太阳光照自动跟踪装置机械设计与开发

韩超 林卓锐

摘 要：太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出了一系列的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等，但对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就现有的太阳能装置而言，如何最大限度地提高太阳能的利用率，仍是国内外学者的研究热点。自动跟踪装置的稳定性、精度等性能间接影响了太阳自动跟踪装置的成本。目的是将此系统应用在小型光伏发电设备或其它所需太阳收集装置上，这将使光伏发电行业发生很大的变革。

关键词：太阳能；自动装置；照射

1 研究背景

为了应对当前化石燃料的危机，应逐步改变能源结构。太阳能作为一种可再生资源，具有清洁度高、资源潜力大、可持续利用等优点，现已为各国争相开发利用。但由于太阳能存在空间分布不均、间歇性大的特点，因此其利用率一直较低，不能大面积推广应用。提高太阳能利用有两种方案：一是提高太阳能的能量转换率；该方案需要研究材料的性能，也就是要研究太阳能电池材料，目前的太阳能电池都是用硅材料做的，其能量转换效率较低，并且成本较高，难以普及，因此用该方案来提高太阳能转换率难度较大。二是提高太阳能的接受效率；该方案可以用现有的技术来解决，实现相对简单，太阳自动跟踪系统是目前提高太阳能接受率的有效方法。

太阳自动跟踪指在太阳光照射过程中，太阳能板的采光面与太阳光线始终垂直，在有限的面积内获得更多的太阳辐射能量。若采用的跟踪方式不同，其太阳的能量接受率也不同。实验证明，具有太阳光线自动跟踪装置的比固定角度安装的太阳能利用率要高30%以上。

2 研究目的和意义

精确的太阳自动跟踪装置可以根据太阳在一天中不同时刻的变化，在俯仰和水平方向上自动调节太阳能采光板，使太阳能采光板始终垂直太阳的入射光，充分接受太阳能。

就目前的高精度自动跟踪装置来说，由于成本较高，只适用于一些航天、军事、科研单位方面的应用，并不能够普及推广。然而，除了价格昂贵、精度较高的用于观测太阳活动的那些装置外，其它的跟踪装置又普遍存在着刚度较低，跟踪范围较小，精度较差的问题。未来太阳跟踪系统的设计朝着低成本、高精度、跟踪范围大的方向发展，并用有限的太阳能采光板收集更多的太阳辐射能量。在设计太阳自动跟踪的机械结构时，需要遵循以下思想：

（1）在设计跟踪机构时，除了要满足跟踪范围大的要求外，还要避免机构在极限位置时的锁死现象。

（2）在设计跟踪机构时，需要选用合理的机构结构来降低跟踪装置本身的重量，进而降低整个机构的工作耗能量。

（3）在符合上述性能时，应尽量使机构的结构简单，成本降低。

3 创新与特色

3.1 结构简单，成本较低

设计的新型跟踪机构由齿轮齿条、细钢丝、导向轮、万向节、导轨等机构构成，该机构结构简单，而且生产加工周期短，制造成本低，具有很高的实用价值，能够大范围推广普及。

3.2 结构灵活，刚度高，跟踪范围大

该新型跟踪机构是并联机构，其结构灵活，跟踪范围大，刚度高，承载能力强。设计的跟踪机构可以使水平角到达360°，俯仰角到达110°，实现了全方位的自动跟踪。

4 结论

本文所研究设计的太阳能自动跟踪装置具有全天候，成本低，与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成。这些通用组件可由专门厂家生产，因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机构低得多，容易组装和模块化。除了在结构上的优点，并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优势。其主要优点有刚度质量比大，动态性能优越，运动精度高，多功能灵活性强，使用寿命长等。运用牛眼轮来做太阳能接收板的支撑结构，可以减少旋转用力，在一定条件下，如果旋转用力小的话，就能输出比较大的电量。

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作者简介：韩超（1992—），男，浙江富阳人，研究方向：财务会计教育。