太陽(yáng)能主動(dòng)追蹤裝置研究

王躍臻 王文革 陶阿嶸

摘 要：太陽(yáng)能作為已知的最原始的清潔能源，具有非常廣闊的利用前景。為有效地提高太陽(yáng)能有效利用率，本設(shè)計(jì)采用雙軸主動(dòng)追蹤方式，研究如何使太陽(yáng)能裝置在不同緯度地區(qū)、不同季節(jié)、同一個(gè)照射日內(nèi)不同時(shí)間內(nèi)連續(xù)垂直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光照。該主動(dòng)追蹤裝置克服了被動(dòng)追蹤系統(tǒng)產(chǎn)生的追蹤滯后問(wèn)題。雙軸由計(jì)算機(jī)聯(lián)合單片機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，具有斷電記憶功能，恢復(fù)供電后具有快速補(bǔ)償能力。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；主動(dòng)追蹤；雙軸結(jié)構(gòu)；視日追蹤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.047

1 引言

太陽(yáng)能是已知的最原始的清潔能源，具有非常廣闊的利用前景。太陽(yáng)能的發(fā)展與利用一直是新能源發(fā)展的重要方向，也是世界各國(guó)大力研究與應(yīng)用的重點(diǎn)。如何更有效地提高太陽(yáng)能裝置的有效利用率，始終是人們關(guān)心和研究的課題。本項(xiàng)目就是圍繞這一課題展開。

2 太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能裝置多為固定式，但是，在實(shí)際應(yīng)用中隨著季節(jié)的不同和同一天內(nèi)，集熱板受太陽(yáng)照射的角度不同，集熱能力是不同的。在太陽(yáng)照射角度過(guò)大時(shí)，集熱效率明顯下降，使單位面積集熱板的經(jīng)濟(jì)效益較低。為了解決這一問(wèn)題，利用自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)成的跟蹤系統(tǒng)，使集熱板始終能垂直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光線，可極大地提高集熱效率，提高單位面積集熱板的生產(chǎn)效率。根據(jù)有關(guān)研究文獻(xiàn)，在一個(gè)照射日內(nèi)全天垂直照射比固定傾斜照射，太陽(yáng)能板的效率可提高37%左右。

在項(xiàng)目調(diào)研及課題設(shè)計(jì)階段，對(duì)當(dāng)前的太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)進(jìn)行了查閱、梳理和總結(jié)。首先進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，收集太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀信息，分析現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和不足，博采眾長(zhǎng)，明確改進(jìn)方向。同時(shí)關(guān)注目前同類技術(shù)發(fā)展水平，充分論證比較，確定總體方案。

2.1 太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)分類

當(dāng)前的太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)大體有兩類：一類是實(shí)時(shí)探測(cè)太陽(yáng)對(duì)地位置，控制對(duì)日角度的被動(dòng)式跟蹤；另一類是根據(jù)天文知識(shí)計(jì)算太陽(yáng)位置以跟蹤太陽(yáng)的主動(dòng)式跟蹤，即視日運(yùn)動(dòng)跟蹤軌跡的方法[1]。

（1）被動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要采用光強(qiáng)控制法，利用光敏元件和傳感器進(jìn)行信號(hào)跟蹤調(diào)節(jié)，被動(dòng)地跟隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。該方式主要受天氣的影響較大。

（2）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制的方式主要是受當(dāng)前的時(shí)間和地點(diǎn)影響較大。視日軌跡跟蹤的原理是根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，利用計(jì)算機(jī)（由天文學(xué)公式計(jì)算出每天中日出至日落每一時(shí)刻的太陽(yáng)高度角與方位角參數(shù)）控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)。跟蹤裝置的跟蹤精度取決于一是輸入信息的準(zhǔn)確性，二是跟蹤裝置參照坐標(biāo)系與太陽(yáng)位置坐標(biāo)系的重合度，即跟蹤裝置初始安裝時(shí)要進(jìn)行水平和指北調(diào)整[2]。太陽(yáng)跟蹤機(jī)構(gòu)大都是雙軸跟蹤和單軸跟蹤兩種。如果能夠在太陽(yáng)高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽(yáng)就可以獲得最多的太陽(yáng)能，全跟蹤即雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計(jì)的。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式：極軸式全跟蹤和高度角方位角式全跟蹤[1]。研究表明，與固定式和單軸跟蹤式相比，雙軸跟蹤式對(duì)太陽(yáng)能的利用率更大，因此，對(duì)太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制的研究具有實(shí)際意義。按照目前的年均太陽(yáng)能裝機(jī)容量，如果將固定式太陽(yáng)能板換為雙軸主動(dòng)追蹤式，其經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。

