自适应太阳跟踪装置设计方案

江苏省第四届先进制造技术实习教学与创新制作比赛

作品设计方案书

作品名称：自适应太阳跟踪装置

作品单位：徐州工程学院

作者：杨爱春，张强，田刚

指导教师：蔺超文，汪菊

2009年9月10日

自适应太阳跟踪装置

徐州工程学院杨爱春，张强，田刚

指导教师：蔺超文，汪菊

1、 背景及意义：

太阳能作为一种无污染、节能、环保、安全的新能源正日益受到重视。而我国国土面积幅员辽阔，太阳能资源极为丰富，利用价值空间很大。随着我国城市化进程的加快和新农村建设顺利进行，社会对太阳能的需求量越来越大，无法充分地对太阳能这一环保、经济的能源进行利用，不止是对地球上不可再生资源的浪费，更是对子孙后代赖以生存的环境的污染。

当前，我国对太阳能的利用，主要有三个方面：单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统。但是，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。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手：一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。

太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。

2、 国内太阳能自动跟踪器的研究现状

目前国内传统的跟踪器基本有两大类：一类是根据地球绕日运行规律计算跟踪运动轨迹的主动式跟踪器；另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器。主动式跟踪器有控放式跟踪器、时钟式跟踪器以及采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器三类。被动式跟踪器有压差式和光敏感应式两类。

控放式跟踪器原理为：在太阳光接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力。利用控放装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该跟踪器容易产生过跟踪的情况，只能用于单轴跟踪，精度低。而且跟踪器不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构，这又使得跟踪器的成本提高。

时钟式跟踪器有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法：根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低；系统需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源。

采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器需要大规模集成电路以及数据库构成的计算机处理系统来控制工作，成本很高。所以，它们一般用于天文台和气象台对太阳的观测或者大型发电厂，面向的是多个采光设备组成的阵列，其跟踪系统利用计算机控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。但对于民用来说，不管是将太阳能转换成热能，还是直接转换成电能，采光设备的面积都较小且数量较少，用该类跟踪器控制跟踪不仅会造成资源浪费，其高价位也很难被广泛接受。

压差式跟踪器的原理为：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式，和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。

光敏元件比较式跟踪器利用光敏元件在光照时性能参数发生变化的原理，将四个完全相同的光敏元件分别放置于采光板的东南西北方向边沿处。如果太阳光垂直照射采光板，东西（南北）两个光敏元件接收到的光照强度相同，此时电机不转动。当太阳光线与采光板的法线有夹角时，光敏元件反应出照度差，信号采集电路采集到光敏元件的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏元件上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。但是这类跟踪器价格昂贵，且不能适应自然界中光线的变化，跟踪效果不太理想。

为了解决传统跟踪器存在的问题，满足复杂多变的光线照射情况，本作品研究了一种自适应太阳跟踪装置。该装置能自动检测光源的运动

方向，通过对其X和Y方向二维的实时调节，保证其始终与光源对正，实现大范围和较高精度的跟踪，以提高太阳能的利用效率。

该跟踪装置从跟踪控制系统到机械执行部件的设计都考虑了经济性问题，在保证工作性能的同时大大降低了成本提高了性价比。跟踪平台可安装在固定地点工作，也可安装在运动载体上工作。其适用范围广泛，除了适用于太阳能屋顶发电、太阳灶、太阳能热水器、太阳能空调等场合，还适用于太阳光照明、太阳能车船等新兴太阳能产业。

3、 太阳光跟踪装置方案设计

系统主要由驱动控制器和跟踪器机械构件两部分组成，驱动控制器完成对太阳位置的检测，并通过一定算法转换成控制信号输出，以驱动方位角电机和高度角电机旋转；机械构件主要完成动力的传递和支撑太阳能转换装置。

1、 驱动控制器硬件总体设计方案

硬件总体方案如图1。太阳跟踪与驱动控制器以单片机80C51为核心建立应用系统。光电传感器输出的误差信号经过调理输入到差动转换电路,为跟踪提供依据。外部时钟为系统提供准确的时间，以便阴天采用定时跟踪。当跟踪装置转到极限位置时，为了保护设备同时为第二天跟踪做好准备和避免电缆缠绕，需返回初始位置。可以采用限位开关来复位，当机械设备转到极限位置时，限位开关向单片机系统发送个脉冲，单片机响应此操作，进行中断处理，跟踪装置归位。

1) 太阳位置传感器结构

传感器主要是由8 只经过挑选的性能优良的光敏元件和8 只电阻组成，其结构见图2。设置一个暗筒（不透明），暗筒内侧为圆形，外侧为方形，暗筒对外界环境的散射光线及其他干扰光线进行屏蔽，使得外界干扰光线对跟踪效果的影响降到最低。在暗筒外部东、南、西、北四