太陽能電池跟蹤的機械部件

太陽能電池的太陽方位跟蹤是在太陽有效光照時間內(nèi)，能使太陽光線始終垂直照射到光線采集器( 太陽能集熱器或光電池) 的采集面上，使光線采集器在有效光照時間內(nèi)都能最大限度地獲取太陽能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最主要部分通常由控制部件和轉(zhuǎn)動部件組成。

電池板的轉(zhuǎn)動部件就是其運動機構(gòu)，是一套機械構(gòu)件，太陽能電池板的跟蹤是繞特定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸是運動的參考部件，所以太陽能電池板的跟蹤運動方式是以軸系的組成來分類的，分成單軸跟蹤與雙軸跟蹤兩類。單軸跟蹤分為平單軸跟蹤與斜單軸跟蹤;雙軸跟蹤也分成兩類：極軸式跟蹤系統(tǒng)(赤道坐標(biāo)系雙軸跟蹤)與高度角-方位角跟蹤(地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤)系統(tǒng)，這些跟蹤方式在相應(yīng)課件已做介紹，這里不再做介紹。

電池板繞軸轉(zhuǎn)動是由電動機驅(qū)動的，驅(qū)動電機可以是步進電機或普通電機，電機需要通過齒輪減速器來帶動電池板轉(zhuǎn)動，多種驅(qū)動電機包含齒輪減速器。驅(qū)動電機最好帶輸出角度檢測，以便計算機知道電池板的轉(zhuǎn)動位置。輸出角度檢測對于開環(huán)控制是必不可少的，而且要有足夠精度。

太陽能電池的視日運動跟蹤法

電池板的控制系統(tǒng)根據(jù)控制方式分為三種：視日運動跟蹤法、光電跟蹤法、混合控制法。

視日運動跟蹤法是一種主動式跟蹤，主要有地平坐標(biāo)系跟蹤與赤道坐標(biāo)系跟蹤。

地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤

主動式跟蹤控制根據(jù)控制計算機預(yù)先存儲的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度等數(shù)據(jù)與太陽運動的軌跡函數(shù)，再根據(jù)實時時鐘的精確時間信號，按地平坐標(biāo)系相關(guān)函數(shù)計算出實時的太陽高度角與方位角，發(fā)出控制信號。電池板的軸系驅(qū)動部件根據(jù)這些信號把電池板轉(zhuǎn)向指定的高度角與方位角，從而對準太陽。在整個控制過程中無需檢測電池板是否對準了太陽，直接發(fā)控制命令，所以是主動式控制。由于控制過程不檢測太陽位置，不是根據(jù)檢測到的太陽位置偏差進行控制的，在自動控制技術(shù)中稱為開環(huán)控制。

這種直接輸出太陽高度角與方位角信號進行跟蹤控制的方法稱為高度角和方位角雙軸跟蹤或地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤。圖1是其控制框圖。

圖1--高度角和方位角雙軸跟蹤主動式控制框圖

由于控制過程不檢測電池板的轉(zhuǎn)動位置與太陽位置是否有偏差，為了保證電池板的轉(zhuǎn)動的機械位置正確就必須保證整個驅(qū)動裝置與執(zhí)行電機有較高的精度。對于高精度跟蹤的聚光太陽能系統(tǒng)可采用步進電機帶動電池板，為防止失步或其他誤動作，還必須有精密的機械位置檢測傳感器，把信號實時反饋給計算機檢查位置是否正確，若有偏差就及時修正;采用普通伺服電機就必須配機械位置檢測傳感器構(gòu)成局部的閉環(huán)控制，保證運行精度。在圖1中的角度信號箭頭線就是從位置檢測傳感器來的反饋信號。

赤道坐標(biāo)系雙軸跟蹤

在極軸式跟蹤系統(tǒng)也可以采用主動式跟蹤控制，只是計算機的數(shù)據(jù)是按赤道坐標(biāo)系處理。根據(jù)控制計算機預(yù)先存儲的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度等數(shù)據(jù)與太陽運動的軌跡函數(shù)，再根據(jù)實時時鐘的精確時間信號，計算出實時的太陽繞極軸轉(zhuǎn)動的角度(時角)，發(fā)出控制信號，使電池板對準太陽。由于俯仰角變化很小，每日不超過0.5度，可每日或幾日計算一次俯仰角度，調(diào)整電池板的俯仰角度。圖2是其控制框圖。

圖2--極軸雙軸跟蹤主動式控制框圖

同樣為保證跟蹤的準確性，要有電池板軸轉(zhuǎn)動的角度檢測傳感器把角度信號反饋給計算機。

主動式控制也適合于單軸跟蹤系統(tǒng)，其計算函數(shù)非常簡單，對于極軸式跟蹤可直接定時轉(zhuǎn)動一定角度即可，保證每小時轉(zhuǎn)動15度。

開環(huán)控制沒有跟蹤太陽的傳感器，為保證電池板轉(zhuǎn)動精度，必須有兩個軸轉(zhuǎn)動的角度檢測傳感器，把角度信號反回計算機，檢測是否出現(xiàn)錯誤的角度，以便及時處理。對于要求高的聚光太陽能電池跟蹤，需提高軸系機械精度與角度檢測精度，從而增加了制造成本。

太陽能電池的光電跟蹤法

光電跟蹤法是一種被動式跟蹤，控制計算機根據(jù)太陽光跟蹤傳感器反饋的信號計算出電池板位置與太陽位置間的偏差方向與角度，再根據(jù)偏差發(fā)出控制信號。電池板的軸系驅(qū)動部件根據(jù)控制信號把電池板對準太陽，直到偏差最小。在整個控制過程中需不停的檢測電池板的具體狀態(tài)數(shù)據(jù)，再計算發(fā)出控制命令，在自動控制技術(shù)中稱為閉環(huán)控制。圖3是光電跟蹤控制框圖。

圖3--太陽能電池板光電跟蹤控制框圖

被動跟蹤需通過太陽光跟蹤傳感器實時采集電池板方位與太陽方向間的誤差信號，在多云和陰天環(huán)境下會出現(xiàn)無法跟蹤的問題。此外，由于光敏傳感器處在室外環(huán)境中，傳感器易受灰塵、積雪等因素的影響，導(dǎo)致所提供的跟蹤信號不穩(wěn)定。

太陽能電池跟蹤的混合控制法

混合控制法就是把視日運動跟蹤法與光電跟蹤法結(jié)合使用。一般來說以光電跟蹤為主，以視日運動跟蹤來解決因天氣等因素造成無法跟蹤的問題。也可以先通過視日運動軌跡跟蹤進行粗跟蹤, 再由光電傳感器跟蹤進行精跟蹤, 從而提高跟蹤精度。對于跟蹤控制精度要求高的聚光型太陽能電池要采用混合控制法。

由于系統(tǒng)的精確跟蹤還是依賴光電跟蹤，故對跟蹤軸系的制造精度與角度檢測精度要求不高，不會明顯提高制造成本。

采用計算機進行跟蹤控制是根據(jù)時鐘信號或采集的太陽光跟蹤傳感器信號進行計算處理的，對于跟蹤控制精度要求高的系統(tǒng)可10余秒計算處理一次，發(fā)出電池板的轉(zhuǎn)動信號，間歇驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。對于平面的太陽能電池板則不需要那么高的跟蹤精度，差幾度影響不大，為節(jié)省能源，減少機械磨損，可數(shù)分鐘計算處理一次，發(fā)控制信號一次。