光纖導(dǎo)光的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)＊

楊文婷，冼智錦，寧存岱，李春玲，潘家新

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

1 引言

太陽(yáng)能是一個(gè)非常理想的天然光源，世界各國(guó)在開(kāi)發(fā)新能源上尤其重視對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用。中國(guó)在未來(lái)將繼續(xù)擴(kuò)大太陽(yáng)能的利用規(guī)模，順應(yīng)全球能源轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)。然而太陽(yáng)光照方向強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用裝置提出了更高的要求，太陽(yáng)光導(dǎo)光是太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它利用光導(dǎo)纖維直接將聚光器收集的太陽(yáng)光聚焦傳導(dǎo)至白天需要光照的場(chǎng)所。以光纖為導(dǎo)光介質(zhì)的太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，可用于光纖照明及太陽(yáng)能泵浦光纖激光器等領(lǐng)域，無(wú)需光電-電光轉(zhuǎn)化，符合開(kāi)發(fā)利用新能源的當(dāng)代主題[1-2]。

2 裝置組成

自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能光纖導(dǎo)光裝置主要由自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、光纖導(dǎo)光系統(tǒng)、光纖燈四部分組成。其中，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)包括玻璃罩、電機(jī)、減速裝置、支架、電動(dòng)伸縮桿、傳動(dòng)桿、跟蹤傳感器以及主控模塊。跟蹤傳感器由圓筒、菲涅爾透鏡及圓筒內(nèi)部的陣列式感光傳感器構(gòu)成；主控模塊包括電路模塊、液晶顯示器、按鍵。電源系統(tǒng)安裝在采光平面和雙向轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。光纖導(dǎo)光系統(tǒng)包括聚光單元、光纖、光纖耦合器，聚光單元包括菲涅爾透鏡、圓筒、微電機(jī)、光纖固定器。光纖燈是太陽(yáng)光的導(dǎo)出裝置。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自動(dòng)檢測(cè)陰晴天，自動(dòng)檢測(cè)晝夜，系統(tǒng)程序流程如圖1所示。主程序檢測(cè)為晴天，光纖導(dǎo)光裝置直接在光電跟蹤模式下進(jìn)行追蹤；檢測(cè)為陰天，光纖導(dǎo)光裝置自動(dòng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡的太陽(yáng)角度跟蹤模式；檢測(cè)是黑夜，啟用中斷服務(wù)程序，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。光電檢測(cè)跟蹤模式下，利用光電二極管作為光電傳感器，判斷太陽(yáng)方位，使傳感器始終垂直于太陽(yáng)光，配合雙向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到了精確追蹤太陽(yáng)的目的；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式下，則主要是通過(guò)運(yùn)行控制程序調(diào)整定追蹤裝置的方位角和高度角，再配合時(shí)鐘模塊和機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的追蹤。因此，即使天氣陰晴多變，云彩遮擋太陽(yáng)等多種復(fù)雜情況下，也能正常的追蹤太陽(yáng)。同時(shí)在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度角度傳感器，最大限度地避免外界的干擾，提高了追蹤的精度。該跟蹤方案在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高精度實(shí)時(shí)的跟蹤，具有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

3.2 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，光電檢測(cè)電路的核心部分是一圓形的電路板，該板上中心環(huán)繞式排列了九個(gè)光電二極管，如圖2所示。D0的正上方開(kāi)一大小適中的小孔，D1～D8被封閉遮擋。當(dāng)光線照射到某個(gè)光電二極管時(shí)，必然會(huì)發(fā)生顯著的電平差，將此信號(hào)傳給單片機(jī)，從而控制上下兩電機(jī)工作。設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路包括三個(gè)電路，電路一是光電跟蹤模式下的光電檢測(cè)，當(dāng)光敏二極管受到光照產(chǎn)生穿透電流，D0與D1～D8組成比較電路，以此來(lái)判斷和轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光的方向；電路二是陰晴檢測(cè)電路，由于電流大小隨光照強(qiáng)度影響，判斷是陰天還是晴天，單片機(jī)可以通過(guò)查詢高低電位來(lái)實(shí)現(xiàn)；電路三是晝夜檢測(cè)電路，當(dāng)黑夜時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)檢測(cè)到低電位，系統(tǒng)啟用外部中斷接口上的中斷服務(wù)程序，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。

