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1、南京航空航天大学自动化学院2009 年 02 月目 录1、太阳能发电自动跟踪控制系统发展概述 .13.1.4 时角坐标系.73.2 太阳与地球的时间关系 .73.3 太阳位置计算原理 .83.3.1、球面三角形的相关概念 .83.3.2、太阳位置计算原理 .113.3.3、太阳高度角 h的计算 .133.3.4、太阳方位角 A的计算 .143.3.5、日出、日落时间的计算 .143.3.6、日出、日落方位角的计算 .154、本系统方案实现步骤 .154.1 基于位置的跟踪控制系统研制 .154.2 基于能量最优的跟踪控制系统研制 .164.3 具有风力保护的跟踪控制系统研制 .185、数据采集
2、模块及电机拖动模块实现 .185.1 数据采集模块 .185.2 电机拖动模块 .196、成本核算 .20第 1 页任何时期，能源以及资源都是人们赖以生存的基础。进入 21 世纪，随着社会经济的高速发展，能源消耗随之增大，节约能源和寻找新能源成为人类可持续发展的基本条件。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。我国是世界上最大、地势最高的自然地理单元，也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一，尤其是西藏地区，空气稀薄、透明度高，年日照时间长达 16003400 小时之间，每日光照时间 6 小时以上，年平均天数在 275330 天之间，辐
3、射强度大，平均辐射总量 7000 兆焦耳/平方米，地域呈东西向递增分布，年变化呈峰形，资源优势得天独厚，太阳能应用前景十分广阔。但是利用天阳能又受着位置、地势等条件的制约。因此必须设计一种随着太阳运动的跟踪控制系统，使得太阳能电池板接收到的光照强度最大，资源的利用率最大。图 1 美国研制的大规模太阳能跟踪装置 图 2 国内某企业太阳能自动跟踪装置现阶段国内外已有的跟踪装置可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种，用以实现方位与俯仰角的 2 自由度的转向控制。近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究，主要用于天文观测、气象台的太阳跟踪。1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统，国家气象局计量站在 199
4、0 年研制了 FST 型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。1994 年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单轴跟踪。目前，着太阳能应用的普及，众多的科研院所和企事业单位针对太阳能跟踪控制系统开展了卓有成效的研究。在目前的太阳能自动跟踪控制系统中，不论是单轴跟踪或双轴跟踪，太阳跟踪装置可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式等多种。其中，时钟式是根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动；程序控制式太阳跟踪装置，则是通过计算某一时间太阳的位置，再计算出跟踪装置的目标位置，最后通
5、过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入第 2 页射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。1.2 太阳能发电跟踪控制系统特点当前市场上的太阳能发电多是固定式的，与之相比较，本项目研究实现的太阳能自动跟踪控制系统，具有更高的发电效率，参见表 1 所示。表 1、固定式与自动式参数比较项目电池板面积日照时间日发电功率日输出功率 日储电量 成本搜索范围固定式 2 平方米 24h 1600 瓦 800 瓦 800 瓦 大 0 度
