太阳能电池板自动跟踪系统的设计

【摘要】本系统由光线感应器和闭环控制器组成的自动控制装置。采用伺服电机使感光太阳能电池板始终处垂直于太阳入射角，从而提高太阳能电池板对太阳能的吸收效率。本系统有四种工作状态。一是常态（好天气情况）下的对日跟踪状态；二是间歇式跟踪，天气为多云、阴天或恶劣天气将暂停跟踪，天气转好时继续跟踪；三是自动回位，本系统在日落后自动进入适应工作时，并自动回归到太阳升起的方位。第二天再自动进入新一轮的运转。四是恶劣天气状态的保护，当环境风速或降水等因素不适宜系统工作时，跟踪仪会自动停止工作，以避免系统遭到破坏。

【关键词】太阳跟踪；自动化；感光太阳能电池板；伺服电机

引言

太阳能既是一次能源，又是可再生资源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源、减少污染的时代。太阳能的发展前景非常广阔，利用太阳能发电已经成为全球瞩目的一个具有深远意义的研究课题。但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发太阳能面临的主要问题。现在市场的固定式太阳能吸收系统不能充分吸收太阳能，造成一定程度的浪费。而太阳能自动跟踪系统则很好的解决了这个问题。本文提出了一种由光线感应器和闭环控制器组成的自动跟踪系统，此系统由光感测阵列感应太阳光斑的位置来确定太阳的高度和方位，通过闭环控制器来自动调整太阳能电池板的朝向，结构简单，成本低，充分吸收太阳能，从而提高太阳能的吸收率。

1.自动跟踪系统的组成和结构

太阳能自动跟踪系统由光线感应器、闭环控制电路和感光机架组成。

1.1光线感应器

光线感应器是由两个组件即投光器及受光器所组成，利用投光器将光线由透镜将之聚焦，经传输而至受光器之透镜，再至接受感应器，接受感应器将收到的光线讯号转变成电信号，此电信号更可进一步作各种不同的开关及控制动作，其基本原理即对投光器及受光器间的光线做遮蔽动作所获得的信号加以运用以完成各种自动化控制。

1.2闭环控制器

闭环控制器由光感测阵列和伺服电机组成。

1.2.1光感测阵列。采用一种光感测阵列的触控显示装置，其特征在于包含一个作为触控屏幕及能够显示画面的透光玻璃，一个太阳光源，该光源在该透光玻璃上方以接触或不接触的方式滑移或点选，并令所射出的光线透过该透光玻璃；一个光感测阵列，该光感测阵列位于该透光玻璃的下方，用于感测来自该透光玻璃的上方的光源射出的光线，该光感测阵列包括数个感光单元，所述感光单元以阵列的方式配置，各感光单元供接收来自对应位置的光线；所述感光单元将接收到的光线转换成电子信号；一个影像阵列处理器，用于接收来自该光感测阵列的电子信号，依据所传送进来的电子信号判断该光源在该透光玻璃上的位置坐标，并将该位置坐标所形成的轨迹转化成对应该光笔移动形成的图符所代表的指令；一个供影像输出的电子信息装置，该电子信息装置包括一个处理器，该影像阵列处理器发出的指令送到该电子信息装置的处理器中，以令该电子信息装置执行该指令；一个投影机，该投影机位于该透光玻璃的下方，该投影机连接该供影像输出的电子信息装置，该投影机用于接收该电子信息装置的输出影像，并将该输出的影像投影到该透光玻璃上，而使得该透光玻璃显示与该电子信息装置的输出影像相同的影像。

1.2.2伺服电机。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和轉速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入讯号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所受到的电信号转换成电动机轴上的角位移和角速度输出。当信号电压为零时自转现象，转速随着转矩的增加而均匀下降。

1.2.3支架部分。在设计太阳能支架的过程中，不仅要考虑到材料自身重量和惯性的因素，还要考虑到投入应用以后，实际的自然条件的因素。大风是不可忽略的一个重要自然现象，这就要求支架足够加固，固定太阳能电池板的齿轮和轴承足够稳定，足以承受大风所带来的力的作用。

2.工作原理

在太阳光下太阳光束从进光口射入，由于进光口较小，太阳光束在受光器的透光玻璃上形成一个光斑，透光玻璃下方的光感测阵列，其分布在各个位置上的感应单元接受光线，将接收光信号转换成电子信号，传输到影像处理器，影像处理器根据所接收的电子信号输出指令，输送到投影机，经过处理后输出在该透光玻璃显示与电子信息装置的输出影像相同的影像，确定太阳的位置和角度，信号输出伺服电机，电机主轴转动，经过锥齿轮传动，力矩传递到太阳能电池板的力臂杆中，从而使太阳能电池板始终垂直于太阳入射角。我采用的是常用的2个轴交角∑=90□的标准直齿锥齿轮进行传动，以大端参数为标准值。[2]根据国家标准，通过齿轮的受力分析，主要计算齿面疲劳强度和齿根疲劳强度。在齿面疲劳强度计算时，则以齿宽中点处的当量齿轮作为计算依据；而直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度可近似的按平均分度圆处的当量圆柱齿轮来计算；我采用的是2个完全相同的国家标准件直齿锥齿轮，其Z=20，m=3的直齿锥齿轮，其齿面疲劳强度和齿根疲劳强度都符合标准。[3]加工标准直齿圆柱齿轮时，h*=1，α=20不发生跟切的最少齿数Zmin=17，而圆锥齿轮不发生跟切的最小齿数Zmin=ZminCOSδ， 式中Zmin为圆锥齿轮的当量齿轮不发生跟切的最少齿数，COSδ<1，Z=20>Zmin=17，所以选的锥齿轮完全符合标准。

3.结论

通过使用光感测阵列控制，本系统可完全实施对太阳的自动跟踪，并且有四种工作状态，能够应对各种天气情况，充分利用太阳能，提高了太阳能的吸收率，完全自动化，无需人工控制，同时考虑到了支架结构的抗压能力，使系统更加稳定、高效。

注：本作品在第七届全国3D大赛获省级三等奖

参考文献

[1]孙铁伟.向日自动化感光太阳能板.全国3D大赛.工业与工程设计大赛.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计第七版.高等教育出版社，2001.

[3]孙桓，陈作模.机械原理.高等教育出版社，2004.