圖2 光電二極管排列圖

3.3 控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路采用導(dǎo)通或截止晶體管，改變電壓來(lái)控制繼電器的吸合或斷開(kāi)，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。當(dāng)菲涅爾聚光裝置未正對(duì)太陽(yáng)時(shí)，周邊某個(gè)光電二極管會(huì)受到光照產(chǎn)生低電位，光電檢測(cè)電路將此低電位傳導(dǎo)給控制電路，這時(shí)控制電路中的兩個(gè)晶體管分別截至和導(dǎo)通，指揮繼電器吸合，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到了對(duì)電機(jī)的控制。四組電路分別接四個(gè)繼電器，控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

3.4 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤模式需要與時(shí)間有關(guān)的控制與顯示，時(shí)鐘模塊采用DALLAS公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，主電源和備用電源雙電源供電，顯示電路采用MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)器，將它們與單片機(jī)連接后，模塊可以實(shí)現(xiàn)秒、分、時(shí)、日、星期、月和年的計(jì)時(shí)、顯示和設(shè)置，還能自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間校正。

3.5 雙軸機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，機(jī)械部分主要由電機(jī)、兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸、底座和電池板支架構(gòu)成，在電池板支架上安裝電池板及檢測(cè)裝置，如圖3所示。檢測(cè)裝置中光電二極管檢測(cè)平面和電池板面平行。雙軸機(jī)械跟蹤系統(tǒng)有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，垂直方向軸和水平方向軸，可同時(shí)在方位角和高度角兩個(gè)方向上自由旋轉(zhuǎn)，分別用來(lái)跟蹤太陽(yáng)方位角360°和太陽(yáng)高度角0～90°。具體方案是：在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上分別固定大齒輪，大齒輪上安裝小齒輪，小齒輪與電機(jī)傳送帶連接，并進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)速比調(diào)整，同時(shí)在2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)部位安裝軸承以減小摩擦，這樣可以降低大齒輪轉(zhuǎn)速，也可以降低電機(jī)的調(diào)整功率。另外在兩小齒輪上放置2塊小磁鐵，小磁鐵旁邊適當(dāng)位置安裝干簧管，當(dāng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁鐵吸附干簧管閉合，此閉合信號(hào)送至單片機(jī)，就能檢測(cè)判斷出轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。接下來(lái)單片機(jī)送出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，達(dá)到了水平方向和垂直方向的跟蹤。最后，在兩個(gè)大齒輪邊安裝鎖定裝置，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光時(shí)鎖定齒輪，不會(huì)因外界因素或系統(tǒng)自重導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸自行移動(dòng)；在電機(jī)啟動(dòng)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整信號(hào)時(shí)解除鎖定，系統(tǒng)繼續(xù)追蹤太陽(yáng)[3]。

圖3 雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

光纖導(dǎo)光的智能跟蹤太陽(yáng)光裝置以單片機(jī)為核心，晴天采用光電傳感器跟蹤模式；陰雨天采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式；夜晚停止工作。這樣互補(bǔ)的控制方式在任何氣候條件下都保證了對(duì)太陽(yáng)穩(wěn)定、可靠的跟蹤，更大程度地提高了跟蹤精度。

太陽(yáng)能光纖導(dǎo)光裝置使用太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，能自動(dòng)根據(jù)太陽(yáng)光方向來(lái)調(diào)整光纖聚光裝置的方向，并結(jié)合計(jì)時(shí)芯片以及雙軸跟蹤自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)輔以時(shí)鐘模塊以及雙軸跟蹤自動(dòng)控制裝置，由光線的偏轉(zhuǎn)觸發(fā)控制信號(hào)，從而帶動(dòng)雙軸偏轉(zhuǎn)，使聚光裝置始終垂直于太陽(yáng)入射光線，太陽(yáng)角度追蹤更為精確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

裝置可為常年不見(jiàn)太陽(yáng)的場(chǎng)所如建筑物地下車(chē)庫(kù)等提供照明，還可以提供安全健康適合老年人和病人理療的太陽(yáng)光，創(chuàng)造出綠色的建筑空間。光纖傳輸光不帶電，不產(chǎn)生靜電和電火花，無(wú)電磁干擾，無(wú)電擊危險(xiǎn)，可用于特殊場(chǎng)所和危險(xiǎn)場(chǎng)所照明。太陽(yáng)能導(dǎo)光系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保、科研生產(chǎn)、醫(yī)療保健等有諸多益處，容易走向市場(chǎng)，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景，有助于推動(dòng)太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)在中國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展。