【文章內(nèi)容簡介】 種把原動力與控制部件分離的方法，可以簡化控制裝置的結(jié)構(gòu)，減少能量消耗(面板的轉(zhuǎn)動動能來源于偏重的勢能)，為不用外接電源創(chuàng)造了條件?？胤攀教柛櫻b置由配重塊、彈簧、杠桿、制動裝置、電磁鐵等部分組成。工作原理是:由于在集熱裝置的西側(cè)裝有配重塊，在重力的作用下，集熱裝置便會繞主軸自東向西轉(zhuǎn)動。重力的控放由彈簧通過制動裝置和杠桿來實現(xiàn)。彈簧則由電磁鐵控制。電磁鐵的動力又由硅太陽能電池板供給。電池裝在集熱裝置的上方，前面設(shè)有遮光板，當(dāng)集熱裝置對準(zhǔn)太陽時恰好遮住陽光，使太陽能電池處于陰影區(qū)。一但太陽西移，遮光板的陰影隨之移動，太陽能電池便受到陽光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā)出偏移信號。信號經(jīng)放大，使高靈敏的繼電器動作，并通過執(zhí)行繼電器控制電磁鐵吸合，于是制動裝置松開，集熱裝置向西旋轉(zhuǎn)，直至對準(zhǔn)陽光。此時遮光板又重新?lián)踝￡柟?，太陽能電池進(jìn)入陰影區(qū)，電磁鐵釋放，完成跟蹤。為了保證跟蹤系統(tǒng)在多云大氣下也能可靠地工作，光電控制線路中還增加了一組多諧振蕩器。因多云天氣太陽被云層遮擋的時(aJ較長，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動作。當(dāng)太陽重新出現(xiàn)時，集熱裝置必須作大角度的旋轉(zhuǎn)才能跟上太陽。由于系統(tǒng)的慣性很大，如不采取措施往往會跟蹤過頭，不管轉(zhuǎn)多大的角度，電磁鐵始終按照吸合一釋放一吸合一釋放的間歇方式動作，集熱裝置逐步向西旋轉(zhuǎn)，直至追上太陽。當(dāng)集熱裝置轉(zhuǎn)至西邊的極限位置時，觸動極限開關(guān)，只要將集熱裝置人工轉(zhuǎn)至向東的位置，便可開始新的跟蹤。控放式跟蹤器適合于聚光型的集熱裝置，如聚光型熱水器、太陽灶等。其優(yōu)點是實時跟蹤，成本低廉，不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。其缺點是機(jī)構(gòu)只能做成單軸跟蹤器，不能自動復(fù)位(除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu))因而不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求。雖然采用多諧振動器，仍然存在著跟蹤過度的情況。（5）光電式太陽跟蹤裝置。光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個閉值時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太陽光線與集熱裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。與前兩種跟蹤裝置相比，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關(guān)注。目前，典型的光電式太陽跟蹤裝置有比較控制式和“多元法”兩種。太陽實際位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)集熱裝置光敏傳感器+集熱裝置實驗位置 光電式太陽跟蹤裝置原理 比較式太陽跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖比較控制式太陽跟蹤裝置。設(shè)置一個圓筒形外殼，在圓筒外部，東、南、西、北四個方向上分別布置4只光電阻。其中一對光電阻(PI，P3)東西對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測太陽由東往西運(yùn)動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角。另一對光電阻(PZ，P4)南北對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個方向上也分別布置4只光電阻。其中一對光電阻(PS，P7)東西對稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽由東往西運(yùn)動的偏轉(zhuǎn)角度。另一對光電阻(P6，PS)南北對稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽的視高度。該跟蹤裝置對太陽的高度角和方位角進(jìn)行雙軸跟蹤，現(xiàn)在單獨研究對方位角進(jìn)行跟蹤的工作原理，假設(shè)太陽的高度角是不變的，即假設(shè)圓筒是始終在高度方向?qū)?zhǔn)太陽的。當(dāng)太陽光線以與傳感器板垂直的方向照射到傳感器上，兩組光電阻(PI，P3)，(P5，P7)接收到的光照度相同，比較電路的輸出值為零。當(dāng)太陽光偏離垂直方向一個較小的角度時(Pl，P3)這一對光電阻可能受環(huán)境散射光的影響，不會反應(yīng)出太陽光線的變化。而(PS，P7)這一對光電阻受到了圓筒對環(huán)境散射光的屏蔽保護(hù)，它們接收的照度會出現(xiàn)差值，這就是偏離信號。該信號經(jīng)放大后送入控制單元，控制單元開始工作，控制自動跟蹤器調(diào)整太陽光接收裝置的角度，直到太陽光接收裝置對準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽光偏離了一個較大的角度時(陰雨天或者烏云過后)，筒內(nèi)的傳感器可能接收不到太陽光，筒外的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開始工作。