太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)技術(shù)方案書(shū)

1、 . . . 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)技術(shù)方案航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院目錄1、太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述11.1 國(guó)外太陽(yáng)能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述11.2 太陽(yáng)能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)特點(diǎn)22、本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案概述23、太陽(yáng)跟蹤數(shù)學(xué)模型的建立33.1、太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系33.1.1 天球與天球坐標(biāo)系43.1.2 地平坐標(biāo)系43.1.3 赤道坐標(biāo)系63.1.4 時(shí)角坐標(biāo)系73.2 太陽(yáng)與地球的時(shí)間關(guān)系73.3 太陽(yáng)位置計(jì)算原理83.3.1、球面三角形的相關(guān)概念83.3.2、太陽(yáng)位置計(jì)算原理113.3.3、太陽(yáng)高度角的計(jì)算133.3.4、太陽(yáng)方位角的計(jì)算143.3.5、日出、日落時(shí)間的計(jì)算143.3.

2、6、日出、日落方位角的計(jì)算154、本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)步驟154.1基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)研制154.2基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)研制164.3具有風(fēng)力保護(hù)的跟蹤控制系統(tǒng)研制185、數(shù)據(jù)采集模塊與電機(jī)拖動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)185.1數(shù)據(jù)采集模塊185.2電機(jī)拖動(dòng)模塊196、成本核算2020 / 221、太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述1.1 國(guó)外太陽(yáng)能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述任何時(shí)期，能源以與資源都是人們賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗隨之增大，節(jié)約能源和尋找新能源成為人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的基本條件。太陽(yáng)能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，各國(guó)政府都將太陽(yáng)能資源利用作為國(guó)家可持續(xù)發(fā)

3、展戰(zhàn)略的重要容。我國(guó)是世界上最大、地勢(shì)最高的自然地理單元，也是世界上最豐富的太陽(yáng)能資源地區(qū)之一，尤其是地區(qū)，空氣稀薄、透明度高，年日照時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16003400小時(shí)之間，每日光照時(shí)間6小時(shí)以上，年平均天數(shù)在275330天之間，輻射強(qiáng)度大，平均輻射總量7000兆焦耳/平方米，地域呈東西向遞增分布，年變化呈峰形，資源優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚，太陽(yáng)能應(yīng)用前景十分廣闊。但是利用天陽(yáng)能又受著位置、地勢(shì)等條件的制約。因此必須設(shè)計(jì)一種隨著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的跟蹤控制系統(tǒng)，使得太陽(yáng)能電池板接收到的光照強(qiáng)度最大，資源的利用率最大。圖1 美國(guó)研制的大規(guī)模太陽(yáng)能跟蹤裝置圖2 國(guó)某企業(yè)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置現(xiàn)階段國(guó)外已有的跟蹤裝置可分為單軸跟蹤

4、和雙軸跟蹤兩種，用以實(shí)現(xiàn)方位與俯仰角的2自由度的轉(zhuǎn)向控制。近幾年來(lái)國(guó)不少專(zhuān)家學(xué)者也相繼開(kāi)展了這方面的研究，主要用于天文觀測(cè)、氣象臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤。1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，國(guó)家氣象局計(jì)量站在1990年研制了FST型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽(yáng)輻射觀測(cè)。1994年太陽(yáng)能雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤。目前，著太陽(yáng)能應(yīng)用的普與，眾多的科研院所和企事業(yè)單位針對(duì)太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)開(kāi)展了卓有成效的研究。在目前的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)中，不論是單軸跟蹤或雙軸跟蹤，太陽(yáng)跟蹤裝置可分為：時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式等多種。其中，時(shí)鐘式是根據(jù)太陽(yáng)在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，

5、計(jì)算出太接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太接收器根據(jù)太陽(yáng)的位置而相應(yīng)變動(dòng)；程序控制式太陽(yáng)跟蹤裝置，則是通過(guò)計(jì)算某一時(shí)間太陽(yáng)的位置，再計(jì)算出跟蹤裝置的目標(biāo)位置，最后通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)裝置達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。光電式太陽(yáng)跟蹤裝置使用光敏傳感器來(lái)測(cè)定入射太線(xiàn)和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過(guò)一個(gè)閾值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太線(xiàn)與集熱裝置光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。1.2 太陽(yáng)能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)特點(diǎn)當(dāng)前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能發(fā)電多是固定式的，與之相比較，本項(xiàng)目研究實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，具有更高的發(fā)電效率，參見(jiàn)表1所示。表1、固

