太阳视日跟踪系统的设计*

□ 韩丽艳 □ 宫 德 □ 刘占民 □ 何海洋

北京石油化工学院 机械工程学院 北京 102617

开发利用太阳能是解决人类能源危机和减少环境污染的有效手段之一，国内外有关机构对此均投入了大量的人力、物力进行深入广泛的研究［1］。而研制具有实用价值的自动跟踪系统以实现低成本利用太阳能的目的，则是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。本文提供一种控制电路简单，由步进电机驱动的低成本、实用的新型太阳跟踪装置。

1 工作原理

从地球上观测者的角度看，整个天球像是在围绕我们旋转，其实这是地球以外的天空包括日月星辰，概无例外的以与地球运动相反的方向、但却以相同的周期（1日）运动着，其运动的轨迹就是周日圈，天体的周日圈就是它所在的那条赤纬圈［2］。如图1所示，天体愈近天极，其赤纬圈愈小；离天极愈远，赤纬圈愈大。

地球公转的周期是一年，也就是太阳沿黄道连续两次经过春分点所需的时间，其长度为365.2422日，如图2所示。

相对于太阳而言，地球的大小可以忽略，因此地球只是中心点的一个点，半径大小忽略。但是观察者直立时的方向是和其所在的地理位置密切相关的，比如在赤道上，观察者直立方向垂直于NS（南北极）；而在南北极，观察者的直立方向就是NS线的方向。太阳相对地球的经纬度运动相当于从冬至到夏至，再从夏至返回到冬至的等速运动，如图3所示。

▲图1不同纬度地区的周日运动图

▲图2 地球公转周年回归运动

▲图3太阳位置变化图

2 视日系统的设计

2.1 赤纬方向设计

视日太阳跟踪系统机械部分是以凸轮为核心的减速机构，其运动简图如图4所示。由赤纬齿轮及带轮的减速机构（（图中未显示），带动赤纬凸轮运动，凸轮推动杆件作从冬至到夏至，再从夏至返回到冬至的等速运动，其推程为h，同时滑动机构作圆周运动。凸轮采用直动尖端推杆盘形凸轮机构，推程、回程角均为180°等速运动规律。

2.2 时角方向设计

在凸轮摆杆齿轮机构中，时角方向是由中齿轮带动扇形齿轮作180°的摆动，扇形齿轮同时通过摆动尖端推杆与凸轮保持联动，其运动简图如图5所示，推程、回程角均为180°等速运动规律。

2.3 参数设计

▲图4赤纬方向运动简图

▲图5 时角方向运动简图

表1 齿轮传动参数

▲图6 凸轮生成图

▲图7 PLC控制程序流程图

为了实现时角方向的实时跟踪和赤纬方向每日跟踪之间的耦合，按照每年 365.25 天来计算［3］，视日太阳跟踪系统机构中赤纬齿轮和凸轮摆杆齿轮的具体数据见表1。

时角凸轮和赤纬凸轮利用三维设计软件UG编程而成，通过函数运行仿真生成凸轮轮廓曲线，再通过实体拉伸等操作设计出相应的凸轮零件，如图6所示。

3 控制系统的软件设计

控制系统利用PLC实现对步进电机的控制。根据步进电机的运转特点，设计了步进电机控制算法，运用PLC控制系统，实现对步进电机在各种运行模式下加减速、正反转及精确定位的控制仿真，利用PTO（Pulse Train Output）功能，按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波。控制流程图如图7所示。

子程序1是太阳跟踪器正常运转时的程序，子程序1一旦触发，PLC将进行24 h的工作，前18 h以2.29 Hz的频率发脉冲，后6 h以6.87 Hz的频率发脉冲。子程序2是太阳跟踪器中速运转时的程序，设置的运转时间是1 s，当子程序2被触发，PLC将工作1 s，即面板“中速”按钮按下时PLC工作1 s，当按钮一直按下时，PLC则一直工作，直到按钮弹起，脉冲初始循环时间是40 ms，频率为25 Hz，脉冲个数为25。子程序3是太阳跟踪器快速运转时的程序，设置的运转时间是1 s，当子程序3被触发，PLC将工作1 s，即面板“快速”按钮按下时PLC工作1 s，当按钮一直按下时，PLC则一直工作，直到按钮弹起，脉冲初始循环时间是10 ms，频率为100 Hz，脉冲个数为100。搭建完成的具体电路如图8所示。

▲图8 控制箱

4 结论

本系统利用凸轮实现太阳视日轨迹跟踪，其机构设计简单、实用。整个系统实现一个驱动、两个方向运动，不仅简化了控制电路结构，而且降低了装置的制作成本。对于非聚焦的太阳光伏发电系统的方向跟踪而言,性价比高是设计制造跟踪系统应该追求的目标。研究表明该系统可以很好地实现对太阳运动的跟踪，可进一步为太阳能的利用提供有力支持。

［1］ 李敏.一种新型的太阳能自动跟踪装置 ［J］.电子器件2008,31（5）.

［2］ 王炳忠.现代气象辐射测量技术［M］.北京：气象出版社，2008.

［3］ 梁 勇.太阳能高度角自动跟踪精度的模型仿真［J］光电子技术，2008，28（3）：170-173.

［4］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［5］ 倪森寿.机械基础［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［6］ 吕文华.全自动太阳跟踪器的研制和应用［J］.光学精密工程 2008,16（12）.