基于正交測光的雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙惠 楊征瑞 陳志毅

摘要：在雙軸跟蹤系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙軸跟蹤傳動機(jī)構(gòu)，并對高度角和方位角傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行分析;設(shè)計(jì)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(jī)、正交測光模塊、2臺電機(jī)組成的控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對太陽光線的實(shí)時(shí)跟蹤。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(jī)和環(huán)境保護(hù)是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)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(guān)注。但太陽能存在低密度、間歇性、空間分布不斷變化的特點(diǎn)。為了更充分更有效地利用太陽能，在光伏發(fā)電中普遍采用跟蹤太陽的方式，實(shí)時(shí)保持電池板和光照的垂直[1]。自動跟蹤發(fā)電設(shè)備比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%。調(diào)整太陽電池板所偏轉(zhuǎn)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(tài)，充分地接收太陽輻射的能量，從而達(dá)到提高太陽能發(fā)電效率的目的[2]。要想實(shí)現(xiàn)自動跟蹤太陽能發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)是太陽光照度的測定和機(jī)電傳動設(shè)備的研發(fā)，即設(shè)備要具有始終能跟蹤太陽運(yùn)動軌跡的能力并且具有高的精確度[3]。本研究設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，傳動效率高，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動2臺直流電機(jī)，使電池板調(diào)整到最佳位置。

1 跟蹤系統(tǒng)的總體方案

跟蹤系統(tǒng)主要由太陽能電池板、光線誤差檢測、跟蹤傳動裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。光線誤差檢測實(shí)時(shí)檢測電池板與入射光線的方位角和高度角偏差，將檢測結(jié)果傳給單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，向雙軸跟蹤傳動裝置的兩臺直流電機(jī)輸出信號，驅(qū)動電池板繞方位軸和高度軸轉(zhuǎn)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(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)由上箱體、下箱體、高度角傳動機(jī)構(gòu)和方位角傳動機(jī)構(gòu)組成。上箱體起到支撐太陽能電池板、高度角傳動機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)安裝在下箱體上。系統(tǒng)的機(jī)械整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

兩臺驅(qū)動電機(jī)選用蝸輪蝸桿減速直流電機(jī)，直流電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大，帶有蝸輪蝸桿的直流電機(jī)具有自鎖能力、較低的輸出轉(zhuǎn)速、傳動平穩(wěn)的特點(diǎn)。雙軸傳動機(jī)構(gòu)都采用了齒輪傳動，傳動效率高、維修方便、價(jià)格低廉，傳動比為15∶120，增大了輸出轉(zhuǎn)矩。考慮到跟蹤的平穩(wěn)性，確定電池板的轉(zhuǎn)動速度為0.45 °/s，既保證了跟蹤速度，又保證了跟蹤的平穩(wěn)性和精度。雙軸傳動機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，實(shí)物如圖4所示。

3 跟蹤系統(tǒng)的動力學(xué)分析

3.1 高度角動力分析

高度角傳動機(jī)構(gòu)帶動電池板繞水平方向的高度軸旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)需要克服的負(fù)載有電池板重力轉(zhuǎn)矩、慣性力矩、摩擦力矩和風(fēng)載荷力矩。電機(jī)的驅(qū)動力矩應(yīng)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(zhuǎn)矩;Tz—風(fēng)載荷力矩;Tg—慣性力矩;Tf—摩擦力矩。

1）電池板重力轉(zhuǎn)矩Tm。

式中，m為電池板和傳感器模塊的總質(zhì)量，l為機(jī)構(gòu)的中心到回轉(zhuǎn)半徑的距離。

2）風(fēng)阻力矩Tz。風(fēng)力作用在電池板上產(chǎn)生的扭矩為：

式中，Cmz—風(fēng)阻俯仰力矩系數(shù);7級風(fēng)為0.139 2;Kh—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，Kh=1;q—風(fēng)壓，7級風(fēng)取q=103 Pa;A—特征面積，0.82 mm×0.5 mm=0.41 mm2;D—物體迎風(fēng)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(zhuǎn)動中心（高度軸）的轉(zhuǎn)動慣量之和;[dω1dt]為高度角傳動機(jī)構(gòu)的角加速度。

