太阳能自动跟踪系统的探讨

太阳能自动跟踪系统的探讨

赵国威

佛山市顺德五沙热电有限公司

摘要：太阳能作为一种绿色可再生能源，对其充分利用是非常重要的。文章在介绍了太阳能自动跟踪系统工作原理及特性的基础上，对系统各种跟踪方式和传动方式的优缺点进行了总结及分析。为了解决目前跟踪误差大、跟踪执行稳定性不高等问题，结合太阳能自动跟踪系统的研究现状，指出了太阳能自动跟踪系统的诸多研究热点，为研究一种跟踪精度高、成本低、能耗低、运行可靠、维护方便的太阳能自动跟踪系统奠定了一定的理论基础。

关键词：太阳能跟踪；控制系统；跟踪方式；执行机构；传动机构

引言：太阳能作为全世界公认的一种干净能源，它相对于传统的化石能源有三大长处：第一：它是目前为止人类可以使用的分布最广的能源之一。从太阳诞生之时到现在的几亿年中，太阳损耗的能量不到它本身总能量的百分之二。目前太阳正处于壮年期，它所剩下的能量还可供地球消耗几十亿年之久。第二：在地球的每个角落都有太阳能的分布。无论是在炎热的非洲还是寒冷的极地太阳能都是一种方便获得便捷能源。特别是在那些不利于架设电网线路的地区，更能突出太阳能发电的重要性。第三：太阳能作为清洁能源，在作为一次能源发电时不会对环境造成污染，大力发展太阳能发电还可减少化石燃料燃烧，对缓解环境污染有积极作用。

1、太阳能跟踪系统概述

太阳能自动跟踪系统主要包括控制系统和执行机构两部分。系统工作时，先由控制系统计算或判断太阳位置信息，而后输出控制信号，经过执行机构的具体控制，使工作平台转向期望的对准位置，完成对太阳的跟踪动作。

太阳能自动跟踪系统按照控制系统跟踪方式的不同可以分为：视日轨迹跟踪系统、光电跟踪系统、基于数字图像处理的跟踪系统和混合跟踪系统。按照执行机构的不同可以分为：单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。

2、跟踪装置的分类

各种型式的装置，从简单到复杂，应用于太阳能自动跟踪，主要可以分成两大类，即机械系统和电控系统，电控系统一般说来有较高的稳定性和跟踪精度。电控系统又可以进一步分为两大类：（1）用光学传感器作为反馈的模拟控制系统；（2）计算机根据数学公式跟踪太阳的位置，并使用光学传感器作为反馈数字系统。基于传感器工作的模拟系统适应性较差，在多云天气会盲目跟踪云层边沿的亮斑，造成能源的浪费和机械的额外磨损。数字系统通常被认为具有更高的精度和更好的适应性，但它们是复杂和昂贵的。如果适当地对系统的计算对象进行简化，就可以用成本较低的单片机代替昂贵的可编程控制器或者微型机实现数字化的跟踪控制系统，大大降低了系统的成本，同时保持了数字系统特有的灵活性和准确性。

3、系统的构成与工作原理

本文提出的是一种基于单片机控制的双轴太阳能自动跟踪系统，系统主要由采光聚光装置（一组透镜镜头）、日光位置传感器、调整执行机构、信号反馈系统、控制电路等部分组成，系统结构图如图1所示。

3.1调整执行机构

调整执行机构是太阳自动跟踪系统的载体。在图1中，日光位置传感器安装在采光聚光装置的中心部位上，采光聚光装置安装在由销轴、支架、齿轮底座及轴承、步进电机所组成的调整执行机构的支架上，调整执行机构中的垂直方向步进电机可对采光聚光装置垂直方向上的角度进行调整，水平方向的步进电机可通过齿轮、支架对采光聚光装置水平方向上角度进行调整。

3.2信号反馈系统

信号反馈系统主要由日光位置传感器和一些信号处理单元组成。日光位置传感器主要由上下左右对装的两对光电传感器组成，在图1中所示的采光聚光装置表面的中心处安装一块中心法线方向与装置表面垂直、与装置表面趾离等于其焦距的透镜，再把该装置安装在能够用步进电机调整其水平和垂直两个方向角度的调整执行机构的支架上。在透镜中心法线对准太阳时，通过透镜的光线汇聚的焦点设为光斑中心，如图2所示。在光斑中心四周各安装一对光电传感器并分别与个差分放大器连接，再把两个差分放大器连接在信号处理系统上，信号处理系统和调整执行机构是相连的。

当镜头聚焦在那里时，光电传感器输出相应电信号的相对变化强度，电信号通过差分放大器放大的变化强度将被发送到信号处理系统，信号处理系统将放大后较强、较弱的电信号转换为调整执行器所需的脉冲信号。脉冲信号传输到调整镜头的角度法线的致动器，让它来调整水平和垂直方向，使焦点的中心位置，在水平和垂直两个光电传感器输出信号的平衡，从而使光点总是在准确的位置，以便正常的镜头总是指向太阳。我们调整透镜中心法线的角度，以实现光源聚光器始终面向太阳。