6、定式與自動(dòng)式參數(shù)比較項(xiàng)目電池板面積日照時(shí)間日發(fā)電功率日輸出功率日儲(chǔ)電量成本搜索圍固定式2平方米24h1600瓦800瓦800瓦大0度自動(dòng)式2平方米612h4000瓦2000瓦 2000瓦小360度由表1可見(jiàn)，自動(dòng)跟蹤發(fā)電控制系統(tǒng)，日照時(shí)間更長(zhǎng)，輸出功率更高，發(fā)電效率提高百分之四十到百分之八十，提高效率，降低成本。2、本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案概述上述各種方法，雖然在不同的方面有各自的優(yōu)點(diǎn)，然而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中或多或少的存在著誤差大，靈活性差、非全天候跟蹤等缺點(diǎn)。綜合以上幾種方式的特點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出一套具有控制精度高、靈活性強(qiáng)、易操作、全自動(dòng)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)的“傻瓜式”太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)

7、采集、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)控制模塊、以與電力拖動(dòng)等模塊組成。采用主控計(jì)算機(jī)和多個(gè)智能測(cè)控模塊相互配合組成控制系統(tǒng)，主控模塊與各子模塊以與各子模塊之間采用數(shù)字化傳輸，系統(tǒng)方案的整體框圖參見(jiàn)圖2所示。圖2、電池板系統(tǒng)總方框圖由圖2可知，該控制方案中，包含了風(fēng)力傳感器采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、GPS模塊、方位磁傳感器采集模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊、以與電機(jī)拖動(dòng)模塊幾個(gè)部分，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)子模塊運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，同時(shí)也將接收到的各個(gè)子模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，再反饋給各個(gè)子模塊，從而達(dá)到高精度與全自動(dòng)控制，節(jié)約了能源。對(duì)于圖2所示方案中的風(fēng)力傳感器采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、GPS模塊、方位磁傳感器

8、采集模塊，根據(jù)功能的不同可以有不同的配置方案，從而構(gòu)成不同功能的跟蹤控制系統(tǒng)。具體情況可以參見(jiàn)表2所示。表2、不同功能的跟蹤控制系統(tǒng)方案序號(hào)跟蹤控制系統(tǒng)名稱(chēng)需要配置的模塊1基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)GPS、方位磁傳感器2基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)光強(qiáng)采集模塊、GPS、方位磁傳感器3具有風(fēng)力保護(hù)的基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)風(fēng)力傳感器、GPS、方位磁傳感器4具有風(fēng)力保護(hù)的基于能量的跟蹤控制系統(tǒng)風(fēng)力傳感器、光強(qiáng)采集模塊3、太陽(yáng)跟蹤數(shù)學(xué)模型的建立3.1、太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系在本系統(tǒng)電池板跟蹤太陽(yáng)位置的時(shí)候不可避免的涉與到計(jì)算太陽(yáng)方位角、高度角、日出日落等計(jì)算問(wèn)題，本節(jié)將對(duì)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的基本規(guī)律展開(kāi)詳細(xì)分析與

9、研究。3.1.1 天球與天球坐標(biāo)系在晴朗的夜晚，當(dāng)人們遙望蒼穹，滿(mǎn)天星星像珍珠般鑲嵌在茫茫夜空中，仿佛自己就身處在整個(gè)宇宙的中心，這正是人們對(duì)天球的最初印象。為了方便研究各個(gè)天體的位置，引入了天球的概念與天球坐標(biāo)系。所謂天球，即以觀察者為球心，需要的時(shí)候也可以把球心假想移到地球或者太陽(yáng)的中心，并且以任意長(zhǎng)度為半徑，其上分布著所有天體的球。需要注意的是天體在天球上的視位置是人們對(duì)于天體的視線(xiàn)在天球上的投影，因而天球的半徑完全可以自由選取，而不影響研究問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。其次，天球上任意兩個(gè)天體之間的距離一般都是指它們之間的角距離，亦即是它們對(duì)于觀測(cè)者的角。在天球上，線(xiàn)距離是沒(méi)有意義的；一般說(shuō)來(lái)，天體離開(kāi)