高度角傳動機(jī)構(gòu)的角加速度很小，近似為零，因此高度角傳動機(jī)構(gòu)慣性力矩可忽略不計(jì)。

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(shù)調(diào)整。

3.2 方位角動力分析

方位角傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動上箱體（包括高度角傳動機(jī)構(gòu)、電池板）繞垂直方向的方位軸轉(zhuǎn)動。工作時(shí)負(fù)載包括上箱體、高度角傳動機(jī)構(gòu)、電池板重力以及風(fēng)載荷，要克服的阻力矩有旋轉(zhuǎn)摩擦力阻扭矩、風(fēng)阻力矩、慣性阻力矩等。

方位角的阻力矩T2為：

式中，Tf—旋轉(zhuǎn)摩擦力阻扭矩;Ty—風(fēng)阻力矩;Tg—慣性阻力矩。

1）旋轉(zhuǎn)摩擦力阻扭矩Tf。

式中，m為上箱體、雙軸傳動機(jī)構(gòu)、電池板和傳感器模塊的總質(zhì)量;u為工業(yè)腳輪的摩擦系數(shù);r為工業(yè)腳輪的半徑。

2）風(fēng)阻力矩Ty。風(fēng)力作用在電池板上產(chǎn)生的扭矩為：

式中，Cmy—風(fēng)阻方位力矩系數(shù);Kh—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，Kh =1;q—風(fēng)壓;A—特征面積，電池板垂直與風(fēng)向的迎風(fēng)面積;D—物體迎風(fēng)面的高度。

3）慣性阻力矩Tg。

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

以上計(jì)算涉及到風(fēng)阻系數(shù)時(shí)，全部采用7級風(fēng)的風(fēng)阻系數(shù)。

3.3 蝸桿蝸輪減速直流電機(jī)參數(shù)的確定

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

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

4 控制系統(tǒng)

4.1 正交測光傳感器檢測模塊

測光檢測采用隔板式結(jié)構(gòu)。由4個開關(guān)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(cè)安裝2個光電傳感器（圖5）。東西方向的隔板和兩側(cè)的傳感器檢測高度角偏差，南北方向的隔板和兩側(cè)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(tǒng)，將電池板相對于太陽的高度角和方位角分別轉(zhuǎn)換為2個二進(jìn)制編碼。如，當(dāng)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(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，能實(shí)時(shí)檢測太陽光，檢測精度高。

4.2 控制模塊

控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)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(guān)。4個限位開關(guān)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(jī)驅(qū)動器提供輸出信號。采用L298雙H橋電機(jī)驅(qū)動板。控制系統(tǒng)電路原理如圖6所示。

4.3 控制軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用編碼轉(zhuǎn)換控制邏輯，與正交測光模塊配合，實(shí)現(xiàn)編碼快速控制邏輯。這種編碼轉(zhuǎn)換控制簡化了控制程序。當(dāng)陽光偏離時(shí)系統(tǒng)能作出快速糾偏動作，實(shí)時(shí)調(diào)整工作平臺跟蹤太陽，跟蹤精度較高。

5 設(shè)備安裝調(diào)試

設(shè)備在安裝調(diào)試后運(yùn)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(shù)據(jù)。結(jié)果表明，自動跟蹤方式比正南固定對光的發(fā)電效率提高了6.21%，該系統(tǒng)對太陽的自動跟蹤實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

6 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)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(jìn)制編碼，使軟件上可采用代碼轉(zhuǎn)換控制方式，編程簡單、控制反應(yīng)快、有效可靠。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、工作可靠，還可以形成獨(dú)立小型實(shí)用供電系統(tǒng)，可作為戶外小型電器電源，也為海島海洋利用太陽能發(fā)電的裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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