论文部分内容阅读
【摘 要】太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，然而它也存在缺点，能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。其中采用自动追踪设备能有效提高太阳能电池板发电效率，本文从追踪方式介绍了几种方法，并分析了其优缺点。
【关键词】自动追踪；太阳能；效率
1.引言
太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，由于其能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，所以太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，有必要进行太阳追踪。
2.不同自动追踪方式
目前，各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统，机械系统一般又可分为压差式和控放式，而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式[1]。本文对以往常见的跟踪系统作简要介绍。
（1）压差式太阳能跟踪器
压差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。
气压差式跟踪装置的采光板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压差达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为0.1MPa的自来水作为跟踪动力（若无自来水，可装一只容积为2kg的压力水箱）带动采光板跟踪太阳。当采光板对准太阳时，管内压力平衡，压差执行器又发出停止跟踪信号。这种跟踪器的跟踪灵敏度高，每天当太阳刚升起3-5分钟后，采光板即跟踪对准太阳。
与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。重力差式跟踪器是1979年美国公布的一项专利。这种太阳跟踪器在夜间能自动返回原来的位置。这种跟踪器在实际中应用范围很广，其主要的优点是：结构比较简单，制作费用低。缺点是刚度低，没有足够的工作空间，而且一般只用于单轴跟踪，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间的运动的跟踪，只能每隔一段时间，重新对准阳光，因此精度比较低。
（2）控放式太阳跟踪器
控放式太阳能跟踪器在[2]太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构。
控放式跟踪器能对太阳进行单轴跟踪。它由配重块8、弹簧1、杠杆2、制动装置6、电磁3组成，如图1所示。
控放式跟踪器的工作原理是：由于在集热装置7的西侧装有配重块8，在重力的作用下，集热装置便会绕轴4自东向西转动。重力的控放由弹簧1通过制动装置6和杠杆2来实现。弹簧l则由电磁铁3控制。电磁铁3的动力又由硅太阳能电池板供给。电池装在集热装置的上方，前面设有遮光板，当集热装置对准太阳时恰好遮住阳光，使太阳能电池处于阴影区。一旦太阳西移，遮光板的阴影随之移动，太阳能电池便受到阳光照射，输出一定数值的电流，从而发出偏移讯号。讯号经晶体管放大，使高灵敏的继电器动作，并通过执行继电器控制电磁铁吸合，于是制动装置松开，集热装置向西旋转，直至对准阳光。第二天，只要将集热装置用人工转至向东的位置，便可开始新的跟踪。控放式跟踪器适合于聚光型的采装置，如聚光型热水器、太阳灶等。
（3） 视日运动轨迹跟踪
视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。视日运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。
1）极轴式全跟踪
极轴式全跟踪原理如图2所示：聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式步并不复杂.但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。
2） 高度角—方位角式全跟踪
高度角一方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图3所示。集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜而的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。
（4） 光电式太阳跟踪器
光敏硅光电管等作为一种利用光作用使半导体材料的电导率显著变化的光敏传感器[3]，常见的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。目前国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器。通常在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳。当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由单片机接收信号，并发出脉冲信号来控制步进电机的动作，达到自动追踪太阳的目的。
3.存在问题及应对措施
综合前面两种追踪方式，其控制精度低，第二天不能自动返回初始位置，自动化程度不够；采用方位角和高度角追踪时，不论雨天阴天全部都需要追踪，自耗能增加，没有充分提升绝对的发电量；在采用光电跟踪时，探测头的思路决定成败。
笔者给出一种光电自动跟踪系统检测头方案，光传感器采用3 支光敏电阻，分别采集水平和垂直方向的光强度信号。由光敏电阻傳感器将水平（方位角） 和垂直（倾斜角）方向的光强度信号送入单片机，经A/ D 转换后，进行比较处理，当其3 个数值相同时说明太阳光与光伏电池阵列平面垂直，单片机不发出控制信号，电机不转，保持太阳能电池板的偏转角度；若其3 个数值不同，单片机将进一步判断是方位角还是倾斜角出现偏差，从而发出相应驱动控制信号驱动芯片工作，控制电机转动，再通过传动机构和减速机构进行运动的传递和扭矩的转换，从而带动太阳能电池板转动，以消除角度偏差，重新使太阳光与太阳能电池板垂直，这样周而复始的工作，实现实时跟踪的目的。为了节电，当程序查询出光强达到一定值时系统才开始跟踪，低于阀值时即停止跟踪，消除了振荡现象；在多云或阴天要控制电机间歇工作，而在夜间则自动关闭电源，达到节电的目的。
4.结束语
为了充分利用太阳能资源，前人提出了若干种追踪方法，综合现在工业发展水平，可以预见开发成本低，精度高的全自动追踪系统是将来的重点研究方向。
参考文献：
[1]章之华.步进式太阳自动跟踪装置.能源研究与应用，1995，4（5）：18-19.
[2]韦宁，闻汉忠，唐朴.控放式自动跟踪系统的研制.江苏盐城新能源研究所.
