新型太阳能双轴自动跟踪模型

摘  要 在世纪末的今天，人类已越来越感受到能源危机、环境恶化的巨大痛苦和灾难，各国都在力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源，于是太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染等诸多优点迅速博得人类的青睐。本文从中学的基础知识出发，参考一些科普读物，提出了“阴影法”和“挡板法”两种跟踪太阳的方案。两法并用，双轴驱动便可达到一年四季、从早到晚全程跟踪太阳，最大限度地利用太阳能的目的。在此基础上介绍了“新型太阳能双轴自动跟踪聚焦式集热器”模型的制作过程，并对其演示结果进行分析与小结，还对作品的推广、普及及太阳能在二十一世纪的利用作了展望。

关键词  太阳能  自动跟踪  聚焦效率  双轴跟踪

一、选题目的

在世纪末的今天，人类已越来越感受到能源危机，环境恶化的巨大痛苦和灾难，各国都在力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源，于是太阳能以其取之不尽，用之不竭，是无污染的清洁能源等诸多优点迅速博得人类的青睐。而今利用太阳能最成功、最普遍的方式，当数光热转换类型。它也是太阳能直接利用中效率最高的一种类型。（一般光化学转换的效率只有百分之几，光电转换的效率最高不超过百分之二十五，而光热转换的效率最高可达70% 以上。）虽然太阳能总能量很大，但由于太阳能的能量密度比较低（在大气层外的平均密度约为1.35kw/m²，再考虑通过大气层的损耗等因素，到达地面时，只有不到1kw/m²。）给太阳能的直接高效利用带来极大困难。所以如何获得更高的效率是太阳能利用的一个重要课题。

目前，太阳能的热利用已从简单的低温集热，向太阳能热发电，化工中的蒸馏、精馏用热等中高温集热的方向发展，所以一般固定平板式集热器很难满足要求。于是，我想能否制作一种“向日葵”般的设备来提高效率和温度呢？

我从地理课本上了解到由于存在一个66.5度的黄赤交角,所以随着地球的自转与公转,便产生了太阳每天时角和四季赤纬角的变化。于是太阳能双轴自动跟踪聚焦式集热器的设想便产生了。

二、原理论证

太阳光的投射角不同，单位面积上收集的能量大小是不同的。为了说明这个情况，我们假设一截面为1m²的太阳光束S 以不同的角度投射到平面MN以上，在A处，光线垂直投射，入射角θ= 0，包含在太阳光线里的能量分布在1m² 的面积上；在B处，投射角0<θ¢< 90°，同样多的能量分布在1/cosθˊm²的面积上。能量一定单位面积上的能量与面积成反比，所以B处单位面积上的能量，只有A处的cosθˊ倍。当光线以85°角入射时，单位面积上的能量约只有垂直投射时的1/12。由此可见，太阳光投射角不同，收集能量的效率相差是很大，只有垂直投射时效率最高。以上只是在我的知识范围内从理论上定性地分析，为了验证我的想法，我又查阅了一些资料。下面是我从《太阳能应用技术》这本书上查到的公式：

倾斜面上阳光入射角公式

cosθ=cosSsinФsinδ+cosScosФcosδcosω+sinSsinγcosδsinω

+sinSsinФcosδcosωcosγ-sinScosγsinδcosδ

γ-方位角     δ-太阳赤纬角     S-倾斜角

θ-倾斜面上阳光入射角     ω-太阳时角      Ф-倾斜面所在地理纬度

当δ，ω确定之后，调整倾斜面的S和γ就能调整θ，θ越小，则太阳能收集器效率越高，当θ=0时，太阳射线垂直于收集器平面，这时效率最高，所以调整θ就可以调整太阳能收集器接受能量辐射大小，这就是太阳跟踪原理。而以下是我从对太阳能做了长期研究的亚利桑那州立大学的Platon Baltas等教授发表在Solar Energy杂志上的文章（Evaluation Of Output For Fixed And Step Tracking Photovoltaic Arrays）上查到的资料：

以上两张图表定量地反映了跟踪的优越性。

所以，为了达到最高效率，必须进行双轴跟踪。怎么实现呢？我构想了以下两种简便的跟踪方案：

⒈阴影法：当太阳、热管、太阳能电池板三线一面时，太阳光垂直于抛物面，效率最高，而此时由于热管的阴影遮挡住太阳能电池板，电池板中没有电流，驱动机构不工作；当太阳发生偏移，热管的影子移出太阳能电池板，电池板受到阳光照射，产生电流，驱动机构带动抛物面偏转；当太阳、热管、太阳能电池板重新进入三线一面，热管的影子重新移入太阳能电池板，电池板中没有了电流，抛物面停止转动，而此时抛物面恰好正对太阳，集热效率仍是最高，从而实现自动跟踪。

