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摘 要：本文在研究当前太阳能技术应用现状的基础上，设计了一套太阳能双轴跟踪装置。该装置采用基于定时跟踪和光电跟踪的混合跟踪模式，使得太阳能跟踪平台的控制精度得到一定程度的提高。此外，还研究和设计了太阳能双轴跟踪装置的控制器，给出了控制器的硬件设计方案和软件设计方案。
关键词：太阳能；双轴跟踪；混合跟踪
0、引言
太阳能利用前景广阔，利用方式多，但能够解决能源短缺的根本途径是太阳能发电技术。太阳能发电包括光发电和热发电两种。通过旋转抛物面聚光器、热气机组成的分散式小型发电装置在偏远地区，或由于地形特点和居住分散等因素不适合大规模使用太阳能和电网未能覆盖的地区有广阔的应用前景，但要得到较高的集热温度，聚光器必须从日出到日落跟踪太阳。而对于槽式和碟式的聚焦式太阳能光电系统，要想提高光电转换效率，也需要使光电转置从日出到日落跟踪太阳。从实验证明，在太阳能光电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35%。应用于旋转抛物面聚光器的跟踪方式主要是双轴跟踪，从方位角和高度角两个自由度精确跟踪太阳。
因此，研究太阳能跟踪的控制技术对于太阳能的推广应用以及太阳能装置效率的提高具有重要意义，太阳能跟踪系统的跟踪精度和功耗问题是影响太阳能跟踪系统推广应用的主要因素。
1、总体方案设计
根据双轴混合跟踪系统的要求，此太阳能跟踪系统需要具备的功能大致包括：
（1）光电检测：利用光电传感器实时检测太阳位置，包括太阳高度角和方位角；
（2）定时检测：利用当前的时间信息计算出太阳的高度角和方位角；
（3）自主转动：控制电机，实现跟踪平台在竖直方向和水平方向的自主转动；
（4）人机交互：人通过人机交互器件了解和监控跟踪平台的运行状态，得到需要的可观测的数据信息，此外，可通过人机交互器件人工选择跟踪模式。人机交互功能在跟踪平台调试和任务运行过程中作用重大。
基于以上的功能要求，本文设计的太阳能跟踪系统主要由机械结构、控制器硬件平台和执行机构三部分组成，如图1所示。
图1 太阳能双轴跟踪系统总体设计
2、机械结构设计
机械结构是整个太阳能跟踪系统的基础，包括移动结构和机械支撑架两个部分。其水平方向和竖直方向均采用圆柱齿轮传动。整个云台分上下两层，下层固定不动，上层可绕中心轴360°转动，上层与下层之间有润滑垫片，上下层通过长螺栓固定。云台上层的固定支架可在竖直方向转动，其上可固定太阳能电池板和光电传感器。
在云台内部的水平方向和竖直方向上，可固定两组行程开关，用来限制两个方向上的极限运动位置，防止电机堵转时过电流损害电机。
3、控制器设计
控制器是跟蹤系统的核心部件，是影响机器人性能的关键部件之一，该控制器主要包括：
（1）主控制器：太阳能跟踪系统的控制核心；
（2）电机控制模块：控制驱动步进电机，以实现跟踪系统的运动；
（3）传感器模块：传感器模块主要包括光电传感器、定时芯片和计时芯片及其外围电路；
（4）人机接口模块：人机接口模块包括 LCD 显示和按键。它是人机交互的重要工具，通过这些接口可以给跟踪系统下达命令，跟踪系统也可以在运行出错时报警，同时它在控制板的软硬件调试过程中作用重大。
4、控制器的软件设计
开机后，整个系统先进行自检，对主要工作部分的状态进行检测，如有不正常状态则显示于液晶屏上，系统不工作；如状态正常，则开始工作。
开始工作后，先检查当前时间，若为晚上，则系统自动进入休眠状态；若为白天，则进行光照强度检测。若光照很强，则采用光电跟踪模式，单片机对光电传感器的信号进行采集、校正后，经过PID控制算法，控制两路步进电机转动，调整平台位置，使平台正对太阳；若光照较强，则采用光电跟踪和定时跟踪共同作用的模式，两种控制算法的输出加权平均后，驱动步进电机；若光照较弱，为了避免系统误动作，则采用定时跟踪模式，采集电位器的电压信号，换算出当前平台位置，与计算所得的太阳位置进行比较，依据其误差驱动步进电机转动；若光照极弱，则锁定系统，系统不动作。
当一次动作调整完成后，开启定时芯片，开始定时，同时系统进入休眠状态，等待定时结束后被唤醒。
5、结语
本文所设计的双轴太阳能跟踪装置，具有结构简单、成本低、实用性强等特点。通过竖直方向和水平方向两个自由度对太阳能进行跟踪，可以大大提高太阳能的转换效率。本文设计的控制器运转良好，能够达到对太阳能的精确跟踪。■
参考文献
[1] 海铁权.环保能源——太阳能.内蒙古科技与经济.2002，7：52～53
[2] 李申生.广义太阳能和狭义太阳能.太阳能.2003，3：5
