馬廣田

（集美大學 輪機工程學院，廈門 361000）

基于菲涅爾透鏡聚熱器的太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計

馬廣田

（集美大學 輪機工程學院，廈門 361000）

太陽光線經(jīng)過聚焦菲涅爾透鏡折射匯聚到焦點處，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右岳?，為確保焦點溫度恒定且位置相對固定，現(xiàn)設(shè)計了一種南北方向傾斜布置，東西方向自動追蹤的太陽追蹤系統(tǒng)，主要設(shè)計包括：支架安裝位置及結(jié)構(gòu)設(shè)計、追蹤傳感單元設(shè)計、控制電路設(shè)計和控制策略設(shè)計，該太陽追蹤系統(tǒng)可保證平面點聚焦菲涅爾透鏡能較好地進行太陽追蹤。

菲涅爾透鏡聚熱器太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計

引言

太陽能是一種用之不竭且具有良好經(jīng)濟性的清潔能源，具有廣闊的市場前景［1-2］?；诜颇鶢柾哥R對太陽光線的折射聚焦作用，將分散的太陽能集中到焦點處，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右岳玫姆绞绞亲顬橹苯忧页杀咀畹吞柲軕眉夹g(shù)。這主要是因為，菲涅爾透鏡是一種使用PMMA材料加工的只保留光學表面而去除內(nèi)部材料的透鏡，具有重量輕、聚光性能好且性價比較高的特點。由于太陽光線射向地球表面時始終存在著高度角和方向角，且角度時刻變化，為保證陽光始終垂直鏡面入射，達到最佳聚光效率，本文闡述了一種用于平面點聚焦菲涅爾透鏡的太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計方案，該設(shè)計方案同時保證焦點位置相對穩(wěn)定，便于熱能的利用。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計包括支架結(jié)構(gòu)及安裝位置設(shè)計、追蹤傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1.1支架結(jié)構(gòu)及安裝位置設(shè)計

太陽光線射向地球表面時始終存在著高度角和方向角，且角度時刻變化。因此，所設(shè)計的太陽追蹤系統(tǒng)實質(zhì)是將追蹤分為：南北方向平面內(nèi)的高度角追蹤和東西方向平面內(nèi)的方位角追蹤。

廈門處于低緯度地區(qū)，太陽高度角變化較小，且平面點聚焦菲涅爾透鏡采用折射聚光方式，不宜采用較為復雜的追蹤裝置，所以整套模型擬采用南北傾斜布置（手動調(diào)節(jié)追蹤太陽高度角），東西追蹤（自動調(diào)節(jié)追蹤太陽方位角）的方式進行太陽追蹤，保證透鏡中心的軌跡在三維空間內(nèi)近似一個以焦點位置為球心，焦距為半徑的球面，確保太陽光線始終近似垂直射入菲涅爾透鏡，且焦點始終相對穩(wěn)定。

南北方向進行傾斜布置時，考慮到太陽的高度角，整套裝置應安裝于一傾斜平臺上，且平臺傾斜程度可人工調(diào)節(jié)。斜臺由底面、斜面和導塊組成。底面與斯特林發(fā)動機基座平行，高度等于斯特林發(fā)動機模型受熱部件加熱點到安裝基座的距離；斜面與底面經(jīng)一旋轉(zhuǎn)軸相連，旋轉(zhuǎn)軸位于過斯特林發(fā)動機模型受熱部件加熱點且與受熱部件中軸線相平行的直線上；導塊位于斜面與底面之間，除用于承重之外，通過改變導塊的位置，即可改變斜臺的傾斜程度，南北方向上，斜臺原理如圖1所示。

圖1南北方向平面內(nèi)斜臺原理圖

為實現(xiàn)東西追蹤，選取一臺雙向直流電動機用以驅(qū)動支撐平面型點聚焦菲涅爾透鏡聚熱器的支架實現(xiàn)繞支撐軸的順、逆時針的轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動軌跡呈圓周狀；使用控制單元通過控制電路對雙向直流電動機進行轉(zhuǎn)動方向及啟停的控制；控制單元外接太陽追蹤傳感單元；同時在支架上分別預留出追蹤傳感單元的安裝位置。

