小论文

太阳能智能跟踪系统的研究与设计

[摘 要] 在对目前国内外太阳跟踪器原理研究的基础上，设计了一种按仰角（太阳高度）和方位角（太阳方位）分别控制调节的太阳跟踪控制系统。采用通过DSP计算发出脉冲数，控制步进电机的转动角度，实现对太阳位置的自动跟踪，使跟踪装置始终处于与发光源垂直的最佳位置。该跟踪方法不受外界天气、杂光的干扰，具有较高的可靠性控制精度高, 具有广泛的应用潜力。

[关键词]智能跟踪; 视日运动轨迹; 自动定位; 英文摘要

能源短缺已成为人类社会面临的一个重大的挑战。太阳能作为一种清洁能源已成为未来全球解决能源危机的最具独特优势的重要途径。权威试验测定，相同条件下，采用自动跟踪系统的太阳能发电设备比固定式太阳能发电设备的发电量要提高35％。为提高利用太阳能效率而进行太阳自动跟踪系统的研究，对我们所面临的日益严峻的能源问题有着重大而深远的意义。从实际工程实践来看，有必要通过各种手段和途径发挥计算机的重要作用，把自动跟踪系统与太阳能发电设备相结合，从而大大提升自身的发电能力，提高设备的经济效益。 研究现状分析

目前各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统，机械系统一般又可分为压差式和控放式，电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式。

在各种类型的跟踪器中，纯机械式的跟踪器精度偏低。有通过发条、变速机构和执行机构实现的太阳跟踪，有通过蒸汽压力来实现追踪的自动追踪系统，还有通过GPS卫星定位系统进行追踪的“向日葵”系统等。在实际应用过程中，这些系统中比如通过发条、变速机构和执行机构实现的太阳跟踪存在跟踪精度不够，容易积累误差；而通过蒸汽压力方式则系统比较笨重，使用时不方便；通过GPS卫星定位系统进行跟踪的“向日葵”系统虽然追踪精度高，但是其造价昂贵，不利于推广。

光电式：光电式跟踪是利用光敏元件的输出，判断太阳光线跟踪传感器的轴线是否正对太阳——光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪，使传感器主光轴指向太阳。一般来说光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便，但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，就会导致跟踪装置无法对准太阳，有时甚至会引起执行机构的误动作。

视日运动轨迹跟踪：视日运动轨迹系统通常根据跟踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。

单轴：采用这种跟踪方式的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能电池板垂直，收集太阳能的效果并不理想。

双轴：高度角一方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪。太阳能电池板的方

位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能电池板根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使太阳能电池板始终与太阳光线垂直。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能电池板装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。

和光电跟踪相比视日运动轨迹的跟踪方法不受外界天气、杂光的干扰，具有较高的可靠性。

太阳运行轨迹的算法

太阳的运行轨迹，即太阳相对地球的位置可由两种坐标系统来描述:赤道坐标系和地平坐标系。

赤道坐标系是人在地球以外的宇宙空间里，看太阳相对于地球的位置，这时太阳相对于地球的位置是相对于赤道平面而言，用赤纬角δ和时角ω。

太阳中心S与地球中心O的连线，即太阳光线在地球表面直射点A与地球中心O的连线A0与在赤道平面上的投影间的夹角称为太阳赤纬角(或称太阳赤纬)。它描述地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对位置的变化。一年中，太阳光线在地球表面上的垂直照射点的位置在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动，使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复变化。

赤纬在一年中的变化用下式计算: δ=23.45sin(2∏d/365) °

或δ=23.45sin[360(284+n)/365] °

式中δ—一年第n天或离春分第d天的赤纬，春分和秋分δ=O，冬至日δ=一23.5“，夏至日δ=23.5;

d—由春分日算起的第d天; n—一年中的日期序号。 (2)时角ω

时角描述因地球自转而引起的日一地相对位置的变化。地面上任意一点P与地心连线OP在赤道平面上投影OB与当地12点钟的日一地中心连线在赤道平面上投影OQ之间的夹角ω为时角。地球自转一周为360°，对应的时间为24小时，故每小时对应的时角为15。从正午算起，上午为负，下午为正，数值等于离正午的时间乘以15°。日出、日落时的时 角最大，正午时为零。

图（1）赤道坐标系图 图（1）地平坐标系 地平坐标系

地平坐标系是人在地球上观看空中的太阳相对地球的位置。这时，太阳相对地球的位置是相对地平面而言的，用高度角αs和方位角γs两个坐标表示，如图示。所谓的相对地平面，是指太阳与地球间的任何夹角都是与某地的地平面的夹角。在地平坐标系中，赤纬角δ和时角ω。和赤道坐标系的是一致的。

(2)高度角αs， 太阳光线0P和它在地平面上投影线Pg之间的夹角称为高度角，它表示太阳高出水平面的角度。其计算式为:

sinαs=sinФ sinδ+cosФ cosδcosω Ф一当地地理纬度。 (3)方位角γs，

地平面上正南方向线PS与太阳光线在地平面上投影Pg间的夹角称为方位角，它表示太阳光线的水平面投影偏离正南方向的角度，由下式计算:

sinγs :=eosδsinω/cosαs

或 eosYs=(sinαssinФ一sinδ)/cosαscosФ

方位角从正午起算，按顺时针方向为正，逆时针方向为负，也就是上午为负，下午为正。 因此在地平坐标系中知道当地的地理纬度、日期和时间，我们就可以求出此刻太阳的高度角和方位角。 系统的方案设计

设计思想

基于在成熟的硬件支持下，一种按仰角（太阳高度）和方位角（太阳方位）分别控制调节的太阳跟踪控制系统。采用通过DSP计算发出脉冲，控制步进电机的转动角度，实现对太阳的自动跟踪，使跟踪装置始终处于与发光源垂直的最佳位置。采用尽可能少的硬件以在最大程度上减少硬件方面的的运作误差，而在软件部分的设计尽可能考虑周全，在整个程序编程中将按照天文要求太阳角度计算、充分利用步进电机优点的脉冲控制以及以节省自身系统能源的间歇式工作模式等一并加以实现，在保证系统的持续正常运转过程，减少误差和问题发生，程序设计还能预留出软件功能升级的接口，以便未来根据实际需求更改功能和升级功能。

硬件方面的选型和配置，DSP控制模块选用TI公司的TMS320LF2８１２。系统选用两台42BYGH型步进电机，并以AT89Ｓ５２单片机和功率放大器L293D（其额定工作电流为1A，最大可达1.5A）为主组成了配套的步进电机驱动控制模块，以及其他如时钟芯片X1226（ X1226实时时钟+串行EEPROM，可以产生年、月、日、星期、时、分、秒等实时时间信息，还有512×8-位EEPROM，采用串行IIC与微处理

器接口，可以用来存储定值，非常适合于工业控制场合配置）等。