引言太阳能自动跟踪装置是一种用来自动跟踪太阳，使能量收集器的光轴始终与太阳光线保持平行的装置[1-2]。较为常用的平板太阳能集热器和真空管集热器均为固定装置。但是平板式和真空管式集热器共同的缺点是太阳的能量密度低，所以集热温度相对较低。一般只能提供50 ℃左右的热水，不易得到更高温度的热水。在使用过程中，在方位角和高度上实时对太阳进行跟踪，使能量收集器从日出到日落能够始终与太阳对准，以最大限度地获取太阳能[3-4]。太阳跟踪包括光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪两种方式，后者又分为单轴和双轴太阳跟踪[1]。文中将主要对单轴跟踪方法进行研究分析。1单轴跟踪及太阳运动轨迹分析单轴自动跟踪模式指的是太阳能电池板的南北方向是固定的，而东西方向则控制电动机驱动器以使其根据太阳的位置旋转。两轴自动跟踪模式指的是太阳能电池板根据太阳在南北方向和东西方向上的旋转而旋转[5]。1.1单轴跟踪单轴跟踪一般有3种：聚焦线沿南北水平方向排列，从东到西跟踪；聚焦线从东到西水平排列，从北到南跟踪；聚焦线东西水平布置，南北跟踪。这3种方法基本上都是沿着南北或东西方向的单轴旋转方向进行跟踪，其工作原理基本相似。以最后一种跟踪方法为例，其基本工作原理如图1所示，跟踪系统的轴线(或中心线)沿东向西方向布置。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F001图1单轴跟踪的原理柱面抛物面镜根据太阳偏转角度的变化绕旋转轴旋转，达到跟踪太阳的目的。只有在中午，太阳垂直于柱面母线，热通量是最大的。在上午或下午，太阳光线是倾斜的，所以白天的热流变化比较大。单轴跟踪法具有结构简单的特点，但由于入射光不能总是平行于光轴，因此不适合收集太阳能。如果能够跟踪太阳高度和赤纬角的变化，就能获取更多的太阳能。根据这一要求，下一步可以设计一个全跟踪系统，即双轴跟踪系统[2]。1.2太阳运动轨迹分析为了实时跟踪太阳，有必要确定太阳位置与地球平面坐标系中位置之间的坐标转换。每天的真实太阳日在不断变化，人们的现实生活采用的是一个统一的恒定时间单位，通常使用固定的太阳时间（也称为当地时间，是人们日常生活中使用的时间基准）进行计算。真实太阳时间的范围是0～24。文中用于太阳跟踪的太阳时间的计算需要将平太阳时间转换为真太阳时间。根据太阳时角与真实太阳时间之间的换算关系为[6]：w=(t-12)×15°(1)式中：t ——真实太阳时间。时角坐标系下太阳的位置关系如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F002图2时角坐标系下太阳的位置关系S是中午太阳子午线与赤道圆相交的方向，E是天球相对东方的方向，T是指向天顶的方向，SH是连接太阳中心和地球中心的线，将其设置为单位向量[6]。太阳在时间角坐标系中的位置如下：SH=SSSEST=cosδcosW-cosδsinWsinδ （2）式中：SS、SE、ST——分别为向量SH在时角坐标系下沿各坐标轴的分量。地角坐标系下太阳的位置关系如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F003图3地角坐标系下太阳的位置关系S是向南的方向，E是向东的方向，T是指向天顶的方向，Sg是地平坐标系中太阳光的单位矢量[6]。太阳在水平坐标系中的位置如下：Sg=SsSeSt=sinαscosαssinβscosαscosβs (3)式中：Ss、Se、St——分别为地平坐标系中沿每个坐标轴的矢量Sg的分量。时角坐标系和地平坐标系之间关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F004图4时角坐标系和地平坐标系之间关系从时角坐标系变换到地平坐标系，变换关系如下[6]：Sg=SsSeSt= ΦSH= ΦSSSEST (4)式中：Φ——时角坐标系变换到地平坐标系的变换矩阵[6]。Φ=cosϕ0sinϕ010sinϕ0-cosϕ (5)求解式 (4)得[6]：sinαScosαSsinβScosαScosβS=cosϕ0sinϕ010sinϕ0-cosϕ cosδcosW-cosδsinWsinδ=cosϕcosδcosW+sinϕsinδ-cosδsinWsinϕcosδcosW-cosϕsinδ (6)式(6)包含 3 个方程，由此可求得太阳高度角和方位角为[6]：sin αs= cos ϕcos δcos w+sin ϕsin δ  sin βs=cos δsin tsin αs                 cos βs=sin αssin ϕ-sin δcos αscos ϕ式中：αs——太阳高度角；βs——太阳方位角；w——平太阳时；Φ ——地区纬度；δ——赤纬角度。