基于菲涅爾透鏡聚熱器的太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬廣田

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，廈門 361000）

基于菲涅爾透鏡聚熱器的太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬廣田

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，廈門 361000）

太陽光線經(jīng)過聚焦菲涅爾透鏡折射匯聚到焦點(diǎn)處，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右岳?，為確保焦點(diǎn)溫度恒定且位置相對(duì)固定，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種南北方向傾斜布置，東西方向自動(dòng)追蹤的太陽追蹤系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)包括：支架安裝位置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、追蹤傳感單元設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)和控制策略設(shè)計(jì)，該太陽追蹤系統(tǒng)可保證平面點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡能較好地進(jìn)行太陽追蹤。

菲涅爾透鏡聚熱器太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

太陽能是一種用之不竭且具有良好經(jīng)濟(jì)性的清潔能源，具有廣闊的市場(chǎng)前景［1-2］?；诜颇鶢柾哥R對(duì)太陽光線的折射聚焦作用，將分散的太陽能集中到焦點(diǎn)處，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右岳玫姆绞绞亲顬橹苯忧页杀咀畹吞柲軕?yīng)用技術(shù)。這主要是因?yàn)?，菲涅爾透鏡是一種使用PMMA材料加工的只保留光學(xué)表面而去除內(nèi)部材料的透鏡，具有重量輕、聚光性能好且性價(jià)比較高的特點(diǎn)。由于太陽光線射向地球表面時(shí)始終存在著高度角和方向角，且角度時(shí)刻變化，為保證陽光始終垂直鏡面入射，達(dá)到最佳聚光效率，本文闡述了一種用于平面點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡的太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案同時(shí)保證焦點(diǎn)位置相對(duì)穩(wěn)定，便于熱能的利用。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括支架結(jié)構(gòu)及安裝位置設(shè)計(jì)、追蹤傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1支架結(jié)構(gòu)及安裝位置設(shè)計(jì)

太陽光線射向地球表面時(shí)始終存在著高度角和方向角，且角度時(shí)刻變化。因此，所設(shè)計(jì)的太陽追蹤系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是將追蹤分為：南北方向平面內(nèi)的高度角追蹤和東西方向平面內(nèi)的方位角追蹤。

廈門處于低緯度地區(qū)，太陽高度角變化較小，且平面點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡采用折射聚光方式，不宜采用較為復(fù)雜的追蹤裝置，所以整套模型擬采用南北傾斜布置（手動(dòng)調(diào)節(jié)追蹤太陽高度角），東西追蹤（自動(dòng)調(diào)節(jié)追蹤太陽方位角）的方式進(jìn)行太陽追蹤，保證透鏡中心的軌跡在三維空間內(nèi)近似一個(gè)以焦點(diǎn)位置為球心，焦距為半徑的球面，確保太陽光線始終近似垂直射入菲涅爾透鏡，且焦點(diǎn)始終相對(duì)穩(wěn)定。

南北方向進(jìn)行傾斜布置時(shí)，考慮到太陽的高度角，整套裝置應(yīng)安裝于一傾斜平臺(tái)上，且平臺(tái)傾斜程度可人工調(diào)節(jié)。斜臺(tái)由底面、斜面和導(dǎo)塊組成。底面與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基座平行，高度等于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型受熱部件加熱點(diǎn)到安裝基座的距離；斜面與底面經(jīng)一旋轉(zhuǎn)軸相連，旋轉(zhuǎn)軸位于過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型受熱部件加熱點(diǎn)且與受熱部件中軸線相平行的直線上；導(dǎo)塊位于斜面與底面之間，除用于承重之外，通過改變導(dǎo)塊的位置，即可改變斜臺(tái)的傾斜程度，南北方向上，斜臺(tái)原理如圖1所示。

圖1南北方向平面內(nèi)斜臺(tái)原理圖

為實(shí)現(xiàn)東西追蹤，選取一臺(tái)雙向直流電動(dòng)機(jī)用以驅(qū)動(dòng)支撐平面型點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡聚熱器的支架實(shí)現(xiàn)繞支撐軸的順、逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)且轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡呈圓周狀；使用控制單元通過控制電路對(duì)雙向直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)方向及啟停的控制；控制單元外接太陽追蹤傳感單元；同時(shí)在支架上分別預(yù)留出追蹤傳感單元的安裝位置。

