太陽跟蹤系統(tǒng)

太陽跟蹤系統(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(fèi)。可以說，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(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(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)間不斷變化的問題，這就對(duì)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(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)：在一般沒有云的情況下使用光電跟蹤方式，但云層擋住太陽一段時(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)律地繞太陽運(yùn)動(dòng)，站在地球上的人可以看到太陽有規(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)太陽跟蹤裝置，以達(dá)到對(duì)太陽實(shí)時(shí)跟蹤的目的。太陽相對(duì)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(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。太陽方位角P是指太陽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°。為了有效跟蹤太陽的位置，除了要計(jì)算出太陽的實(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)太陽能應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)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(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。開機(jī)之后系統(tǒng)首先檢測是白天還是黑夜，這由一個(gè)光電檢測電路來檢測， 當(dāng)檢測到是黑夜時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)行；如果系統(tǒng)檢測到是白天，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)光電跟蹤的視場范圍之內(nèi)， 然后根據(jù)檢測到的光強(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)太陽時(shí)即太陽光與光軸成一角度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，根據(jù)以上原理即可對(duì)太陽跟蹤進(jìn)行校正?；诠怆妭鞲衅鞯墓怆姼檶?duì)太陽實(shí)現(xiàn)被動(dòng)跟蹤， 要求在跟蹤的起始時(shí)刻太陽必須處于光電感器的視場范圍之內(nèi)。開機(jī)時(shí)刻四象限光電傳感器軸線與太陽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偏離四象限光電感器的視場范圍，形成太陽的“丟失”，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的光電跟蹤。為了實(shí)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(shí)對(duì)太陽進(jìn)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(dāng)前時(shí)間與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度，求解當(dāng)前的太陽高度角和方位角，進(jìn)行視日跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的捕捉。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(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)太陽實(shí)時(shí)跟蹤。太陽自動(dòng)跟蹤裝置由信號(hào)探測、信號(hào)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(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)束語本系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)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(jì)的太陽跟蹤裝置，