太阳能自动追踪系统的设计与研究

随云飞，赵建伟

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)



太阳能自动追踪系统的设计与研究

随云飞，赵建伟

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

太阳能具有可再生、分布地域广、使用清洁、经济效益高等优势，是理想的新能源，其开发使用是解决能源短缺、温室效应和环境污染等问题的有效途径。本文开发了一套太阳能自动追踪系统，该系统能够使得太阳能电池板及集热管始终垂直于太阳光线，最大限度的采集太阳能。在保证成本低廉、结构简单的前提下,实现了较高的跟踪精度。

自动；分体承压；稳定性；蜗轮蜗杆

1　设计背景

传统的矿物能源濒临枯竭，且使用过程中容易造成环境污染，在这种情况下，可再生的清洁能源的利用显得日益紧迫。作为清洁能源的主要成员之一，潜力无限的太阳能以其丰富的资源、超高的可利用率和清洁可持续的特性，被认为是替代传统能源的最佳选择。随着我国太阳能热利用水平的不断提升，太阳能热利用逐步从民用低温领域向中高温工业领域扩展，太阳能在生产、生活领域的广泛应用已经受到了重视。现有的太阳能采热及发电技术已经较为成熟，但是，在传统的太阳能采集装置中，以固定接收的居多。而采用自动追光设计提高了对太阳光的利用率及集热效率。

2　设计方案

2.1分体承压

传统的太阳能集热管和保温桶不可分离，不管是体积还是重量，都不适合进行自动追光的设计，整体较为笨重成为限制自动追光的最大障碍。本文的设计采用了分体承压式太阳能的设计，如图1，将太阳能的集热管与保温桶分离，将保温桶放置于室内，集热管内胆做密封处理，放入金属管道，金属管道内通入导热介质，可充分携带集热管采集的热量，以加热保温桶内的水，同时将太阳能电池板与集热管整合为一体，可实现集热与发电装置的同步追光，为整个系统正常运行提供了电力、热力保障。

图1　分体承压式太阳能热水器的结构原理图

2.2水平结构

本文设计的自动追光系统的水平结构如图2所示，系统的水平移动由一个步进电机提供动力，绕一固定轴可实现水平转动，同时在三角形集热管的剩余一角设置一万向轮，可保证系统水平运动的稳定性，也可在一定程度上减少整个系统的占用面积，即较传统的自动追光结构可实现最小占地面积的自动追光。

图2　自动追光水平结构

2.3竖直结构

系统在对自动追光的竖直结构进行设计时充分考虑了其运动时的稳定性，巧妙地采用了涡轮蜗杆机构。首先，系统采用分体承压式太阳能热水器的结构，使得自动追光部分的重量大大降低，为系统的灵活运动创造了条件；然后，为保证自动追光的稳定性，系统通过机械机构的巧妙设计，采用了蜗轮蜗杆传动，其组成部分为蜗杆及涡轮，一般蜗杆为主动件。在主平面上，蜗杆传动相当于齿条齿轮的传动，当蜗杆绕轴旋转时，蜗杆轮齿相当于齿条作轴向移动而驱动涡轮轮齿，使涡轮旋转。由于传动比较大可以实现比较大的传动力，并且通过涡轮以及蜗杆90度的交叉配合实现改变传动的方向，是一般齿轮传动无法实现的，如果蜗杆的螺旋角没有齿轮间的当量摩擦角大时，涡轮无法带动蜗杆运动蜗杆传动就会启动自锁，实现对机械的安全保护，让集热管可以随时在任意位置保持静止，这使得集热管的竖直运动更加稳定[2]。

图3　自动追光竖直结构

2.4追光元件布局

系统自动追光所采用的光敏电阻布局如图4。系统大胆设计，采用了三个光敏电阻的布局，中间利用隔板隔开，以便对各种光线角度进行分类，实现了自动追光。现对三个光敏电阻编号，如图4，定义有阳光照射的光敏电阻输出为“1”，无阳光照射的光敏电阻输出为“0”，例：1号接受阳光照射表示为1∶1，无阳光照射表示为1∶0。现对各种阳光照射条件进行分类：太阳位于图4左上角，即1∶1、2∶1、3∶0，则水平左移，竖直下降；太阳位于图4右上角，即1∶0、2∶1、3∶0，则水平左移，竖直下降，直到输出变为1∶1、2∶1、3∶1；太阳位于图4左下角，即1∶1、2∶0、3∶1，则水平左移，竖直升起；太阳位于图4右下角，即1∶0、2∶0、3∶1，则水平左移，竖直升起，直到输出变为1∶1、2∶1、3∶1；无阳光照射，即进入夜晚，系统自动向右移至顶端，竖直升起为最高，以实现第二天的自动追光。上

下左右四个方向不再叙述，最终结果为保持三个光敏电阻均接受阳光照射，即实现输出为1∶1、2∶1、3∶1[3]。

图4　光敏电阻的布局

3　创新点

3.1实现集热管和电池板同时追光

由于系统设计的特殊性，使得系统有条件将太阳能集热管和太阳能电池板整合为一体，可实现二者的同步追光，大大提升了二者对太阳能的利用效率，为系统提供充足的电力及热量。

3.2传动部分

系统在进行传动部分结构设计时，将其运动的稳定性作为重中之重，水平运动底座采用三点支撑结构，竖直运动部分采用蜗轮蜗杆传动，可保证自动追光的稳定性。

3.3分体承压优势

系统设计所采用的分体承压式设计，可大大减轻自动追光部分的重量,同时降低屋顶的承载力，降低传动系统的负荷，实现灵活的自动追光。

4　应用前景

我国是一个资源消耗大国，可再生的清洁能源的利用显得日益紧迫。太阳能作为清洁能源的主要成员之一，可以说是替代传统能源的最佳选择，但是现有技术对太阳能的采集效率较低，与现有系统相比，太阳能自动追踪系统结构设计简单，运动平稳，可实现极佳的太阳自动追踪，应用前景十分广阔。

[1]刘心.我国太阳能行业的发展情况[J].科技创业月刊，2002(8)：19-20.

[2]于洪民.蜗杆蜗轮机构的自锁性[J].机械制造，1997(1)：10-11.

[3]林立，张俊亮.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012：92-94.

The Design and Research on Automatic Solar Tracking System

Sui Yunfei, Zhao Jianwei

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Solar energy has the features of renewable, wide distribution area, the cleaning use and higher economic efficiency, which is an ideal new energy. Its development and use is an effective way to solve the problem of energy shortage, environmental pollution and the greenhouse effect etc. This paper develops an automatic solar tracking system, which can make the solar panels and thermal collectors always being perpendicular to the sun’s rays and gather the maximum solar energy. Under the premise of low cost and simple structure, it realizes the higher tracking precision.

automatic; fission under pressure; stability; worm gear and worm

2016-04-06

随云飞(1996- )，男，山东济宁人，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化。

1674- 4578(2016)04- 0082- 02

TK51；TM615

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