支架的作用在于支撐平面型點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡聚熱器，并可以繞支撐軸進(jìn)行順、逆時(shí)針的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。為保證聚熱器透鏡焦點(diǎn)始終位于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型受熱部件加熱點(diǎn)附近，在設(shè)計(jì)時(shí)，支架安裝與斜臺(tái)斜面之上，且支架主臂與斜臺(tái)的斜面相垂直。支架主臂與側(cè)臂呈90°夾角，主臂與側(cè)壁間使用梁連接，在主臂與側(cè)臂所構(gòu)成平面上形成三角形，從而起到加固的目的。主臂上部留有空間用于安裝追蹤傳感單元，并在銜接處使用梁進(jìn)行加固。支架主臂能夠以支撐軸上的一點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)中心）為圓心，以透鏡焦距f為半徑做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，其示意圖如圖2所示。旋轉(zhuǎn)中心與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型受熱裝置加熱點(diǎn)位于同一水平平面內(nèi)，且兩點(diǎn)之間距離等于透鏡鏡面中心距支架主臂的距離。支架正視簡(jiǎn)圖如圖3所示，側(cè)視簡(jiǎn)圖如圖4所示。

1.2追蹤傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用光敏二極管作為光線傳感器原件，追蹤傳感單元安裝于支架主臂上方預(yù)留位置處，且安裝后追蹤傳感的軸線與主臂平行。追蹤傳感單元主體由三個(gè)光敏二極管組成。三個(gè)光敏二極管豎直排成一列安裝在底板上，由左至右分別標(biāo)號(hào)為1、0、2，相鄰的兩個(gè)光敏二極管之間要留有適當(dāng)?shù)木嚯x，光敏二極管安裝位置如圖5所示。

圖2東西方向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖3支架正視圖

圖4支架側(cè)視圖

圖5光敏二極管安裝位置圖

將一個(gè)頂端開有一圓形小口的遮光箱安裝在底板之上，光敏二極管都位于遮光箱內(nèi)。遮光箱長(zhǎng)度與寬度與底板長(zhǎng)寬相等等于L，寬度等于D（D為光敏二極管直徑）。遮光箱頂部的圓形開口位于中間標(biāo)號(hào)0的光敏電阻正上方，直徑為D。追蹤傳感單元三視圖如圖6所示。

追蹤傳感單元原理如圖7所示，當(dāng)太陽光線垂直射入追蹤傳感單元時(shí)，光線會(huì)透過遮光箱上的圓形開口落在標(biāo)號(hào)0處的光敏二極管上，此時(shí)標(biāo)號(hào)0處的光敏二極管阻值最小，0號(hào)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，可認(rèn)為此時(shí)0號(hào)光敏二極管為受照射二極管。當(dāng)太陽光線的入射角度發(fā)生偏移時(shí)，視光線具體的偏移方向，光線會(huì)射到標(biāo)號(hào)1或2處的光敏二極管上。為了避免出現(xiàn)太陽光線同時(shí)照射到兩個(gè)光敏二極管的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導(dǎo)致太陽追蹤裝置判斷失靈，相鄰的兩光敏二極管之間應(yīng)保留適當(dāng)?shù)木嚯x；同時(shí)為了提高追蹤精度，也應(yīng)盡可能地加長(zhǎng)遮光箱的高度至合理區(qū)間內(nèi)。其原理是：設(shè)光線在1號(hào)光敏二極管的照射點(diǎn)距0號(hào)光敏二極管中心點(diǎn)距離為l，圓形開口中心到0號(hào)光敏二極管中心的距離為H，入射光線與法線夾角為β，由三角函數(shù)正弦定理可知tanβ=l/H，當(dāng)距離l一定時(shí)，H越大，β角就越小，追蹤精度就會(huì)越高。但并不是遮光箱高度H越大越好，當(dāng)高度H過大時(shí)，太陽光線可能會(huì)照射至遮光箱內(nèi)壁上，從而導(dǎo)致追蹤裝置失靈。綜上，為提高追蹤裝置的追蹤精度，光敏二極管應(yīng)合理布置，相鄰的兩二極管之間應(yīng)相距適當(dāng)距離；正確地選擇遮光箱箱體高度。

圖6追蹤傳感單元三視圖

圖7追蹤傳感單元原理圖

2　控制電路設(shè)計(jì)

電路中所應(yīng)用的主要元件包括光敏二極管、三極管、電磁繼電器、AT89C51單片機(jī)和LM324芯片。AT89C51單片機(jī)端口分配情況如表1所示。

表1單片機(jī)端口分配表

LM324芯片是由四個(gè)相同的運(yùn)算放大器集合而成，其中，引腳1、2、3的運(yùn)算放大器標(biāo)記為AL1，引腳5、6、7的運(yùn)算放大器標(biāo)記為AL2，引腳8、9、10運(yùn)算放大器的標(biāo)記為AL3，引腳12、13、14運(yùn)算放大器的標(biāo)記為AL4。

