太陽能跟蹤器工作原理及其各模塊的設(shè)計(jì)

　　太陽能跟蹤控制器的發(fā)展?fàn)顩r

　　當(dāng)前，各種類型的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)，可以分為兩類：機(jī)械跟蹤系統(tǒng)和電控跟蹤系統(tǒng)。機(jī)械跟蹤系統(tǒng)一般為壓差式。電控跟蹤系統(tǒng)可分為光電傳感式跟蹤控制系統(tǒng)和視

　　日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)［3］。下面分別對(duì)這些系統(tǒng)作簡(jiǎn)要的介紹［4］：

　?。?）壓差式跟蹤

　　系統(tǒng)的基本工作原理是：跟蹤系統(tǒng)沒有對(duì)準(zhǔn)太陽，即太陽能光線沒有垂直照射到系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部密閉容器兩側(cè)受光而積不同，介質(zhì)會(huì)因光照的不同發(fā)生相應(yīng)的物理變化，產(chǎn)生不同的壓力，從而在兩側(cè)形成壓力差。在這種壓力差的作用下，使跟蹤控制系統(tǒng)做相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)，重新調(diào)整，直到兩側(cè)的壓力相同。此時(shí)，容器兩側(cè)受光相同，系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)到太陽。根據(jù)密閉容器里存儲(chǔ)的介質(zhì)，可以將壓差式太陽能跟蹤系統(tǒng)分為液壓差式、氣壓差式、重力差式等。這類跟蹤控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，不用電子控制部分和外部電源，為純機(jī)械控制系統(tǒng)。但該系統(tǒng)有局限性，一般只能用于單軸跟蹤系統(tǒng)，跟蹤精度很低。因此，此系統(tǒng)僅適用于一般用戶的低需求時(shí)采用。

　?。?）光電傳感式太陽能跟蹤控制

　　光電傳感式太陽跟蹤控制系統(tǒng)采用光敏硅光電管、硅光電池等元件。目前國(guó)內(nèi)較常用的光電跟蹤系統(tǒng)有電動(dòng)式、重力式、電磁式。這些光電跟蹤控制系統(tǒng)都采用光敏元件作為傳感器。在這類跟蹤控制系統(tǒng)中，傳感器一般安裝在采光板上或固定的位置，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整采光板的位置使采光板正對(duì)太陽。當(dāng)太陽向西移動(dòng)時(shí)，采光板的跟著偏移，光電傳感器因受到陽光照射會(huì)輸出一定值的電壓或電流，作為輸入信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整太陽能采光板的角度使跟蹤系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)太陽。光電傳感器式跟蹤具有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但容易受天氣的影響，若出現(xiàn)陰天或云遮住太陽的情況，太陽光線經(jīng)過散射，就會(huì)導(dǎo)致跟蹤控制系統(tǒng)無法對(duì)準(zhǔn)太陽實(shí)際的位置，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，使跟蹤失敗。

　?。?）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制

　　視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的軸數(shù)，分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種：

　　單軸跟蹤方式一般分為三種方式：傾斜布置東西跟蹤；焦線南北水平布置，東西跟蹤；焦線東西水平布置，南北跟蹤。以上三種跟蹤方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向跟蹤或東西向跟蹤，工作原理相同。跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸（或焦線）東西向布置，由預(yù)先計(jì)算好的太陽赤緯角的變化，即跟蹤角度，使太陽能采集板繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。采用此種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)熱流最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由于入射光線不能始終與太陽能接收板垂直，太陽能的利用率相對(duì)較低。

　　綜上，在以上各種跟蹤控制系統(tǒng)中，純機(jī)械式的跟蹤控制器精度較低，但是跟蹤太陽的目的在于提高太陽能的利用率，如果精度低，跟蹤利用率就比較低，要提高利用率就要在添加其它設(shè)備，額外提高了成本。光電傳感式太陽跟蹤控制系統(tǒng)的精度較高，但如上所述還存在不少問題。如果要提高太陽能的利用效率，需要進(jìn)一步的研究和探討，開發(fā)出真正高精、實(shí)用、廉價(jià)的太陽能自動(dòng)跟蹤器， 本文將對(duì)此做進(jìn)一步研究。

　　太陽跟蹤器工作原理

　　太陽的光照強(qiáng)度是隨著天氣變化而實(shí)時(shí)變化的，當(dāng)光照強(qiáng)度較好時(shí)，光電傳感器對(duì)光線比較敏感，此時(shí)選用自動(dòng)追蹤模式（即光電跟蹤）；當(dāng)天氣不好、光照強(qiáng)度比較弱時(shí)，漫反射的加重對(duì)光電傳感器產(chǎn)生很大的干擾，這種情況下選用固定跟蹤模式。圖2.1所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用雙軸跟蹤，利用高度角—方位角式跟蹤，采集來的信號(hào)通過特定的電路進(jìn)行處理后，輸入單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部程序的處理得到太陽位置偏差角度，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的精確跟蹤。

　　圖2.1太陽能跟蹤系統(tǒng)基本框圖

　　2.2太陽能跟蹤器各模塊設(shè)計(jì)

　　2.2.1固定軌跡跟蹤模塊

　　雖然太陽位置是實(shí)時(shí)變化的，但是它的運(yùn)行規(guī)律還是可循的。軟件算法主要根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算其實(shí)時(shí)方位角和高度角，以及太陽能跟蹤控制器的水平角和仰角。利用時(shí)鐘芯片和單片機(jī)控制單元按照太陽運(yùn)行遵循的公式計(jì)算得到太陽的實(shí)時(shí)位置，通過指令使電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)太陽實(shí)時(shí)跟蹤［5］。