作品內容簡介
設計了一套新型的雙軸式太陽能跟蹤採集系統。系統利用集控式方案，用靈活的萬向節導桿裝置，將主動單元的轉向力矩傳至每乙個從動裝置，使得每乙個從動單元能夠與主動單元同步執行，準確跟蹤陽光，這省去了大量從動單元上的控制裝置和驅動裝置。這使得本裝置在大規模應用的時候，單位架設成本將隨著功率的提高而逐漸降低，這一特點優於傳統的太陽能跟蹤裝置。
主動單元和從動單元採用桁架式連線，從動單元以主動單元為中心向四面八方衍射。需要增加功率的時候可以按使用者要求自由組合成各種平面幾何形狀。主動單元採用高精度數字舵機驅動，指向程式採用逼近演算法，轉向速度快，精度高，可靠性好。
跟蹤精度不受天氣條件限制，夜間或光強微弱時能夠自動待機休眠。由於太陽能板面積被分散，單元間互相固聯加強，使得太陽能電池板單位面積較小，抗風性能良好。
1 研製背景和意義
眾所周知，太陽能是各種新能源中發展最快，應用最廣泛，技術相對成熟的一種能源形式，其能源的產生和利用過程中產生的廢棄物基本上可以忽略不計，能夠有效實現零排放。但是實際生活中的太陽能跟蹤系統大多存在跟蹤速率低下，精度不高的缺點。目前國內外成規模的太陽能採集系統通常採用整體式和獨立式兩種方案。
整體式方案將所有單元剛性連線在一起，結構強度好，抗風能力強，但是存在尺寸需要根據應用場地定製，架設成本高的缺點。獨立式方案為每一塊大尺寸電池板配備一具獨立的雙軸轉向機構，但是隨著功率的增大，裝置數量的增多，成本直線上公升，同時機構存在抗風能力差的缺點。
2 設計方案
2 1 電氣控制
電器部分分為核心控制系統和探測系統兩部分。核心控制系統以mega168微控制器為控制核心，具備usb程式**除錯、燒錄功能。微控制器接受探測系統的輸出訊號，根據程式進行處理，並向舵機發出轉向訊號，驅動舵機轉動。
圖1核心控制原理圖
探測系統分為光敏探測頭和訊號處理板組成
圖2 探測頭**
光敏探測頭將五個光敏電阻組成金字塔狀排列，四個光敏電阻與中軸線成45°夾角，當中軸線偏離太陽時，一側光敏電阻阻值比另一側大，通過接入電路，可將此差異轉化為電壓壓差，並轉換為數碼訊號，通過判定數碼訊號來決定舵機旋轉方向。當中軸線掃過太陽時，數碼訊號立即變化。由於舵機每轉1°就識別太陽一次此時控制舵機休眠，則太陽方向必定在中軸線的1°錐角範圍以內，這就是探測器跟蹤太陽的原理。
同時塔尖處光敏電阻可探測最大光強，光強小於一定值時機構待機休眠，機械結構自鎖，增強結構抗風穩定性。
圖 3探測系統訊號處理板pcb效果圖
2 2 機械部分
機械部分採用可拼裝組合的桁架式結構。主動單元（圖4）分為驅動舵機和機械桁架。從動單元只有機械桁架。
單元與單元之間通過由關節軸承（圖6）和導桿組成的傳動杆傳遞力矩。 單元間可以按照使用者要求自由組合成各種平面形狀。具有結構強度好，方便安裝和拆卸的優點。
圖4 主動單元效果圖
圖 5 9×9單元組合效果圖
圖6 單元組合效果圖
圖7 改造後的關節軸承
3 理論設計計算
管材與關節採用pvc材質，為保證剛度，設計矩形單元邊長為340mm，管徑20mm。採用的關節軸承內徑為12mm。 轉軸採用碳纖維管材，外徑6mm。
舵機最大扭矩13kg*cm.控制系統供電直接利用由太陽能電池板充電的蓄電池供電。 控制板pcb尺寸54mm×72mm。
4 工作原理及效能分析
系統的轉向工作流程如下：
圖8程式流程圖
由於系統採用高精密數字舵機驅動，使得轉向精度誤差不大於0.5度。為了保證系統的穩定性，將轉向速度控制在20°/s。
5 創新點及應用
1）主動單元和從動單元採用桁架式連線，從動單元向四面衍射。需要增加功率的時候可以按使用者要求自由組合成各種平面形狀。
2）採用集控式方案，使得眾多的從動單元省去了成本高昂的控制部分和驅動部分，在大規模應用的時候，架設成本將大大低於傳統的太陽能跟蹤裝置。
3）單元間組合簡單，無需專業工具。使用者無需專業技能即能夠自行組裝。
4）本作品所用的器件大部分為標準件，材料容易購買，結構實現簡單，模組式設計可大規模複製與拼裝組合，**便宜，使用起來非常方便。
本作品適用於多種規模的用電場所，如家庭用電，學校、體育場等公共場所用電，節能無汙染，最重要的是無專業技能的個人就能夠自行安裝和進行簡單維修，使得該裝置易於大規模推廣和使用。
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