支架的作用在于支撐平面型點聚焦菲涅爾透鏡聚熱器，并可以繞支撐軸進行順、逆時針的圓周轉(zhuǎn)動。為保證聚熱器透鏡焦點始終位于斯特林發(fā)動機模型受熱部件加熱點附近，在設(shè)計時，支架安裝與斜臺斜面之上，且支架主臂與斜臺的斜面相垂直。支架主臂與側(cè)臂呈90°夾角，主臂與側(cè)壁間使用梁連接，在主臂與側(cè)臂所構(gòu)成平面上形成三角形，從而起到加固的目的。主臂上部留有空間用于安裝追蹤傳感單元，并在銜接處使用梁進行加固。支架主臂能夠以支撐軸上的一點（旋轉(zhuǎn)中心）為圓心，以透鏡焦距f為半徑做圓周轉(zhuǎn)動，其示意圖如圖2所示。旋轉(zhuǎn)中心與斯特林發(fā)動機模型受熱裝置加熱點位于同一水平平面內(nèi)，且兩點之間距離等于透鏡鏡面中心距支架主臂的距離。支架正視簡圖如圖3所示，側(cè)視簡圖如圖4所示。

1.2追蹤傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

選用光敏二極管作為光線傳感器原件，追蹤傳感單元安裝于支架主臂上方預留位置處，且安裝后追蹤傳感的軸線與主臂平行。追蹤傳感單元主體由三個光敏二極管組成。三個光敏二極管豎直排成一列安裝在底板上，由左至右分別標號為1、0、2，相鄰的兩個光敏二極管之間要留有適當?shù)木嚯x，光敏二極管安裝位置如圖5所示。

圖2東西方向平面內(nèi)運動軌跡圖

圖3支架正視圖

圖4支架側(cè)視圖

圖5光敏二極管安裝位置圖

將一個頂端開有一圓形小口的遮光箱安裝在底板之上，光敏二極管都位于遮光箱內(nèi)。遮光箱長度與寬度與底板長寬相等等于L，寬度等于D（D為光敏二極管直徑）。遮光箱頂部的圓形開口位于中間標號0的光敏電阻正上方，直徑為D。追蹤傳感單元三視圖如圖6所示。

追蹤傳感單元原理如圖7所示，當太陽光線垂直射入追蹤傳感單元時，光線會透過遮光箱上的圓形開口落在標號0處的光敏二極管上，此時標號0處的光敏二極管阻值最小，0號二極管處于導通狀態(tài)，可認為此時0號光敏二極管為受照射二極管。當太陽光線的入射角度發(fā)生偏移時，視光線具體的偏移方向，光線會射到標號1或2處的光敏二極管上。為了避免出現(xiàn)太陽光線同時照射到兩個光敏二極管的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導致太陽追蹤裝置判斷失靈，相鄰的兩光敏二極管之間應保留適當?shù)木嚯x；同時為了提高追蹤精度，也應盡可能地加長遮光箱的高度至合理區(qū)間內(nèi)。其原理是：設(shè)光線在1號光敏二極管的照射點距0號光敏二極管中心點距離為l，圓形開口中心到0號光敏二極管中心的距離為H，入射光線與法線夾角為β，由三角函數(shù)正弦定理可知tanβ=l/H，當距離l一定時，H越大，β角就越小，追蹤精度就會越高。但并不是遮光箱高度H越大越好，當高度H過大時，太陽光線可能會照射至遮光箱內(nèi)壁上，從而導致追蹤裝置失靈。綜上，為提高追蹤裝置的追蹤精度，光敏二極管應合理布置，相鄰的兩二極管之間應相距適當距離；正確地選擇遮光箱箱體高度。

圖6追蹤傳感單元三視圖

圖7追蹤傳感單元原理圖

2　控制電路設(shè)計

電路中所應用的主要元件包括光敏二極管、三極管、電磁繼電器、AT89C51單片機和LM324芯片。AT89C51單片機端口分配情況如表1所示。

表1單片機端口分配表

LM324芯片是由四個相同的運算放大器集合而成，其中，引腳1、2、3的運算放大器標記為AL1，引腳5、6、7的運算放大器標記為AL2，引腳8、9、10運算放大器的標記為AL3，引腳12、13、14運算放大器的標記為AL4。