[3]徐文灿，袁俊，严伟等.太阳能自动跟踪系统的探索与实验.物理实验，2000，23.
【关键词】自动追踪；太阳能；效率
1.引言
太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，由于其能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，所以太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，有必要进行太阳追踪。
2.不同自动追踪方式
目前，各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统，机械系统一般又可分为压差式和控放式，而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式[1]。本文对以往常见的跟踪系统作简要介绍。
（1）压差式太阳能跟踪器
压差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。
气压差式跟踪装置的采光板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压差达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为0.1MPa的自来水作为跟踪动力（若无自来水，可装一只容积为2kg的压力水箱）带动采光板跟踪太阳。当采光板对准太阳时，管内压力平衡，压差执行器又发出停止跟踪信号。这种跟踪器的跟踪灵敏度高，每天当太阳刚升起3-5分钟后，采光板即跟踪对准太阳。
与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。重力差式跟踪器是1979年美国公布的一项专利。这种太阳跟踪器在夜间能自动返回原来的位置。这种跟踪器在实际中应用范围很广，其主要的优点是：结构比较简单，制作费用低。缺点是刚度低，没有足够的工作空间，而且一般只用于单轴跟踪，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间的运动的跟踪，只能每隔一段时间，重新对准阳光，因此精度比较低。
（2）控放式太阳跟踪器
控放式太阳能跟踪器在[2]太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构。
控放式跟踪器能对太阳进行单轴跟踪。它由配重块8、弹簧1、杠杆2、制动装置6、电磁3组成，如图1所示。
控放式跟踪器的工作原理是：由于在集热装置7的西侧装有配重块8，在重力的作用下，集热装置便会绕轴4自东向西转动。重力的控放由弹簧1通过制动装置6和杠杆2来实现。弹簧l则由电磁铁3控制。电磁铁3的动力又由硅太阳能电池板供给。电池装在集热装置的上方，前面设有遮光板，当集热装置对准太阳时恰好遮住阳光，使太阳能电池处于阴影区。一旦太阳西移，遮光板的阴影随之移动，太阳能电池便受到阳光照射，输出一定数值的电流，从而发出偏移讯号。讯号经晶体管放大，使高灵敏的继电器动作，并通过执行继电器控制电磁铁吸合，于是制动装置松开，集热装置向西旋转，直至对准阳光。第二天，只要将集热装置用人工转至向东的位置，便可开始新的跟踪。控放式跟踪器适合于聚光型的采装置，如聚光型热水器、太阳灶等。
（3） 视日运动轨迹跟踪
视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。视日运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。
1）极轴式全跟踪
极轴式全跟踪原理如图2所示：聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式步并不复杂.但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。
2） 高度角—方位角式全跟踪
高度角一方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图3所示。集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜而的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。
（4） 光电式太阳跟踪器
光敏硅光电管等作为一种利用光作用使半导体材料的电导率显著变化的光敏传感器[3]，常见的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。目前国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器。通常在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳。当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由单片机接收信号，并发出脉冲信号来控制步进电机的动作，达到自动追踪太阳的目的。
3.存在问题及应对措施
综合前面两种追踪方式，其控制精度低，第二天不能自动返回初始位置，自动化程度不够；采用方位角和高度角追踪时，不论雨天阴天全部都需要追踪，自耗能增加，没有充分提升绝对的发电量；在采用光电跟踪时，探测头的思路决定成败。
笔者给出一种光电自动跟踪系统检测头方案，光传感器采用3 支光敏电阻，分别采集水平和垂直方向的光强度信号。由光敏电阻傳感器将水平（方位角） 和垂直（倾斜角）方向的光强度信号送入单片机，经A/ D 转换后，进行比较处理，当其3 个数值相同时说明太阳光与光伏电池阵列平面垂直，单片机不发出控制信号，电机不转，保持太阳能电池板的偏转角度；若其3 个数值不同，单片机将进一步判断是方位角还是倾斜角出现偏差，从而发出相应驱动控制信号驱动芯片工作，控制电机转动，再通过传动机构和减速机构进行运动的传递和扭矩的转换，从而带动太阳能电池板转动，以消除角度偏差，重新使太阳光与太阳能电池板垂直，这样周而复始的工作，实现实时跟踪的目的。为了节电，当程序查询出光强达到一定值时系统才开始跟踪，低于阀值时即停止跟踪，消除了振荡现象；在多云或阴天要控制电机间歇工作，而在夜间则自动关闭电源，达到节电的目的。
4.结束语
为了充分利用太阳能资源，前人提出了若干种追踪方法，综合现在工业发展水平，可以预见开发成本低，精度高的全自动追踪系统是将来的重点研究方向。
参考文献：
[1]章之华.步进式太阳自动跟踪装置.能源研究与应用，1995，4（5）：18-19.
[2]韦宁，闻汉忠，唐朴.控放式自动跟踪系统的研制.江苏盐城新能源研究所.
[3]徐文灿，袁俊，严伟等.太阳能自动跟踪系统的探索与实验.物理实验，2000，23.