10、地球的距離都可看作是數(shù)學(xué)上的“無(wú)窮大”，因此，在地面上不同地方看同一天體的視線(xiàn)方向可以認(rèn)為是互相平行的；或者也可以反過(guò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)天體發(fā)射到地球上不同地方的光互相平行。所以，天體在天球的視位置，最方便是用球面坐標(biāo)系進(jìn)行表示，在天球上建立的坐標(biāo)系叫做天球坐標(biāo)系。天文中又將天球坐標(biāo)系按照原點(diǎn)與基本圈不同而分成地平坐標(biāo)系與赤道坐標(biāo)系。3.1.2 地平坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系是以通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)O的地平面與天球相交的地平圈為基本圈，以通過(guò)O點(diǎn)的天頂、天底、地平面南點(diǎn)與北點(diǎn)的子午圈為第二個(gè)基本圈，如圖3所示。經(jīng)過(guò)太陽(yáng)位置X點(diǎn)，過(guò)天頂Z點(diǎn)的子午圈，稱(chēng)之為方位圈；經(jīng)X點(diǎn)平行于地平面的圓圈，稱(chēng)為高度圈。圖3、地平坐標(biāo)系顯然，

11、地平坐標(biāo)系主要有兩個(gè)參量：方位角A、高度角h，觀察者的頭頂方向與天球相交的點(diǎn)叫做天頂(Z點(diǎn))，從觀察者的腳底向下延伸與天球相交的點(diǎn)叫做天底。垂直天頂與天底連線(xiàn)且過(guò)天球中心的平面稱(chēng)之為地平面，它與天球相交成一個(gè)大圓，這個(gè)大圓即稱(chēng)之為地平圈，也即真地平。與地平圈相平行且與天球相交成的小圓叫地平緯圈，與地平圈垂直的大圓叫地平經(jīng)圈。通過(guò)北天極P和天頂Z的大圓叫做天球子午圈，它和真地平相交與N點(diǎn)與S點(diǎn)，靠近北天極的記做北點(diǎn)N，和它相對(duì)的記做南點(diǎn)S。在地平圈上沿順時(shí)針度量，顯然離南北90°分別可以叫做東點(diǎn)E與西點(diǎn)W。天體在方位上與地平面正南方向所夾的角度，記做地平方位角，即為A。方位角A，以地平

12、面南點(diǎn)S點(diǎn)為零度，向西為正值，向東為負(fù)值。天體在高度上與地平面所夾的角度，記做地平高度h。高度角h，以地平面為零度，向天頂方向?yàn)檎担祗w沿地平經(jīng)圈向上到天頂叫做這個(gè)天體的天頂距Z。由圖3可以看出，天體的地平高度與天頂距的關(guān)系是通過(guò)以上介紹可以得到，地球上任何觀測(cè)點(diǎn)的天極高度等于當(dāng)?shù)氐木暥?，由相似三角形的關(guān)系可以證明，在觀測(cè)點(diǎn)處的天極方向?yàn)榉较?，根?jù)三角形角度關(guān)系顯然天極的高度角等于當(dāng)?shù)氐木暥取D4、天極高度等于當(dāng)?shù)鼐暥仁疽鈭D3.1.3 赤道坐標(biāo)系取天赤道作為基本圈，北天極P是基本圈的極，天赤道與子午圈的交點(diǎn)之一(近南點(diǎn))作為基本點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，稱(chēng)之為赤道坐標(biāo)系。又因所取基本點(diǎn)的不同而分為第一

13、赤道坐標(biāo)系與第二赤道坐標(biāo)系，前者又稱(chēng)之為時(shí)角坐標(biāo)系。圖5、赤道坐標(biāo)系如圖5所示，地球自轉(zhuǎn)軸的延伸與天球的交點(diǎn)分別表示為北天極P與南天極，地球赤道的延伸與天球相交的大圓圈稱(chēng)之為天赤道。天赤道以北的天球是北天球，以南的天球是南天球，天球上平行與赤道的小圓圈叫做赤緯圈，用表示；垂直與天赤道且過(guò)兩極的大圓圈叫做經(jīng)圈或者時(shí)圈，用t表示。在赤道第二坐標(biāo)系中(在本系統(tǒng)中沒(méi)有用上，所以只簡(jiǎn)單的敘述下)，天體的位置可以使用赤經(jīng)（RA）赤緯(DEC)兩個(gè)變量表達(dá)，其中赤經(jīng)（RA），用表示，赤緯(DEC)用表示，地球公轉(zhuǎn)軌道的延伸與天球相交的大圓圈叫做黃道，天赤道與黃道相交的兩點(diǎn)分別叫做春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)。天體的赤經(jīng)是

