太陽跟蹤系統(tǒng)

太陽跟蹤系統(tǒng)1.引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求 ，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(huán)境。無疑，太陽能是最理想的新能源。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約 40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為是理想的能源。然而它也存在著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的 ，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。在太陽能光發(fā)電中，相同條件下自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%,成本下降25%,因此在太陽能利用中，進行跟蹤是很有必要的。本文介紹一種對太陽進行混合跟蹤的方式，即光電跟蹤和視日跟蹤相結(jié)合的方式，它結(jié)合了二者的優(yōu)點 ，克服了二者的缺點：在一般沒有云的情況下使用光電跟蹤方式，但云層擋住太陽一段時間后，控制系統(tǒng)將改變?yōu)橐暼哲壽E跟蹤方式，繼續(xù)跟蹤，直到云層過去一段時間后，再重新使用光電跟蹤的方式。2.視日跟蹤地球周而復始很有規(guī)律地繞太陽運動，站在地球上的人可以看到太陽有規(guī)律地在天上運動，每天東升西落。時日跟蹤就是利用電子控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)計算出白天時太陽的實時位置，然后發(fā)出指令給步進電機去驅(qū)動太陽跟蹤裝置，以達到對太陽實時跟蹤的目的。太陽相對于地球的位置可由太陽高度角a和太陽方位角P來確定。太陽高度角a是指太陽光線與地表水平面之間的夾角(0WaW90°)。a可由下式計算得出：sina=sin中sin6+cos中cos6cos3(1)6=23.45sin[360/365X(284+n)] (2)式中各角度單位均為度，其中中為當?shù)鼐暥龋?為太陽赤緯角。春分和秋分時6=0°,夏至時6=23.5°,冬至時6=-23.5°； 3為時角，是用角度表示的時間。因為每24小時地球自轉(zhuǎn)1圈，所以每15°為1h,且正午時,3=0°,上午3>0°,下午3<0；n為1年中的日期序號，如春分時，n=81。太陽方位角P是指太陽光線在水平面上的投影和當?shù)刈游缇€的夾角。P可由下式計算得出：cosp=(sinasin^-sin6)/(cosacos^) (3)sinp=cos6sin3/cosa其中當太陽在正南方向時，P=0。，正南以西P>0°,正南以東P<0°。為了有效跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置外，還需要知道具體某天的日出時角31、日落時角32和日照時間N。因為日出日落時太陽高度角a=0°,由(1)式可得：cos3=-tan^tan6(5)因而日出時，cos31=-tan^tan6,日落時，cos32=tan^tan6。天中的日照時間為：N=(|31|+|32|)/15=2arccos(-tan^tan6)/15(6)視日運動跟蹤原理如圖1圖1視日運動原理圖3.光電跟蹤為了更好地實現(xiàn)太陽能應(yīng)用系統(tǒng)中對太陽的跟蹤， 跟蹤方式采用光電跟蹤與視日跟蹤相結(jié)合的方式，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準確性。開機之后系統(tǒng)首先檢測是白天還是黑夜，這由一個光電檢測電路來檢測， 當檢測到是黑夜時系統(tǒng)停止運行；如果系統(tǒng)檢測到是白天，系統(tǒng)首先進行初始化，初始化完成后進行視日跟蹤，使其到達光電跟蹤的視場范圍之內(nèi)， 然后根據(jù)檢測到的光強的大小啟動光電跟蹤或者視日跟蹤。晴天時按照光電跟蹤進行跟蹤；當遇到陰雨天時，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)到視日跟蹤方式繼續(xù)進行跟蹤，當陰雨天過后出現(xiàn)晴天時，系統(tǒng)自動會轉(zhuǎn)到光電跟蹤模式進行跟蹤， 這兩種跟蹤方式相互補充，提高了太陽跟蹤的精度。光電跟蹤采用由四象限光電傳感器設(shè)計的太陽跟蹤器，呈圓形結(jié)構(gòu) ，如圖2，由4個完全相同的光電傳感器（A，B，C，D）組成.令四象限光電傳感器的的分界線與直角坐標軸重合，每個象限即為一個光電傳感器.假設(shè)目標經(jīng)光學系統(tǒng)在四象限光電傳感器上成一圓斑狀的象且光斑均勻，設(shè)其中心坐標為（x,y）。當光軸對準太陽時，圓斑的中心在光軸上.四個象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號。 當光軸未對準太陽時即太陽光與光軸成一角度e時,光線經(jīng)光學系統(tǒng)照射到四象限光電傳感器上形成的光斑必然發(fā)生偏移即（x豐0,y豐0）。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比,每個象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。根據(jù)上述將Vx、Vy進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機。單片機通過驅(qū)動設(shè)備可控制高度角步進電機和方位角步進電機轉(zhuǎn)動，直到Vx=Vy=0,即x=0,y=0,則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對準太陽，根據(jù)以上原理即可對太陽跟蹤進行校正?；诠怆妭鞲衅鞯墓怆姼檶μ枌崿F(xiàn)被動跟蹤， 要求在跟蹤的起始時刻太陽必須處于光電感器的視場范圍之內(nèi)。開機時刻四象限光電傳感器軸線與太陽直射光線夾角的隨機性以及多云天氣下云層的遮擋等都可能造成太陽偏離四象限光電感器的視場范圍，形成太陽的“丟失”，無法實現(xiàn)對太陽的光電跟蹤。為了實現(xiàn)在陰雨天氣和太陽不在四象光電傳感器的視場范圍時對太陽進行跟蹤，必須采取視日跟蹤，即在太陽“丟失”狀態(tài)下，根據(jù)當前時間與當?shù)氐慕?jīng)度和緯度，求解當前的太陽高度角和方位角，進行視日跟蹤實現(xiàn)對太陽的捕捉。跟蹤器機械裝置跟蹤器采用雙軸機械裝置，其中用與水平地表平面垂直的軸跟蹤太陽方位角，這根軸稱為立軸或者方位軸； 用東西向水平軸跟蹤太陽高度角，這個軸叫做橫軸或者高度軸。雙軸各自控制，互不影響。利用這種方法，就可以實現(xiàn)整個白天對太陽實時跟蹤。太陽自動跟蹤裝置由信號探測、信號處理及減速控制系統(tǒng)組成。太陽跟蹤裝置包括四象限光電探測器、光孔、

四象限探測器圓柱體套桶、光強調(diào)節(jié)機構(gòu)、高度角調(diào)節(jié)機構(gòu)、方位角調(diào)節(jié)機構(gòu)、步進電動機、機械裝置，如圖3。圖3控制系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化模塊主要確定跟蹤裝置機械結(jié)果的基準位置。開機之后，首先進行上電復位，進行系統(tǒng)初始化，使機械裝置回到基準位置，系統(tǒng)首先判斷是否在正常工作時間，如果不在工作時間進入等待狀態(tài)，如果在工作時間系統(tǒng)啟動視日跟蹤，視日跟蹤完成后進入到光電跟蹤的視場范圍之內(nèi)，如果達到光電跟蹤的光強時啟動光電跟蹤，直到達到實現(xiàn)對系統(tǒng)的跟蹤。如果沒有達到光電跟蹤時，繼續(xù)運行視日跟蹤。系統(tǒng)控制流程如圖 4所小。結(jié)束語本系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低、性能可靠、跟蹤精度高，適用于各種需要太陽跟蹤裝置的設(shè)備。設(shè)計的太陽跟蹤裝置，