基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡的太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡的太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0太陽自動(dòng)跟蹤技術(shù)作為解決能源危機(jī)問題的重要方法，它對太陽能照明的發(fā)展趨勢非常廣闊，已成為解決未來能源危機(jī)問題的重要手段。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題,這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前太陽能電池板的架設(shè)大都采固定式,其電池板的板面固定朝向天空中某一方向,并不隨著太陽移動(dòng)而偏向,其發(fā)電效率都會受到時(shí)間因素造成太陽光入射太陽電池板角度的影響,不能充分利用太陽能資源,發(fā)電效率低下。這成為太陽能光伏發(fā)電的一個(gè)瓶頸問題,大大限制了太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用和發(fā)展。解決這一問題的一種重要可行的途徑是進(jìn)行太陽自動(dòng)跟蹤。太陽自動(dòng)跟蹤就是根據(jù)一天中不同時(shí)刻太陽在天空中方位的變化,調(diào)整太陽能電池板的偏轉(zhuǎn)角度,從而跟蹤太陽的運(yùn)行軌跡,使太陽入射光線垂直照射到太陽能電池板上,充分地接收太陽輻射能量。本文采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方案,研制的基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡的太陽跟蹤系統(tǒng)不依賴于傳感器,可以根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡的變化,全天候地跟蹤太陽,最大限度地接收太陽能,提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率,降低綜合發(fā)電成本;同時(shí)對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),采用輕量化設(shè)計(jì)原則,并利用風(fēng)速傳感器對不同風(fēng)速下組件的角度自動(dòng)調(diào)整,增強(qiáng)系統(tǒng)工作的安全性和適用性。1計(jì)算太陽運(yùn)營軌跡的方法太陽每天東升西落,站在地球表面的人能夠觀測到太陽有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)。1.1麻黃日至基本日的統(tǒng)計(jì)特性,有符合以下情況太陽光線與赤道平面的交角稱作太陽赤緯角,以δ表示。在一年當(dāng)中,太陽赤緯角每天都在變化,但不超過±23.45°的范圍。最大變化到夏至日的+23.45°;最小變化到冬至日的-23.45°。按照庫伯(Cooper)方程,計(jì)算太陽赤緯角的方程為:式中n為一年中的日期序號,從每年1月1日算起,n=1,每往后加一天,即n=n+1。1.2日出日落時(shí)太陽高度角s在太陽能的利用中,必然要涉及到太陽高度角、方位角、日照時(shí)間等問題。1)太陽高度角αs地球上觀測點(diǎn)同太陽中心連線與地平面的夾角為太陽高度角αs。太陽高度角αs的計(jì)算公式為:式中:δ———太陽赤緯角;ω是用角度表示的時(shí)間,定義為:正午時(shí)ω=0,每隔一小時(shí)增15°,上午為正,下午為負(fù)。其計(jì)算公式為:式中:t———北京時(shí)間。2)太陽方位角γs地球上觀測點(diǎn)同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角,就是太陽方位角γs。太陽方位角γs的計(jì)算式為:3)日出(日沒)時(shí)角ωh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(日沒)時(shí)角ωh。由于日出日落時(shí)太陽高度角αs=0,cosγs=-sinδ/cosΦ,所以:式中,負(fù)值表示日出時(shí)角,正值表示日沒時(shí)角。計(jì)算出每日的日出時(shí)角和日沒時(shí)角后,由太陽時(shí)角ω與每日時(shí)間t的關(guān)系式,可得到每日的日出和日沒時(shí)刻。2自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的工作原理視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用PLC控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù),計(jì)算出白天太陽的實(shí)時(shí)位置,再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖發(fā)送器,驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤太陽,以達(dá)到對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的目的?；谝暼者\(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的工作過程是:從早上時(shí)開始跟蹤太陽位置的變化,使太陽能電池板始終接收到最強(qiáng)的太陽輻射,當(dāng)太陽落下,太陽能電池板自動(dòng)回復(fù)到初始位置;再檢測到太陽升起時(shí),繼續(xù)跟蹤太陽的光照。2.1雙軸跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)太陽跟蹤方式通常有單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤只在方位角跟蹤太陽,高度角作季節(jié)性調(diào)整;雙軸跟蹤在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽軌跡。要實(shí)現(xiàn)對太陽的自動(dòng)跟蹤,跟蹤裝置必須具備高度角和方位角的調(diào)整能力,需要設(shè)計(jì)一個(gè)雙軸跟蹤系統(tǒng),分別對太陽的高度角和方位角進(jìn)行跟蹤。按旋轉(zhuǎn)軸向的不同,雙軸跟蹤系統(tǒng)可分為水平軸跟蹤系統(tǒng)和赤道軸跟蹤系統(tǒng)兩種形式。根據(jù)跟蹤精度高的原則及太陽能電池板的穩(wěn)定性考慮,采用高度角―方位角式跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這種方案可使系統(tǒng)使用在大多數(shù)地區(qū),不用考慮當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?都能實(shí)時(shí)的對太陽方位進(jìn)行有效跟蹤。