太阳能跟踪系统所有专业(编辑修改稿)

太阳能跟踪系统所有专业(编辑修改稿)内容摘要：

：极轴式全跟踪和高度角 方位角式全跟踪。 (1)极轴式全跟踪 极轴式全跟踪是指聚光镜的一 轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。 另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。 反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。 这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。 (2)高度角 方位角全跟踪 高度角 方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。 根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值 ，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。 这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。 但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。 太阳能电池板自动跟踪系统设计 第 4 页 共 54 页 程序跟踪是根据当地地理位置和时间等利用程序计算出当前太阳位置，并根据计算结果驱动聚光器向目标点运动，程序跟踪的优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定地跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具很高的数据处理能力和较大的数据 存储空间，程序跟踪还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，程序跟踪系统成本较高。 程序跟踪方法的控制系统构成是采用开环控制方法，由于跟踪装置结构不稳定性导致跟踪存在累积误差，需要定期校正；在跟踪过程中，系统自身无法对机构的传动误差、地基及天体运行轨道的变化产生的误差进行修正，跟踪精度会随着时间的推移而降低，因此也需要定期校正。 传感器跟踪是利用传感器实时检测太阳光线的入射角，当入射光线与传感器主光轴的偏差超过设定值时，通过电机驱动跟踪机构运动，减小偏差，传感器跟踪的优点是能够实时检测太阳光线的入射 方向，无累积误差。 但高精度的传感器跟踪系统受光学系统的限制，在太阳光线偏离传感器基准轴线一定角度后就无法跟踪。 程序跟踪和传感器跟踪相结合的方式是指跟踪系统应用程序、传感器混合控制的方法，采用简化的太阳位置算法对太阳光线粗略跟踪，当粗跟踪结果满足精确跟踪要求，即精确跟踪传感器能够捕捉到太阳光线时，再利用光线跟踪传感器精确定位。 由于粗跟踪采用了简化的数学算法，因此可以用成本较低的控制器代替昂贵的控制器。 程序跟踪可以克服单一的传感器跟踪存在的跟踪范围窄，粗跟踪不稳定的问题，而传感器精确跟踪避免了程序跟踪需要定时 修正的问题。 目前比较先进的程序跟踪方法是根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。 在应用中，全球定位系统 (GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。 在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。 然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。 在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原 有跟踪路线返回到基准零点。 从目前来看国内外开发跟踪系统以双轴跟踪系统为主，比较前沿的技术大都采用程序跟踪与传感器跟踪相结合的跟法。 考虑到成本问题单轴跟踪系统也有研究。 华北科技学院 第 5 页 共 54 页 项目研究的主要内容及预期目标 基于单片机的太阳能跟踪器开发出来并且投入市场。 它们也都具有双轴跟踪，自动调整，适应能力强等特点。 但是同时存在一些不足，比如精度不高，价格昂贵。 不具备程控接口，不利于扩展。 本设计提出一种有通信功能的跟踪器，具有程序变更容易，精度可调，使用方便，结构简单。 该系统采用光时互补的方法，单片机从外接时钟模块读入当地时 间，计算出太阳的空间位置。 然后从电脑中即上位机输入当地地理信息即经纬度，结合以上计算的太阳空间位置，计算出太阳高度角与方位角，经过单片机处理之后输出驱动信号调整角度到指定位置，再启动光电跟踪程序，对角度进行微调。 当变更地理位置时只要用电脑，改变特 定地理位置对应的输出数表，将数据传入到存储器中即可。 总之该跟踪器具有跟踪精度高，使用灵活方便，抗干扰能力强。 有着较广阔的市场前景。 本次设计是采用 STC12C5A60S2 作为 CPU，要实现光电传感模块的设计：以GL5516 光敏电阻作为基本元件设计出光电传感器，其可 以不仅可以将东西，南北方向的光强差传化为电压信号，还要将光照强度信号传入单片机，供单片机识别是否有云雾遮挡，以此来决定是否停止光电跟踪程序；还要设计稳定可靠的CPU 模块，包括外围的晶振电路，供电电源，复位电路等；步进电机的选型，以及它的驱动电路设计，而且由于本设计中跟踪精度要求很高，所以要求选择精度较高的步进电机。 另一个很重要的就是控制程序的编写，要实现视日轨迹跟踪粗定位，光电跟踪作为补充。 预期实现电路相对简单，结构紧凑 ，硬件成本较低，的硬件电路。 采用上位机通信，地理信息调整方便可靠，灵活。 太阳高度角采 用 30 分钟调整一次，方位角采用 30 分钟调整一次。 这样可以避免电机盲目转动，大大的节省电机转到带来的能耗。 从而使跟踪系统更加高效率。 可以自动调整误差，当乌云遮挡时可以自动停止跟踪，夏天早晨 6 点启动系统，当光照强度足够时，追踪系统程序启动，晚上光照低于一定程度时。 将太阳电池板自西向东调整到原位停止系统。 太阳能电池板自动跟踪系统设计 第 6 页 共 54 页 第 2章 太阳能电池板跟踪相关理论研究 太阳的运行规律 太阳高度角，方位角及时角介绍 太阳视位置指从地面上看到的太阳的位置，用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。 太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线 与当地水平面的夹角，其值在 0176。 到 90176。 之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为 90176。 太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。 