太阳能跟踪器工作原理及其各模块的设计

　　太阳能跟踪控制器的发展状况

　　当前，各种类型的太阳能跟踪控制系统，可以分为两类：机械跟踪系统和电控跟踪系统。机械跟踪系统一般为压差式。电控跟踪系统可分为光电传感式跟踪控制系统和视

　　日运动轨迹跟踪系统［3］。下面分别对这些系统作简要的介绍［4］：

　　（1）压差式跟踪

　　系统的基本工作原理是：跟踪系统没有对准太阳，即太阳能光线没有垂直照射到系统时，系统内部密闭容器两侧受光而积不同，介质会因光照的不同发生相应的物理变化，产生不同的压力，从而在两侧形成压力差。在这种压力差的作用下，使跟踪控制系统做相应方向的运动，重新调整，直到两侧的压力相同。此时，容器两侧受光相同，系统对准到太阳。根据密闭容器里存储的介质，可以将压差式太阳能跟踪系统分为液压差式、气压差式、重力差式等。这类跟踪控制系统机构结构简单，造价较低，不用电子控制部分和外部电源，为纯机械控制系统。但该系统有局限性，一般只能用于单轴跟踪系统，跟踪精度很低。因此，此系统仅适用于一般用户的低需求时采用。

　　（2）光电传感式太阳能跟踪控制

　　光电传感式太阳跟踪控制系统采用光敏硅光电管、硅光电池等元件。目前国内较常用的光电跟踪系统有电动式、重力式、电磁式。这些光电跟踪控制系统都采用光敏元件作为传感器。在这类跟踪控制系统中，传感器一般安装在采光板上或固定的位置，通过电机的转动来调整采光板的位置使采光板正对太阳。当太阳向西移动时，采光板的跟着偏移，光电传感器因受到阳光照射会输出一定值的电压或电流，作为输入信号，经放大电路放大，由电机转动调整太阳能采光板的角度使跟踪系统对准太阳。光电传感器式跟踪具有灵敏度高，反应快等优点，机械结构设计相对简单，但容易受天气的影响，若出现阴天或云遮住太阳的情况，太阳光线经过散射，就会导致跟踪控制系统无法对准太阳实际的位置，甚至引起执行机构的误动作，使跟踪失败。

　　（3）视日运动轨迹跟踪控制

　　视日运动轨迹跟踪控制系统按系统的轴数，分为单轴跟踪和双轴跟踪两种：

　　单轴跟踪方式一般分为三种方式：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。以上三种跟踪方式都是单轴转动的南北向跟踪或东西向跟踪，工作原理相同。跟踪系统的转轴（或焦线）东西向布置，由预先计算好的太阳赤纬角的变化，即跟踪角度，使太阳能采集板绕转轴作俯仰转动。采用此种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构比较简单，由于入射光线不能始终与太阳能接收板垂直，太阳能的利用率相对较低。

　　综上，在以上各种跟踪控制系统中，纯机械式的跟踪控制器精度较低，但是跟踪太阳的目的在于提高太阳能的利用率，如果精度低，跟踪利用率就比较低，要提高利用率就要在添加其它设备，额外提高了成本。光电传感式太阳跟踪控制系统的精度较高，但如上所述还存在不少问题。如果要提高太阳能的利用效率，需要进一步的研究和探讨，开发出真正高精、实用、廉价的太阳能自动跟踪器， 本文将对此做进一步研究。

　　太阳跟踪器工作原理

　　太阳的光照强度是随着天气变化而实时变化的，当光照强度较好时，光电传感器对光线比较敏感，此时选用自动追踪模式（即光电跟踪）；当天气不好、光照强度比较弱时，漫反射的加重对光电传感器产生很大的干扰，这种情况下选用固定跟踪模式。图2.1所示为系统硬件结构，本系统采用双轴跟踪，利用高度角—方位角式跟踪，采集来的信号通过特定的电路进行处理后，输入单片机内，经过单片机内部程序的处理得到太阳位置偏差角度，进而驱动电机实现对太阳的精确跟踪。

　　图2.1太阳能跟踪系统基本框图

　　2.2太阳能跟踪器各模块设计

　　2.2.1固定轨迹跟踪模块

　　虽然太阳位置是实时变化的，但是它的运行规律还是可循的。软件算法主要根据太阳的运行规律计算其实时方位角和高度角，以及太阳能跟踪控制器的水平角和仰角。利用时钟芯片和单片机控制单元按照太阳运行遵循的公式计算得到太阳的实时位置，通过指令使电机驱动太阳跟踪装置，实现太阳实时跟踪［5］。