2.2理論值的計(jì)算和跟蹤檢測視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤采用基于天文學(xué)參數(shù)的方法,控制單元先根據(jù)太陽運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出某一天內(nèi)某時(shí)刻太陽的高度角和方位角的理論值,驅(qū)動(dòng)器將理論值和跟蹤檢測的誤差補(bǔ)償值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖發(fā)送,驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作,從而調(diào)整太陽能電池板的角度,實(shí)現(xiàn)對太陽的實(shí)時(shí)跟蹤。3系統(tǒng)故障跟蹤結(jié)合本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能,設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。太陽跟蹤系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由控制器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器、環(huán)境監(jiān)測模塊等組成。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方案的具體工作過程為:首先,PLC計(jì)算出給定地點(diǎn)給定時(shí)間的太陽位置,即實(shí)際時(shí)刻太陽的高度角和方位角;然后,計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置,將這個(gè)位置乘以相關(guān)系數(shù),即可得到高度角和方位角電機(jī)所需的脈沖,并發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,達(dá)到要求的位置,實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。風(fēng)速傳感器采用感應(yīng)式器件,當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),控制器控制高度角驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使陣列向水平方向運(yùn)行,直到陣列受力最小為止,以保護(hù)跟蹤裝置組件不被大風(fēng)吹壞。大風(fēng)過后,快速自動(dòng)恢復(fù)跟蹤。3.1plc的簡介可編程邏輯控制器PLC是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件,本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活和指令集強(qiáng)大的西門子公司SIMATICS7-1200型PLC。該控制器采用64位微處理器,具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn),適用于多種應(yīng)用場合,能夠保障現(xiàn)有投資的長期安全。該控制器具有可擴(kuò)展的靈活設(shè)計(jì),符合工業(yè)通訊最高標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口,支持TCP/IPnative、ISOonTCP,以及SIMATICS7通訊,以及全面的集成工藝功能,因此它可以作為一個(gè)組件集成在完整的綜合自動(dòng)化解決方案中。3.2超風(fēng)速控制儀器為保護(hù)跟蹤裝置組件不被大風(fēng)吹壞,系統(tǒng)配置了風(fēng)速傳感器模塊。系統(tǒng)選用北京飛超風(fēng)速控制儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FC―2A型風(fēng)速傳感器,風(fēng)速范圍為0~60m/s,輸出信號為0~10V,供電電壓為DC24V,測量精度為±3%,分辨率為0.1m/s,具有精度高、量程寬、輸入線電阻高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。4血壓傳感檢測跟蹤太陽系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制程序流程圖如圖2所示。首先,運(yùn)行主程序系統(tǒng)初始化,系統(tǒng)判斷機(jī)構(gòu)是否位于基準(zhǔn)位置,如果不在基準(zhǔn)位置,指示燈點(diǎn)亮,需人工調(diào)整機(jī)構(gòu)至基準(zhǔn)位置,手動(dòng)調(diào)整直到信號燈變暗;點(diǎn)擊開始運(yùn)行按鈕后系統(tǒng)即可進(jìn)入跟蹤狀態(tài),讀取GPS傳感器模塊的地理位置信息及時(shí)間信息,判斷此時(shí)是否在當(dāng)天的日出和日落之間,否則機(jī)器靜止等待日出時(shí)刻,是則通過氣象傳感器斷天氣狀況,若天氣良好跟蹤系統(tǒng)利用天文學(xué)的計(jì)算公式根據(jù)提供的時(shí)間參數(shù)來確定即時(shí)的太陽位置,計(jì)算出當(dāng)時(shí)的太陽高度角、方位角,快速的跟蹤目標(biāo)太陽位置;接著按照設(shè)定的時(shí)間間隔和速度間歇方式循環(huán)的檢測、判斷、跟蹤太陽直至日落時(shí)刻,太陽電池陣列又回到當(dāng)天日出時(shí)刻位置等待新的一天。當(dāng)有大風(fēng)來臨時(shí),風(fēng)速傳感器響應(yīng)中斷程序,PLC接收到風(fēng)速傳感器的高速脈沖,達(dá)到規(guī)定的脈沖數(shù)時(shí)則響應(yīng)中斷,使太陽電池板放平,以保護(hù)電池板組件。大風(fēng)過后,跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行程序返回主程序,讀取GPS的信息,計(jì)算此時(shí)的太陽高度角及方位角,驅(qū)動(dòng)兩直流電機(jī)調(diào)整太陽電池板的角度實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。5系統(tǒng)照度計(jì)實(shí)驗(yàn)使用照度計(jì)可以有效判斷當(dāng)前的光照強(qiáng)度,在測試中,使用兩塊相同的照度計(jì)作為測量裝置,分別記為照度計(jì)A和照度計(jì)B,將照度計(jì)A固定并緊貼在采用本跟蹤系統(tǒng)的太陽能電池板表面;將照度計(jì)B放置在一固定位置,每隔1小時(shí)記錄照度計(jì)A和B的值,實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,采用了跟蹤系統(tǒng)的太陽能電池板,附著在其上的照度計(jì)光照強(qiáng)度要明顯高于采用固定姿態(tài)的照度計(jì)。由于太陽能電池板的光照強(qiáng)度和其發(fā)電效率呈正比關(guān)系,因此本實(shí)驗(yàn)證明了采用本跟蹤系統(tǒng)的太陽能電池板的發(fā)電效率