單驅雙軸聯動太陽自動跟蹤傳動裝置研究

李文才，石 巖，孫士蔚

LI Wen-cai, SHI Yan, SUN Shi-wei

（河北工程技術高等專科學校，滄州 061001）

0 引言

煤、石油等傳統能源趨向枯竭，大型水力開發趨向極限，分布式太陽能發電是未來發電系統重要方向。太陽能效能利用高低直接跟太陽能板面與太陽光線垂直度相關，研究表明自動跟蹤式光伏發電系統比固定式光伏發電系統的發電量提高35%左右[1,2]，雙軸跟蹤式獲取的太陽效能最大[3]。控制好太陽能板面與太陽光線的垂直度是提高太陽能效能利用和增加光伏發電量的關鍵技術。太陽自動跟蹤有定時跟蹤、傳感器跟蹤、視日跟蹤、日歷跟蹤等，所用傳動裝置有基于舵機轉動[4]、蝸輪蝸桿雙軸傳動[5]、雙軸雙電機直接傳動[6]、橢圓滑道傳動[7]等，每種傳動方式各有特點。本文設計一種單驅雙軸聯動太陽能自動跟蹤系統的傳動裝置，并以滄州地區為對象研究和分析了傳動裝置的工作過程，結果表明該傳動裝置采用機械齒輪傳動，結構簡單、可靠，運行維護工作量小，實用價值高。

1 傳動裝置結構

傳動裝置采用純機械結構，如圖1(a)和圖1(b)所示。太陽自動跟蹤系統中機械傳動裝置是跟蹤的執行機構[8]，由驅動傳動和隨動傳動兩部分組成。驅動傳動由步進電機2、齒輪3、齒輪4、錐齒輪9和驅動軸8構成，隨動傳動由錐齒輪10、隨動軸13、凸輪11和拐臂12構成。太陽能板支架16與驅動軸8固定連接。齒輪3和齒輪4、錐齒輪9和錐齒輪10均外嚙合，如圖1(c)所示。

2 傳動裝置工作過程

控制器控制步進電機2轉動，通過齒輪3帶動齒輪4、驅動軸8、錐齒輪9和太陽能支架16同時轉動，實現帶動太陽能板由日出方向轉向日落方向；錐齒輪9轉動帶動錐齒輪10、隨動軸13和凸輪11同時轉動，凸輪11帶動拐臂12轉動，拐臂12帶動太陽能板19繞軸17轉動，實現太陽能板由日出時的近似與地平面垂直到正午時分近似與地平面平行再到日落時近似與地面垂直的轉動。通過單驅雙軸聯動自動對太陽的跟蹤，實現太陽能板與太陽光線的垂直。

3 太陽自動跟蹤系統工作原理

3.1 太陽運動規律

根據太陽直射點的年際變化規律，春分和秋分時節太陽到達赤道正上方，夏至日太陽到達北回歸線上方（即北緯23o27'），冬至日太陽到達南回歸線上方（即南緯23o27'）。我國廣闊疆土都處在赤道以北，絕大部分陸地均處在北回歸線以北。夏至太陽光照最強，然后逐漸減弱，冬至時達到最弱；冬至后太陽光照逐漸增強，至來年夏至又達到最強，這樣周而復始變化。在不考慮農歷、平年與閏年影響的情況下，每年二十四節氣所對應的日期相差只有一兩天，認為是固定不變的。一年中幾個重要節氣所對應的日期如圖2所示。

圖2 一年中幾個重要節氣

3.2 太陽運動軌跡

太陽運動軌跡跟蹤有基于地平面坐標系和基于赤道坐標系兩種方式，地平面坐標系以太陽高度角和方位角為坐標，赤道坐標系以太陽赤緯角和時角為坐標。本研究基于地面坐標系，根據文獻[1]，太陽高度角和方位角由下列公式求得：

滄州地處北緯38o33'，根據式（1）和式（2）計算得出，全年一天內太陽方位角γ 變化范圍最大為-119.7o～+119.7o，最小為-60.3o～+60.3o，即全年一天內γ 最大變化239.4o（夏至日），最小變化120.6o（冬至日）；太陽日出與日落時高度角α為0o，夏至時太陽達到北回歸線上方，此時太陽高度角α達最大值；冬至時節太陽到達南回歸線上方，此時太陽高度角α 達最小值，即全年一天內太陽高度角α變化最大為75.3o（夏至日），最小為28.8o（冬至日）。太陽運動的方位角γ 和高度角α如圖3所示。