高度角的跟蹤基本原理及工作方式雷同。為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽運(yùn)動，首先要通過試驗找出較為合適的光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的阻值較小的時候，光電阻在太陽照射下可能會很快達(dá)到飽和狀態(tài)，此時采集的信號就失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會影響到跟蹤效果，跟蹤精度因此降低。但提高光敏電阻的阻值，使得相應(yīng)的供電電源的電壓要變大才能驅(qū)動跟蹤器，提高了能耗及其成本。其次要設(shè)計長度合適的圓筒。理論上講，圓筒的長度越長，跟蹤器的精度就越高。隨著圓筒的增長，內(nèi)部兩個光電阻同時接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會變小。假設(shè)圓筒內(nèi)部兩個光電阻同時直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為A，即太陽光線的偏離角度在A的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個光敏電阻不會出現(xiàn)照度差。短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為B， 所示，即太陽光線的偏離角度在B的范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個光敏電阻不會出現(xiàn)照度差。當(dāng)使用長圓筒時，假設(shè)太陽光線偏離一個超出了范圍A又在B的范圍內(nèi)的角度，所示因為偏離角度超過了范圍A，圓筒內(nèi)部兩個光電阻產(chǎn)生了照度差值，該信號經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽；如果此時使用較短圓筒，偏離角度在B的范圍內(nèi)則不會使內(nèi)部兩個光電阻產(chǎn)生照度差，系統(tǒng)不會進(jìn)行跟蹤，因此此時系統(tǒng)的精度高于使用短圓筒的情況。太陽光線偏離角度在一個較大范圍內(nèi)時，長圓筒內(nèi)部的兩個光敏電阻不會出現(xiàn)照度差，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽光線的角度變化。 不同長度圓筒的太陽光偏離角度方位示意圖 “多元法”太陽跟蹤裝置得傳感器結(jié)構(gòu)“多元法”太陽跟蹤裝置?！岸嘣ā薄Ｕ醒氲墓饷綦娮枧c接收面垂直，Aa，Bb，Cc，Dd，助，F(xiàn)f將圓分成12 等份，它們分別代表單方向定位裝置。單方向定位裝置由5個光敏電阻按一定的排列方式鑲嵌在半圓柱體上?！岸嘣ā碧柖ㄎ谎b置由6個單方向定位裝置構(gòu)成，并且它們共用正中央的光敏電阻。例如，當(dāng)光照在左邊第1個光敏電阻上時電機(jī)帶動定位裝置向逆時針方向轉(zhuǎn)動一定角度，光從左邊第1個光敏電阻離開并照在左邊第2個光敏電阻上，電機(jī)帶動定位裝置又向逆時針方向轉(zhuǎn)動相同的角度，這時光照在正中央的光敏電阻上，光垂直照在定位裝置上，提高了對太陽定位的速度，避免了為尋找太陽方位傳感器的重復(fù)擺動，但是設(shè)計比較復(fù)雜，而且由于每兩個光敏電阻的間隔造成其不能連續(xù)監(jiān)測和跟蹤太陽位置的變化，跟蹤精度有限。（6）用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置。太陽跟蹤裝置除了用作太陽能利用裝置以外，還常用于天文臺和氣象臺對太陽活動的跟蹤觀察。隨著天體光學(xué)的發(fā)展，十九世紀(jì)中葉之后，相繼出現(xiàn)了折軸望遠(yuǎn)鏡、定日鏡、定天鏡等。這些裝置靠互相垂直的兩條軸旋轉(zhuǎn)跟蹤天體，最常用的兩軸裝置有地平式和赤道式兩種。自人造天體發(fā)射后又出現(xiàn)了三軸、四軸式跟蹤器。這些跟蹤器主要分為兩類:一類是望遠(yuǎn)式，它接受太陽的垂直入射。另一類是定日式，它將太陽光反射到所設(shè)計的固定方向，太陽作周日視運(yùn)動，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運(yùn)動，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽赤緯相同，實現(xiàn)跟蹤。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研，因此最應(yīng)保證的是機(jī)構(gòu)的精度，其造價相對也比較昂貴。未來的太陽跟蹤裝置應(yīng)采用全自動跟蹤陣。全自動太陽跟蹤裝置根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，機(jī)構(gòu)設(shè)計朝著高精度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，在有限的接受面積上最充分的應(yīng)用太陽能，降低裝置的成本?？刂撇捎霉?、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過對太陽光強(qiáng)弱的檢測，實現(xiàn)對太陽的全自動跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。裝置由光敏探頭檢測太陽光強(qiáng)，通過跟蹤控制器，采用模擬壓差比較原理進(jìn)行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動機(jī)械部分轉(zhuǎn)動。