⒉挡板法：当太阳光垂直入射时，效率最高，而此时由于挡板两侧的光敏电阻所受的光照强度相等，阻值和分压值也相等，驱动机构不工作；当太阳斜射时，两侧光敏电阻所受光照强度不同，阻值和分压值也不同，装置向光照强度较大的一方偏转，直到两侧光敏电阻的分压值再次相等，此时档板平面恰好正对太阳，效率最高。

三、制作模型

我的跟踪装置由集热装置、控制传动装置和跟踪驱动装置组成。集热装置由热管和抛物面反射镜组成，热管为位于抛物面的焦轴线上。而太阳能电池板既作动力源又作东西向跟踪的传感器，位于热管的正下方（其大小以当太阳光垂直投射时，热管的阴影恰好能完全遮住太阳能电池板为宜）。而南北方向上太阳赤纬角的自动跟踪装置部分由东西向的档板和光敏电阻组成控制部分。

东西向跟踪采用6V微型电机驱动，南北向跟踪采用“6V，30r/m”低速电机驱动。机构工作电流部分由太阳能电池板提供，其提供电流储存于蓄电池中，其余部分由外接电源提供。

本装置在东西方向上的跟踪，采用阴影法；而南北方向上的跟踪，采用挡板法。这样两个方向上跟踪的叠加，就使三维空间上的自动跟踪成为现实。南北方向上的跟踪采用低速电机驱动，输出速度约为每分钟30转。而南北方向上太阳一年的偏转在正转、反转约47度左右，一天的偏转度数约只有15¢。可第一次调试，装置在2秒内偏转了约90度 ，显然不合要求。为了使转速符合要求，我想到用两套涡轮、涡杆进行二级变速。经过实验，证明经过二级变速，输出转速可降低到1-2转/分，基本符合要求。

四、结果分析

⑴装置的东西向跟踪采用阴影法是因为东西向跟踪为跟踪太阳每天时角的变化，此向跟踪，装置的转动幅度较大，转动频率较高，因此用太阳能电池自给自足，可消除对外接电源的依赖。这样，太阳能电池既作动力源，又作传感器，特别适用于无电或少电地区。

装置的南北向跟踪采用挡板法是因为南北向跟踪为跟踪太阳四季赤纬角的变化，此向跟踪，装置的转动幅度较小，转动频率不高。由于光敏电阻较为廉价，在偏转角度不是很大的情况下（全年只有正转47度，反转47度），耗电量也不是很大，所以在这种情况下使用档板法较为经济。

⑵此装置若采用球状抛物面进行点式聚焦还可以达到最高集热温度。而且线式聚焦是在一条线上集热，所以对装置在三维空间的跟踪要求不是特别严格。但点式聚焦要求始终聚焦于一点，才能达到最高效率，对跟踪的要求相对较高。所以，为使装置达到最高集热温度，可改进为采用球状抛物面进行点式聚焦。

⑶据资料记载：聚焦式集热器的最高运行温度可达2000摄氏度。这是因为聚焦式集热器利用光学系统改变太阳光光束方向，使入射辐射聚焦到吸收表面上，可以提高能流密度。对于给定的总能量，表面能流密度的提高也就意味着吸收表面面积的减少，相应地减少了热损失。因此，与平板型集热器相比，容易提高集热温度。但由于聚焦式集热器多要配备跟踪装置，而现在的跟踪装置结构复杂，成本很高，所以阻碍了它的推广应用。我们应该看到，聚焦型集热器是许多太阳能应用项目中不可缺少的，特别是它的高温特性并不是平板型集热器所能代替的。因此，它的重要性不容忽视。

五、展望

⒈我的装置结构简单，成本也不高。若采用球状抛物面进行点式聚焦，可达最高集热温度，可直接用于化工中的精馏、蒸馏等中高温用热。若此装置与汽轮机、发电机联结，通过调节电池板的数量实现动力的自己自足，可以为太阳能充足而电力不足的地区的分散用户提供方便。

⒉专家预测，太阳能将是二十一世纪最主要的能源之一，到了21世纪中叶，太阳能将占世界能源总消耗的30%以上。所以，世界发达国家无不投入巨大的人力、物力、财力进行太阳能的开发利用的研究，并制定出相应的发展计划。如日本的“阳光计划”和美国的“百万屋顶计划”。我想，我国也应该制定出相应的太阳能发展计划。因此，有关太阳能利用的研究将是今后的热门专业之一，这要求我们青少年去关注、去思考，用自己的智慧和汗水，去建设一个更加美丽、更有活力的家园！

六、鸣谢