极轴式二维日照跟踪系统研究

吴咏昆

（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东珠海 519060）

根据实验数据，日照跟踪系统的发电量，比不跟踪的太阳能发电系统多25%～70%。对于提高阳光利用率，有效降低土地使用面积，降低光伏发电的成本，具有很重要的意义。

日照跟踪系统根据结构可分为单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。双轴跟踪系统的机械结构也有很多种，经多年的改进，现在常见的结构为垂直旋转运动和俯仰运动组成的双轴系统，垂直旋转运动一般在0°～180°之间，俯仰运动在0°～90°之间。两个方向上，每日都必须进行不停的调整，才能保证太阳光直射太阳能面板，因此需要2 个电机，能量消耗较大，且成本较高。单轴跟踪系统在南北回归线内使用都比较好，系统结构简单，虽然发电量没有双轴跟踪系统好，但通过一年二次及以上的调整，也可以做到和双轴系统相差不大。因此着重研究了单轴（极轴式）日照跟踪系统。

1 极轴式日照跟踪系统原理

在地球上一点，观察太阳的运动轨迹，是由地球围绕太阳自转和公转两个运动同时作用形成的，要想最大限度地让阳光直射太阳能面板，就应该最大限度地抵消地球自转和公转[1]。如图1所示。

当太阳能面板轴线OO’与地表成当地的纬度值δ时，太阳能面板轴线即与地球的自转轴线平行，此时太阳能面板绕此轴线OO’与地球自转方向相反时，就可抵消地球自转的影响[2]。太阳光射向地球的方向，随四季的不同而不同，如图1 所示，夏至与春分、秋分的太阳光方向相差22°，冬至与春分、秋分的太阳光方向也相差22°，因此太阳能面板在纸平面的方向，应有44°的调整范围，一年调整一个循环，每天变化的度数=44×2/365≈0.24°[3]，太阳板这个方向上的运动，可以抵消地球公转的影响，从而使太阳能面板最大限度地接受阳光的照射。

2 单轴日照跟踪系统的优缺点

图1 系统原理

单轴日照跟踪系统中，近期还出现了一种利用阻尼器和太阳板自身重力进行转动的结构。这种结构白天转动太阳板不需要电机能量，靠自身重力和阻尼器转动太阳能面板，晚上再复位，但因为要将太阳板移动到较高的位置，仍需要较多的复位能量。比直接电机驱动的单轴系统，主要节约了电机多次启动的能耗。而且这种系统有个致命的问题，太阳能面板一般都会放在平地或房顶比较空旷的地方，这些地方一般经常都会有比较大的风。如果系统靠自身重力和阻尼器运动，一定会受到风的影响，造成太阳板的加速或缓慢的运动，从而对不准太阳的位置，因而产生较大的能量损失。因此建议仍然采用电机转动太阳能面板。

3 极轴式二维日照跟踪系统机械结构

根据单轴日照跟踪系统的缺点，本文提出了极轴式二维日照跟踪系统的机械结构。极轴式日照跟踪系统，因其在图1 中纸面方向的转动（即抵消地球公转运行），每天仅需调整0.24°，因此很多系统采用人工调整的方法，每年调整2 次左右。调整的次数越多当然就越准确。但是调整也是一项费时费力的工作。图2的系统，可以利用OO’旋转方向的电机，通过电磁离合器的控制，实现太阳能面板，在图1 中纸面方向的转动。可以每周调整一次，甚至可以每天定时调整一次。当然也可以采用人工调整，可以编程控制，可根据实际的情况灵活改变。

3.1 抵消地球自转的旋转运动

每日日出时，电磁离合器1 将太阳能板左端的OO’轴与电机通过回转驱动装置的输出轴啮合，带动太阳能面板框沿OO’轴，慢慢旋转，建议采取点动方式，比如每30分钟或者60分钟调整一次，或者按需调整，比如早晚的时候调整的频繁一些，中午的时候间隔稍长一些。以达到能量消耗最少，太阳能发电最多的目的。每天日落后，电机又带动太阳能面板框返回每天早晨的起点位置，以备第二天的需要[4]。

3.2 抵消地球公转的旋转运动

当程序控制电磁离合器2的伞齿轮2与电机通过回转驱动装置的输出轴啮合时，电磁离合器1 将太阳能板左端的OO’轴脱开。这时伞齿轮2将带动太阳能面板框架上的伞齿轮旋转，使伞齿轮1 上的丝杠旋转，丝杠的旋转将使螺母向上运动，通过铰链A，将太阳板顶起，达到合适的角度，保证太阳光直射太阳板[5]。

图2 系统机械结构

4 极轴式二维日照跟踪系统优点

（1）仅用1 台电机，成本较低。运动所需转过的总角度要比双轴日照跟踪系统还要小，因此更节约转动的能量。

（2）因为增加了电磁离合器的控制，在改变电机啮合位置的同时，可以增加两个方向的锁定和解锁的机构。比如电磁离合器1 在与回转驱动装置的输出轴啮合时，可以用锁定销或其他装置锁定太阳板丝杠与螺母的运动，当电磁离合器2在与伞齿轮啮合时，解锁太阳板丝杠与螺母的运动，改为锁定太阳板沿OO’轴的转动，当两个电磁离合器都处于脱开状态时，电机不运动，将太阳板丝杠与螺母的运动和沿OO’轴的转动都锁定。这种锁定机构是对回转驱动装置自锁能力的提高和补充，将极大地提高太阳能电池板抵抗强风的能力。

图3 回转驱动副

（3）维护简单方便，几乎不需要人工的干预和调整。

（4）可扩展性强，如果是一个大型的太阳能电厂，可以使用连杆机构，将每块太阳能面板沿OO’轴的转动都连接起来，使用一台或几台大电机就可以控制整个太阳能电厂的太阳能面板的旋转运动。这样的能耗和成本都将会更低。

（5）采用回转驱动副简化了传动的机械结构，它的效率高，有自锁能力，降速传动比高，大大降低了结构成本[6]。外形见图3。

（6）采用两个电磁离合器使控制更为灵活，可以分别传动任意一轴，也可让两轴同时转动，只要调整好传动比。

5 结束语

极轴式二维日照跟踪系统从理论上讲，应该比双轴二维日照跟踪系统更节约能源，甚至比阻尼式极轴日照跟踪系统都节约电能。而且操控要比阻尼式极轴日照跟踪系统更灵活，更方便，抗风能力也更强。系统还采用了先进的回转驱动副，简化了系统的结构，降低了成本。此系统还有良好的扩展性，所以这种日照跟踪系统有着十分广阔的发展前景。

［1］王国安，米鸿涛，邓天宏.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算［J］.气象与环境科学，2007，30（09）：161-164.

［2］魏秀东，卢振武，刘华.一种新型极轴跟踪式定日镜的研究［J］.太阳能学报，2007（6）：35-36.

［3］饶鹏，孙胜利，叶虎勇.两维程控太阳跟踪控制系统的研制［J］.控制工程，2004（11）：21-23.

［4］朱世佳.基于嵌入式的太阳能智能追光系统的研究［J］.电子技术，2007（9）：34-35.

［5］Marlett Wentzel and Anastassios Pouris.The development impact of solar coolers:Areview of solar cooking impact research in South Africa ［J］.Energy Policy.2007，35（3）：1909-1919.

［6］孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳能自动跟踪研究［J］.机械设计与制造，2005（7）：157-159.