限位裝置有東、兩、上、下四個極限限位功能，跟蹤精度高，范圍寬，有自動返回功能。計算機(jī)測控系統(tǒng)實現(xiàn)了對充電電壓，充電電流，跟蹤光強(qiáng)、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集、處理、顯示和打印，根據(jù)各模擬量的瞬時值，實現(xiàn)防風(fēng)，報警控制，蓄電池的充電、放電和分級控制等功能，對設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。（7）地平坐標(biāo)系跟蹤方法的應(yīng)用國家太陽能檢測中心開發(fā)了一套太陽集熱器性能測試系統(tǒng)，其中就包括了太陽跟蹤器。該中心在集熱器性能測試試驗中，要求集熱器采光面始終垂直太陽光線，入射角偏差不超過5176。，因此需要對太陽進(jìn)行實時跟蹤。該跟蹤器采用地平坐標(biāo)系跟蹤方式，主要由水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、兩臺步進(jìn)電機(jī)以及集熱器臺架組成。集熱器固定在臺架平面上。水平轉(zhuǎn)臺相當(dāng)于集熱器的方位軸，由一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，繞垂直于當(dāng)?shù)厮矫娴妮S旋轉(zhuǎn)，用以跟蹤太陽的方位角，其控制流程為:步進(jìn)電機(jī)一諧波減速器(降速增矩、角度細(xì)分)一水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。減速器的傳動比為1:120，電機(jī)轉(zhuǎn)動120176。時水平轉(zhuǎn)臺相應(yīng)轉(zhuǎn)動1176。， 的步距角計算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動1176。時，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出120176。/，山此可以計算集熱器方位角為a時步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)為120a/。另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶輪帶動絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動，相當(dāng)于改變俯仰軸轉(zhuǎn)角用以改變集熱器的傾斜度，從而跟蹤太陽的高度角，其控制流程為:步進(jìn)電機(jī)一同步帶輪(傳遞動力卜絲杠螺母(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)一絲杠(直線運(yùn)動)。同步帶輪與絲杠的傳動比為2:1，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動1圈即360176。時絲杠螺母轉(zhuǎn)動半圈，絲杠相應(yīng)走過3rn們n，由此通過集熱器臺架的傾角變化計算出絲杠直線運(yùn)動的距離，再經(jīng)過傳動比換算出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，176。的步距角就可以算出相應(yīng)的脈沖數(shù)。該裝置是檢測中心作試驗用的。每當(dāng)試驗時，跟蹤器在跟蹤太陽前先得讓方位軸和俯仰軸自動回零。然后根據(jù)太陽當(dāng)前位置從零點處自動快速指向太陽。接著每間隔一定時間，自動調(diào)整一次集熱器的位置，使其采光面垂直于太陽光線，實現(xiàn)實時太陽跟蹤。其中，2軸為俯仰軸，X軸為方位軸。由于影響跟蹤精度的因素很多，不僅跟當(dāng)?shù)鼐暥取⑻柍嗑暯?、太陽時角的取值有關(guān)，還跟步進(jìn)電機(jī)的精度以及跟蹤轉(zhuǎn)臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而需要對跟蹤軌跡的程序進(jìn)行校正。校正采用手動操作，使跟蹤臺的兩個軸帶動集熱器轉(zhuǎn)動，同時不斷觀察日暑的影子，當(dāng)影子剛好聚為一點時為最佳，記錄下從原點到該點兩軸的步進(jìn)電機(jī)各自走過的實際脈沖數(shù)，然后依據(jù)算法計算兩軸的步進(jìn)電機(jī)從原點到該點的理論脈沖數(shù)，根據(jù)實際脈沖數(shù)與理論脈沖數(shù)之差，可算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。校正可以選擇任一天中的幾個不同時刻進(jìn)行，得到一組高度角和方位角的校正系數(shù)，取其平均值。用正系數(shù)校正理論值存入控制程序，可以提高跟蹤精度。 太陽集熱跟蹤臺主程序開始跟蹤臺自動回零實驗初始參數(shù)設(shè)置試驗開始？自動跟蹤子程序數(shù)據(jù)采集子程序流量控制子程序溫度控制子程序數(shù)據(jù)處理子程序試驗結(jié)束？主程序結(jié)束NNYY 試驗主流程圖子程序開始計算太陽當(dāng)前位置跟蹤器當(dāng)前位置是否為零點？自動調(diào)整跟蹤對準(zhǔn)太陽跟蹤器自動快速指向太陽是否已對準(zhǔn)太陽？子程序結(jié)束 自動跟蹤子程序YYNN（八）本章小結(jié)在本章節(jié)中分析了現(xiàn)代能源日益短缺的嚴(yán)峻現(xiàn)狀和新型能源發(fā)展的趨勢，從而說明了利用太陽能做為一種新型能源是有效而可行的，太陽能是一種清潔環(huán)保并且用之不竭的能源，如何對其進(jìn)行利用將是未來能源研究發(fā)展的趨勢。