太阳光线自动跟踪装置创新设计
摘要:太阳能作为未来能源,具有很好的应用前景。而目前由于各方面的技术的不完善，其工作效率一直不尽如人意。其中，能否最大限度的采集光线，是关键问题之一。文章结合目前国内外对于太阳能自动跟踪系统的研究现状及发展趋势，就该装置的设计要点做出总结，结合TRIZ理论，针对各种设计方案的不足提出一些改良的构想。
关键词:太阳能电池板，自动跟踪
目前太阳能的转化上主要有两种形式：光伏和光热。前者是将太阳能直接转化为电能；后者是聚光发热，直接利用热能或者将热能转化为机械能等其他能量。无论是前者还是后者，太阳光线的自动跟踪系统都能很好的增大太阳光线的采集，提高太阳能利用率。
一．国内外研究现状及发展趋势
现阶段国内外已有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。简而言之，单轴跟踪的机构为单自由度机构，而双轴跟踪为两自由度跟踪。由于功能上的需求，两自由度就基本能够满足功能要求，不需三自由度的功能结构。
而不论是单轴跟踪或双轴跟踪，太阳跟踪装置可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种。
(1)时钟式太阳跟踪装置是一种被动式的跟踪装置，有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法。根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器绕日轴转动，跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动反射器绕季轴旋转，跟踪太阳的赤纬运动。这样反射器就能全年和入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。其主要缺点是：跟踪精度不够。太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。
（2）程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。
（3）压差式太阳跟踪装置。这种太阳能热水器的吸热板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压力达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号。当镜面对准太阳时，管内压力平衡，压差执行器又发出停止跟踪信号。这种跟踪器的跟踪灵敏度高。
与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。
(4)光电式太阳跟踪装置。光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和
方位角的跟踪与前两种跟踪装置相比，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注，其工作原理如图1.4所示。目前，典型的光电式太阳跟踪装置有比较控制式和“多元法”两种。
比较控制式太阳跟踪装置，利用平面分布的多个光电阻的光照差来检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角以及太阳的视高度即高度角等参数。传感器外形如图 1.5所示。
“多元法”太阳跟踪装置，它的原理与比较式类似，其传感器结构如图1.7a 所示。在图1.7b中，“多元法”太阳定位装置由6个单方向定位装置构成，并且它们共用正中央的光敏电阻。当光照在左边第1个光敏电阻上时电机带动定位装置向逆时针方向转动一定角度，光从左边第1个光敏电阻离开并照在左边第2个光敏电阻上，电机带动定位装置又向逆时针方向转动相同的角度，这时光照在正中央的光敏电阻上，光垂直照在定位装置上，电机停转。
另外,无论是光电式还是时钟式,其中心的控制装置有PLC，单片机，DSP，ARM等，由于对日的控制跟踪过程较为缓慢，以上装置基本均能满足控制的精度和灵敏度，且普遍具有较好的抗干扰能力。因为，考虑到经济成本问题，可以选择较为便宜的装置。
（6）用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置。
太阳跟踪装置除了用作太阳能利用装置以外，还常用于天文台和气象台对太阳活动的跟踪观察。这些跟踪器主要分为两类：一类是望远式，它接受太阳的垂直入射；另一类是定日式。精度均较高，其造价相对也比较昂贵。
二.目前存在的问题
综上所述，现存的跟踪装置，用于观测太阳活动的装置虽然跟踪准确但价格昂贵；其它类型的跟踪装置普遍存在的问题是精度较差，其中，压差式太阳跟踪器原理结构较复杂,而且由于机构设计上的局限,一般只用于单轴跟踪系统,跟踪精度较低,且反应速度和灵敏度也相对不足；时钟式和程序控制式的跟踪装置存在着累计误差且不能自动消除；光电式跟踪装置跟踪比较精确，原理简单，容易实现，但是由于信号采集的密集度始终有限,无法实现对太阳运动的连续跟踪,且易受阴雨或是多云天气干扰,甚至引起执行机构的误动作,使跟踪失败。
而且电子式的电路均需要采用电机和控制电路,相较于纯机械式的机构，一方面会增加机构的制造成本,另一方面会增大能耗。
三．关于设计的一些要点
从全自动跟踪的未来发展趋势来说，机光电一体化是大势所趋。而目前，双轴跟踪也已经是一种普遍采用的设计策略，所以我们讨论的重点也在于这两方面。
1.太阳光跟踪方案。由于时钟式或者程序控制式存在累计误差以及由于太阳运动的不完全均匀，会造成跟踪系统的精确度不足。而光电式则易受天气影响，若在多云天气，还可能受到散射光的影响而导致误动作。根据TRIZ理论40条发明原理中的第5条——合并，可以考虑两种方式结合并行的设计理念。两种跟踪方式的并行存在着时间上的冲突。如果将控制过程分为粗调与细调两个部分，可以很好的解决时间上的分离问题。太阳能电池以计算好的预定日行轨迹行进到粗调坐标，再通过光电设备，判断此时的光线垂直度，在预定的细调区间内进行精细的位置调整。从而可以解决时钟式的累积误差问题。而由于细调区间的存在，可以预防光电式存在的误动作隐患。在入夜之后，太阳能电池板根据预设值，调回早晨的方位，并进入休眠状态。
2.节能构想。该太阳能跟踪装置本身的目的在于能源利用的更大化，故而系统本身是否节能也很重要。利用TRIZ理论的时间分离原理分析，由于时钟式的跟踪方法本身无论在晴天，还是阴雨多云天气都持续工作，这样效能低，且高功耗。所以我们将在阴雨或多云天气，光线不足。拟通过光电设备，收集光强信号。在阴雨或多云天气，光强低于预设值，电机自动停止工作。光强回升，控制设备再将电池板调至该时刻的预设坐标。在工作的时候耗能，不工作的时候不耗能，是一种最行之有效和立竿见影的节能方式。
3.双轴跟踪设计。双轴跟踪系统拥有两个自由度，一般来说需要两个电机，但是这样一来就会增加机构的成本。而且由于太阳能电池板的调整主要以每日太阳自东向西的运动为主，而一年的高度角变化过程较为缓慢，电机的利用率不高。利用40条发明原理中德多用性原则，可只用一个电机来实现两个自由度的控制，从而加大电机的利用率。拟使用相对较便宜的离合装置来实现两个自由度的控制，离合装置的控制由控制器来实现。由于一个电机对两个动作的同时控制存在者冲突，利用时间分离原理可以有效的解决这个问题。
由于要串行控制两个自由度，电机在传动上存在着空间的结构设计问题。传动关节的设计可以参照汽车万向联轴节。
汽车万向节
4.自我保护。考虑到对电池板的保护作用，可以再大风或是雨雪天气增加保护措施，如自动收起电池板之类。此设计可视经济成本，电池板的性能以及现实
的需求而定。
5.信号采集设备的设计。考虑到太阳在天球的弧形运动轨迹，前文所介绍的两种跟踪装置中，比较控制式的传感器呈平面分布，多元法呈柱面分布，在跟踪光线上都无法准确反映太阳的球面运动，拟将传感器制作成球面分布，再利用多元法的工作原理，实现电池板与光线垂直度的微调。
参考文献:
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