太陽能自動跟蹤裝置

跟蹤太陽的方法有很多，但不外乎采用這兩種方式:光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動軌跡跟蹤。后一種跟蹤方式又可以分為雙軸跟蹤和單軸跟蹤。

國內(nèi)常用的光電跟蹤裝置有:重力式光電跟蹤裝置、電磁式光電跟蹤裝置、電動式光電跟蹤裝置。這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器，如硅光電管，光電管靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準(zhǔn)太陽，硅光電池處于陰影區(qū)。當(dāng)太陽西移時(shí)，遮光板的陰影隨之移動，光電管受到陽光直射，輸出一定值的微電流，發(fā)出偏差信號，經(jīng)放大電路放大，控制跟蹤裝置對準(zhǔn)太陽，完成跟蹤.光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便。其缺點(diǎn)是受到天氣的影響很大。如果在稍長時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動作。下面簡要介紹一下太陽能電池板的光電跟蹤經(jīng)常用到的兩種方法。

1、太陽能電池板光強(qiáng)比較法

把兩塊完全相同的太陽能電池板按照一定的角度連接成"人"字型，它們既用作光電轉(zhuǎn)化的電池，也起光敏器件的作用。太陽光垂直照射地面時(shí)，兩塊電池板上得到的太陽光的能流密度完全相等，產(chǎn)生的光電流大小相等，此時(shí)控制它們方位的電動機(jī)不工作。入射太陽光與地面的夾角改變時(shí)，如果甲電池板得到太陽光的能流密度大于乙電池板得到的能流密度，則甲電池板產(chǎn)生的光電流強(qiáng)度就大于乙電池板的光電流強(qiáng)度，利用這一信號驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，使得電池板與太陽光的夾角同光垂直于地面時(shí)完全相同。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確，電路也比較簡單，但兩個(gè)電池板之間的夾角始終存在，永遠(yuǎn)無法達(dá)到真正意義上的垂直。

2、光敏電阻光強(qiáng)比較法

利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方(光與電池板垂直時(shí)一半可接收光，一半在下邊)。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同，所以它們的阻值完全相等，此時(shí)電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確，且電路也比較容易實(shí)現(xiàn)。

1、單軸跟蹤

單軸跟蹤一般采用以下三種跟蹤方式:傾斜布置東西跟蹤;焦線南北水平布置，東西跟蹤;焦線東西水平布置，南北跟蹤。這三種方式基本上都是單軸轉(zhuǎn)動的南北方向或東西方向跟蹤，工作原理基本相似。以第三種跟蹤方式為例，闡述單軸跟蹤的原理。圖1是這種跟蹤方式的原理。跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸(或焦線)系東西方向布置。然后根據(jù)太陽赤緯角的變化使柱形拋物面反射鏡繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動，以跟蹤太陽。采用這種跟蹤方式時(shí)，一天之中只有正午時(shí)刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)熱流最大。而在早上或下午太陽光線都是斜射，所以一天之中熱流的變化比較大。采用單軸跟蹤方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，從收集太陽能來說并不理想。如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全跟蹤即雙軸就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計(jì)的。

2、雙軸跟蹤

雙軸跟蹤又可以分為兩種方式:極軸式全跟蹤和高度角-方位角式全跟蹤。極軸式全跟蹤原理如圖2所示。聚光鏡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)反射鏡面只須繞極軸用與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反的固定轉(zhuǎn)速，以跟蹤太陽的視日運(yùn)動。此外再按照季節(jié)的變化間斷地將反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，只是反射鏡的重量并不通過極軸軸線，使極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。

自動跟蹤裝置由傳感器、方位角跟蹤機(jī)構(gòu)、高度角跟蹤機(jī)構(gòu)和自動控制裝置組成。方位角跟蹤機(jī)構(gòu)由電源、方位角傳感器、放大器、執(zhí)行器組成。執(zhí)行器由電機(jī)和傳動齒輪組成。方位角傳感器由外殼與安裝在外殼內(nèi)的一對光電二極管組成。高度角跟蹤機(jī)構(gòu)由高度角傳感器、放大器、執(zhí)行器組成。執(zhí)行器包括電機(jī)和傳動齒條。高度角傳感器的一對光電二極管與方位角傳感器和照度傳感器的光電二極管安裝在一個(gè)傳感器殼內(nèi)，見圖3。控制單元由運(yùn)算放大器、晶體管和繼電器組成，并與照度傳感器、方位角和高度角傳感器及驅(qū)動電機(jī)連接。

傳感器部分包括跟蹤傳感器和照度傳感器。傳感器由外殼和安裝在外殼內(nèi)的5只2 CU1B光電二極管和指日棒組成。其中方位角的一對光電二極管左右(P3P4)對稱安裝在指日棒A1的兩側(cè)，它主要檢測太陽由東往西視運(yùn)動的偏轉(zhuǎn)角度。高度角的一對光電二管與方位角的一對光電二極管成90°角，上下(P1P2)對稱安裝在指日棒A1的兩側(cè)，用來檢測太陽的視高度。輻照度傳感器的一只光電二極管安裝在指日棒的頂端，用于檢測太陽的輻射強(qiáng)度。傳感器安裝在與太陽能集成器開口平面相平行的基件上。

在太陽能跟蹤方面，美國Biackace，在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了15%。1998年關(guān)國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進(jìn)一步提高。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國內(nèi)近年來有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，1994年太陽能雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單向跟蹤。