太阳能主动追踪装置研究

王跃臻 王文革 陶阿嵘

摘 要：太阳能作为已知的最原始的清洁能源，具有非常广阔的利用前景。为有效地提高太阳能有效利用率，本设计采用双轴主动追踪方式，研究如何使太阳能装置在不同纬度地区、不同季节、同一个照射日内不同时间内连续垂直对准太阳光照。该主动追踪装置克服了被动追踪系统产生的追踪滞后问題。双轴由计算机联合单片机控制，步进电机驱动旋转，具有断电记忆功能，恢复供电后具有快速补偿能力。

关键词：太阳能；主动追踪；双轴结构；视日追踪

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.047

1 引言

太阳能是已知的最原始的清洁能源，具有非常广阔的利用前景。太阳能的发展与利用一直是新能源发展的重要方向，也是世界各国大力研究与应用的重点。如何更有效地提高太阳能装置的有效利用率，始终是人们关心和研究的课题。本项目就是围绕这一课题展开。

2 太阳能跟踪技术研究现状

目前市场上的太阳能装置多为固定式，但是，在实际应用中随着季节的不同和同一天内，集热板受太阳照射的角度不同，集热能力是不同的。在太阳照射角度过大时，集热效率明显下降，使单位面积集热板的经济效益较低。为了解决这一问题，利用自动控制技术构成的跟踪系统，使集热板始终能垂直对准太阳光线，可极大地提高集热效率，提高单位面积集热板的生产效率。根据有关研究文献，在一个照射日内全天垂直照射比固定倾斜照射，太阳能板的效率可提高37%左右。

在项目调研及课题设计阶段，对当前的太阳能跟踪技术进行了查阅、梳理和总结。首先进行市场调研，收集太阳能追踪系统的市场应用现状信息，分析现有产品的优势和不足，博采众长，明确改进方向。同时关注目前同类技术发展水平，充分论证比较，确定总体方案。

2.1 太阳能跟踪技术分类

当前的太阳能跟踪技术大体有两类：一类是实时探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪；另一类是根据天文知识计算太阳位置以跟踪太阳的主动式跟踪，即视日运动跟踪轨迹的方法[1]。

（1）被动跟踪系统主要采用光强控制法，利用光敏元件和传感器进行信号跟踪调节，被动地跟随太阳转动。该方式主要受天气的影响较大。

（2）视日运动轨迹跟踪控制的方式主要是受当前的时间和地点影响较大。视日轨迹跟踪的原理是根据太阳运行轨迹，利用计算机（由天文学公式计算出每天中日出至日落每一时刻的太阳高度角与方位角参数）控制电机转动，带动跟踪装置跟踪太阳。跟踪装置的跟踪精度取决于一是输入信息的准确性，二是跟踪装置参照坐标系与太阳位置坐标系的重合度，即跟踪装置初始安装时要进行水平和指北调整[2]。太阳跟踪机构大都是双轴跟踪和单轴跟踪两种。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟踪[1]。研究表明，与固定式和单轴跟踪式相比，双轴跟踪式对太阳能的利用率更大，因此，对太阳能双轴跟踪控制的研究具有实际意义。按照目前的年均太阳能装机容量，如果将固定式太阳能板换为双轴主动追踪式，其经济效益是非常可观的。

2.2 太阳能跟踪技术优缺点比较

极轴式全跟踪。跟踪装置的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上太阳能板的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难[3]。

高度角一方位角式太阳跟踪。高度角和方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，太阳能板的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能板根据太阳的位置变化绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能板的倾斜角，从而使太阳能板的法线始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且集热器的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。在考虑跟踪精度、跟踪必要性和系统能耗的基础上，采用间歇跟踪方法，即每隔一段时间后，运动轴快速调整一次跟踪角，并使各运动轴的转角与其由于停顿导致落后于太阳运行的方位角和高度角相等，其余时间系统跟踪角驱动机构固定不动，如此循环，因而形成跟踪系统间歇追踪太阳的跟踪方法。采用间歇跟踪方法，不仅可以简化系统控制，避免庞大的减速系统；而且可以减少电机的运行次数，增加电机的运行寿命，降低跟踪运动系统本身的能耗。我们知道，虽然间歇跟踪方法具有上述优点，但不可避免的要牺牲系统的跟踪精度，但是综合各种因素考虑，间歇式跟踪是较为科学的跟踪方法。

目前国内的太阳能跟踪装置多为光敏元件负反馈被动控制系统，其基本原理是由光敏元件测量太阳照射角，当角度达到设定值时发出信号，触发控制系统驱动传动机件，将太阳能板旋转一个角度以追踪太阳光线。其存在的缺点是受光敏元件的精度影响较大，跟踪有滞后性等。