2.1光電檢測電路設(shè)計

（1）判斷晝夜電路設(shè)計。在判斷晝夜電路中，選用一個2CU1E型號的光敏二極管作為檢測原件，運用LM324芯片中的 AL3運算放大器做比較電路，AL3輸出端接到單片機中斷0引腳，如圖8所示。

圖8判斷黑天白天電路圖

所示的各個電阻阻值，滿足區(qū)分白天和黑夜的光照強度標準。白天當光照強度達到標準時，AL3輸出高電位至中斷0引腳，單片機檢測到中斷0引腳處于高電位狀態(tài)時，進入晴天陰天判斷狀態(tài)；入夜時，當光照強度低于標準時，AL3輸出低電位至中斷0引腳，向單片機發(fā)出中斷信號，單片機從而進入等待狀態(tài)。

（2）判斷晴天陰天電路設(shè)計。判斷晴天陰天電路與判斷晝夜電路的原理相同，區(qū)別在于單片機接口、電路中各個電阻阻值大小以及光敏二極管型號。在判斷晴天陰天電路中：選用2CU101D型號的光敏二極管，運用LM324芯片中的 AL4運算放大器做比較電路，AL4運算放大器的輸出端與單片機P0.4引腳相連接，電阻阻值同樣由實驗確定，滿足區(qū)分晴天陰天的光照強度標準。

（3）太陽追蹤電路設(shè)計。太陽追蹤電路圖如圖9所示，標號0、1、2的光敏二極管分別用D0、D1和D2表示。太陽追蹤傳感單元中三個光敏二極管的負端接到電源正極，正端分別串聯(lián)一電阻后，連接至電源負極。LM324芯片中的AL1運算放大器用于D0與D1光敏二極管的比較，AL2運算放大器用于D0與D2光敏二極管的比較。D0光敏二極管正端分別與 AL1和AL2的同相輸入端相連接，D1光敏二極管正端接至AL1的反相輸入端，D2光敏二極管正端接至AL2的反相輸入端。AL1、AL2的輸出端分別與單片機P2.0、P2.1引腳相連。

當太陽光線照射至D0光敏二極管處，D1和D2光敏二極管被遮擋時，D0處于導通狀態(tài)，D1和D2處于截止狀態(tài)。此時，AL1和AL2同相輸入端電位高于反相輸入端電位，由運算放大器工作原理可知，AL1、AL2分別輸出高電位至引腳P2.0、P2.1處。

為保證追蹤系統(tǒng)正常的運轉(zhuǎn)，分別調(diào)節(jié)電阻R0、R1、R2至一合理數(shù)值，確保當D0處于遮擋狀態(tài)時，D1和D2中同樣處于遮擋狀態(tài)的光敏二極管所對應的運算放大器輸出高電位，而受到太陽光線照射的光敏二極管所的應的運算放大器輸出低電位。具體分析過程如下：

當D1受到陽光照射，D0和D2被遮擋時，D1處于導通狀態(tài)，D0和D2處于截止狀態(tài)。AL1運算放大器的同相輸入端電位低于其反相輸入端電位，由運算放大器工作原理可知，AL1運算放大器將輸出低電位至單片機P2.0引腳處，對應D2的引腳P2.1繼續(xù)維持高電位。同理，當D2受到陽光照射，D0和D2被遮擋時，單片機P2.0引腳處于高電位，P2.1引腳處于低電位。單片機通過檢測引腳P2.0和P2.1電位的高低，進而控制電機的啟停及轉(zhuǎn)向。

2.2控制電路設(shè)計

按控制目的劃分，可將控制電路分為電機控制電路和陰天指示燈控制電路。其中，電機控制電路可細分成電機順時針轉(zhuǎn)動控制電路和電機逆時針轉(zhuǎn)動控制電路。因此，整個控制電路包含有三個子電路。雖然控制目的不同，但三個子電路的組成和結(jié)構(gòu)卻完全相同。

一個子控制電路如圖10所示，三極管發(fā)射極E與5伏特電源正極相連，集電極C與電源負極相連，基極B串聯(lián)電阻R2與單片機引腳相連，為保證當單片機引腳輸出高電位時，三極管處于截止狀態(tài)，引入一適當阻值的電阻R1作為拉電阻，為保護繼電器K的線圈不受到反向電壓的沖擊，應引入二極管，反向接在線圈兩端。當三極管基極連接在單片機引腳P1.4時，表示電機順時針轉(zhuǎn)動控制子電路；當三極管基極連接在單片機引腳P1.5時，表示電機逆時針轉(zhuǎn)動控制子電路；當三極管基極連接在單片機引腳P1.6時，表示陰天指示燈控制子電路。

