太阳跟踪系统

太阳跟踪系统1引言随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。新能源要同时符合两个条件：一是 蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。无疑， 太阳能是最理想的新能源。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太 阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产 生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。然而它也存在着间歇性、 光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出 了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。在太阳能光发电中，相同条件下自动跟踪 发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35 %，成本下降25 %，因此在太 阳能利用中，进行跟踪是很有必要的。本文介绍一种对太阳进行混合跟踪的 方式，即光电跟踪和视日跟踪相结合的方式，它结合了二者的优点，克服了二者的缺点：在一般没有云的情况下使用光电跟踪方式，但云层挡住太阳一 段时间后，控制系统将改变为视日轨迹跟踪方式 ，继续跟踪，直到云层过去 一段时间后，再重新使用光电跟踪的方式。2.视日跟踪地球周而复始很有规律地绕太阳运动，站在地球上的人可以看到太阳 有规律地在天上运动，每天东升西落。时日跟踪就是利用电子控制单元根 据相应的公式和参数计算出白天时太阳的实时位置 ， 然后发出指令给步进 电机去驱动太阳跟踪装置 ， 以达到对太阳实时跟踪的目的。太阳相对于地 球的位置可由太阳高度角a和太阳方位角P来确定。太阳高度角a是指 太阳光线与地表水平面之间的夹角(0 Wa W90 )。a 可由下式计算得出 ：sin a = sin 申 sin6 + cos 申 co s 6 cos3(1)6 = 23.45sin 360/365 X (284 + n)(2)式中各角度单位均为度，其中屮为当地纬度；6为太阳赤纬角。春分和秋 分时6 = 0 ， 夏至时6 =23.5 ，冬至时6 = -23.5；3为时角，是用角度表示的时间。因为每24小时地球自转1圈,所以每15。为1h,且正午时, 3 = 0,上午3 0 ,下午3 0，正南以东P 0c 为了有效跟踪太阳的位置 , 除了要计算出太阳的实时位置外 , 还需要知道 具体某天的日出时角3 1、日落时角3 2和日照时间N。因为日出日落时太 阳高度角 a = 0 ， 由(1) 式可得：cos 3 = - tan 申 tan6(5)因而日出时，cos 3 1 = - tan 屮 tan6 ,日落时，cos 3 2= tan 屮 tan6。一天中的日照时间为 ：N =(| 3 1| + | 3 2|)/15=2arccos( - tan 申 tan6 ) /15(6)视日运动跟踪原理如图 1图1视日运动原理图3 光电跟踪为了更好地实现太阳能应用系统中对太阳的跟踪， 跟踪方式采用光电 跟踪与视日跟踪相结合的方式，加强系统的稳定性与准确性。开机之后系 统首先检测是白天还是黑夜，这由一个光电检测电路来检测， 当检测到是 黑夜时系统停止运行；如果系统检测到是白天，系统首先进行初始化，初 始化完成后进行视日跟踪，使其到达光电跟踪的视场范围之内， 然后根据 检测到的光强的大小启动光电跟踪或者视日跟踪。晴天时按照光电跟踪进 行跟踪；当遇到阴雨天时，系统会自动转到视日跟踪方式继续进行跟踪， 当阴雨天过后出现晴天时，系统自动会转到光电跟踪模式进行跟踪， 这两 种跟踪方式相互补充，提高了太阳跟踪的精度。光电跟踪采用由四象限光电传感器设计的太阳跟踪器，呈圆形结构 ,如 图2，由4个完全相同的光电传感器(A, B, C, D)组成令四象限光电传 感器的的分界线与直角坐标轴重合 ,每个象限即为一个光电传感器 . 假设 目标经光学系统在四象限光电传感器上成一圆斑状的象且光斑均匀,设其中心坐标为 ( x , y) 。当光轴对准太阳时 ,圆斑的中心在光轴上 四个象限接收到相同的光 功率,输出相同的电压信号。 当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角 度0时,光线经光学系统照射到四象限光电传感器上形成的光斑必然发生 偏移即(x工0 , y工0)。由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正 比, 每个象限被光斑覆盖的面积不同 , 因此各象限光电池产生的电压不尽相 同。 根据上述将 Vx 、Vy 进行模数转换 , 然后送入单片机。 单片机通过驱 动设备可控制高度角步进电机和方位角步进电机转动 ，直到Vx = Vy = 0 , 即x = 0 , y = 0 ,则表明系统光轴已经对准太阳，根据以上原理即可对太 阳跟踪进行校正。基于光电传感器的光电跟踪对太阳实现被动跟踪， 要求在跟踪的起始 时刻太阳必须处于光电感器的视场范围之内。开机时刻四象限光电传感器 轴线与太阳直射光线夹角的随机性以及多云天气下云层的遮挡等都可能造 成太阳偏离四象限光电感器的视场范围，形成太阳的“丢失”，无法实现 对太阳的光电跟踪。为了实现在阴雨天气和太阳不在四象光电传感器的视 场范围时对太阳进行跟踪，必须采取视日跟踪，即在太阳“丢失”状态下， 根据当前时间与当地的经度和纬度，求解当前的太阳高度角和方位角，进 行视日跟踪实现对太阳的捕捉。4.跟踪器机械装置跟踪器采用双轴机械装置 , 其中用与水平地表平面垂直的轴跟踪太阳 方位角 , 这根轴称为立轴或者方位轴； 用东西向水平轴跟踪太阳高度角 , 这个轴叫做横轴或者高度轴。双轴各自控制 , 互不影响。利用这种方法 , 就 可以实现整个白天对太阳实时跟踪。太阳自动跟踪装置由信号探测、信号 处理及减速控制系统组成。太阳跟踪装置包括四象限光电探测器、光孔、四象限探测器圆柱体套桶、光强调节机构、高度角调节机构、方位角调节 机构、步进电动机、机械装置 ,如图 3。5.控制系统初始化系统初始化模块主要确定跟踪装置机械结果的基准位置。开机之后， 首先进行上电复位，进行系统初始化，使机械装置回到基准位置，系统首 先判断是否在正常工作时间，如果不在工作时间进入等待状态，如果在工 作时间系统启动视日跟踪，视日跟踪完成后进入到光电跟踪的视场范围之 内， 如果达到光电跟踪的光强时启动光电跟踪，直到达到实现对系统的跟 踪。如果没有达到光电跟踪时，继续运行视日跟踪。系统控制流程如图4所示。否在正帯工化阿视日运动軌理应加否时頁定舌呈（结荣图4觇日运动放建恨益上毛和跆化6 结束语本系统系统结构简单、价格低、性能可靠、跟踪精度高，适用于各种 需要太阳跟踪装置的设备。设计的太阳跟踪装置，能够实现各种天气下的 跟踪。采用视日跟踪与光电跟踪两种跟踪方式的结合，可以实现各种天气 状况下的自动跟踪，不存在无法跟踪的状况。系统利用转动精确的步进电 机驱动，可以精确地定位太阳位置，有效地提高太阳能吸收效率，降低太 阳能发电成本。总的来说系统结合视日跟踪与光电跟踪两者的优势，应用 前景非常广泛。