[3] 陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究.能源工程.2003，3：18～21
[4] 郑小年，黄巧燕.太阳跟踪方法及应用能源技术.2003，24（4）：149～151
关键词：太阳能；双轴跟踪；混合跟踪
0、引言
太阳能利用前景广阔，利用方式多，但能够解决能源短缺的根本途径是太阳能发电技术。太阳能发电包括光发电和热发电两种。通过旋转抛物面聚光器、热气机组成的分散式小型发电装置在偏远地区，或由于地形特点和居住分散等因素不适合大规模使用太阳能和电网未能覆盖的地区有广阔的应用前景，但要得到较高的集热温度，聚光器必须从日出到日落跟踪太阳。而对于槽式和碟式的聚焦式太阳能光电系统，要想提高光电转换效率，也需要使光电转置从日出到日落跟踪太阳。从实验证明，在太阳能光电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35%。应用于旋转抛物面聚光器的跟踪方式主要是双轴跟踪，从方位角和高度角两个自由度精确跟踪太阳。
因此，研究太阳能跟踪的控制技术对于太阳能的推广应用以及太阳能装置效率的提高具有重要意义，太阳能跟踪系统的跟踪精度和功耗问题是影响太阳能跟踪系统推广应用的主要因素。
1、总体方案设计
根据双轴混合跟踪系统的要求，此太阳能跟踪系统需要具备的功能大致包括：
（1）光电检测：利用光电传感器实时检测太阳位置，包括太阳高度角和方位角；
（2）定时检测：利用当前的时间信息计算出太阳的高度角和方位角；
（3）自主转动：控制电机，实现跟踪平台在竖直方向和水平方向的自主转动；
（4）人机交互：人通过人机交互器件了解和监控跟踪平台的运行状态，得到需要的可观测的数据信息，此外，可通过人机交互器件人工选择跟踪模式。人机交互功能在跟踪平台调试和任务运行过程中作用重大。
基于以上的功能要求，本文设计的太阳能跟踪系统主要由机械结构、控制器硬件平台和执行机构三部分组成，如图1所示。
图1 太阳能双轴跟踪系统总体设计
2、机械结构设计
机械结构是整个太阳能跟踪系统的基础，包括移动结构和机械支撑架两个部分。其水平方向和竖直方向均采用圆柱齿轮传动。整个云台分上下两层，下层固定不动，上层可绕中心轴360°转动，上层与下层之间有润滑垫片，上下层通过长螺栓固定。云台上层的固定支架可在竖直方向转动，其上可固定太阳能电池板和光电传感器。
在云台内部的水平方向和竖直方向上，可固定两组行程开关，用来限制两个方向上的极限运动位置，防止电机堵转时过电流损害电机。
3、控制器设计
控制器是跟蹤系统的核心部件，是影响机器人性能的关键部件之一，该控制器主要包括：
（1）主控制器：太阳能跟踪系统的控制核心；
（2）电机控制模块：控制驱动步进电机，以实现跟踪系统的运动；
（3）传感器模块：传感器模块主要包括光电传感器、定时芯片和计时芯片及其外围电路；
（4）人机接口模块：人机接口模块包括 LCD 显示和按键。它是人机交互的重要工具，通过这些接口可以给跟踪系统下达命令，跟踪系统也可以在运行出错时报警，同时它在控制板的软硬件调试过程中作用重大。
4、控制器的软件设计
开机后，整个系统先进行自检，对主要工作部分的状态进行检测，如有不正常状态则显示于液晶屏上，系统不工作；如状态正常，则开始工作。
开始工作后，先检查当前时间，若为晚上，则系统自动进入休眠状态；若为白天，则进行光照强度检测。若光照很强，则采用光电跟踪模式，单片机对光电传感器的信号进行采集、校正后，经过PID控制算法，控制两路步进电机转动，调整平台位置，使平台正对太阳；若光照较强，则采用光电跟踪和定时跟踪共同作用的模式，两种控制算法的输出加权平均后，驱动步进电机；若光照较弱，为了避免系统误动作，则采用定时跟踪模式，采集电位器的电压信号，换算出当前平台位置，与计算所得的太阳位置进行比较，依据其误差驱动步进电机转动；若光照极弱，则锁定系统，系统不动作。
当一次动作调整完成后，开启定时芯片，开始定时，同时系统进入休眠状态，等待定时结束后被唤醒。
5、结语
本文所设计的双轴太阳能跟踪装置，具有结构简单、成本低、实用性强等特点。通过竖直方向和水平方向两个自由度对太阳能进行跟踪，可以大大提高太阳能的转换效率。本文设计的控制器运转良好，能够达到对太阳能的精确跟踪。■
参考文献
[1] 海铁权.环保能源——太阳能.内蒙古科技与经济.2002，7：52～53
[2] 李申生.广义太阳能和狭义太阳能.太阳能.2003，3：5
[3] 陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究.能源工程.2003，3：18～21
[4] 郑小年，黄巧燕.太阳跟踪方法及应用能源技术.2003，24（4）：149～151