1、陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)admin 來(lái)源:太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法是根據(jù)地日運(yùn)行軌跡，采用赤道坐標(biāo)系或地平坐標(biāo)系描述太陽(yáng)相對(duì)地球的位置。一般在雙軸跟蹤中極軸式跟蹤采用赤道坐標(biāo)系，高度角-方位角式跟蹤采用地平坐標(biāo)系。1.1 極軸式跟蹤赤道坐標(biāo)系是人在地球以外的宇宙空間里，觀測(cè)太陽(yáng)相對(duì)于地球的位置。這時(shí)太陽(yáng)位置是相對(duì)于赤道平面而言，用赤緯角和時(shí)角這兩個(gè)坐標(biāo)表示。太陽(yáng)中心與地球中心的連線(xiàn)，即太線(xiàn)在地球表面直射點(diǎn)與地球中心的連線(xiàn)與在赤道平面上的投影的夾角稱(chēng)為太陽(yáng)赤緯角。它描述地球以一定的傾斜度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而引起二者相對(duì)位置的變化。一年中，太線(xiàn)在地球表面上的

2、垂直照射點(diǎn)的位置在南回歸線(xiàn)、赤道和北回歸線(xiàn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使該直射點(diǎn)與地心連線(xiàn)在赤道面上的夾角也隨之重復(fù)變化。赤緯角在一年中的變化用式(1)計(jì)算：式中：為一年中第n天的赤緯角，單位：(°);n為一年中的日期序號(hào)，單位：日。時(shí)角是描述地球自轉(zhuǎn)而引起的日地相對(duì)位置的變化。地球自轉(zhuǎn)一周為360°，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為24 h，故每小時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)角為15°。日出、日落時(shí)間的時(shí)角最大，正午時(shí)角為零。計(jì)算公式如下：式中：為時(shí)角，單位：(°);T為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，單位：h。根據(jù)上述方法可以計(jì)算出地球上任意地點(diǎn)和時(shí)刻的太陽(yáng)的赤緯角和時(shí)角，由此可建立極軸式跟蹤，對(duì)于太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采光板

3、的一軸與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，稱(chēng)為極軸，另外一軸與其垂直。工作時(shí)采光板繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定為與地球的自轉(zhuǎn)速度一樣，方向相反。為了適應(yīng)太陽(yáng)赤緯角的變化，采光板圍繞與地球自轉(zhuǎn)軸垂直的軸做俯仰運(yùn)動(dòng)。此種跟蹤方式原理簡(jiǎn)單，但是由于采光板的重量不通過(guò)極軸軸線(xiàn)，極軸支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較困難，因此本設(shè)計(jì)沒(méi)有選用極軸式跟蹤。1.2 地平坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系用高度角和方位角來(lái)描述太陽(yáng)的位置，已知太陽(yáng)赤道坐標(biāo)系中的赤緯角和時(shí)角，可以通過(guò)球面三角形的變換關(guān)系得到地平坐標(biāo)系的太陽(yáng)的高度角和方位角。如圖1所示，該天球是以觀測(cè)者為球心，任意距離為半徑的假想球，對(duì)于天球上各點(diǎn)之間的距離，只討論它們之間的角距而不考慮它們的線(xiàn)

4、長(zhǎng)。M和N分別為天球上的南北天極。P點(diǎn)為觀測(cè)者的鉛垂線(xiàn)與天球的交點(diǎn)，P點(diǎn)的地理緯度為，S為太陽(yáng)在天球中的位置。S的赤緯度為，觀測(cè)者的鉛垂線(xiàn)OP與地心與太陽(yáng)連線(xiàn)的夾角叫做天頂角，天頂角和太陽(yáng)的高度角互補(bǔ)。角A為太陽(yáng)的方位角。根據(jù)球面三角形的邊的余弦公式描述，即一邊的余弦等于其他兩邊余弦的乘積，加上這兩邊正弦與其夾角余弦的乘積，在天球的半徑不是確定值。因此描述天球上的圓弧通常用圓弧所對(duì)應(yīng)的角度來(lái)表示弧長(zhǎng)。在球面三角形NPS中，三邊為弧NP、弧NS、弧SP，分別用角度90-，90-，表示。采用球面三角形邊的余弦公式：高度角-方位角跟蹤又叫做地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤系統(tǒng)，采光板的方位軸垂直于地平面，另一根軸

