極軸太陽(yáng)跟蹤相關(guān)原理

太陽(yáng)高度角、方位角可由當(dāng)?shù)鼐暥冉?、太?yáng)赤緯角和時(shí)角確定，在緯度一定的情況下，可由時(shí)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(yáng)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(yáng)平時(shí)角，以及俯仰角跟蹤太陽(yáng)赤緯角。

如圖1所示，將太陽(yáng)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(dāng)?shù)鼐暥冉铅?，此時(shí)可以通過(guò)極軸旋轉(zhuǎn)抵消地球的自轉(zhuǎn)。同時(shí)為保證太陽(yáng)電池板能與太陽(yáng)光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽(yáng)赤緯角δ。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以證明，極軸式跟蹤一天之內(nèi)太陽(yáng)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(jì)算，光強(qiáng)減弱程度不足0.5%，故俯仰角可以周期性機(jī)械調(diào)節(jié)俯仰角，將二維運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一維，可少使用一臺(tái)電機(jī)，最大程度簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的制作與運(yùn)行成本。

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(duì)鏡面固定，聚光裝置繞雙軸做二維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)并將太陽(yáng)輻射會(huì)聚到目標(biāo)靶。

雙軸跟蹤系統(tǒng)是一種能夠保持太陽(yáng)能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，使太陽(yáng)光的光線隨時(shí)垂直照射太陽(yáng)能電池板的動(dòng)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(qiáng)弱區(qū)別，判斷太陽(yáng)位置，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)支架進(jìn)行追蹤。其二為時(shí)控，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯坐標(biāo)和時(shí)間，利用天文學(xué)計(jì)算公式，計(jì)算太陽(yáng)所處天空的坐標(biāo)，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)支架進(jìn)行追蹤。

國(guó)內(nèi)公司多將兩種控制原理結(jié)合，時(shí)控為主，光控為輔，即天氣良好的情況下，利用時(shí)控追蹤太陽(yáng)大約位置，然后利用光控進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，天氣條件不好的情況下，單獨(dú)利用時(shí)控進(jìn)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(shí)控為主，光控為輔，即天氣良好的情況下，單純利用光控進(jìn)行追蹤，如果遇到陰雨天氣，則自動(dòng)轉(zhuǎn)跳到時(shí)控方式進(jìn)行追蹤。時(shí)控方式中，使用GPS 模塊來(lái)獲取當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和時(shí)間。保證坐標(biāo)和時(shí)間的精度，從而提高追蹤精確程度。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分主要通過(guò)類(lèi)似萬(wàn)向節(jié)的雙軸結(jié)構(gòu)，其中極軸是軸可動(dòng)，軸承不可動(dòng)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)連接減速器帶動(dòng)極軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連同電池板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，以抵消地球自轉(zhuǎn)。

俯仰角調(diào)節(jié)軸是軸不可動(dòng)，軸承可動(dòng)，軸通過(guò)軸套與極軸固定，隨極軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而通過(guò)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)俯仰角，抵消赤緯夾角。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用兩根螺釘對(duì)頂?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角的調(diào)節(jié)，通過(guò)量角器確定赤緯角。如果需要進(jìn)行高倍聚光對(duì)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(jī)來(lái)帶動(dòng)軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)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(dāng)?shù)鼐暥冉窍嗤?。該角度由設(shè)計(jì)決定，加工成型后不再改變，如有偏差，可通過(guò)調(diào)節(jié)底座的安裝角度進(jìn)行補(bǔ)償。

機(jī)構(gòu)頂部可以安裝電池板，也可以安裝聚光機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)機(jī)械簡(jiǎn)圖如圖3所示。

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(shí)電池板繞極軸運(yùn)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(yáng)的時(shí)角變化;電池板繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。2100433B

該太陽(yáng)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(duì)日跟蹤狀態(tài)；

2. 間歇式跟蹤。如一天當(dāng)中有一段時(shí)間為多云或陰天或惡劣天氣時(shí)，該系統(tǒng)將甄別為不適宜跟蹤，整個(gè)系統(tǒng)便處于暫停狀態(tài)。待光線和跟蹤條件適宜時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)快速跟蹤指令，使跟蹤儀大致對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。之后，程序會(huì)進(jìn)行另一組信號(hào)采集處理，完成精細(xì)跟蹤；

3. 自動(dòng)回位。日落后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并自動(dòng)回歸到太陽(yáng)升起的方位。第二天再自動(dòng)進(jìn)入新一輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4. 惡劣天氣狀態(tài)的保護(hù)：當(dāng)環(huán)境風(fēng)速或降水等因素不適宜系統(tǒng)工作時(shí)，跟蹤儀會(huì)自動(dòng)停止工作，并使整個(gè)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(duì)日跟蹤狀態(tài)；

2. 間歇式跟蹤。如一天當(dāng)中有一段時(shí)間為多云或陰天或惡劣天氣時(shí)，該系統(tǒng)將甄別為不適宜跟蹤，整個(gè)系統(tǒng)便處于暫停狀態(tài)。待光線和跟蹤條件適宜時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)快速跟蹤指令，使跟蹤儀大致對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。之后，程序會(huì)進(jìn)行另一組信號(hào)采集處理，完成精細(xì)跟蹤；

3. 自動(dòng)回位。日落后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并自動(dòng)回歸到太陽(yáng)升起的方位。第二天再自動(dòng)進(jìn)入新一輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4. 惡劣天氣狀態(tài)的保護(hù)：當(dāng)環(huán)境風(fēng)速或降水等因素不適宜系統(tǒng)工作時(shí)，跟蹤儀會(huì)自動(dòng)停止工作，并使整個(gè)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(yáng)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(yáng)灶、高溫太陽(yáng)能采暖、太陽(yáng)能熱化工等）；

（3）太陽(yáng)能槽式集熱；

（4）太陽(yáng)能塔式熱電等。