基于正交測光的雙軸太陽能自動跟蹤系統設計

趙惠 楊征瑞 陳志毅

摘要：在雙軸跟蹤系統研究的基礎上，設計了雙軸跟蹤傳動機構，并對高度角和方位角傳動機構的動力學特性進行分析;設計了由4個光電傳感器組成的測光模塊，即正交測光模塊;由單片機、正交測光模塊、2臺電機組成的控制系統。結果表明，該系統實現對太陽光線的實時跟蹤。

關鍵詞：太陽能跟蹤;正交測光;雙軸傳動;動力分析

中圖分類號：TK513.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0170-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.036 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the research of the biaxial tracking system， the driving mechanism of the biaxial tracking system wasdesigned， and the dynamic characteristics of the driving mechanism of the altitude-angleand azimuth-angle wereanalyzed. The metering module composed of four photoelectric sensors weredesigned， which was the orthogonalmetering module. The control system wascomposed of the single chip microcomputer.The results showed that the orthogonalmetering module and the motors to realize the real-time tracking of the sunlight.

Key words： solar tracking;orthogonalmetering;double-axle transmission;dynamic analysis

能源危機和環境保護是全球經濟發展的熱點問題。太陽能是一種取之不盡的清潔能源，其使用受到廣泛關注。但太陽能存在低密度、間歇性、空間分布不斷變化的特點。為了更充分更有效地利用太陽能，在光伏發電中普遍采用跟蹤太陽的方式，實時保持電池板和光照的垂直[1]。自動跟蹤發電設備比固定發電設備的發電量提高35%。調整太陽電池板所偏轉的角度，使太陽電池板始終能夠與太陽光線的入射光線成垂直狀態，充分地接收太陽輻射的能量，從而達到提高太陽能發電效率的目的[2]。要想實現自動跟蹤太陽能發電系統，關鍵技術是太陽光照度的測定和機電傳動設備的研發，即設備要具有始終能跟蹤太陽運動軌跡的能力并且具有高的精確度[3]。本研究設計了結構簡單、檢測精度高的正交測光模塊，采用雙軸跟蹤的齒輪傳動機構，傳動效率高，通過控制系統驅動2臺直流電機，使電池板調整到最佳位置。

1 跟蹤系統的總體方案

跟蹤系統主要由太陽能電池板、光線誤差檢測、跟蹤傳動裝置、單片機控制系統組成。光線誤差檢測實時檢測電池板與入射光線的方位角和高度角偏差，將檢測結果傳給單片機控制系統，控制系統根據運算結果，向雙軸跟蹤傳動裝置的兩臺直流電機輸出信號，驅動電池板繞方位軸和高度軸轉動，使電池板始終保持和光線垂直的位置。工作原理圖如圖1所示。

2 系統的機械結構

機械結構由上箱體、下箱體、高度角傳動機構和方位角傳動機構組成。上箱體起到支撐太陽能電池板、高度角傳動機構的作用，其底部裝有4個滑輪，安放在上箱體的桌面上。方位角傳動機構安裝在下箱體上。系統的機械整體結構如圖2所示。

兩臺驅動電機選用蝸輪蝸桿減速直流電機，直流電機起動轉矩大，帶有蝸輪蝸桿的直流電機具有自鎖能力、較低的輸出轉速、傳動平穩的特點。雙軸傳動機構都采用了齒輪傳動，傳動效率高、維修方便、價格低廉，傳動比為15∶120，增大了輸出轉矩。考慮到跟蹤的平穩性，確定電池板的轉動速度為0.45 °/s，既保證了跟蹤速度，又保證了跟蹤的平穩性和精度。雙軸傳動機構示意圖如圖3所示，實物如圖4所示。

3 跟蹤系統的動力學分析

3.1 高度角動力分析

高度角傳動機構帶動電池板繞水平方向的高度軸旋轉，工作時需要克服的負載有電池板重力轉矩、慣性力矩、摩擦力矩和風載荷力矩。電機的驅動力矩應大于4個力矩之和[4，5]。高度角方向的阻力矩T1為：

式中，Tm—電池板重力轉矩;Tz—風載荷力矩;Tg—慣性力矩;Tf—摩擦力矩。

1）電池板重力轉矩Tm。

式中，m為電池板和傳感器模塊的總質量，l為機構的中心到回轉半徑的距離。

2）風阻力矩Tz。風力作用在電池板上產生的扭矩為：

式中，Cmz—風阻俯仰力矩系數;7級風為0.139 2;Kh—風壓高度變化系數，Kh=1;q—風壓，7級風取q=103 Pa;A—特征面積，0.82 mm×0.5 mm=0.41 mm2;D—物體迎風面的高度，0.52 m。