2总体控制方案许多太阳能跟踪热水器都可以实现跟踪太阳功能，但是这些方法基本都属于被动式太阳跟踪方法，绝大多数的驱动基础只能是被动接收太阳辐射。鉴于此，文中设计一种主动式太阳能热水器，即单轴太阳跟踪智能热水器系统，其总体控制方案如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F005图5总体控制方案由图5可知，太阳能热水器的操作和终止由触摸屏控制，通过WIFI无线网络控制器连接到互联网。其主要工作原理为：中央主控制器通过温度传感器实时获取太阳能热水系统循环水的温度，通过通讯总线向集热阵列控制器发送指令，接收其状态数据，电磁阀和循环泵根据时间和温度数据等信息得到有效控制。该系统可以通过人机界面显示、设置和修改所有操作信息。中央控制系统主要由嵌入式系统构成，负责整个单轴太阳跟踪智能热水器系统的运行、监控和智能管理，并提供网络接口功能，使用户可以通过网络连接即实现远程操作和监控。单轴太阳跟踪装置的设计： 该热水器系统主要由触摸屏、上位机、吸热管、反射板、步进电机、轴承座、蜗轮蜗杆、角度传感器和温度传感器等组成。设计系统可以根据安装位置和太阳能集热器的具体工作时间，能够实时计算太阳高度和方位,并自动修正太阳能集热器的角度，以确保总是跟踪太阳的位置，并最大限度地使用太阳能。本设计增大了辐射面积，延长了太阳辐射时间，有效提高了太阳能的利用率[7]。其单轴太阳跟踪装置如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F006图6单轴太阳追踪结构目前市场上的固定式太阳能热水器集热管是固定并排安装的，为了获得较多的太阳能，集热管间距比较密集，如图7（a）所示。本作品设计的单轴太阳追踪热水器利用槽形反光板聚集太阳光，因此在反光板宽度范围内仅需要1根集热管，如图7（b）所示。从图7可以看出，当反光板宽度为3根固定式集热管宽度时，两者具有相同的太阳光照量。因此从理论上来说，在获得相同的太阳能条件下，单轴太阳追踪热水器可以节省66.7%的集热管数量，从而可以减少集热器吸热涂层的使用量，更加节能环保，机械结构更简单，且成本更低，更方便扩展，具有较高的自动化与智能化水平。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F007图7不同集热器结构设计对比吸热管道（集热管）由利用亚克力有机玻璃制造，反光板收集热量后，反射到吸热管，吸热管中水的温度升高，比重下降并上升，形成向上的动力，形成热虹吸系统。反光薄铝板（反光板）安装在真空管下方，起到光反射作用，增加有效集热面积[8]。步进电动机是一种感应电动机，是一种将电脉冲信号转换为角位移或线性位移的开环控制电动机，它是现代数字程序控制系统的主要执行组件。轴承座用于加载蜗轮和蜗杆，具有结构紧凑、旋转灵敏、维护方便的特点。蜗轮蜗杆作用是根据角度传感器提供的数据调整反光板角度。角度传感器用于连续检测反光板的旋转角度，并将数据传回中心处理器。步进电机控制系统一般采用模块化设计，可分为步进电机本体、外接电路、驱动器、控制器及人机接口[9]，主程序流程如图 8 所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.007.F008图8主程序框架流程图3结语单轴太阳跟踪智能热水器系统通过对太阳运行轨迹理论进行研究和分析，把天球坐标系中太阳位置坐标转化到地平坐标系中，找出太阳的运转规律，确定了太阳跟踪系统的天文算法公式，保证了智能热水器系统的跟踪精度。在此基础上，针对太阳能跟踪系统的控制原理，提出了智能热水器系统的控制方案，阐述了主程序框架流程，实现热水系统的太阳跟踪。设计的单轴太阳跟踪智能热水器系统可靠性强，各方面的性能指标完全满足应用要求，可适应各种复杂的环境。与其他热水器相比，本系统采用槽形抛物反光板将太阳光聚焦，减少集热器吸热部分面积，降低成本。利用这种智能化热水器系统，采用太阳追踪方式提高太阳能利用效率，能量的接收率可提高30%～40%。此热水器系统运行的状态以及所有数据均接入计算机网络，用户可在任何地点接入网络，登录到管理平台对该系统进行监控和管理。