【摘要】本系統(tǒng)由光線感應器和閉環(huán)控制器組成的自動控制裝置。采用伺服電機使感光太陽能電池板始終處垂直于太陽入射角，從而提高太陽能電池板對太陽能的吸收效率。本系統(tǒng)有四種工作狀態(tài)。一是常態(tài)（好天氣情況）下的對日跟蹤狀態(tài)；二是間歇式跟蹤，天氣為多云、陰天或惡劣天氣將暫停跟蹤，天氣轉(zhuǎn)好時繼續(xù)跟蹤；三是自動回位，本系統(tǒng)在日落后自動進入適應工作時，并自動回歸到太陽升起的方位。第二天再自動進入新一輪的運轉(zhuǎn)。四是惡劣天氣狀態(tài)的保護，當環(huán)境風速或降水等因素不適宜系統(tǒng)工作時，跟蹤儀會自動停止工作，以避免系統(tǒng)遭到破壞。

【關鍵詞】太陽跟蹤；自動化；感光太陽能電池板；伺服電機

引言

太陽能既是一次能源，又是可再生資源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源、減少污染的時代。太陽能的發(fā)展前景非常廣闊，利用太陽能發(fā)電已經(jīng)成為全球矚目的一個具有深遠意義的研究課題。但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)太陽能面臨的主要問題?，F(xiàn)在市場的固定式太陽能吸收系統(tǒng)不能充分吸收太陽能，造成一定程度的浪費。而太陽能自動跟蹤系統(tǒng)則很好的解決了這個問題。本文提出了一種由光線感應器和閉環(huán)控制器組成的自動跟蹤系統(tǒng)，此系統(tǒng)由光感測陣列感應太陽光斑的位置來確定太陽的高度和方位，通過閉環(huán)控制器來自動調(diào)整太陽能電池板的朝向，結(jié)構簡單，成本低，充分吸收太陽能，從而提高太陽能的吸收率。

1.自動跟蹤系統(tǒng)的組成和結(jié)構

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)由光線感應器、閉環(huán)控制電路和感光機架組成。

1.1光線感應器

光線感應器是由兩個組件即投光器及受光器所組成，利用投光器將光線由透鏡將之聚焦，經(jīng)傳輸而至受光器之透鏡，再至接受感應器，接受感應器將收到的光線訊號轉(zhuǎn)變成電信號，此電信號更可進一步作各種不同的開關及控制動作，其基本原理即對投光器及受光器間的光線做遮蔽動作所獲得的信號加以運用以完成各種自動化控制。

1.2閉環(huán)控制器

閉環(huán)控制器由光感測陣列和伺服電機組成。

1.2.1光感測陣列。采用一種光感測陣列的觸控顯示裝置，其特征在于包含一個作為觸控屏幕及能夠顯示畫面的透光玻璃，一個太陽光源，該光源在該透光玻璃上方以接觸或不接觸的方式滑移或點選，并令所射出的光線透過該透光玻璃；一個光感測陣列，該光感測陣列位于該透光玻璃的下方，用于感測來自該透光玻璃的上方的光源射出的光線，該光感測陣列包括數(shù)個感光單元，所述感光單元以陣列的方式配置，各感光單元供接收來自對應位置的光線；所述感光單元將接收到的光線轉(zhuǎn)換成電子信號；一個影像陣列處理器，用于接收來自該光感測陣列的電子信號，依據(jù)所傳送進來的電子信號判斷該光源在該透光玻璃上的位置坐標，并將該位置坐標所形成的軌跡轉(zhuǎn)化成對應該光筆移動形成的圖符所代表的指令；一個供影像輸出的電子信息裝置，該電子信息裝置包括一個處理器，該影像陣列處理器發(fā)出的指令送到該電子信息裝置的處理器中，以令該電子信息裝置執(zhí)行該指令；一個投影機，該投影機位于該透光玻璃的下方，該投影機連接該供影像輸出的電子信息裝置，該投影機用于接收該電子信息裝置的輸出影像，并將該輸出的影像投影到該透光玻璃上，而使得該透光玻璃顯示與該電子信息裝置的輸出影像相同的影像。

1.2.2伺服電機。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入訊號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所受到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移和角速度輸出。當信號電壓為零時自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下降。

1.2.3支架部分。在設計太陽能支架的過程中，不僅要考慮到材料自身重量和慣性的因素，還要考慮到投入應用以后，實際的自然條件的因素。大風是不可忽略的一個重要自然現(xiàn)象，這就要求支架足夠加固，固定太陽能電池板的齒輪和軸承足夠穩(wěn)定，足以承受大風所帶來的力的作用。

2.工作原理

在太陽光下太陽光束從進光口射入，由于進光口較小，太陽光束在受光器的透光玻璃上形成一個光斑，透光玻璃下方的光感測陣列，其分布在各個位置上的感應單元接受光線，將接收光信號轉(zhuǎn)換成電子信號，傳輸?shù)接跋裉幚砥鳎跋裉幚砥鞲鶕?jù)所接收的電子信號輸出指令，輸送到投影機，經(jīng)過處理后輸出在該透光玻璃顯示與電子信息裝置的輸出影像相同的影像，確定太陽的位置和角度，信號輸出伺服電機，電機主軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)過錐齒輪傳動，力矩傳遞到太陽能電池板的力臂桿中，從而使太陽能電池板始終垂直于太陽入射角。我采用的是常用的2個軸交角∑=90□的標準直齒錐齒輪進行傳動，以大端參數(shù)為標準值。[2]根據(jù)國家標準，通過齒輪的受力分析，主要計算齒面疲勞強度和齒根疲勞強度。在齒面疲勞強度計算時，則以齒寬中點處的當量齒輪作為計算依據(jù)；而直齒錐齒輪的彎曲疲勞強度可近似的按平均分度圓處的當量圓柱齒輪來計算；我采用的是2個完全相同的國家標準件直齒錐齒輪，其Z=20，m=3的直齒錐齒輪，其齒面疲勞強度和齒根疲勞強度都符合標準。[3]加工標準直齒圓柱齒輪時，h*=1，α=20不發(fā)生跟切的最少齒數(shù)Zmin=17，而圓錐齒輪不發(fā)生跟切的最小齒數(shù)Zmin=ZminCOSδ， 式中Zmin為圓錐齒輪的當量齒輪不發(fā)生跟切的最少齒數(shù)，COSδ<1，Z=20>Zmin=17，所以選的錐齒輪完全符合標準。

3.結(jié)論

通過使用光感測陣列控制，本系統(tǒng)可完全實施對太陽的自動跟蹤，并且有四種工作狀態(tài)，能夠應對各種天氣情況，充分利用太陽能，提高了太陽能的吸收率，完全自動化，無需人工控制，同時考慮到了支架結(jié)構的抗壓能力，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效。

注：本作品在第七屆全國3D大賽獲省級三等獎

參考文獻

[1]孫鐵偉.向日自動化感光太陽能板.全國3D大賽.工業(yè)與工程設計大賽.

[2]濮良貴，紀名剛.機械設計第七版.高等教育出版社，2001.

[3]孫桓，陳作模.機械原理.高等教育出版社，2004.