6、自动式 2 平方米 612h 4000 瓦 2000 瓦 2000 瓦 小360度由表 1 可见，自动跟踪发电控制系统，日照时间更长，输出功率更高，发电效率提高百分之四十到百分之八十，提高效率，降低成本。2、本系统实现方案概述上述各种方法，虽然在不同的方面有各自的优点，然而在实际的应用过程中或多或少的存在着误差大，灵活性差、非全天候跟踪等缺点。综合以上几种方式的特点，本项目设计出一套具有控制精度高、灵活性强、易操作、全自动跟踪等优点的“ 傻瓜式” 太阳能电池板跟踪系统。本控制系统主要由数据采集、数据分析、计算机控制模块、以及电力拖动等模块组成。采用主控计算机和多个智能测控模块相互配合组成控制系
7、统，主控模块与各子模块以及各子模块之间采用数字化传输，系统方案的整体框图参见图 2 所示。第 3 页图 2、电池板系统总方框图由图 2 可知，该控制方案中，包含了风力传感器采集模块、光强采集模块、GPS 模块、方位磁传感器采集模块、计算机控制模块、以及电机拖动模块几个部分，计算机通过串口实现了对各个子模块运行状态进行实时的监控，同时也将接收到的各个子模块的数据进行分析和处理，再反馈给各个子模块，从而达到高精度与全自动控制，节约了能源。对于图 2 所示方案中的风力传感器采集模块、光强采集模块、GPS 模块、方位磁传感器采集模块，根据功能的不同可以有不同的配置方案，从而构成不同功能的跟踪控制系统。
8、具体情况可以参见表 2 所示。表 2、不同功能的跟踪控制系统方案序号 跟踪控制系统名称 需要配置的模块1 基于位置的跟踪控制系统 GPS、方位磁传感器2 基于能量最优的跟踪控制系统光强采集模块、GPS、方位磁传感器3 具有风力保护的基于位置的跟踪控制系统风力传感器、GPS、方位磁传感器4 具有风力保护的基于能量的跟踪控制系统 风力传感器、光强采集模块第 4 页3、太阳跟踪数学模型的建立3.1、太阳与地球的位置关系在本系统电池板跟踪太阳位置的时候不可避免的涉及到计算太阳方位角、高度角、日出日落等计算问题，本节将对地球绕太阳运行的基本规律展开详细分析与研究。3.1.1 天球与天球坐标系在晴朗的夜晚
9、，当人们遥望苍穹，满天星星像珍珠般镶嵌在茫茫夜空中，仿佛自己就身处在整个宇宙的中心，这正是人们对天球的最初印象。为了方便研究各个天体的位置，引入了天球的概念与天球坐标系。所谓天球，即以观察者为球心，需要的时候也可以把球心假想移到地球或者太阳的中心，并且以任意长度为半径，其上分布着所有天体的球。需要注意的是天体在天球上的视位置是人们对于天体的视线在天球上的投影，因而天球的半径完全可以自由选取，而不影响研究问题的实质。其次，天球上任意两个天体之间的距离一般都是指它们之间的角距离，亦即是它们对于观测者的张角。在天球上，线距离是没有意义的；一般说来，天体离开地球的距离都可看作是数学上的“无穷大” ，因
10、此，在地面上不同地方看同一天体的视线方向可以认为是互相平行的；或者也可以反过来说，一个天体发射到地球上不同地方的光互相平行。所以，天体在天球的视位置，最方便是用球面坐标系进行表示，在天球上建立的坐标系叫做天球坐标系。天文中又将天球坐标系按照原点与基本圈不同而分成地平坐标系与赤道坐标系。3.1.2 地平坐标系地平坐标系是以通过观测点 O 的地平面与天球相交的地平圈为基本圈，以通过 O 点的天顶、天底、地平面南点及北点的子午圈为第二个基本圈，如图 3所示。经过太阳位置 X 点，过天顶 Z 点的子午圈，称之为方位圈；经 X 点平行于地平面的圆圈，称为高度圈。第 5 页Ah地 平 圈SN1ZZ HX1
11、 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1111 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1子 午 圈方 位 圈天 顶 距 Z天 底高 度 圈图 3、地平坐标系显然，地平坐标系主要有两个参量：方位角 A、高度角 h，观察者的头顶方向与天球相交的点叫做天顶(Z 点)，从观察者的脚底向下延伸与天球相交的点叫做天底。垂直天顶与天底连线且过天球中心的平面称之为地平面，它与天球相交成一个大圆，这个大圆即称之为地平圈，也即真地平。与地平圈相平行且与天球相交成的小圆叫地平纬圈，与地平圈垂直的大圆叫地平经圈。通过北天极 P 和天顶 Z 的大圆叫做天球子午圈，它和真地平相交与 N 点与 S 点，靠近北天极的记做北点 N，和它相对的记做南点 S。在地平圈上沿顺时针度量，显然离南北 90分别可以叫做东点 E 与西点 W。天体在方位上与地平面正南方向所夹的角度，记做地平方位角，即为 A。方位角 A，以地平面南点 S 点为零度，向西为正值，向东为负值。天体在高度上与