2.1光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

（1）判斷晝夜電路設(shè)計(jì)。在判斷晝夜電路中，選用一個(gè)2CU1E型號(hào)的光敏二極管作為檢測(cè)原件，運(yùn)用LM324芯片中的 AL3運(yùn)算放大器做比較電路，AL3輸出端接到單片機(jī)中斷0引腳，如圖8所示。

圖8判斷黑天白天電路圖

所示的各個(gè)電阻阻值，滿足區(qū)分白天和黑夜的光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。白天當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，AL3輸出高電位至中斷0引腳，單片機(jī)檢測(cè)到中斷0引腳處于高電位狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入晴天陰天判斷狀態(tài)；入夜時(shí)，當(dāng)光照強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，AL3輸出低電位至中斷0引腳，向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，單片機(jī)從而進(jìn)入等待狀態(tài)。

（2）判斷晴天陰天電路設(shè)計(jì)。判斷晴天陰天電路與判斷晝夜電路的原理相同，區(qū)別在于單片機(jī)接口、電路中各個(gè)電阻阻值大小以及光敏二極管型號(hào)。在判斷晴天陰天電路中：選用2CU101D型號(hào)的光敏二極管，運(yùn)用LM324芯片中的 AL4運(yùn)算放大器做比較電路，AL4運(yùn)算放大器的輸出端與單片機(jī)P0.4引腳相連接，電阻阻值同樣由實(shí)驗(yàn)確定，滿足區(qū)分晴天陰天的光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

（3）太陽追蹤電路設(shè)計(jì)。太陽追蹤電路圖如圖9所示，標(biāo)號(hào)0、1、2的光敏二極管分別用D0、D1和D2表示。太陽追蹤傳感單元中三個(gè)光敏二極管的負(fù)端接到電源正極，正端分別串聯(lián)一電阻后，連接至電源負(fù)極。LM324芯片中的AL1運(yùn)算放大器用于D0與D1光敏二極管的比較，AL2運(yùn)算放大器用于D0與D2光敏二極管的比較。D0光敏二極管正端分別與 AL1和AL2的同相輸入端相連接，D1光敏二極管正端接至AL1的反相輸入端，D2光敏二極管正端接至AL2的反相輸入端。AL1、AL2的輸出端分別與單片機(jī)P2.0、P2.1引腳相連。

當(dāng)太陽光線照射至D0光敏二極管處，D1和D2光敏二極管被遮擋時(shí)，D0處于導(dǎo)通狀態(tài)，D1和D2處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，AL1和AL2同相輸入端電位高于反相輸入端電位，由運(yùn)算放大器工作原理可知，AL1、AL2分別輸出高電位至引腳P2.0、P2.1處。

為保證追蹤系統(tǒng)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，分別調(diào)節(jié)電阻R0、R1、R2至一合理數(shù)值，確保當(dāng)D0處于遮擋狀態(tài)時(shí)，D1和D2中同樣處于遮擋狀態(tài)的光敏二極管所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算放大器輸出高電位，而受到太陽光線照射的光敏二極管所的應(yīng)的運(yùn)算放大器輸出低電位。具體分析過程如下：

當(dāng)D1受到陽光照射，D0和D2被遮擋時(shí)，D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，D0和D2處于截止?fàn)顟B(tài)。AL1運(yùn)算放大器的同相輸入端電位低于其反相輸入端電位，由運(yùn)算放大器工作原理可知，AL1運(yùn)算放大器將輸出低電位至單片機(jī)P2.0引腳處，對(duì)應(yīng)D2的引腳P2.1繼續(xù)維持高電位。同理，當(dāng)D2受到陽光照射，D0和D2被遮擋時(shí)，單片機(jī)P2.0引腳處于高電位，P2.1引腳處于低電位。單片機(jī)通過檢測(cè)引腳P2.0和P2.1電位的高低，進(jìn)而控制電機(jī)的啟停及轉(zhuǎn)向。

2.2控制電路設(shè)計(jì)

按控制目的劃分，可將控制電路分為電機(jī)控制電路和陰天指示燈控制電路。其中，電機(jī)控制電路可細(xì)分成電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路和電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路。因此，整個(gè)控制電路包含有三個(gè)子電路。雖然控制目的不同，但三個(gè)子電路的組成和結(jié)構(gòu)卻完全相同。