3 课题研究方案确定及实施路线

课题组根据实际情况，对研究内容和研究路线多次讨论设计，最终确定了本项目的研究思路和研究路线。综合考虑现实条件和各种太阳能跟踪方法的优缺点，本项目采用了视日运动跟踪轨迹技术中的高度角一方位角式太阳跟踪技术。为增加电机的运行寿命，降低跟踪运动系统本身的能耗，最终确定采用了间歇式跟踪技术。主要研究实现如何使太阳能板在不同纬度地区、不同季节、同一个照射日内不同时间内连续垂直对准太阳光照，包括机械结构、传动装置、控制系统、算法研究和程序编制。本装置采用计算机单片机控制，步进电机驱动旋转的主动追踪方法。

机械结构方面，在水平面内设置一东西方向的水平支轴（俯仰轴），使太阳能板可绕俯仰轴转动以调整俯仰角，适应季节的变化，垂直平面内设置一垂直立轴（方位轴），使太阳能板绕方位轴转动以调整朝向角，适应同一天内时间的变化。俯仰角和朝向角的调整由计算机根据地区纬度、季节（日期）和时间按规定的算法输出脉冲信号控制步进电机转动，通过传动装置驱动太阳能板转动实现。

俯仰角和朝向角的调整控制采用了简化算法，基本原理如下：俯仰角的调整按从春分-夏至-秋分-冬至-春分为一个周期，夏至日太阳直射北回归线，冬至日太阳直射南回归线，按当地纬度数和日期由计算机计算确定太阳光线的照射角度后向步进电机发出相应数量的脉冲信号驱动太阳能板旋转调整俯仰角；朝向角的调整按每天日出与日落时间为一个周期，由计算机根据当地时间确定太阳朝向后向步进电机发出相应数量的脉冲信号控制太阳能板朝向角在一天内随太阳移动而变化，到达日落时间后步进电机反向转动，控制太阳能板的朝向回到起始位置。

太阳能板水平倾斜角与日期、纬度关系：在北半球D 日（D为日期），太阳直射点的纬度为α，太阳能接收板安装在纬度β处，Φ为β处水平面的法线与光线方向的夹角，称为太阳入射角。太阳能接收板水平倾角计作θ。

在春分-夏至-秋分时段，如图1所示，根据图示几何关系有：Φ=β-α；根据太阳直射点的移动规律有如下关系：

春分-夏至时段 α=23.5°*（D-D春）/（D夏-D春）

夏至-秋分时段 α=23.5°*（D秋-D）/（D秋-D夏）

D春---春分日期

D夏---夏至日期

D秋---秋分日期

D-当前日期

在秋分-冬至-春分时段，如图2所示，根据图示几何关系有：Φ=β+α；根据太阳直射点的移动规律有如下关系：

（1）秋分-冬至时段 α=23.5°*（D-D秋）/（D冬-D秋）

（2）冬至-春分时段 α=23.5°*（D`春-D）/（D`春-D冬）

D`春---次年春分日期

D冬---冬至日期

该太阳能双轴追踪装置中设计了一种用于太阳能集热装置的自动二维旋转台，采用了一种新型的双轴跟踪实验系统，实现对太阳光照射方向的实时跟踪（如图3所示）。因而能大大提高其太阳能的利用效率。

经过各种系统方案的比较，本系统确定的总体结构示意图如下图4所示，该系统主要由单片机、传动组件、步进电机以及电源系统等组成[4]。

4 课题研究结果及小结

本项目采用双轴结构、主动控制方式，不使用光敏元器件，克服被动追踪系统受光敏元器件精度和老化影响而产生的追踪滞后、误差大等问题。双轴由计算机独立控制，步进电机驱动连续旋转，追踪精度高，没有滞后量，具有断电记忆功能，恢复供电后具有快速补偿能力。自动化程度高、全天候运行，一次性安装调整后，没有外力破坏的情况下不再需要调整。主控制器采用微型计算和单片机联合控制，成本低、可靠性高。

上述内容完成后，课题组人员对整个机构的性能进行了反复的调试验证，不断改进，反复实践测试，最终获得理想的效果。

参考文献：

[1]陆建章等.基于单片机的双轴太阳光追踪器设计[J].科技创新与应用，2016（02）.

[2]廖锦城.计算机控制双轴太阳跟踪系统及其偏差检测[D].武汉理工大学硕士论文，2008，12（10）.

[3]沈磊，姜晨.太阳能双轴聚光跟蹤控制设计与优化[J].上海理工大学学报，2016（02）.

[4]柳艳敏，商潇潇，解东水.太阳能追日系统控制装置的研究[J].中国新技术新产品，2012（10）：16-17.

作者简介：王跃臻（1972-），女，山东诸城人，工程硕士，高级工程师，教师，主要研究方向：材料控制成形（冲压模具）。