工程師黃明星 發表於 2018-06-11 10:14:00
隨著全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長之間的矛盾日益凸顯，太陽能作為綠色清潔能源受到越來越多的關注和研究，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力是整個社會可持續發展的有效途徑之一。目前的太陽能利用方式主要有以下四種：光熱利用、太陽能發電、光化利用及光生物利用。
我國較成熟的太陽能產品主要集中在太陽能熱水系統和太陽能光伏發電系統兩個方面，經過多年的發展，這兩項產業已形成較為完整的產業化體系。然而，在目前大多數的太陽能項目中，仍未最大限度地利用太陽能，未能隨著太陽高度角及方位角的變化，及時變換太陽能電池板或太陽能集熱器的旋轉角度，一天中有相當一部分時間未能有效利用太陽能。若能隨著太陽位置的變化不斷調整太陽能電池板或集熱器的角度，即對太陽進行跟蹤，則可以很大程度上提高太陽能的利用率。
目前國內外的太陽跟蹤器按跟蹤原理分為：傳感器檢測的主動跟蹤原理和太陽位置計算的被動跟蹤原理。
傳感器檢測的主動跟蹤原理：
利用矽光電池的光電效應，在太陽能集光板上高度和方位方向各放置兩個長方形的矽光電池板，陽光通過通光筒照射在矽光電池板上。高度方向矽光電池被分為A、B兩個區域，方位方向矽光電池被分為C、D兩個區域。通過電壓比較電路可分別計算出它們之間的電壓差。
太陽位置計算的被動跟蹤原理：
太陽在天球上的位置可由太陽高度角和太陽方位角來確定。地球上觀測點同太陽中心連線與地平面的夾角，稱為太陽高度角；地球上觀測點同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，稱為太陽方位角。太陽運行軌跡與太陽高度角α、方位角γ的關係。δ為太陽赤位角，ω為太陽時角，φ為當地的緯度。對於δ和ω這兩個參數的精確計算要滿足高精度跟蹤的需求，並根據實際情況來不斷修正；同時，還需要結合傳感器檢測的原理加以修正。根據硬體時鐘提供的日曆時間計算出太陽的高度角和方位角，進而控制電機轉動方向和角度，由傳動機構帶動支架轉動精確地跟蹤太陽。
如今，有多種跟蹤太陽的方式：
時鐘式太陽跟蹤裝置：此裝置是一種被動式裝置，有單軸和雙軸兩種類型，系統根據時間將方位角和仰俯角分為幾等份，在固定時間段內通過控制器驅動電機按固定的角度旋轉，進而跟蹤太陽。
最大功率跟蹤裝置：本方法以動態平衡追蹤太陽能系統的最大功率。本方法特徵是太陽能板與直流／直流升降壓轉換器間聯接一個瞬間功率型超級電容，作為能量的動態平衡器，將太陽能板產生的電能轉換成電容器形態的電能進行最大功率演算，可大幅度簡化演算程序，提升追蹤演算的實時性與可靠度，提高太陽能系統效率。
光電式跟蹤裝置：此類裝置使用光電傳感器如矽傳感器，矽傳感器是一種工業級太陽能傳感器，傳感器體的緊湊尺寸使它易於集成在任何應用程式中使用它或者沒有安裝板。對於全球水平測量應用，傳感器可以安裝水平位置與標準可拆卸安裝板與精神水平和水平腳。具有防紫外線擴散的單矽探測器在低太陽高程時也給出了餘弦響應角度。由於圓錐的作用，使其在擴散面上的淤積或水沉積作用最小几何形狀。
以上每種跟蹤方式都可完成對太陽的跟蹤，但這些方式都是被動式太陽跟蹤方式，只能被動地接收太陽輻射作為驅動基礎。時鐘式靈敏度不高，不能高效地利用太陽能；最大功率和光電跟蹤裝置靈敏度高，結構設計較為方便，但受天氣的影響很大，如果在較長時間段裡出現烏雲遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到矽光電管上，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執行機構的誤動作。
太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，稱太陽輻射（solar radiation），是指太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。太陽輻射所傳遞的能量，稱太陽輻射能。太陽輻射強度是表示太陽輻射強弱的物理量，稱為太陽輻射強度。單位是W/m2，即點輻射源在給定方向上發射的在單位立體角內的輻射通量。
太陽輻射是地球表層能量的主要來源。太陽輻射在大氣上界的分布是由地球的天文位置決定的，稱此為天文輻射。由天文輻射決定的氣候稱為天文氣候。天文氣候反映了全球氣候的空間分布和時間變化的基本輪廓。太陽輻射隨季節變化呈現有規律的變化，形成了四季。除太陽本身的變化外，天文輻射能量主要決定於日地距離、太陽高度角和晝長。
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