一個(gè)子控制電路如圖10所示，三極管發(fā)射極E與5伏特電源正極相連，集電極C與電源負(fù)極相連，基極B串聯(lián)電阻R2與單片機(jī)引腳相連，為保證當(dāng)單片機(jī)引腳輸出高電位時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，引入一適當(dāng)阻值的電阻R1作為拉電阻，為保護(hù)繼電器K的線圈不受到反向電壓的沖擊，應(yīng)引入二極管，反向接在線圈兩端。當(dāng)三極管基極連接在單片機(jī)引腳P1.4時(shí)，表示電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)控制子電路；當(dāng)三極管基極連接在單片機(jī)引腳P1.5時(shí)，表示電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)控制子電路；當(dāng)三極管基極連接在單片機(jī)引腳P1.6時(shí)，表示陰天指示燈控制子電路。

圖9太陽追蹤電路設(shè)計(jì)

圖10控制電路圖

以電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電路為例，連接單片機(jī)引腳P1.4時(shí)，表示控制電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電路?？刂扑悸啡缦拢禾栕粉欕娐分械墓饷舳O管D1受到照射，D0和D2被遮擋時(shí)，D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，D0和D2處于截止?fàn)顟B(tài)。通過編寫的相關(guān)程序，單片機(jī)在檢測(cè)到P2.0引腳為低電位，P2.1引腳位于低電位時(shí)，將引腳P1.4清零，三極管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，電磁繼電器通電，常開觸電閉合，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

3　控制策略設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的控制策略是：系統(tǒng)開機(jī)，單片機(jī)通電后自動(dòng)復(fù)位，進(jìn)入初始狀態(tài)。首先進(jìn)行晝夜的判斷，如果黑天，運(yùn)行中斷程序，單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；如果白天，則開始進(jìn)行晴天陰天的判斷。陰天時(shí)，陰天指示燈亮起，單片機(jī)重新運(yùn)行判斷晴天陰天程序；晴天時(shí)，單片機(jī)開始運(yùn)行太陽追蹤程序。流程如圖11所示。

圖11系統(tǒng)控制策略流程圖

白天黑天的判斷是通過檢測(cè)引腳 INT0的電位來完成。INT0引腳高電位代表白天，單片機(jī)開始運(yùn)行判斷晴天陰天程序；INT0引腳低電位代表夜晚，單片機(jī)運(yùn)行中斷程序，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直到白天。陰天晴天的判斷是通過檢測(cè)引腳P0.4的電位來完成。P0.4引腳高電位代表晴天，單片機(jī)開始運(yùn)行太陽追蹤程序；P0.4引腳低電位表示陰天，陰天指示燈亮起。太陽追蹤程序的運(yùn)行是通過檢測(cè)引腳P2.0和P2.1的電位來完成的。當(dāng)P2.0、P2.1都處于高電位時(shí)，表明太陽照射中央光敏二極管D0，電機(jī)不需要轉(zhuǎn)動(dòng)，且支架維持當(dāng)前位置10min（查閱文獻(xiàn)得知：存在相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，某一時(shí)刻的太陽光線入射角度在15min內(nèi)的偏差可忽略不計(jì)［3］。因此，為保證追蹤精度，延時(shí)時(shí)間設(shè)定為10min）；當(dāng)P2.0處于低電位，P2.1處于高電位時(shí)，表明太陽照射光敏二極管D1，單片機(jī)將引腳P1.4清零，電機(jī)將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)P2.0處于高電位，P2.1處于低電位時(shí)，表明太陽照射光敏二極管D2，同理可知電機(jī)將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。太陽追蹤程序流程如圖12所示。程序代碼使用C51語言編寫。

圖12太陽追蹤程序流程圖

4結(jié)束語

上述所設(shè)計(jì)的太陽追蹤系統(tǒng)可顯著提升菲涅爾透鏡聚光器的聚光性能，在偏遠(yuǎn)海島以及遠(yuǎn)洋海工平臺(tái)上有著廣闊的市場(chǎng)空間。

［1］戴聞.太陽能利用前景光明［J］.物理學(xué)報(bào)，2003，（08）.

［2］M.M.Ardehali，M.Shahrestani，Charles.C.Adams.Energy simulation of solar assisted absorption system and examination of clearness index effectsonauxiliaryheating［J］.EnergyConversionand Management，2007，48.

［3］趙麗偉.太陽自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的研究［E］.吉林：吉林大學(xué)，2006.

Design of Solar Tracking System Based on Finel Lens

MA Guangtian
（Marine Engineering College，Jimei University，Xiamen 361000）

The sun's rays through the Fresnel lens refraction are gathered to the focal point，transforming the solar energy for heat energy to be used.To ensure that the focus of constant temperature andrelativelyfixedposition，wedesigneda north-southdirection oblique arrangement，east-west direction automatic tracking sun tracking system and design mainly include：mounting position and structure design，tracking sensing unit design，control circuit design and control strategy design and the sun tracking system can ensure the better for solar tracking of planar point focus Fresnel lens.

Finel lens heat collector；solar tracking system；design