2.2 太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

極軸式全跟蹤。跟蹤裝置的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上太陽(yáng)能板的重量不通過(guò)極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難[3]。

高度角一方位角式太陽(yáng)跟蹤。高度角和方位角式太陽(yáng)跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，太陽(yáng)能板的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時(shí)太陽(yáng)能板根據(jù)太陽(yáng)的位置變化繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變太陽(yáng)能板的傾斜角，從而使太陽(yáng)能板的法線始終與太陽(yáng)光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且集熱器的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。在考慮跟蹤精度、跟蹤必要性和系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)上，采用間歇跟蹤方法，即每隔一段時(shí)間后，運(yùn)動(dòng)軸快速調(diào)整一次跟蹤角，并使各運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角與其由于停頓導(dǎo)致落后于太陽(yáng)運(yùn)行的方位角和高度角相等，其余時(shí)間系統(tǒng)跟蹤角驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定不動(dòng)，如此循環(huán)，因而形成跟蹤系統(tǒng)間歇追蹤太陽(yáng)的跟蹤方法。采用間歇跟蹤方法，不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制，避免龐大的減速系統(tǒng)；而且可以減少電機(jī)的運(yùn)行次數(shù)，增加電機(jī)的運(yùn)行壽命，降低跟蹤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)本身的能耗。我們知道，雖然間歇跟蹤方法具有上述優(yōu)點(diǎn)，但不可避免的要犧牲系統(tǒng)的跟蹤精度，但是綜合各種因素考慮，間歇式跟蹤是較為科學(xué)的跟蹤方法。

目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能跟蹤裝置多為光敏元件負(fù)反饋被動(dòng)控制系統(tǒng)，其基本原理是由光敏元件測(cè)量太陽(yáng)照射角，當(dāng)角度達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)件，將太陽(yáng)能板旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度以追蹤太陽(yáng)光線。其存在的缺點(diǎn)是受光敏元件的精度影響較大，跟蹤有滯后性等。

3 課題研究方案確定及實(shí)施路線

課題組根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)研究?jī)?nèi)容和研究路線多次討論設(shè)計(jì)，最終確定了本項(xiàng)目的研究思路和研究路線。綜合考慮現(xiàn)實(shí)條件和各種太陽(yáng)能跟蹤方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本項(xiàng)目采用了視日運(yùn)動(dòng)跟蹤軌跡技術(shù)中的高度角一方位角式太陽(yáng)跟蹤技術(shù)。為增加電機(jī)的運(yùn)行壽命，降低跟蹤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)本身的能耗，最終確定采用了間歇式跟蹤技術(shù)。主要研究實(shí)現(xiàn)如何使太陽(yáng)能板在不同緯度地區(qū)、不同季節(jié)、同一個(gè)照射日內(nèi)不同時(shí)間內(nèi)連續(xù)垂直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光照，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、算法研究和程序編制。本裝置采用計(jì)算機(jī)單片機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)追蹤方法。

機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，在水平面內(nèi)設(shè)置一東西方向的水平支軸（俯仰軸），使太陽(yáng)能板可繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整俯仰角，適應(yīng)季節(jié)的變化，垂直平面內(nèi)設(shè)置一垂直立軸（方位軸），使太陽(yáng)能板繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整朝向角，適應(yīng)同一天內(nèi)時(shí)間的變化。俯仰角和朝向角的調(diào)整由計(jì)算機(jī)根據(jù)地區(qū)緯度、季節(jié)（日期）和時(shí)間按規(guī)定的算法輸出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

