光纖導光的太陽能自動跟蹤裝置設計＊

楊文婷，冼智錦，寧存岱，李春玲，潘家新

（廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530007）

1 引言

太陽能是一個非常理想的天然光源，世界各國在開發新能源上尤其重視對太陽能的開發和利用。中國在未來將繼續擴大太陽能的利用規模，順應全球能源轉型的大趨勢。然而太陽光照方向強度隨時間不斷變化，這就對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求，太陽光導光是太陽能應用領域的一個重要分支，它利用光導纖維直接將聚光器收集的太陽光聚焦傳導至白天需要光照的場所。以光纖為導光介質的太陽光聚光系統，可用于光纖照明及太陽能泵浦光纖激光器等領域，無需光電-電光轉化，符合開發利用新能源的當代主題[1-2]。

2 裝置組成

自動跟蹤太陽能光纖導光裝置主要由自動跟蹤系統、電源系統、光纖導光系統、光纖燈四部分組成。其中，自動跟蹤系統包括玻璃罩、電機、減速裝置、支架、電動伸縮桿、傳動桿、跟蹤傳感器以及主控模塊。跟蹤傳感器由圓筒、菲涅爾透鏡及圓筒內部的陣列式感光傳感器構成；主控模塊包括電路模塊、液晶顯示器、按鍵。電源系統安裝在采光平面和雙向轉動軸上。光纖導光系統包括聚光單元、光纖、光纖耦合器，聚光單元包括菲涅爾透鏡、圓筒、微電機、光纖固定器。光纖燈是太陽光的導出裝置。

3 方案設計

3.1 系統運行方案設計

本系統設計為自動檢測陰晴天，自動檢測晝夜，系統程序流程如圖1所示。主程序檢測為晴天，光纖導光裝置直接在光電跟蹤模式下進行追蹤；檢測為陰天，光纖導光裝置自動進入視日運動軌跡的太陽角度跟蹤模式；檢測是黑夜，啟用中斷服務程序，進入停止狀態。光電檢測跟蹤模式下，利用光電二極管作為光電傳感器，判斷太陽方位，使傳感器始終垂直于太陽光，配合雙向轉動軸的轉動達到了精確追蹤太陽的目的；視日運動軌跡跟蹤模式下，則主要是通過運行控制程序調整定追蹤裝置的方位角和高度角，再配合時鐘模塊和機械軸的轉動來實現對太陽的追蹤。因此，即使天氣陰晴多變，云彩遮擋太陽等多種復雜情況下，也能正常的追蹤太陽。同時在視日運動軌跡跟蹤的基礎上加兩個高精度角度傳感器，最大限度地避免外界的干擾，提高了追蹤的精度。該跟蹤方案在天氣變化比較復雜的情況下，也能實現對太陽高精度實時的跟蹤，具有一定的經濟實用性。

3.2 光電檢測電路的設計

本系統以單片機為核心，光電檢測電路的核心部分是一圓形的電路板，該板上中心環繞式排列了九個光電二極管，如圖2所示。D0的正上方開一大小適中的小孔，D1～D8被封閉遮擋。當光線照射到某個光電二極管時，必然會發生顯著的電平差，將此信號傳給單片機，從而控制上下兩電機工作。設計光電檢測電路包括三個電路，電路一是光電跟蹤模式下的光電檢測，當光敏二極管受到光照產生穿透電流，D0與D1～D8組成比較電路，以此來判斷和轉向太陽光的方向；電路二是陰晴檢測電路，由于電流大小隨光照強度影響，判斷是陰天還是晴天，單片機可以通過查詢高低電位來實現；電路三是晝夜檢測電路，當黑夜時，檢測電路會檢測到低電位，系統啟用外部中斷接口上的中斷服務程序，進入停止狀態。

圖2 光電二極管排列圖

3.3 控制電路的設計

控制電路采用導通或截止晶體管，改變電壓來控制繼電器的吸合或斷開，進而控制電動機的轉動與停止。當菲涅爾聚光裝置未正對太陽時，周邊某個光電二極管會受到光照產生低電位，光電檢測電路將此低電位傳導給控制電路，這時控制電路中的兩個晶體管分別截至和導通，指揮繼電器吸合，電動機轉動，達到了對電機的控制。四組電路分別接四個繼電器，控制兩個電動機的正反轉。

3.4 時鐘模塊設計

系統中視日運動軌跡追蹤模式需要與時間有關的控制與顯示，時鐘模塊采用DALLAS公司生產的串行實時時鐘芯片DS1302，主電源和備用電源雙電源供電，顯示電路采用MAX7219顯示驅動器，將它們與單片機連接后，模塊可以實現秒、分、時、日、星期、月和年的計時、顯示和設置，還能自動進行時間校正。

3.5 雙軸機械轉動的設計

本文設計了一種太陽能雙軸自動跟蹤系統，機械部分主要由電機、兩轉動軸、底座和電池板支架構成，在電池板支架上安裝電池板及檢測裝置，如圖3所示。檢測裝置中光電二極管檢測平面和電池板面平行。雙軸機械跟蹤系統有兩個轉動軸，垂直方向軸和水平方向軸，可同時在方位角和高度角兩個方向上自由旋轉，分別用來跟蹤太陽方位角360°和太陽高度角0～90°。具體方案是：在兩個轉動軸上分別固定大齒輪，大齒輪上安裝小齒輪，小齒輪與電機傳送帶連接，并進行一定的轉速比調整，同時在2個轉動軸的轉動部位安裝軸承以減小摩擦，這樣可以降低大齒輪轉速，也可以降低電機的調整功率。另外在兩小齒輪上放置2塊小磁鐵，小磁鐵旁邊適當位置安裝干簧管，當小齒輪轉動時磁鐵吸附干簧管閉合，此閉合信號送至單片機，就能檢測判斷出轉動的角度。接下來單片機送出電機的正反轉控制信號，達到了水平方向和垂直方向的跟蹤。最后，在兩個大齒輪邊安裝鎖定裝置，在電機轉動到對準太陽光時鎖定齒輪，不會因外界因素或系統自重導致轉動軸自行移動；在電機啟動發出轉動調整信號時解除鎖定，系統繼續追蹤太陽[3]。

圖3 雙軸機械跟蹤定位系統示意圖

4 結論

光纖導光的智能跟蹤太陽光裝置以單片機為核心，晴天采用光電傳感器跟蹤模式；陰雨天采用視日運動軌跡跟蹤模式；夜晚停止工作。這樣互補的控制方式在任何氣候條件下都保證了對太陽穩定、可靠的跟蹤，更大程度地提高了跟蹤精度。

太陽能光纖導光裝置使用太陽能雙軸自動跟蹤系統，能自動根據太陽光方向來調整光纖聚光裝置的方向，并結合計時芯片以及雙軸跟蹤自動控制系統，同時輔以時鐘模塊以及雙軸跟蹤自動控制裝置，由光線的偏轉觸發控制信號，從而帶動雙軸偏轉，使聚光裝置始終垂直于太陽入射光線，太陽角度追蹤更為精確，系統結構簡單、成本低。

裝置可為常年不見太陽的場所如建筑物地下車庫等提供照明，還可以提供安全健康適合老年人和病人理療的太陽光，創造出綠色的建筑空間。光纖傳輸光不帶電，不產生靜電和電火花，無電磁干擾，無電擊危險，可用于特殊場所和危險場所照明。太陽能導光系統在節能環保、科研生產、醫療保健等有諸多益處，容易走向市場，具有很好的產業化前景，有助于推動太陽能應用技術在中國的進一步發展。