極軸太陽跟蹤

雙軸跟蹤系統(tǒng)是一種能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置。

跟蹤控制系統(tǒng)使用兩種跟蹤控制方式，其一為光控，即使用光傳感器，跟據(jù)天空不同區(qū)域光線強弱區(qū)別，判斷太陽位置，然后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動支架進行追蹤。其二為時控，根據(jù)當?shù)亟?jīng)緯坐標和時間，利用天文學(xué)計算公式，計算太陽所處天空的坐標，然后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動支架進行追蹤。

國內(nèi)公司多將兩種控制原理結(jié)合，時控為主，光控為輔，即天氣良好的情況下，利用時控追蹤太陽大約位置，然后利用光控進行精確調(diào)節(jié)，天氣條件不好的情況下，單獨利用時控進行追蹤，避免天空雜光干擾。另外也可以采用另一種結(jié)合方式：仍然以時控為主，光控為輔，即天氣良好的情況下，單純利用光控進行追蹤，如果遇到陰雨天氣，則自動轉(zhuǎn)跳到時控方式進行追蹤。時控方式中，使用GPS 模塊來獲取當?shù)氐慕?jīng)緯度和時間。保證坐標和時間的精度，從而提高追蹤精確程度。

機械結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)運動機構(gòu)部分主要通過類似萬向節(jié)的雙軸結(jié)構(gòu)，其中極軸是軸可動，軸承不可動。通過步進電機連接減速器帶動極軸轉(zhuǎn)動，連同電池板一起轉(zhuǎn)動，以抵消地球自轉(zhuǎn)。

俯仰角調(diào)節(jié)軸是軸不可動，軸承可動，軸通過軸套與極軸固定，隨極軸轉(zhuǎn)動，而通過軸承的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)俯仰角，抵消赤緯夾角。在機械結(jié)構(gòu)上采用兩根螺釘對頂?shù)姆绞綄崿F(xiàn)對俯仰角的調(diào)節(jié)，通過量角器確定赤緯角。如果需要進行高倍聚光對跟蹤精度提出更高要求，可以在俯仰角調(diào)節(jié)軸上安裝電機來帶動軸套轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)二維跟蹤。

極軸與地平面的夾角也就是安裝角，應(yīng)與當?shù)鼐暥冉窍嗤Ｔ摻嵌扔稍O(shè)計決定，加工成型后不再改變，如有偏差，可通過調(diào)節(jié)底座的安裝角度進行補償。

機構(gòu)頂部可以安裝電池板，也可以安裝聚光機構(gòu)。機構(gòu)機械簡圖如圖3所示。

雙軸跟蹤方式的一種，聚光器兩旋轉(zhuǎn)軸中一軸的方向與地球自轉(zhuǎn)軸的方向平行，另一軸與前一軸正交并相對鏡面固定，聚光裝置繞雙軸做二維旋轉(zhuǎn)運動，跟蹤太陽視運動并將太陽輻射會聚到目標靶。

太陽高度角、方位角可由當?shù)鼐暥冉?、太陽赤緯角和時角確定，在緯度一定的情況下，可由時角與赤緯角確定高度角與方位角。因此，極軸式跟蹤可以在保證跟蹤精度的基礎(chǔ)上，將太陽能板的橢圓跟蹤軌跡轉(zhuǎn)化為繞旋轉(zhuǎn)軸（極軸）的旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽平時角，以及俯仰角跟蹤太陽赤緯角。

如圖1所示，將太陽能板的旋轉(zhuǎn)軸（極軸）調(diào)整至與地軸平行，其安裝角即為當?shù)鼐暥冉铅担藭r可以通過極軸旋轉(zhuǎn)抵消地球的自轉(zhuǎn)。同時為保證太陽電池板能與太陽光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽赤緯角δ。經(jīng)過計算可以證明，極軸式跟蹤一天之內(nèi)太陽能板的俯仰角變化不大于0.4°。如圖2所示，如按半月調(diào)節(jié)一次計算，光強減弱程度不足0.5%，故俯仰角可以周期性機械調(diào)節(jié)俯仰角，將二維運動轉(zhuǎn)化為一維，可少使用一臺電機，最大程度簡化了系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的制作與運行成本。

跟蹤裝置的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸;另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時電池板繞極軸運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽的時角變化;電池板繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動是為了跟蹤赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上電池板的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計比較困難。2100433B

該太陽能跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)有四種：

1. 常態(tài)（好天氣情況）下的對日跟蹤狀態(tài)；

2. 間歇式跟蹤。如一天當中有一段時間為多云或陰天或惡劣天氣時，該系統(tǒng)將甄別為不適宜跟蹤，整個系統(tǒng)便處于暫停狀態(tài)。待光線和跟蹤條件適宜時，系統(tǒng)會有一個快速跟蹤指令，使跟蹤儀大致對準太陽。之后，程序會進行另一組信號采集處理，完成精細跟蹤；

3. 自動回位。日落后，系統(tǒng)會自動進入休眠狀態(tài)，并自動回歸到太陽升起的方位。第二天再自動進入新一輪的運轉(zhuǎn)。

4. 惡劣天氣狀態(tài)的保護：當環(huán)境風(fēng)速或降水等因素不適宜系統(tǒng)工作時，跟蹤儀會自動停止工作，并使整個大系統(tǒng)的受光面與地平面成平行狀態(tài)或垂直狀態(tài)，以避免系統(tǒng)遭到破壞。

1. 常態(tài)（好天氣情況）下的對日跟蹤狀態(tài)；

2. 間歇式跟蹤。如一天當中有一段時間為多云或陰天或惡劣天氣時，該系統(tǒng)將甄別為不適宜跟蹤，整個系統(tǒng)便處于暫停狀態(tài)。待光線和跟蹤條件適宜時，系統(tǒng)會有一個快速跟蹤指令，使跟蹤儀大致對準太陽。之后，程序會進行另一組信號采集處理，完成精細跟蹤；

3. 自動回位。日落后，系統(tǒng)會自動進入休眠狀態(tài)，并自動回歸到太陽升起的方位。第二天再自動進入新一輪的運轉(zhuǎn)。

4. 惡劣天氣狀態(tài)的保護：當環(huán)境風(fēng)速或降水等因素不適宜系統(tǒng)工作時，跟蹤儀會自動停止工作，并使整個大系統(tǒng)的受光面與地平面成平行狀態(tài)或垂直狀態(tài)，以避免系統(tǒng)遭到破壞。

該太陽能跟蹤儀的主要應(yīng)用領(lǐng)域：

（1）光伏領(lǐng)域的平板光伏發(fā)電和500倍以下的CPV系統(tǒng)；

（2）光熱領(lǐng)域的拋物面跟蹤（如太陽灶、高溫太陽能采暖、太陽能熱化工等）；

（3）太陽能槽式集熱；

（4）太陽能塔式熱電等。