圖3 太陽運動的方位角和高度角

4 太陽自動跟蹤方案設計

4.1 方案的整體設計

本研究太陽自動跟蹤系統采用單驅雙軸聯動方式。按照預先設定控制過程，圖1中步進電機2驅動齒輪4、錐齒輪9和錐齒輪10轉動，實現對太陽方位角γ 跟蹤的同時也對太陽高度角α進行自動跟蹤。滄州緯度較高，為保證在光照最充分時節太陽能的利用效率，系統設計在春分至秋分時間段內實行太陽能采集裝置對太陽自動跟蹤，秋分至第二年春分時間段內實行太陽能采集裝置固定安裝，不再自動跟蹤。

4.2 太陽能板角度設計

設太陽能板方位角為θ（同太陽方位角γ），太陽能板高度角為β（太陽能板受光面與水平地面夾角），θ變化范圍由太陽在日出和日落時的位置決定，β由太陽的高度決定，θ和β實時跟隨太陽位置變化而變化。如圖4(a)和圖4(b)所示。裝置運行處在自動跟蹤狀態時，設定θ最大變化范圍為-120o～+120o（夏至），最小變化范圍為-90o～+90o（春分和秋分）；θ最小角度為80o（日出與日落），最大角度為155o（正午時分）。裝置處在固定狀態時，太陽在赤道上方時，太陽高度角α為38.5o，太陽能板高度角β為141.5o；太陽在南回歸線上方時，太陽高度角α為28.8o，太陽能板高度角β為117.8o，因而將太陽能板固定在方位角θ為0o、高度角β為131.5o的位置。

4.3 齒輪傳動比設計

β變化依靠圖1中凸輪11帶動拐臂12和太陽能板19繞軸17轉動實現。通過系統優化設計設計，當圖1中拐臂12、水平軸13和轉軸18在一條直線時，β分別達到最大155o和最小值80o。夏至日出時β=155o，正午時分β=155o，此時太陽能板從日出轉至正午，β轉過75o，θ轉過120o，凸輪11旋轉180o。因此，隨動裝置的傳動比K=120o：180o=1：1.5，即錐齒輪9每轉動1圈，錐齒輪10轉動1.5圈。齒輪3和齒輪4的傳動比為1：1。

5 結束語

依據天體理論公式計算設計的單驅雙軸聯動自動跟蹤傳動裝置，既可以采用定時器定時啟動跟蹤，也可以采用控制器根據每天日出時間實時啟動跟蹤，不論哪種啟動跟蹤方式都可通過調整太陽能板方位角θ和對傳動結構進行優化設計，最大限度實現在太陽光照最強季節光線與太陽能板受光面垂直，降低跟蹤裝置自身造成的誤差，提高太陽能轉化效率。本裝置太陽能轉化效率雖達不到雙向跟蹤最佳效果，但非常適合分布式獨立太陽光伏發電裝置，具有結構簡單、可靠耐用、風載能力強等特點。

圖4 太陽板的方位角和高度角

[1] 何梓年.太陽能熱利用[M].合肥：中國科學技術大學出版社,2009.

[2] 徐靜.自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電系統研究[D].杭州：杭州電子科技大學,2009.

[3] Dou Wei,Xu Honghua,Li Jing. Analysis of solar PV tracking system[J],Acta Energiae Solaris Sinica,2007,28(2)：169-173.

[4] 梁龍學,杜永文.基于舵機的戶用太陽能自動跟蹤裝置[J].自動化與儀器儀表,2011(3)：73-75.

[5] 韓麗艷,劉占民.一種新型太陽跟蹤裝置的機構設計[J].機械制造,2013,51(587)：15-18.

[6] 王海鵬,鄭成聰,徐丹,等.基于單片機的太陽能自動跟蹤裝置的設計與制作[J].科學技術與工程,2010,10(19)：4651-4655.

[7] 遼寧百通藥業股份有限公司.單電機橢圓滑道太陽能二維自動跟蹤隨動裝置[P].中國：CN 201656829U,2010.11.24.

[8] 李國斌.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社,2010.