14、從春分點(diǎn)開(kāi)始，沿著赤道圈逆時(shí)針?lè)较蛴?jì)量到天體的赤經(jīng)圈與天赤道的交點(diǎn)，以024h表示。若從天赤道向北天極方向量度為正，向南天極方向量度為負(fù)。3.1.4 時(shí)角坐標(biāo)系在時(shí)角坐標(biāo)系中，主要的參量是時(shí)角t與赤緯。赤緯角，以天球赤道為零度，由此向天球北極P方向?yàn)檎?；向天球南天極方向?yàn)樨?fù)值。時(shí)角t，以觀測(cè)點(diǎn)與天球赤道南點(diǎn)連線(xiàn)為零度線(xiàn)。自天球北極看，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，即午后時(shí)間；逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)值，即午前時(shí)間。其中用來(lái)表示天體X方位的時(shí)角t的值，是根據(jù)地球每個(gè)小時(shí)回轉(zhuǎn)計(jì)算確定的。所以若已知天體經(jīng)過(guò)正南子午線(xiàn)(時(shí)角零度線(xiàn))至觀測(cè)時(shí)刻的位置，所經(jīng)歷的時(shí)間乘以，即可得到天體在觀測(cè)時(shí)刻所處位置的時(shí)角t值。即：；式中，

15、K為方位時(shí)間，所謂方位時(shí)間是以真太陽(yáng)時(shí)正午12時(shí)為零時(shí)，依此分別向午前、午后起算的小時(shí)數(shù)，逆時(shí)針(午前)為負(fù)值，順時(shí)針(午后)為正值，即：；3.2 太陽(yáng)與地球的時(shí)間關(guān)系由于上述的時(shí)角坐標(biāo)系涉與到一些時(shí)間上的概念，所以有必要對(duì)天文上用到的時(shí)間做個(gè)簡(jiǎn)要的敘述，以便增加理解力。同時(shí)天文上應(yīng)用的時(shí)間很多，在這里就只挑選兩個(gè)與本系統(tǒng)有關(guān)的時(shí)間概念進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。在天文學(xué)中以太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)為依據(jù)而建立的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)叫真太陽(yáng)日，所謂真太陽(yáng)時(shí)是指以太陽(yáng)為視圓面中心。真太陽(yáng)連續(xù)兩次通過(guò)上中天(即觀測(cè)地的地理經(jīng)度)的時(shí)間間隔，叫做真太陽(yáng)時(shí)。真太陽(yáng)位于上中天的時(shí)刻，叫做真中午，所以真太陽(yáng)時(shí)具有地方性，不同的地方真中

16、午的時(shí)刻是不同的，一個(gè)真太陽(yáng)日分成24小時(shí)真太陽(yáng)時(shí)，真太陽(yáng)是以真太陽(yáng)是時(shí)角t進(jìn)行度量的，顯然人們?cè)趹?yīng)用真太陽(yáng)日時(shí)候，由于各個(gè)地方的真太陽(yáng)時(shí)不同，且地球在軌道上運(yùn)行的速度不一樣，從而導(dǎo)致真太陽(yáng)時(shí)不一致性。所以給人們生活中帶來(lái)了諸多的不便。為了彌補(bǔ)真太陽(yáng)時(shí)所帶來(lái)的不便，天文學(xué)家應(yīng)用了平太陽(yáng)時(shí)的概念，所謂平太陽(yáng)時(shí)，即在黃道平面(地球公轉(zhuǎn)平面)引入一個(gè)做等速的假想點(diǎn)，其運(yùn)行速度等于真太陽(yáng)運(yùn)行的平均速度，并和真太陽(yáng)同時(shí)出現(xiàn)在春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)，這個(gè)假想點(diǎn)就是平太陽(yáng)。以平太陽(yáng)為參考點(diǎn)來(lái)衡量地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，叫做平太陽(yáng)日，一個(gè)平太陽(yáng)日分成24小時(shí)的平太陽(yáng)時(shí)。顯然真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的時(shí)間可以通過(guò)時(shí)差來(lái)表示，其中

