太陽能電池跟蹤的機(jī)械部件

太陽能電池的太陽方位跟蹤是在太陽有效光照時(shí)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(shí)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(dòng)部件組成。

電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)部件就是其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一套機(jī)械構(gòu)件，太陽能電池板的跟蹤是繞特定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸是運(yùn)動(dòng)的參考部件，所以太陽能電池板的跟蹤運(yùn)動(dòng)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(dòng)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)或普通電機(jī)，電機(jī)需要通過齒輪減速器來帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，多種驅(qū)動(dòng)電機(jī)包含齒輪減速器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最好帶輸出角度檢測，以便計(jì)算機(jī)知道電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)跟蹤法、光電跟蹤法、混合控制法。

視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法是一種主動(dòng)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(dòng)式跟蹤控制根據(jù)控制計(jì)算機(jī)預(yù)先存儲(chǔ)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度等數(shù)據(jù)與太陽運(yùn)動(dòng)的軌跡函數(shù)，再根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精確時(shí)間信號(hào)，按地平坐標(biāo)系相關(guān)函數(shù)計(jì)算出實(shí)時(shí)的太陽高度角與方位角，發(fā)出控制信號(hào)。電池板的軸系驅(qū)動(dòng)部件根據(jù)這些信號(hào)把電池板轉(zhuǎn)向指定的高度角與方位角，從而對準(zhǔn)太陽。在整個(gè)控制過程中無需檢測電池板是否對準(zhǔn)了太陽，直接發(fā)控制命令，所以是主動(dòng)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(jìn)行控制的，在自動(dòng)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(hào)進(jìn)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(dòng)式控制框圖

由于控制過程不檢測電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)位置與太陽位置是否有偏差，為了保證電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械位置正確就必須保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置與執(zhí)行電機(jī)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電池板，為防止失步或其他誤動(dòng)作，還必須有精密的機(jī)械位置檢測傳感器，把信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)檢查位置是否正確，若有偏差就及時(shí)修正;采用普通伺服電機(jī)就必須配機(jī)械位置檢測傳感器構(gòu)成局部的閉環(huán)控制，保證運(yùn)行精度。在圖1中的角度信號(hào)箭頭線就是從位置檢測傳感器來的反饋信號(hào)。

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(dòng)式跟蹤控制，只是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)是按赤道坐標(biāo)系處理。根據(jù)控制計(jì)算機(jī)預(yù)先存儲(chǔ)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度等數(shù)據(jù)與太陽運(yùn)動(dòng)的軌跡函數(shù)，再根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精確時(shí)間信號(hào)，計(jì)算出實(shí)時(shí)的太陽繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(時(shí)角)，發(fā)出控制信號(hào)，使電池板對準(zhǔn)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(jì)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(dòng)式控制框圖

同樣為保證跟蹤的準(zhǔn)確性，要有電池板軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度檢測傳感器把角度信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)。

主動(dòng)式控制也適合于單軸跟蹤系統(tǒng)，其計(jì)算函數(shù)非常簡單，對于極軸式跟蹤可直接定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度即可，保證每小時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)精度，必須有兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度檢測傳感器，把角度信號(hào)反回計(jì)算機(jī)，檢測是否出現(xiàn)錯(cuò)誤的角度，以便及時(shí)處理。對于要求高的聚光太陽能電池跟蹤，需提高軸系機(jī)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(dòng)式跟蹤，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)太陽光跟蹤傳感器反饋的信號(hào)計(jì)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(hào)。電池板的軸系驅(qū)動(dòng)部件根據(jù)控制信號(hào)把電池板對準(zhǔn)太陽，直到偏差最小。在整個(gè)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(jì)算發(fā)出控制命令，在自動(dòng)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(dòng)跟蹤需通過太陽光跟蹤傳感器實(shí)時(shí)采集電池板方位與太陽方向間的誤差信號(hào)，在多云和陰天環(huán)境下會(huì)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(hào)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤進(jìn)行粗跟蹤, 再由光電傳感器跟蹤進(jìn)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(huì)明顯提高制造成本。

采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行跟蹤控制是根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)或采集的太陽光跟蹤傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理的，對于跟蹤控制精度要求高的系統(tǒng)可10余秒計(jì)算處理一次，發(fā)出電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，間歇驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)械磨損，可數(shù)分鐘計(jì)算處理一次，發(fā)控制信號(hào)一次。