太陽光照自動跟蹤裝置機械設計與開發

韓超 林卓銳

摘 要：太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出了一系列的太陽能設備，如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等，但對太陽能的利用還遠遠不夠，究其原因，主要是利用率不高。就現有的太陽能裝置而言，如何最大限度地提高太陽能的利用率，仍是國內外學者的研究熱點。自動跟蹤裝置的穩定性、精度等性能間接影響了太陽自動跟蹤裝置的成本。目的是將此系統應用在小型光伏發電設備或其它所需太陽收集裝置上，這將使光伏發電行業發生很大的變革。

關鍵詞：太陽能；自動裝置；照射

1 研究背景

為了應對當前化石燃料的危機，應逐步改變能源結構。太陽能作為一種可再生資源，具有清潔度高、資源潛力大、可持續利用等優點，現已為各國爭相開發利用。但由于太陽能存在空間分布不均、間歇性大的特點，因此其利用率一直較低，不能大面積推廣應用。提高太陽能利用有兩種方案：一是提高太陽能的能量轉換率；該方案需要研究材料的性能，也就是要研究太陽能電池材料，目前的太陽能電池都是用硅材料做的，其能量轉換效率較低，并且成本較高，難以普及，因此用該方案來提高太陽能轉換率難度較大。二是提高太陽能的接受效率；該方案可以用現有的技術來解決，實現相對簡單，太陽自動跟蹤系統是目前提高太陽能接受率的有效方法。

太陽自動跟蹤指在太陽光照射過程中，太陽能板的采光面與太陽光線始終垂直，在有限的面積內獲得更多的太陽輻射能量。若采用的跟蹤方式不同，其太陽的能量接受率也不同。實驗證明，具有太陽光線自動跟蹤裝置的比固定角度安裝的太陽能利用率要高30%以上。

2 研究目的和意義

精確的太陽自動跟蹤裝置可以根據太陽在一天中不同時刻的變化，在俯仰和水平方向上自動調節太陽能采光板，使太陽能采光板始終垂直太陽的入射光，充分接受太陽能。

就目前的高精度自動跟蹤裝置來說，由于成本較高，只適用于一些航天、軍事、科研單位方面的應用，并不能夠普及推廣。然而，除了價格昂貴、精度較高的用于觀測太陽活動的那些裝置外，其它的跟蹤裝置又普遍存在著剛度較低，跟蹤范圍較小，精度較差的問題。未來太陽跟蹤系統的設計朝著低成本、高精度、跟蹤范圍大的方向發展，并用有限的太陽能采光板收集更多的太陽輻射能量。在設計太陽自動跟蹤的機械結構時，需要遵循以下思想：

（1）在設計跟蹤機構時，除了要滿足跟蹤范圍大的要求外，還要避免機構在極限位置時的鎖死現象。

（2）在設計跟蹤機構時，需要選用合理的機構結構來降低跟蹤裝置本身的重量，進而降低整個機構的工作耗能量。

（3）在符合上述性能時，應盡量使機構的結構簡單，成本降低。

3 創新與特色

3.1 結構簡單，成本較低

設計的新型跟蹤機構由齒輪齒條、細鋼絲、導向輪、萬向節、導軌等機構構成，該機構結構簡單，而且生產加工周期短，制造成本低，具有很高的實用價值，能夠大范圍推廣普及。

3.2 結構靈活，剛度高，跟蹤范圍大

該新型跟蹤機構是并聯機構，其結構靈活，跟蹤范圍大，剛度高，承載能力強。設計的跟蹤機構可以使水平角到達360°，俯仰角到達110°，實現了全方位的自動跟蹤。

4 結論

本文所研究設計的太陽能自動跟蹤裝置具有全天候，成本低，與傳統的串聯機構相比，并聯機構的零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成。這些通用組件可由專門廠家生產，因而其制造和庫存備件成本比相同功能的傳統機構低得多，容易組裝和模塊化。除了在結構上的優點，并聯機構在實際應用中更是有串聯機構不可比擬的優勢。其主要優點有剛度質量比大，動態性能優越，運動精度高，多功能靈活性強，使用壽命長等。運用牛眼輪來做太陽能接收板的支撐結構，可以減少旋轉用力，在一定條件下，如果旋轉用力小的話，就能輸出比較大的電量。

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作者簡介：韓超（1992—），男，浙江富陽人，研究方向：財務會計教育。