17、時(shí)差可以通過(guò)萬(wàn)年歷進(jìn)行查詢(xún)得到。即：式中：表示時(shí)差，為真太陽(yáng)時(shí)，為平太陽(yáng)時(shí)3.3 太陽(yáng)位置計(jì)算原理3.3.1、球面三角形的相關(guān)概念人們引入了天球的概念后，把宇宙空間的恒星等投影到天球面上，研究它們?cè)谔烨蛏系奈恢煤瓦\(yùn)動(dòng)，而忽略它們?cè)谟钪婵臻g的實(shí)際分布。因此，必須熟悉球面的一些基本的性質(zhì)。1、 球面基本性質(zhì)1、 球面上的基本圓在立體幾何中，我們知道任何平面與球面相交，其截口總是圓；不通過(guò)球心的平面截球面所得的截口是小圓：而通過(guò)球心的平面截出的圓最大，稱(chēng)為大圓，大圓的半徑正是球半徑。顯然，大圓把球面分成相等的兩部分。通過(guò)球面上不在同一直徑兩端的兩點(diǎn)，可以做無(wú)數(shù)個(gè)小圓，但只能并且必能做一個(gè)大圓；因而在

18、球面三角形中，一般只涉與大圓，只研究大圓的性質(zhì)和關(guān)系?？紤]地面點(diǎn)的地理坐標(biāo)時(shí)，地理緯圈，除赤道外，都是小圓：而所有地理經(jīng)圈都是大圓。2、 球面上的兩點(diǎn)距離球面上兩點(diǎn)A、B之間的大圓?。ㄝ^短的那段），的長(zhǎng)度叫做球面上兩點(diǎn)AB之間的距離，可以證明：在球面上連接A、B兩點(diǎn)的所有曲線(xiàn)中AB最短。3、 球面上圓的極對(duì)于球面上一已知圓，（不論大圓或小圓），垂直與這已知圓所在平面的球直徑的端點(diǎn)，稱(chēng)之為這個(gè)圓的極。顯然極到對(duì)應(yīng)圓周上各個(gè)點(diǎn)的距離相等，這個(gè)距離叫做極距。4、 球面角兩個(gè)大圓弧相交所成的角，稱(chēng)之為球面角。兩個(gè)大圓弧的交點(diǎn)叫做球面角的頂點(diǎn)，大圓弧稱(chēng)之為球面角的邊，球面角是以過(guò)頂點(diǎn)的圓弧的二切線(xiàn)所夾的

19、角度來(lái)度量的。2、 球面三角形的定義球面上兩兩相交的三個(gè)大圓弧所圍成的幾何圖形稱(chēng)之為球面三角形，這三個(gè)大圓弧成為球面三角形的邊，用、b、c表示。各個(gè)大圓弧所成的球面角稱(chēng)之為球面三角形的角。用A、B、C表示。以上統(tǒng)稱(chēng)為球面三角形的六要素。圖6、球面三角形示意圖球面三角形是天文中經(jīng)常處理的基本幾何圖形，只有掌握了它們的基本性質(zhì)，才能進(jìn)一步的研究本課題中涉與的天文學(xué)知識(shí)與計(jì)算問(wèn)題。3、 球面三角形相關(guān)公式對(duì)于給定的球面三角形，其邊與角滿(mǎn)足一定的函數(shù)關(guān)系，下面給出這些公式。1 正弦定理如圖7所示，球面三角形各邊與其對(duì)應(yīng)角的正弦成正比，即：圖7、正弦定理示意圖2 余弦定理球面三角形任一邊的余弦等于其他兩

