太阳能自动追踪装置

李宏波曹善毅刚晓军

一、太阳能跟踪装置的假设

（1）单物体单探测器平面式追踪

我们假设太阳追踪的过程是在一个平面内进行，即不考虑太阳的具体三维空间位置关系，并假设太阳为这个平面内的一个点。无论太阳能板的样式如何，它的受光面积总为一个平面，这个平面为一个长方形或不规则图形，我们利用几何关系或相关计算公式可以找出其几何中心与几何重心，我们使其与太阳点重合，来使得太阳能板的受光情况最好，来达到最高的太阳能利用率，具体计算过程可利用基于卡尔曼滤波的多模滤波VD算法进行计算。重心坐标计算公式为：。

（2）基于太阳热量的追踪

众所周知，太阳每时每刻都在向外界散发着热量[1]，所以我们假想可以利用热成像仪的原理并结合军工技术中的导弹定位技术，创造出一种可以用于追踪太阳的仪器，解决热成像仪的短距问题。同时，我们也解决了太阳能追踪器在阴天、雨天等太阳照射条件不好的情况下对太阳的追踪。相关图示见图1-2.

（3）基于激光定位的追踪技术

第三种情况我们采用激光定位装置，激光跟踪定位装置一般包括激光定位和跟踪系统两个部分，我们利用其系统优点来实现对太阳能的跟踪，将太阳目标的位置量转换成光斑在光电位置传感器上的位置，并输出对应的位置信号，通过设备对位置量信号进行采集和处理，从而确定太阳的具体位置。相关图示见图1-3.

图1-2热量追踪器原理借鉴

图1-3FARO激光跟踪仪及其现场应用

二、转向装置的假设

在太阳能追踪装置中，其转向装置也必不可少，它实现太阳能受光面可以以最好的角度朝向太阳，使太阳能利用率得以提高。下面我们构想了三种转向装置。

（1）基于旋转副的转向装置

在机械原理的学习中我们知道Kugelgelenk可以实现自由转动[2]，实现绕三个坐标轴的转动，它的自由度为3，可以运用于太阳能装置的转向，从而实现追踪。用ProE进行制图展示。

这种机构虽然可以实现太阳能板的自由转动，但是其稳定性不强，我们可以在其中加入固定柱，用来实现位置的固定，所以需要对固定孔的位置以及固定柱的运动情况进行编程，运用自动控制技术来实现这一过程[3]。以下两种装置仍然需要进行电子控制，所以，每一个现实产品不仅仅是机械的结合体，也是电子元件的结合体。

（2）基于液压杆的转向装置

为了实现太阳能板可以随太阳的运动而转动，我们也可以运用液压杆来实现这一过程，我们在太阳能板下面安装一组液压杆，液压杆的数量可以根据具体的转动精度和当地太阳能的分布情况进行确定。当太阳运动时，我们可以调整每一个液压杆的长度，从而来实现对太阳的追踪。液压杆内部图以及3DMax演示图如下图2-2，图2-3所示。

图2-2液压杆内部图

图2-3液压杆转向图示

（3）基于齿轮传动的转向装置

最后一种我们介绍的是齿轮传动装置，利用两组齿轮来实现对太阳能板的转向，可以解决第一种方案中无法定位的问题。X-Y面的转动可以实现，为锥齿轮组，这种传动的缺点是一般情况下只能实现90°的转向。

三、总结

太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中[4]，最优化太阳光使用，达到提高光电转换效率的机电一体化系统。以上是我们组对太阳能追踪装置的浅层设想，也存在很多问题，但通过我们对太阳能追踪装置的设想，学习到很多关于太阳能、控制等方面的知识，同时开阔了视野，受益匪浅[5]。

参考文献

[1]苏旭.太阳能热水系统在民用建筑中的应用与探讨[J].山东工业技术,2017(22):64.

[2]余海.太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J].能源研究与利用,2004(03):34-37.

[3]毛桂生.太阳能电池板自动追踪系统的研究[D].华南理工大学,2010.

[4]随云飞,赵建伟.太阳能自动追踪系统的设计与研究[J].山西电子技术,2016(04):82-83.

[5]孙迎光.自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术[J].能源工程,2002(03):7-10.