当法向透镜中心精度指向太阳的方向时，通过透镜的光集中在中心点的焦点上，在那里各种光电传感器的信号光强是相等的，不再相对地改变输出信号，调整执行机构不工作，使我们可以使正常镜头中心始终精确对准，太阳总是垂直于阳光在光线聚焦装置上的表面，达到精确跟踪太阳的目的。通过调整光电传感器与点位中心的距离来调整跟踪系统的跟踪精度。

3.3控制电路

控制电路由单片机、步进电机驱动电源（脉冲分配器和功率驱动）、步进电机及其他传动装置等部分组成，其控制框图如图3所示。

图3中，单片机给出脉冲信号，经脉冲分配器产生步进电机工作方式所需的各相脉冲信号，功率驱动电路对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机所需的激励电流。

基于步进电机驱动控制系统，具有价格低廉、控制简单、易于维护、步进电机作为离散执行机构等优点，广泛应用于数控及其它自动化设备中。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移和线位移驱动器，步进驱动器控制的缓冲寄存器、环形分配器、逻辑门和积极的和消极的形式，可以将输入的电脉冲转换成环形脉冲，为了控制步进电机，功率放大器来提高驱动能力。控制脉冲频率，对应于控制步进电机的速度；控制脉冲数对应于控制步进电机的步距角。因此，步进电机的速度与脉冲频率成正比。步进电机的运行步距角与脉冲数成正比，即脉冲频率越高，脉冲数越多，步进电机的运行速度和步距角越高。因此，对步进电机脉冲的有效控制可以提高步进驱动系统的控制精度。

基于单片机的步进电机控制系统，具有线路简洁、性能良好、成本低、可靠性高等特点，在高精度控制系统设计应用中取得了良好效果，步进电机的启动、停车、反转以及其他任何方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定频率范围内运行时，运行平稳，不丢步。本文采用单片机来控制步进电机的各种运行方式，这种软件与硬件相结台的控制方法，不仅灵活可靠，而且充分发挥了软件的作用，从而达到了用微机实现对步进电机的快速最佳控制的目的。以单片机为核心，通过对步进电机的转向、转速、位置和加减速的控制，再进一步运用步距角细分驱动技术，使得不需要采用精密的传感器，就能使步进电机构成精确的开环控制系统，随着相关技术的进一步发展，步进电机精确控制技术必将越来越完善，其应用也将越来越深入。

3.4系统的工作原理

图4是太阳能自动跟踪系统的工作原理框图.整个系统的主要有由四个光电传感器、高度角跟踪电路、方位角跟踪电路、高度角变换驱动电路、方位角变换驱动电路以及夜停电路组成。

四个光电传感器按图2所示的方式安装，它们的作用就是检测太阳的水平方向和垂直方向的角度（即太阳方位角和高度角），使太阳光与采光聚光装置保持垂直状态；上面、下面光电传感器的输出端分别连接在高度角跟踪电路的两个输入端上，高度角跟踪电路的输出端连接在高度角变换驱动电路的输入端上，通过传动机构驱动图1中垂直方向步进电机的运转，达到调节太阳高度角的目的；左面、右面光电传感器的输出端分别连接在方位角跟踪电路的两个输入端上，方位角跟踪电路的输出端连接在方位角变换驱动电路的输入端上，驱动图1中水平方向步进电机的运转，达到调节太阳方位角的目的；光敏电阻的输出端连接夜停电路的输入端，夜停电路的一个输出端连接高度角跟踪电路的电源端，另一个输入端连接方位角跟踪电路的电源端。如此设置的原理是当天黑后光敏电阻的阻值发生变化，这种变化通过夜停电路给高度角跟踪电路和方位角跟踪电路断电，使系统在黑夜时处于停电休眠状态：反之，天亮后光敏电阻通过夜停电路给高度角跟踪电路和方位角跟踪电路恢复供电，从而使系统继续工作。

4、结语

本文所提出的太阳能自动跟踪系统具有如下特点：

（1）可以利用单片机实现成本较低的数字化太阳跟踪系统；

（2）虽然经过简化，在太阳跟踪控制中，单片机系统具备较好的稳定性，并能够达到相当好的精确度，同时具备模拟系统不具备的灵活性；

（3）利用光学传感器，单片机系统可以实现位置的自动调整。

综上所述，具有可靠性高、灵敏度高、结构紧凑合理、抗风能力强、实用性强等特点的太阳能自动跟踪系统能够从根本上解决实际应用中的难题，是一个很好的项目，值得推广和应用。

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