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)，只是這個(gè)運(yùn)動(dòng)并非一個(gè)整圓，而是圓上的部分圓弧，旋轉(zhuǎn)夾角為θ角，見圖2所示。

圖2 水平旋轉(zhuǎn)示意圖

θ角會(huì)由于季節(jié)的變化而變化，假設(shè)每天日出到日落的時(shí)間是t h，那么每小時(shí)的角度變化就是θ/t，我們的設(shè)計(jì)理論是用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，每隔10 min轉(zhuǎn)動(dòng)一次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是θ/6t，這樣就可以保證水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與太陽的運(yùn)動(dòng)基本同步進(jìn)行，能夠大大提高太陽光的利用率。如果我們想更進(jìn)一步地提高太陽光的利用率，我們還可以將轉(zhuǎn)動(dòng)更加細(xì)化，即每隔5 min，甚至3 min轉(zhuǎn)動(dòng)1次，這樣就與太陽光的運(yùn)動(dòng)更加匹配。由于季節(jié)的變化，θ角和時(shí)間t都是變化的，這樣計(jì)算就比較復(fù)雜，需要及時(shí)調(diào)整，所以我們將水平方位運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加以簡化。太陽繞旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一周需要的時(shí)間t是一整天的時(shí)間，也就是24 h，夾角θ是360°，這樣每小時(shí)旋轉(zhuǎn)的角度是360°/24=15°，每10 min旋轉(zhuǎn)的角度是2.5°，由此我們也可以得出水平方位的步進(jìn)電機(jī)每隔10 min旋轉(zhuǎn)2.5°。

1.2 俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

俯仰機(jī)構(gòu)可以簡化成同一平面內(nèi)太陽以跟蹤機(jī)構(gòu)為圓心的升降運(yùn)動(dòng)，早晨的時(shí)候太陽從地平線升起，中午的時(shí)候到達(dá)最高點(diǎn)，這個(gè)過程中變化的夾角是ψ，到達(dá)最高點(diǎn)后太陽又開始下降，直到回到地平線，這個(gè)下降的過程又變化了夾角ψ。見圖3所示。

圖3 俯仰運(yùn)動(dòng)示意圖

假設(shè)太陽從升起到落下之后的時(shí)間為t，那么每小時(shí)角度變化為2 ψ/t，同理可以得出每隔10 min的角度變化為2 ψ/6t，那么通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)每隔10 min也相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)2 ψ/6t，這樣就可以使太陽能電池版與陽光大體保證垂直狀態(tài)，能夠充分提高太陽光的利用率。如果想更進(jìn)一步地提高太陽光的利用率，還可以將轉(zhuǎn)動(dòng)更加細(xì)化，每隔5 min，甚至3 min轉(zhuǎn)動(dòng)1次，這樣就與太陽光的運(yùn)動(dòng)更加匹配。

不過由于受地理位置和季節(jié)的影響，俯仰運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角ψ變化更加明顯，因此不同地區(qū)要按照當(dāng)?shù)鼐唧w的情況對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角加以設(shè)定，同一地區(qū)的不同季節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角ψ的設(shè)定也是大不相同，這些因素是我們進(jìn)行太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。

2 結(jié)語

介紹的太陽跟蹤系統(tǒng)可以有效地提高太陽能利用率，適用于各種需要跟蹤太陽的裝置，尤其是太陽能電池板。本文設(shè)計(jì)的太陽跟蹤裝置是基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡，利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如果能夠使成本大幅度降低，可以廣泛應(yīng)用，為保護(hù)環(huán)境和提高能源利用率做出較大的貢獻(xiàn)。

[1]河北向日葵聚光機(jī)有限公司.向日葵牌太陽光導(dǎo)入器[EBOL].http://www.himawari.com.cn/news/2009.

[2]王斯成.中國光伏發(fā)電現(xiàn)狀及前景展望[J].中國科技成果 2002，15（4）：47—48.