[科普中国]-太阳能自动跟踪装置

国内外研究现状

在太阳能跟踪方面，美国Biackace，在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率提高了15%。1998年关国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使热接收率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。42

太阳跟踪的常用方法跟踪太阳的方法有很多，但不外乎采用这两种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。后一种跟踪方式又可以分为双轴跟踪和单轴跟踪。1

光电跟踪国内常用的光电跟踪装置有：重力式光电跟踪装置、电磁式光电跟踪装置、电动式光电跟踪装置。这些光电跟踪装置都使用光敏传感器，如硅光电管，光电管靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳，硅光电池处于阴影区。当太阳西移时，遮光板的阴影随之移动，光电管受到阳光直射，输出一定值的微电流，发出偏差信号，经放大电路放大，控制跟踪装置对准太阳，完成跟踪.光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便。其缺点是受到天气的影响很大。如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。下面简要介绍一下太阳能电池板的光电跟踪经常用到的两种方法。53

1、太阳能电池板光强比较法

把两块完全相同的太阳能电池板按照一定的角度连接成“人”字型，它们既用作光电转化的电池，也起光敏器件的作用。太阳光垂直照射地面时，两块电池板上得到的太阳光的能流密度完全相等，产生的光电流大小相等，此时控制它们方位的电动机不工作。入射太阳光与地面的夹角改变时，如果甲电池板得到太阳光的能流密度大于乙电池板得到的能流密度，则甲电池板产生的光电流强度就大于乙电池板的光电流强度，利用这一信号驱动电动机转动，使得电池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。其优点为调节较为精确，电路也比较简单，但两个电池板之间的夹角始终存在，永远无法达到真正意义上的垂直。6

2、光敏电阻光强比较法

利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方（光与电池板垂直时一半可接收光，一半在下边）。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。3

视日运动轨迹跟踪1、单轴跟踪

单轴跟踪一般采用以下三种跟踪方式：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。这三种方式基本上都是单轴转动的南北方向或东西方向跟踪，工作原理基本相似。以第三种跟踪方式为例，阐述单轴跟踪的原理。图1是这种跟踪方式的原理。跟踪系统的转轴（或焦线）系东西方向布置。然后根据太阳赤纬角的变化使柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式时，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，所以一天之中热流的变化比较大。采用单轴跟踪方式的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，从收集太阳能来说并不理想。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。2

2、双轴跟踪

双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角—方位角式全跟踪。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。工作时反射镜面只须绕极轴用与地球自转角速度大小相同方向相反的固定转速，以跟踪太阳的视日运动。此外再按照季节的变化间断地将反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，只是反射镜的重量并不通过极轴轴线，使极轴支承装置的设计比较困难。64

自动跟踪装置结构自动跟踪装置由传感器、方位角跟踪机构、高度角跟踪机构和自动控制装置组成。方位角跟踪机构由电源、方位角传感器、放大器、执行器组成。执行器由电机和传动齿轮组成。方位角传感器由外壳与安装在外壳内的一对光电二极管组成。高度角跟踪机构由高度角传感器、放大器、执行器组成。执行器包括电机和传动齿条。高度角传感器的一对光电二极管与方位角传感器和照度传感器的光电二极管安装在一个传感器壳内，见图3。控制单元由运算放大器、晶体管和继电器组成，并与照度传感器、方位角和高度角传感器及驱动电机连接。54

传感器部分包括跟踪传感器和照度传感器。传感器由外壳和安装在外壳内的5只2 CU1B光电二极管和指日棒组成。其中方位角的一对光电二极管左右（P3P4）对称安装在指日棒A1的两侧，它主要检测太阳由东往西视运动的偏转角度。高度角的一对光电二管与方位角的一对光电二极管成90°角，上下（P1P2）对称安装在指日棒A1的两侧，用来检测太阳的视高度。辐照度传感器的一只光电二极管安装在指日棒的顶端，用于检测太阳的辐射强度。传感器安装在与太阳能集成器开口平面相平行的基件上。

自动跟踪工作原理自动跟踪装置是用来跟踪太阳，使太阳能集能器的主光轴始终与太阳光线相平行，当太阳光线发生倾斜时，传感器输出倾斜信号，该信号经放大后送入控制单元，控制单元开始工作，指示执行器动作调整太阳能集能器，直到太阳能集能器对准太阳。42

传感器跟踪传感器是用来检测太阳的方位角和高度角，只要太阳光线与太阳能集能器的开口平面不是90°，传感器就输出偏差信号。照度传感器是用来检测太阳的辐照强度，当太阳的辐照度低于或高于工作照度时就输出关机或开机信号。如果太阳的辐照强度低于工作照度，则控制单元不工作，放大器和执行器的工作电源不接通，执行器不工作；当太阳辐照强度达到工作照度时，控制单元开始工作，执行器启动执行。1

方位角跟踪过程当太阳光线以与传感器底座垂直的方向照射到传感器上时，即太阳光线与太阳能集能器开口平面垂直时，两个光电二极管接收到的光照度相同，当太阳光偏离垂直方向时，不管向哪个方向偏离，两个光电二极管接收的照度都会出现差值，这就是偏离信号。该信号经放大后送入控制单元，这时控制单元开始工作，启动自动跟踪装置调整太阳能集能器的角度，直到太阳能集能器对准太阳，实现了对太阳由东往西的自动跟踪。方位角传感器还有自动搜寻太阳的功能，每天晚上当太阳光辐照度低于工作照度时，太阳能集能器自动跟踪装置停止工作，开口朝向西。当第二天早晨太阳的辐照度达到工作照度后自动跟踪装置自动开机，太阳能集能器就会自动转向太阳。因此，方位角传感器的视野不应小于180°。1

高度角跟踪过程当太阳光线与指日棒的轴线平行照射时，二个光电二极管接收的辐照度是相同的，无信号输出;当太阳光线发生倾斜时(太阳上升或下落)，两个光电二极管接收的辐照度出现差值，这就是高度信号。该信号经放大后送入控制单元，与方位角传感器同理，当控制单元接收到高度信号后，高度角控制单元即开始工作，调整太阳能集能器的倾斜角度，使太阳能集能器在南北方向上跟踪太阳，直到太阳能集能器对准太阳。1自动跟踪装置使用的电源为太阳能电源或市电供电的直流稳压电源，两种电源可以切换，电源电压为6V。以保证装置必要的供电容量，太阳能电源由硅光电池PBAT和蓄电池BAT组成。1

行业展望目前制约太阳能发电的最大瓶颈是太阳利用率低，虽然通过对太阳自动跟踪在很大程度上提高了太阳能的利用率，但各种跟踪方式均存在一定的适用性和局限性。所以太阳能电池板自动跟踪系统还需要更进一步的完善，还具有广阔的研究前景和发展空间。由于光伏电池的输出特性是非线性的，易受周围环境因素的影响，使得系统的跟踪精度很难提高，且结构较为复杂，但随着现代科技的迅速发展，太阳能自动跟踪技术的机构简化和跟踪精度的提高将成为必然的发展趋势。64