太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)

太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)1.引言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來(lái)越高的要求 ，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。新能源要同時(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類和破壞環(huán)境。無(wú)疑，太陽(yáng)能是最理想的新能源。照射在地球上的太陽(yáng)能非常巨大，大約 40分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以供全球人類一年能量的消費(fèi)。可以說(shuō)，太陽(yáng)能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源。然而它也存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽(yáng)能電池板陣列基本上都是固定的 ，沒(méi)有充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下。在太陽(yáng)能光發(fā)電中，相同條件下自動(dòng)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(yáng)能利用中，進(jìn)行跟蹤是很有必要的。本文介紹一種對(duì)太陽(yáng)進(jìn)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(diǎn) ，克服了二者的缺點(diǎn)：在一般沒(méi)有云的情況下使用光電跟蹤方式，但云層擋住太陽(yáng)一段時(shí)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(guò)去一段時(shí)間后，再重新使用光電跟蹤的方式。2.視日跟蹤地球周而復(fù)始很有規(guī)律地繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，站在地球上的人可以看到太陽(yáng)有規(guī)律地在天上運(yùn)動(dòng)，每天東升西落。時(shí)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(jì)算出白天時(shí)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，然后發(fā)出指令給步進(jìn)電機(jī)去驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置，以達(dá)到對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的目的。太陽(yáng)相對(duì)于地球的位置可由太陽(yáng)高度角a和太陽(yáng)方位角P來(lái)確定。太陽(yáng)高度角a是指太陽(yáng)光線與地表水平面之間的夾角(0WaW90°)。a可由下式計(jì)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(dāng)?shù)鼐暥龋?為太陽(yáng)赤緯角。春分和秋分時(shí)6=0°,夏至?xí)r6=23.5°,冬至?xí)r6=-23.5°； 3為時(shí)角，是用角度表示的時(shí)間。因?yàn)槊?4小時(shí)地球自轉(zhuǎn)1圈，所以每15°為1h,且正午時(shí),3=0°,上午3>0°,下午3<0；n為1年中的日期序號(hào)，如春分時(shí)，n=81。太陽(yáng)方位角P是指太陽(yáng)光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。P可由下式計(jì)算得出：cosp=(sinasin^-sin6)/(cosacos^) (3)sinp=cos6sin3/cosa其中當(dāng)太陽(yáng)在正南方向時(shí)，P=0。，正南以西P>0°,正南以東P<0°。為了有效跟蹤太陽(yáng)的位置，除了要計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置外，還需要知道具體某天的日出時(shí)角31、日落時(shí)角32和日照時(shí)間N。因?yàn)槿粘鋈章鋾r(shí)太陽(yáng)高度角a=0°,由(1)式可得：cos3=-tan^tan6(5)因而日出時(shí)，cos31=-tan^tan6,日落時(shí)，cos32=tan^tan6。天中的日照時(shí)間為：N=(|31|+|32|)/15=2arccos(-tan^tan6)/15(6)視日運(yùn)動(dòng)跟蹤原理如圖1圖1視日運(yùn)動(dòng)原理圖3.光電跟蹤為了更好地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)太陽(yáng)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(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。開機(jī)之后系統(tǒng)首先檢測(cè)是白天還是黑夜，這由一個(gè)光電檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)， 當(dāng)檢測(cè)到是黑夜時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)行；如果系統(tǒng)檢測(cè)到是白天，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，初始化完成后進(jìn)行視日跟蹤，使其到達(dá)光電跟蹤的視場(chǎng)范圍之內(nèi)， 然后根據(jù)檢測(cè)到的光強(qiáng)的大小啟動(dòng)光電跟蹤或者視日跟蹤。晴天時(shí)按照光電跟蹤進(jìn)行跟蹤；當(dāng)遇到陰雨天時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到視日跟蹤方式繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，當(dāng)陰雨天過(guò)后出現(xiàn)晴天時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)到光電跟蹤模式進(jìn)行跟蹤， 這兩種跟蹤方式相互補(bǔ)充，提高了太陽(yáng)跟蹤的精度。光電跟蹤采用由四象限光電傳感器設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤器，呈圓形結(jié)構(gòu) ，如圖2，由4個(gè)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(biāo)軸重合，每個(gè)象限即為一個(gè)光電傳感器.假設(shè)目標(biāo)經(jīng)光學(xué)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(biāo)為（x,y）。當(dāng)光軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，圓斑的中心在光軸上.四個(gè)象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號(hào)。 當(dāng)光軸未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)即太陽(yáng)光與光軸成一角度e時(shí),光線經(jīng)光學(xué)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(gè)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備可控制高度角步進(jìn)電機(jī)和方位角步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到Vx=Vy=0,即x=0,y=0,則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，根據(jù)以上原理即可對(duì)太陽(yáng)跟蹤進(jìn)行校正?；诠怆妭鞲衅鞯墓怆姼檶?duì)太陽(yáng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)跟蹤， 要求在跟蹤的起始時(shí)刻太陽(yáng)必須處于光電感器的視場(chǎng)范圍之內(nèi)。開機(jī)時(shí)刻四象限光電傳感器軸線與太陽(yáng)直射光線夾角的隨機(jī)性以及多云天氣下云層的遮擋等都可能造成太陽(yáng)偏離四象限光電感器的視場(chǎng)范圍，形成太陽(yáng)的“丟失”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的光電跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)在陰雨天氣和太陽(yáng)不在四象光電傳感器的視場(chǎng)范圍時(shí)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤，必須采取視日跟蹤，即在太陽(yáng)“丟失”狀態(tài)下，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度，求解當(dāng)前的太陽(yáng)高度角和方位角，進(jìn)行視日跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的捕捉。跟蹤器機(jī)械裝置跟蹤器采用雙軸機(jī)械裝置，其中用與水平地表平面垂直的軸跟蹤太陽(yáng)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(yáng)高度角，這個(gè)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(shí)現(xiàn)整個(gè)白天對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤。太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置由信號(hào)探測(cè)、信號(hào)處理及減速控制系統(tǒng)組成。太陽(yáng)跟蹤裝置包括四象限光電探測(cè)器、光孔、

四象限探測(cè)器圓柱體套桶、光強(qiáng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、機(jī)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(jī)械結(jié)果的基準(zhǔn)位置。開機(jī)之后，首先進(jìn)行上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，使機(jī)械裝置回到基準(zhǔn)位置，系統(tǒng)首先判斷是否在正常工作時(shí)間，如果不在工作時(shí)間進(jìn)入等待狀態(tài)，如果在工作時(shí)間系統(tǒng)啟動(dòng)視日跟蹤，視日跟蹤完成后進(jìn)入到光電跟蹤的視場(chǎng)范圍之內(nèi)，如果達(dá)到光電跟蹤的光強(qiáng)時(shí)啟動(dòng)光電跟蹤，直到達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的跟蹤。如果沒(méi)有達(dá)到光電跟蹤時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行視日跟蹤。系統(tǒng)控制流程如圖 4所小。結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、性能可靠、跟蹤精度高，適用于各種需要太陽(yáng)跟蹤裝置的設(shè)備。設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤裝置，