3）慣性力矩Tg。

式中， J1為電池板和傳感器模塊到轉動中心（高度軸）的轉動慣量之和;[dω1dt]為高度角傳動機構的角加速度。

高度角傳動機構的角加速度很小，近似為零，因此高度角傳動機構慣性力矩可忽略不計。

4）摩擦力矩Tf。

高度軸與軸承之間有摩擦阻力，摩擦力矩可以通過安全系數調整。

3.2 方位角動力分析

方位角傳動機構驅動上箱體（包括高度角傳動機構、電池板）繞垂直方向的方位軸轉動。工作時負載包括上箱體、高度角傳動機構、電池板重力以及風載荷，要克服的阻力矩有旋轉摩擦力阻扭矩、風阻力矩、慣性阻力矩等。

方位角的阻力矩T2為：

式中，Tf—旋轉摩擦力阻扭矩;Ty—風阻力矩;Tg—慣性阻力矩。

1）旋轉摩擦力阻扭矩Tf。

式中，m為上箱體、雙軸傳動機構、電池板和傳感器模塊的總質量;u為工業腳輪的摩擦系數;r為工業腳輪的半徑。

2）風阻力矩Ty。風力作用在電池板上產生的扭矩為：

式中，Cmy—風阻方位力矩系數;Kh—風壓高度變化系數，Kh =1;q—風壓;A—特征面積，電池板垂直與風向的迎風面積;D—物體迎風面的高度。

3）慣性阻力矩Tg。

式中，J2為各部分到轉動中心（方位軸）的轉動慣量之和;[dω2dt]為機構的角加速度。

以上計算涉及到風阻系數時，全部采用7級風的風阻系數。

3.3 蝸桿蝸輪減速直流電機參數的確定

1）方位角電機的參數。齒輪傳動的機械效率取n=0.9，電機的力矩為：T2/n。

2）高度角電機的參數。齒輪傳動的機械效率取n=0.9，安全系數為S=1.3，電機的力矩為：T1 S/n。

4 控制系統

4.1 正交測光傳感器檢測模塊

測光檢測采用隔板式結構。由4個開關量光電傳感器和2個隔板組成，2個隔板互相垂直并垂直安裝于底座上，底座與電池板在同一平面上，每個隔板兩側安裝2個光電傳感器（圖5）。東西方向的隔板和兩側的傳感器檢測高度角偏差，南北方向的隔板和兩側的傳感器檢測方位角偏差。4個傳感器和2個隔板組成正交測光系統，將電池板相對于太陽的高度角和方位角分別轉換為2個二進制編碼。如，當太陽光平行于該隔板入射，該組傳感器輸出為00，否則為10或01。正交測光模塊結構簡單、安裝方便，能實時檢測太陽光，檢測精度高。

4.2 控制模塊

控制系統采用AT89C51單片機。AT89C51單片機的8個輸入地址分別連接4個光電傳感器和4個限位開關。4個限位開關是用來限制東、西、上、下 4個方向的最大行程。有4個輸出地址為電機驅動器提供輸出信號。采用L298雙H橋電機驅動板。控制系統電路原理如圖6所示。

4.3 控制軟件設計

程序設計采用編碼轉換控制邏輯，與正交測光模塊配合，實現編碼快速控制邏輯。這種編碼轉換控制簡化了控制程序。當陽光偏離時系統能作出快速糾偏動作，實時調整工作平臺跟蹤太陽，跟蹤精度較高。

5 設備安裝調試

設備在安裝調試后運行正常（圖7），記錄了一天中9：40到14：00電池板輸出電流、電壓和功率數據。結果表明，自動跟蹤方式比正南固定對光的發電效率提高了6.21%，該系統對太陽的自動跟蹤實現了預期的效果。

6 小結

本研究設計的雙軸跟蹤使電池板能充分接受太陽能，并具有自鎖功能。正交測光傳感器模塊制作簡單，測光精度高。輸出的4位二進制編碼，使軟件上可采用代碼轉換控制方式，編程簡單、控制反應快、有效可靠。其機械結構簡單、造價低廉、工作可靠，還可以形成獨立小型實用供電系統，可作為戶外小型電器電源，也為海島海洋利用太陽能發電的裝置設計和生產提供了理論和實踐基礎。

參考文獻：

[1] 王林軍，邵 磊，門 靜，等.? 太陽能自動跟蹤系統的研究現狀及展望[J].? 中國農機化學報，2014， 35（1）：283-287.

[2] 王錫凡. 電力工程基礎[M]. 西安：西安交通大學出版社，2009.

[3] 安 倫，郭獻崇，謝 芳.? 自動跟蹤式獨立光伏發電計算機監控系統設計[J].? 電源技術，2013， 37（3）：450-451.

[4] 王尚文，高 偉，黃樹紅.? 混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J].? 可再生能源，2007，25（6）：10-13.

[5] 向 平，程建民，畢玉慶.? 碟式太陽能跟蹤裝置的結構設計和動力分析[J].? 機械設計與制造，2009 （6）：17-19.