馮小強，宋偉峰，宋婉貞，趙永進

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著當今世界經濟的飛速發(fā)展，各個行業(yè)對能源消耗急速增大，能源危機已經成為各個國家不可忽視的問題，為了應對能源危機，世界各國積極發(fā)展新型能源，太陽能、風能、核能等紛紛應運而生。

太陽能是目前已知的最為原始的能源，她無污染、可持續(xù)利用、分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但是太陽能利用率較低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關心的話題。太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設計為解決這一問題提供了新途徑，能夠大大提高太陽能的利用效率。

跟蹤太陽的方法可以概括為兩種方式，光電跟蹤和根據視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器根據入射光線的強弱變化產生反饋信號到計算機，計算機運行程序調整采光板的角度實現(xiàn)對太陽的跟蹤。電跟蹤的優(yōu)點是靈敏度高，采光效率高；但是成本較高，不易廣泛推廣，同時受天氣影響較大。視日動軌跡跟蹤的缺點是精度低，采光效率低，但是它的優(yōu)點也比較明顯，不受天氣影響，最主要是成本低，可以大范圍推廣。這個設計是根據視日運動軌跡跟蹤方法，采用雙軸跟蹤、雙軸聯(lián)動，利用單片機和步進電機驅動雙軸，通過對跟蹤機構進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現(xiàn)對太陽光的全天侯跟蹤。

1 系統(tǒng)總體機構

本文介紹的是一種用單片機加步進電機控制的雙軸跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由總體支架、太陽能電池板、俯仰旋轉機構、水平旋轉機構以及控制系統(tǒng)5部分組成，見圖1所示。

圖1 跟蹤系統(tǒng)機械結構示意圖

這套跟蹤系統(tǒng)中機械結構最主要的是水平方位和俯仰方位的傳動機構，這兩套機構都是按照太陽運動軌跡來分別進行自己的運動，下面我們主要針對這兩個部位進行分析。

1.1 水平旋轉機構

首先我們將太陽的運動軌跡分成兩個獨立的運動，一個水平方向的旋轉運動和一個豎直方向的俯仰運動。水平方位旋轉機構主要是用來控制水平方向的旋轉運動，俯仰機構用來控制豎直方向的俯仰運動。太陽水平方向的旋轉運動可以看成太陽以跟蹤機構為軸心，圍繞它進行勻速圓周運動，只是這個運動并非一個整圓，而是圓上的部分圓弧，旋轉夾角為θ角，見圖2所示。

圖2 水平旋轉示意圖

θ角會由于季節(jié)的變化而變化，假設每天日出到日落的時間是t h，那么每小時的角度變化就是θ/t，我們的設計理論是用單片機控制步進電機轉動，每隔10 min轉動一次，每次轉動的角度是θ/6t，這樣就可以保證水平旋轉機構與太陽的運動基本同步進行，能夠大大提高太陽光的利用率。如果我們想更進一步地提高太陽光的利用率，我們還可以將轉動更加細化，即每隔5 min，甚至3 min轉動1次，這樣就與太陽光的運動更加匹配。由于季節(jié)的變化，θ角和時間t都是變化的，這樣計算就比較復雜，需要及時調整，所以我們將水平方位運動進一步加以簡化。太陽繞旋轉機構一周需要的時間t是一整天的時間，也就是24 h，夾角θ是360°，這樣每小時旋轉的角度是360°/24=15°，每10 min旋轉的角度是2.5°，由此我們也可以得出水平方位的步進電機每隔10 min旋轉2.5°。

1.2 俯仰旋轉機構

俯仰機構可以簡化成同一平面內太陽以跟蹤機構為圓心的升降運動，早晨的時候太陽從地平線升起，中午的時候到達最高點，這個過程中變化的夾角是ψ，到達最高點后太陽又開始下降，直到回到地平線，這個下降的過程又變化了夾角ψ。見圖3所示。

圖3 俯仰運動示意圖

假設太陽從升起到落下之后的時間為t，那么每小時角度變化為2 ψ/t，同理可以得出每隔10 min的角度變化為2 ψ/6t，那么通過單片機控制步進電機每隔10 min也相應地轉動2 ψ/6t，這樣就可以使太陽能電池版與陽光大體保證垂直狀態(tài)，能夠充分提高太陽光的利用率。如果想更進一步地提高太陽光的利用率，還可以將轉動更加細化，每隔5 min，甚至3 min轉動1次，這樣就與太陽光的運動更加匹配。

不過由于受地理位置和季節(jié)的影響，俯仰運動的轉動角ψ變化更加明顯，因此不同地區(qū)要按照當?shù)鼐唧w的情況對轉動角加以設定，同一地區(qū)的不同季節(jié)轉動角ψ的設定也是大不相同，這些因素是我們進行太陽能跟蹤系統(tǒng)設計時必須考慮的問題。

2 結語

介紹的太陽跟蹤系統(tǒng)可以有效地提高太陽能利用率，適用于各種需要跟蹤太陽的裝置，尤其是太陽能電池板。本文設計的太陽跟蹤裝置是基于視日運動軌跡，利用單片機控制步進電機進行驅動，如果能夠使成本大幅度降低，可以廣泛應用，為保護環(huán)境和提高能源利用率做出較大的貢獻。

[1]河北向日葵聚光機有限公司.向日葵牌太陽光導入器[EBOL].http://www.himawari.com.cn/news/2009.

[2]王斯成.中國光伏發(fā)電現(xiàn)狀及前景展望[J].中國科技成果 2002，15（4）：47—48.