20、邊余弦的乘積加上這兩邊的正弦與其所夾角的余弦的連乘積，以邊為例，即其他兩邊的余弦公式與上面的對(duì)稱(chēng)，可以用相應(yīng)的邊和角代換。圖8、余弦定理示意圖下面簡(jiǎn)單的對(duì)球面余弦定理進(jìn)行相關(guān)的證明。如圖8所示，取球面三角形ABC，將各個(gè)頂點(diǎn)與球心O相連接，可以得到一個(gè)球心三角形O-ABC，過(guò)頂點(diǎn)A作b、c邊的切線(xiàn)，分別相交OC、OB延長(zhǎng)線(xiàn)與N、M。由此得到的兩個(gè)平面直角三角形OAM、OAN和兩個(gè)平面三角形OMN、AMN。在OMN中，根據(jù)平面三角形余弦定理可以得到如下等式：同樣在三角形AMN中，因此，則所以，而，代入上式，則可以推導(dǎo)出開(kāi)頭的余弦定理。3.3.2、太陽(yáng)位置計(jì)算原理計(jì)算太陽(yáng)在天球中對(duì)于地球上某點(diǎn)的相

21、對(duì)位置，是由該觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度、季節(jié)(年、月、日)和時(shí)間三個(gè)因素來(lái)決定的，通常以地平坐標(biāo)系以與赤道坐標(biāo)系同時(shí)表示太陽(yáng)的位置。即以高度角、方位角、赤緯以與時(shí)角來(lái)表示的。圖9中用兩坐標(biāo)表示出了太陽(yáng)在天球中運(yùn)行的位置示意圖。圖9、太陽(yáng)在天球位置示意圖圖9中，各符號(hào)意義如下：-太陽(yáng)位置；-地平圈；-為方位圈，Z為天頂；-為天球赤道；-為子午圈；-為時(shí)圈，P為天球北極；-為太陽(yáng)方位角；-為太陽(yáng)高度角；-為赤緯；-為時(shí)角；-為地理緯度。顯然，在圖9中構(gòu)成球面三角形，其角可以表示為：，。其中、各個(gè)頂點(diǎn)的對(duì)邊分別為：z、p、l。從圖中得知：、計(jì)算太陽(yáng)位置時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度、赤緯、以與時(shí)角均為已知。利用已知數(shù)

22、值以與球面三角形定理，可以推導(dǎo)出太陽(yáng)高度角h、方位角A、日出日落方位角以與時(shí)間的計(jì)算公式。3.3.3、太陽(yáng)高度角的計(jì)算按球面三角形定理，球面三角形邊的余弦，等于其他兩邊余弦的乘積，加上該兩邊正弦余其夾角余弦的乘積，即將Z、P、L的值代入上式得：所以易得到太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式如下：特殊地，正午太陽(yáng)高度角h0時(shí)，因正午時(shí)的時(shí)角t=0；所以代入上式后可有：又按照兩角和的三角函數(shù)可以得到，與得到正午太陽(yáng)高度角公式，或者春秋分時(shí)的正午太陽(yáng)高度角時(shí)候赤緯。3.3.4、太陽(yáng)方位角的計(jì)算按照計(jì)算太陽(yáng)高度角時(shí)候所取的球面三角形，運(yùn)用球面三角形的正弦定理，得到：將,的值代入上式得：從而：得到：3.3.5、日出、日

23、落時(shí)間的計(jì)算在日出、日落的時(shí)候，太陽(yáng)高度角，將的值代入高度角公式，得到：從而可以推導(dǎo)出：進(jìn)一步得到日出、日落的時(shí)角公式：上式所表示的日出、日落的時(shí)角公式中，時(shí)角t有正、負(fù)二值，負(fù)值為日出時(shí)間，正值為日落時(shí)間。求出時(shí)角t值后，則可進(jìn)一步得到相關(guān)的時(shí)間。3.3.6、日出、日落方位角的計(jì)算日出、日落時(shí)刻太陽(yáng)高度角，將的值代入求解方位角的公式，得到日出、日落時(shí)的方位角求解公式：式中，A0為日出、日落時(shí)的方位角，A0有正、負(fù)二值，正值為日落方位角，負(fù)值為日出方位角。4、本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)步驟4.1基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)研制(1) 基于位置的單自由度太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)GPS接收