俯仰角和朝向角的調(diào)整控制采用了簡(jiǎn)化算法，基本原理如下：俯仰角的調(diào)整按從春分-夏至-秋分-冬至-春分為一個(gè)周期，夏至日太陽(yáng)直射北回歸線，冬至日太陽(yáng)直射南回歸線，按當(dāng)?shù)鼐暥葦?shù)和日期由計(jì)算機(jī)計(jì)算確定太陽(yáng)光線的照射角度后向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能板旋轉(zhuǎn)調(diào)整俯仰角；朝向角的調(diào)整按每天日出與日落時(shí)間為一個(gè)周期，由計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)?shù)貢r(shí)間確定太陽(yáng)朝向后向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)控制太陽(yáng)能板朝向角在一天內(nèi)隨太陽(yáng)移動(dòng)而變化，到達(dá)日落時(shí)間后步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，控制太陽(yáng)能板的朝向回到起始位置。

太陽(yáng)能板水平傾斜角與日期、緯度關(guān)系：在北半球D 日（D為日期），太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度為α，太陽(yáng)能接收板安裝在緯度β處，Φ為β處水平面的法線與光線方向的夾角，稱為太陽(yáng)入射角。太陽(yáng)能接收板水平傾角計(jì)作θ。

在春分-夏至-秋分時(shí)段，如圖1所示，根據(jù)圖示幾何關(guān)系有：Φ=β-α；根據(jù)太陽(yáng)直射點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)律有如下關(guān)系：

春分-夏至?xí)r段 α=23.5°*（D-D春）/（D夏-D春）

夏至-秋分時(shí)段 α=23.5°*（D秋-D）/（D秋-D夏）

D春---春分日期

D夏---夏至日期

D秋---秋分日期

D-當(dāng)前日期

在秋分-冬至-春分時(shí)段，如圖2所示，根據(jù)圖示幾何關(guān)系有：Φ=β+α；根據(jù)太陽(yáng)直射點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)律有如下關(guān)系：

（1）秋分-冬至?xí)r段 α=23.5°*（D-D秋）/（D冬-D秋）

（2）冬至-春分時(shí)段 α=23.5°*（D`春-D）/（D`春-D冬）

D`春---次年春分日期

D冬---冬至日期

該太陽(yáng)能雙軸追蹤裝置中設(shè)計(jì)了一種用于太陽(yáng)能集熱裝置的自動(dòng)二維旋轉(zhuǎn)臺(tái)，采用了一種新型的雙軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光照射方向的實(shí)時(shí)跟蹤（如圖3所示）。因而能大大提高其太陽(yáng)能的利用效率。

經(jīng)過(guò)各種系統(tǒng)方案的比較，本系統(tǒng)確定的總體結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4所示，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、傳動(dòng)組件、步進(jìn)電機(jī)以及電源系統(tǒng)等組成[4]。

4 課題研究結(jié)果及小結(jié)

本項(xiàng)目采用雙軸結(jié)構(gòu)、主動(dòng)控制方式，不使用光敏元器件，克服被動(dòng)追蹤系統(tǒng)受光敏元器件精度和老化影響而產(chǎn)生的追蹤滯后、誤差大等問(wèn)題。雙軸由計(jì)算機(jī)獨(dú)立控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，追蹤精度高，沒(méi)有滯后量，具有斷電記憶功能，恢復(fù)供電后具有快速補(bǔ)償能力。自動(dòng)化程度高、全天候運(yùn)行，一次性安裝調(diào)整后，沒(méi)有外力破壞的情況下不再需要調(diào)整。主控制器采用微型計(jì)算和單片機(jī)聯(lián)合控制，成本低、可靠性高。

上述內(nèi)容完成后，課題組人員對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行了反復(fù)的調(diào)試驗(yàn)證，不斷改進(jìn)，反復(fù)實(shí)踐測(cè)試，最終獲得理想的效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3]沈磊，姜晨.太陽(yáng)能雙軸聚光跟蹤控制設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（02）.

[4]柳艷敏，商瀟瀟，解東水.太陽(yáng)能追日系統(tǒng)控制裝置的研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（10）：16-17.

作者簡(jiǎn)介：王躍臻（1972-），女，山東諸城人，工程碩士，高級(jí)工程師，教師，主要研究方向：材料控制成形（沖壓模具）。