圖9太陽追蹤電路設(shè)計

圖10控制電路圖

以電機順時針轉(zhuǎn)動電路為例，連接單片機引腳P1.4時，表示控制電機順時針轉(zhuǎn)動電路?？刂扑悸啡缦拢禾栕粉欕娐分械墓饷舳O管D1受到照射，D0和D2被遮擋時，D1處于導通狀態(tài)，D0和D2處于截止狀態(tài)。通過編寫的相關(guān)程序，單片機在檢測到P2.0引腳為低電位，P2.1引腳位于低電位時，將引腳P1.4清零，三極管由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)為導通，電磁繼電器通電，常開觸電閉合，電機順時針轉(zhuǎn)動。

3　控制策略設(shè)計

整個系統(tǒng)的控制策略是：系統(tǒng)開機，單片機通電后自動復位，進入初始狀態(tài)。首先進行晝夜的判斷，如果黑天，運行中斷程序，單片機進入待機狀態(tài)；如果白天，則開始進行晴天陰天的判斷。陰天時，陰天指示燈亮起，單片機重新運行判斷晴天陰天程序；晴天時，單片機開始運行太陽追蹤程序。流程如圖11所示。

圖11系統(tǒng)控制策略流程圖

白天黑天的判斷是通過檢測引腳 INT0的電位來完成。INT0引腳高電位代表白天，單片機開始運行判斷晴天陰天程序；INT0引腳低電位代表夜晚，單片機運行中斷程序，進入待機狀態(tài)，直到白天。陰天晴天的判斷是通過檢測引腳P0.4的電位來完成。P0.4引腳高電位代表晴天，單片機開始運行太陽追蹤程序；P0.4引腳低電位表示陰天，陰天指示燈亮起。太陽追蹤程序的運行是通過檢測引腳P2.0和P2.1的電位來完成的。當P2.0、P2.1都處于高電位時，表明太陽照射中央光敏二極管D0，電機不需要轉(zhuǎn)動，且支架維持當前位置10min（查閱文獻得知：存在相關(guān)實驗證明，某一時刻的太陽光線入射角度在15min內(nèi)的偏差可忽略不計［3］。因此，為保證追蹤精度，延時時間設(shè)定為10min）；當P2.0處于低電位，P2.1處于高電位時，表明太陽照射光敏二極管D1，單片機將引腳P1.4清零，電機將順時針轉(zhuǎn)動；當P2.0處于高電位，P2.1處于低電位時，表明太陽照射光敏二極管D2，同理可知電機將順時針轉(zhuǎn)動。太陽追蹤程序流程如圖12所示。程序代碼使用C51語言編寫。

圖12太陽追蹤程序流程圖

4結(jié)束語

上述所設(shè)計的太陽追蹤系統(tǒng)可顯著提升菲涅爾透鏡聚光器的聚光性能，在偏遠海島以及遠洋海工平臺上有著廣闊的市場空間。

［1］戴聞.太陽能利用前景光明［J］.物理學報，2003，（08）.

［2］M.M.Ardehali，M.Shahrestani，Charles.C.Adams.Energy simulation of solar assisted absorption system and examination of clearness index effectsonauxiliaryheating［J］.EnergyConversionand Management，2007，48.

［3］趙麗偉.太陽自動追蹤系統(tǒng)的研究［E］.吉林：吉林大學，2006.

Design of Solar Tracking System Based on Finel Lens

MA Guangtian
（Marine Engineering College，Jimei University，Xiamen 361000）

The sun's rays through the Fresnel lens refraction are gathered to the focal point，transforming the solar energy for heat energy to be used.To ensure that the focus of constant temperature andrelativelyfixedposition，wedesigneda north-southdirection oblique arrangement，east-west direction automatic tracking sun tracking system and design mainly include：mounting position and structure design，tracking sensing unit design，control circuit design and control strategy design and the sun tracking system can ensure the better for solar tracking of planar point focus Fresnel lens.

Finel lens heat collector；solar tracking system；design