太陽(yáng)視日跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

□ 韓麗艷 □ 宮 德 □ 劉占民 □ 何海洋

北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 北京 102617

開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能是解決人類(lèi)能源危機(jī)和減少環(huán)境污染的有效手段之一，國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)此均投入了大量的人力、物力進(jìn)行深入廣泛的研究［1］。而研制具有實(shí)用價(jià)值的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)低成本利用太陽(yáng)能的目的，則是促進(jìn)太陽(yáng)能廣泛應(yīng)用的主要途徑之一。本文提供一種控制電路簡(jiǎn)單，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的低成本、實(shí)用的新型太陽(yáng)跟蹤裝置。

1 工作原理

從地球上觀測(cè)者的角度看，整個(gè)天球像是在圍繞我們旋轉(zhuǎn)，其實(shí)這是地球以外的天空包括日月星辰，概無(wú)例外的以與地球運(yùn)動(dòng)相反的方向、但卻以相同的周期（1日）運(yùn)動(dòng)著，其運(yùn)動(dòng)的軌跡就是周日圈，天體的周日圈就是它所在的那條赤緯圈［2］。如圖1所示，天體愈近天極，其赤緯圈愈小；離天極愈遠(yuǎn)，赤緯圈愈大。

地球公轉(zhuǎn)的周期是一年，也就是太陽(yáng)沿黃道連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)春分點(diǎn)所需的時(shí)間，其長(zhǎng)度為365.2422日，如圖2所示。

相對(duì)于太陽(yáng)而言，地球的大小可以忽略，因此地球只是中心點(diǎn)的一個(gè)點(diǎn)，半徑大小忽略。但是觀察者直立時(shí)的方向是和其所在的地理位置密切相關(guān)的，比如在赤道上，觀察者直立方向垂直于NS（南北極）；而在南北極，觀察者的直立方向就是NS線的方向。太陽(yáng)相對(duì)地球的經(jīng)緯度運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于從冬至到夏至，再?gòu)南闹练祷氐蕉恋牡人龠\(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

▲圖1不同緯度地區(qū)的周日運(yùn)動(dòng)圖

▲圖2 地球公轉(zhuǎn)周年回歸運(yùn)動(dòng)

▲圖3太陽(yáng)位置變化圖

2 視日系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 赤緯方向設(shè)計(jì)

視日太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械部分是以凸輪為核心的減速機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。由赤緯齒輪及帶輪的減速機(jī)構(gòu)（（圖中未顯示），帶動(dòng)赤緯凸輪運(yùn)動(dòng)，凸輪推動(dòng)桿件作從冬至到夏至，再?gòu)南闹练祷氐蕉恋牡人龠\(yùn)動(dòng)，其推程為h，同時(shí)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)作圓周運(yùn)動(dòng)。凸輪采用直動(dòng)尖端推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，推程、回程角均為180°等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2 時(shí)角方向設(shè)計(jì)

在凸輪擺桿齒輪機(jī)構(gòu)中，時(shí)角方向是由中齒輪帶動(dòng)扇形齒輪作180°的擺動(dòng)，扇形齒輪同時(shí)通過(guò)擺動(dòng)尖端推桿與凸輪保持聯(lián)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示，推程、回程角均為180°等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

▲圖4赤緯方向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

▲圖5 時(shí)角方向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

表1 齒輪傳動(dòng)參數(shù)

▲圖6 凸輪生成圖

▲圖7 PLC控制程序流程圖

為了實(shí)現(xiàn)時(shí)角方向的實(shí)時(shí)跟蹤和赤緯方向每日跟蹤之間的耦合，按照每年 365.25 天來(lái)計(jì)算［3］，視日太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中赤緯齒輪和凸輪擺桿齒輪的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

時(shí)角凸輪和赤緯凸輪利用三維設(shè)計(jì)軟件UG編程而成，通過(guò)函數(shù)運(yùn)行仿真生成凸輪輪廓曲線，再通過(guò)實(shí)體拉伸等操作設(shè)計(jì)出相應(yīng)的凸輪零件，如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制算法，運(yùn)用PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)在各種運(yùn)行模式下加減速、正反轉(zhuǎn)及精確定位的控制仿真，利用PTO（Pulse Train Output）功能，按照給定的脈沖個(gè)數(shù)和周期輸出一串方波。控制流程圖如圖7所示。

子程序1是太陽(yáng)跟蹤器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的程序，子程序1一旦觸發(fā)，PLC將進(jìn)行24 h的工作，前18 h以2.29 Hz的頻率發(fā)脈沖，后6 h以6.87 Hz的頻率發(fā)脈沖。子程序2是太陽(yáng)跟蹤器中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的程序，設(shè)置的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是1 s，當(dāng)子程序2被觸發(fā)，PLC將工作1 s，即面板“中速”按鈕按下時(shí)PLC工作1 s，當(dāng)按鈕一直按下時(shí)，PLC則一直工作，直到按鈕彈起，脈沖初始循環(huán)時(shí)間是40 ms，頻率為25 Hz，脈沖個(gè)數(shù)為25。子程序3是太陽(yáng)跟蹤器快速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的程序，設(shè)置的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是1 s，當(dāng)子程序3被觸發(fā)，PLC將工作1 s，即面板“快速”按鈕按下時(shí)PLC工作1 s，當(dāng)按鈕一直按下時(shí)，PLC則一直工作，直到按鈕彈起，脈沖初始循環(huán)時(shí)間是10 ms，頻率為100 Hz，脈沖個(gè)數(shù)為100。搭建完成的具體電路如圖8所示。

▲圖8 控制箱

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用凸輪實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)視日軌跡跟蹤，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)、兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，不僅簡(jiǎn)化了控制電路結(jié)構(gòu)，而且降低了裝置的制作成本。對(duì)于非聚焦的太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的方向跟蹤而言,性價(jià)比高是設(shè)計(jì)制造跟蹤系統(tǒng)應(yīng)該追求的目標(biāo)。研究表明該系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的跟蹤，可進(jìn)一步為太陽(yáng)能的利用提供有力支持。

［1］ 李敏.一種新型的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置 ［J］.電子器件2008,31（5）.

［2］ 王炳忠.現(xiàn)代氣象輻射測(cè)量技術(shù)［M］.北京：氣象出版社，2008.

［3］ 梁 勇.太陽(yáng)能高度角自動(dòng)跟蹤精度的模型仿真［J］光電子技術(shù)，2008，28（3）：170-173.

［4］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［5］ 倪森壽.機(jī)械基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［6］ 呂文華.全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的研制和應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程 2008,16（12）.