太阳跟踪装置

冯小强，宋伟峰，宋婉贞，赵永进

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

随着当今世界经济的飞速发展，各个行业对能源消耗急速增大，能源危机已经成为各个国家不可忽视的问题，为了应对能源危机，世界各国积极发展新型能源，太阳能、风能、核能等纷纷应运而生。

太阳能是目前已知的最为原始的能源，她无污染、可持续利用、分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但是太阳能利用率较低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题。太阳自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，能够大大提高太阳能的利用效率。

跟踪太阳的方法可以概括为两种方式，光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪是由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整采光板的角度实现对太阳的跟踪。电跟踪的优点是灵敏度高，采光效率高；但是成本较高，不易广泛推广，同时受天气影响较大。视日动轨迹跟踪的缺点是精度低，采光效率低，但是它的优点也比较明显，不受天气影响，最主要是成本低，可以大范围推广。这个设计是根据视日运动轨迹跟踪方法，采用双轴跟踪、双轴联动，利用单片机和步进电机驱动双轴，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳光的全天侯跟踪。

1 系统总体机构

本文介绍的是一种用单片机加步进电机控制的双轴跟踪系统，该系统主要由总体支架、太阳能电池板、俯仰旋转机构、水平旋转机构以及控制系统5部分组成，见图1所示。

图1 跟踪系统机械结构示意图

这套跟踪系统中机械结构最主要的是水平方位和俯仰方位的传动机构，这两套机构都是按照太阳运动轨迹来分别进行自己的运动，下面我们主要针对这两个部位进行分析。

1.1 水平旋转机构

首先我们将太阳的运动轨迹分成两个独立的运动，一个水平方向的旋转运动和一个竖直方向的俯仰运动。水平方位旋转机构主要是用来控制水平方向的旋转运动，俯仰机构用来控制竖直方向的俯仰运动。太阳水平方向的旋转运动可以看成太阳以跟踪机构为轴心，围绕它进行匀速圆周运动，只是这个运动并非一个整圆，而是圆上的部分圆弧，旋转夹角为θ角，见图2所示。

图2 水平旋转示意图

θ角会由于季节的变化而变化，假设每天日出到日落的时间是t h，那么每小时的角度变化就是θ/t，我们的设计理论是用单片机控制步进电机转动，每隔10 min转动一次，每次转动的角度是θ/6t，这样就可以保证水平旋转机构与太阳的运动基本同步进行，能够大大提高太阳光的利用率。如果我们想更进一步地提高太阳光的利用率，我们还可以将转动更加细化，即每隔5 min，甚至3 min转动1次，这样就与太阳光的运动更加匹配。由于季节的变化，θ角和时间t都是变化的，这样计算就比较复杂，需要及时调整，所以我们将水平方位运动进一步加以简化。太阳绕旋转机构一周需要的时间t是一整天的时间，也就是24 h，夹角θ是360°，这样每小时旋转的角度是360°/24=15°，每10 min旋转的角度是2.5°，由此我们也可以得出水平方位的步进电机每隔10 min旋转2.5°。

1.2 俯仰旋转机构

俯仰机构可以简化成同一平面内太阳以跟踪机构为圆心的升降运动，早晨的时候太阳从地平线升起，中午的时候到达最高点，这个过程中变化的夹角是ψ，到达最高点后太阳又开始下降，直到回到地平线，这个下降的过程又变化了夹角ψ。见图3所示。

图3 俯仰运动示意图

假设太阳从升起到落下之后的时间为t，那么每小时角度变化为2 ψ/t，同理可以得出每隔10 min的角度变化为2 ψ/6t，那么通过单片机控制步进电机每隔10 min也相应地转动2 ψ/6t，这样就可以使太阳能电池版与阳光大体保证垂直状态，能够充分提高太阳光的利用率。如果想更进一步地提高太阳光的利用率，还可以将转动更加细化，每隔5 min，甚至3 min转动1次，这样就与太阳光的运动更加匹配。

不过由于受地理位置和季节的影响，俯仰运动的转动角ψ变化更加明显，因此不同地区要按照当地具体的情况对转动角加以设定，同一地区的不同季节转动角ψ的设定也是大不相同，这些因素是我们进行太阳能跟踪系统设计时必须考虑的问题。

2 结语

介绍的太阳跟踪系统可以有效地提高太阳能利用率，适用于各种需要跟踪太阳的装置，尤其是太阳能电池板。本文设计的太阳跟踪装置是基于视日运动轨迹，利用单片机控制步进电机进行驱动，如果能够使成本大幅度降低，可以广泛应用，为保护环境和提高能源利用率做出较大的贡献。

[1]河北向日葵聚光机有限公司.向日葵牌太阳光导入器[EBOL].http://www.himawari.com.cn/news/2009.

[2]王斯成.中国光伏发电现状及前景展望[J].中国科技成果 2002，15（4）：47—48.