另外，本章節(jié)還對幾種太陽能發(fā)電裝置進(jìn)行了分析，并且對目前的各種跟蹤方法的進(jìn)行了分析對比，從而對目前的太陽能跟蹤技術(shù)有了一定的了解。為本課題中太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。二、跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想及框架（一）跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計要求本系統(tǒng)研制的出發(fā)點是更加有效的利用太陽能。對太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉(zhuǎn)化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池板把太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。對太陽能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的時候，由于太陽的位置是隨著時間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時段有效的吸收太陽能，在其他時段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系統(tǒng)對太陽進(jìn)行實時跟蹤是可行和有效的。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對太陽進(jìn)行即時跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對太陽，從而提高吸收效率。本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。根據(jù)本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應(yīng)該選用常用而且性價比與可靠性較高的構(gòu)件，要使系統(tǒng)機(jī)構(gòu)盡量簡潔，避免過于復(fù)雜和昂貴，要便于安裝和維護(hù)。在控制部分的設(shè)計中，要考慮到系統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強(qiáng)的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。（二）跟蹤系統(tǒng)的組成跟蹤系統(tǒng)主要構(gòu)成一般為：（1）太陽能采集裝置；（2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；（3）控制部分；（4）貯能裝置；（5）逆變器。控制部分轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)太陽能采集裝置直流負(fù)載交流負(fù)載逆變器貯能裝置 跟蹤系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制器本光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的即是對太陽能進(jìn)行有效的吸收，從而盡可能多的把太陽能量轉(zhuǎn)化為可用電能，提供給耗電負(fù)載使用，起到節(jié)省能源的目的。在本系統(tǒng)的研發(fā)中，太陽能電池是太陽能采集裝置的首選部件。但是太陽能電池本身容易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在大氣的環(huán)境中，光電轉(zhuǎn)化的效率就會由于環(huán)境潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，最后以至于破碎失效。不能滿足本系統(tǒng)經(jīng)久耐用的研發(fā)要求。因此，太陽能電池需要通過膠封、層壓等方式封裝成平板式結(jié)構(gòu)才能投入使用，如層壓的封裝方式，即將太陽能電池片的正面和背面各用一層透明、耐老化、黏結(jié)性好的熱熔性膠膜封裝，并采用透明度高、耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做為蓋板，用耐濕抗酸的復(fù)合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通過真空層壓工藝將電池片、正面蓋板和背板薪合為一個整體，從而構(gòu)成一個使用的太陽能電池發(fā)電器件，稱為太陽能電池組件。目前市場上的太陽能電池基本都為封裝后的成品，通過封裝處理的太陽能電池就可以應(yīng)對各種氣候條件，并且耐沖擊，可以適應(yīng)各種應(yīng)用條件，達(dá)到了長期使用的目的，從而很好的滿足了本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)要求。由于本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)要求最大限度的利用太陽能，因此必須要研制一套機(jī)構(gòu)用來跟蹤太陽的實時位置。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械部件的選取必須滿足性能可靠、價格低廉和結(jié)構(gòu)簡單的研發(fā)要求。選取的是普通的市面常見的裝置，這樣能使整個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的構(gòu)成設(shè)想基于