24、機(jī)，給出用戶(hù)所在地的緯度數(shù)據(jù)，設(shè)定并固定電池板的俯仰角；根據(jù)GPS接收機(jī)給出的時(shí)間信息，實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)的方位角，通過(guò)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)容，控制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽(yáng)能電池板保持與太陽(yáng)矢量方向垂直。(2) 基于位置的雙自由度太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)GPS接收機(jī)給出用戶(hù)所在地的緯度數(shù)據(jù)，通過(guò)控制太陽(yáng)能電池板頂桿的移動(dòng)，調(diào)節(jié)電池板的俯仰角；根據(jù)GPS接收機(jī)給出的時(shí)間信息，實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)的方位角，通過(guò)控制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽(yáng)能電池板保持與太陽(yáng)矢量方向垂直。圖10、基于位置控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(3)基于位置的太陽(yáng)能電池板控制系統(tǒng)的軟件流程圖，通過(guò)對(duì)位置控制步驟的簡(jiǎn)要敘述，下面

25、給出基于這種控制的軟件框圖。圖11、基于位置控制的軟件框圖4.2基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)研制(1)、基于能量的單自由度跟蹤控制系統(tǒng)研制。根據(jù)用戶(hù)所在地的緯度數(shù)據(jù)，設(shè)定并固定電池板的俯仰角；根據(jù)能量傳感器檢測(cè)信息，計(jì)算能量最大時(shí)的方位角，通過(guò)控制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽(yáng)能電池板保持與能量最大的矢量方向垂直。(2)、基于能量的雙自由度太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。根據(jù)能量傳感器檢測(cè)信息，計(jì)算能量最大時(shí)的方位角、俯仰角，通過(guò)控制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、太陽(yáng)能電池板頂桿的移動(dòng)，使得太陽(yáng)能電池板保持與能量最大的矢量方向垂直。圖12、基于能量最優(yōu)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(3)、基于能量的太陽(yáng)能電池板控制系統(tǒng)的軟

26、件流程圖，通過(guò)對(duì)能量控制步驟的簡(jiǎn)要敘述，下面給出基于這種控制的軟件框圖。圖13、基于能量控制的軟件框圖4.3具有風(fēng)力保護(hù)的跟蹤控制系統(tǒng)研制通過(guò)風(fēng)力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)力大小，并對(duì)電池板的抗風(fēng)模型進(jìn)行分析，編寫(xiě)最優(yōu)控制算法，使得系統(tǒng)可以對(duì)11級(jí)以上的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行自動(dòng)的“規(guī)避”，減弱風(fēng)暴對(duì)電池板方陣的損害，保護(hù)發(fā)電方陣免遭破壞。5、數(shù)據(jù)采集模塊與電機(jī)拖動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)5.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊主要分成3個(gè)部分，分別是光強(qiáng)與入射角采集、風(fēng)力采集、以與GPS和方位角采集模塊。光強(qiáng)采集采用的是光強(qiáng)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)微控單元，其中光強(qiáng)傳與入射角傳感器是由我們自主研發(fā)，4方位實(shí)時(shí)采集天空中太線(xiàn)的照射強(qiáng)度，并由

27、光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再將電信號(hào)進(jìn)行比較，形成差模信號(hào)，最后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)微控單元，完成對(duì)其俯仰位置的調(diào)整。圖14、光強(qiáng)與入射角傳感器模塊圖風(fēng)力傳感器模塊包括風(fēng)力采集、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)微控單元，原理與實(shí)現(xiàn)步驟于上述方法類(lèi)似。圖15、風(fēng)力傳感器模塊圖最后的數(shù)據(jù)采集模塊是GPS和方位角采集模塊，根據(jù)天文學(xué)的理論，處于不同緯度與經(jīng)度的地區(qū)，其每天的日出時(shí)刻是不一樣的，所以在本系統(tǒng)中的GPS模塊作用就是克服處于不同緯度所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，同時(shí)對(duì)于不同季節(jié)，太陽(yáng)運(yùn)行軌跡也是不一樣的，所以按照以往的“經(jīng)驗(yàn)值”進(jìn)行計(jì)算太陽(yáng)方位的做法誤差非常大，遇到陰雨天的情況下，往往失去跟蹤目標(biāo)，反而浪費(fèi)了電能。所以在本系統(tǒng)中，通過(guò)GPS定位出所在地的經(jīng)緯度、以與時(shí)間變量，通過(guò)一系列的算法，得出所在地每天的日出時(shí)間，日出