方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为 90176。 ，在正东北方时，方位为 135176。 ，在正西方时方位角为 90176。 ， 在正北方时为 177。 180176。 太阳高度角与地面的太阳光强弱密切相关。 早晚与中午的光强有很大的差异，原因就在于太阳高度角的不 同。 在晴天条件下，太阳光的强弱与太阳高度角的正弦成正比。 因此了解太阳高度角对分析地面的太阳光强有重要的意义。 日面中心的时角，即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。 以地球为例，在地球上，同一时刻，对同一经度，不同纬度的人来说，太阳对应的时角是相同的。 单位时间地球自转的角度定义为时角 w，规定正午时角为0176。 ，上午时角为负值，下午时角为正值。 地球自转一周 360176。 ，对应的时间为 24小时，即每小时相应的时角为 15176。 太阳高度角及方位角计算公式 根据下图所示，设天球半径为 R，则太阳在坐标 系二中的坐标为： x39。 =Rcosω ， y39。 =Rcosδsinω， z39。 =Rsinδ (1) 坐标系二绕 Y 轴的旋转矩阵为 : (2) 0000c os(90 ) 0 si n(90 )0 1 0si n(90 ) 0 c os(90 )A  华北科技学院 第 7 页 共 54 页 根据 [x, y, z] = [x39。 , y39。 , z39。 ]A， 可得太阳在坐标系一中的坐标： x = R(cosδcosωsinФsinδcosФ) y = Rcosδsinω z = R(sinФsinδ+cosФcosδcosω) 因此，可求 得太阳高度角 h，方位角 A 计算公式分别为： sinh = z/R = sinФsinδ+cosФcosδcosω (3) cos(A180176。 ) = x/(Rcosh) = ( cosδcosωsinФsinδcosФ)/cosh = (sinhsinФsinδ)/(coshcosФ) (4) sin A= cosδsinω/cosh (5) 图 太阳位置示意图 对某一地点来说当地地理纬度 Ф 是确定 的，太阳赤纬角 δ、太阳时角 ω 是太阳在赤道坐标系中的位置，只要算出 δ、 ω两个参数值便可得出太阳在地平坐标中的位置。 上图中 τ 即时角 ω。 实际应用中，全球定位系统 (GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。 这是比较先进的跟踪系统。 考虑到成本本设计没有采用定位系统。 而是采用通讯的方法。 图 4 太阳位置示意图 F ig . 4 S u n p o si ti o n il l u stra ti o n 900Ф δ h τ A 地平圈 天赤道 太阳 天球 南 北 X X ’ Y (Y ’ ) Z Z ’ 太阳 太阳能电池板自动跟踪系统设计 第 8 页 共 54 页 太阳能电池板跟踪参考坐标系 由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面 静止物体的运动。 这种变化是周期性和可以预测的。 地球极轴和黄道天球极轴存在的一个23176。 27′的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。 冬至时这个角为 23176。 27′，然后逐渐增大，到春分时变为 0176。 并继续增大；夏至时赤纬角达到最大的 23176。 27′。 并开始减小；到秋分时赤纬角又变为 0176。 ，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。 赤纬角可由 Cooper(1969)的近似计算公式求得： δ=2345sin[360(284+n)/365] （ 6） 式中， δ赤纬角， n年中的第几天。 在一天当中，太阳赤纬变化很小 ，位置变化主要由地球自转引起。 一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由太阳时角ω表示，太阳在正午时为 0176。 ，每小时变化15176。 ，上午为正，下午为负。 因此有： ω=(12T) 150 （ 7） 式中 ， T当地时问。 图 地平坐标跟踪系统图 图 为地平坐标跟踪系统，水平面为基本面，坐标为高度角 (用圆弧 GG′表示 )和方位角 (用圆弧 SG′表示 )，在跟踪过程中，铅垂轴 jj′相对于地平坐标系为静止状态，水平轴 dd′则在水平面内绕铅垂轴 转动。 图 为极轴坐标跟踪系统，天文赤道面为基本面，坐标为时角 (用圆弧 S′G′表示 )和赤纬 (用圆弧 GG′表示 )，跟踪过程中极轴 jj′相对于极轴坐标系为静止状态，赤纬轴 dd′则在赤道面 (或其平行面 )内绕极轴转动。 因为在天球上的所有圆圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾画出的圆。 同时由于铅垂线所具体代表的垂线，以及由水准仪所定出的水平线是在几何坐标系中惟一能容易直接观测的参考方向，所以地平参考系一直是实用中必不可少的媒介系统。 在实际观测中，最重要的几何坐标系就是以地方天文地平作为基本参考圈的地平坐 标系。 因此目前多种太阳能发电装置均采用地平坐标。 华北科技学院 第 9 页 共 54 页 光伏电池的特性分析 光伏电池的光伏效应 当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。 例如，当光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 PN 结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子 — 电子和空穴。 由于 PN 结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势 垒区，结果使 P 区电势升高 ， N 区电势降低， PN 结两端形成生电动势，这就是 PN 结的光伏效应。 如将 PN 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路， PN 结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。 温度对光伏电池输出特性的影响 图 不同温度下的光伏特性 （ a） 光伏电池的伏安曲线；（ b）光伏电池的功率电压曲线 温度上升将使光伏电池开路电压 Voc 下降，短路电流则略微增大，日照强度不变时，不同温度下的光伏电池的 效率变化很大。 由公式 MMPP Sp p可 知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。 所以在应太阳能电池板自动跟。