5、與方位軸垂直，稱(chēng)為俯仰軸。工作時(shí)采光板根據(jù)太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變采光板的傾斜角，從而使采光板與太線(xiàn)垂直。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且采光板裝置的重量保持在垂直軸所在的平面，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。在本文中采用了高度角一方位角跟蹤進(jìn)行設(shè)計(jì)。2 太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)上文介紹的高度角-方位角跟蹤系統(tǒng)的整體框架，本文基于Xilinx公司的FPGA開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)了基于FPGA的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的各功能模塊。主要包括計(jì)時(shí)模塊、太陽(yáng)高度角方位角計(jì)算模塊、日出日落時(shí)間計(jì)算模塊和步進(jìn)電機(jī)脈沖控制模塊等幾部分。基于FPGA的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的流程圖如圖2和圖3所示。首先

6、系統(tǒng)根據(jù)計(jì)時(shí)模塊計(jì)算出當(dāng)前的時(shí)間，包括當(dāng)日在一年中的日期序數(shù)dn(單位：日)與當(dāng)前的時(shí)刻T(單位：h)，然后再根據(jù)日出日落時(shí)間計(jì)算模塊確定當(dāng)日的日出和日落時(shí)間，以便判斷當(dāng)時(shí)時(shí)間是否在日出后日落前。在程序計(jì)算過(guò)程中，利用太陽(yáng)高度角和方位角計(jì)算模塊計(jì)算當(dāng)前太陽(yáng)的位置，并與上次計(jì)算的太陽(yáng)的位置作差，分別計(jì)算出當(dāng)前跟蹤裝置高度和方位需要調(diào)整的角度與其旋轉(zhuǎn)方向，并隨后進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊。首先調(diào)整高度角，判斷高度角差值的正負(fù)，驅(qū)動(dòng)高度方向的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。高度角步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)后調(diào)整方位角。判斷方位角正負(fù)，驅(qū)動(dòng)方位角步進(jìn)電機(jī)按照偏差旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。一次跟蹤后，在一定的時(shí)間間隔T后，系統(tǒng)再次提取時(shí)間計(jì)算

7、、判斷、旋轉(zhuǎn)電機(jī)。當(dāng)日落時(shí)間到時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至次日太陽(yáng)升起的位置并恢復(fù)初始狀態(tài)。由此本系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的全天候、實(shí)時(shí)跟蹤。3 基于FPGA的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)模塊圖如圖4所示。這里對(duì)基于FPGA的太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)建立的計(jì)時(shí)模塊、日出日落時(shí)間計(jì)算模塊、高度角方位角計(jì)算模塊、步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)與結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.1 計(jì)時(shí)模塊視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法需要時(shí)間和地理緯度信息，一般的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的位置固定，可以自行設(shè)定其地理緯度值。對(duì)于時(shí)間建立了計(jì)時(shí)模塊，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行多級(jí)分頻輸出視日運(yùn)動(dòng)跟蹤算法所需的間信息。3.2 太陽(yáng)日出日落時(shí)間計(jì)算模塊此模塊計(jì)算每天太陽(yáng)的日出日落時(shí)間

8、，據(jù)此保證在太陽(yáng)的照射時(shí)間圍，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)正常運(yùn)行，在非照射時(shí)間，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。太陽(yáng)的日出日落時(shí)間即太陽(yáng)的高度角為零的時(shí)間。由高度角計(jì)算公式(8)和時(shí)角計(jì)算公式(9)推出太陽(yáng)的日出日落時(shí)間公式(10)。太陽(yáng)日出日落時(shí)間計(jì)算模塊仿真波形如圖5所示，輸出為10 b Q4格式，dn為時(shí)間序號(hào)，其中richu代表日出時(shí)刻，riluo代表日落時(shí)刻。對(duì)太陽(yáng)日出日落模塊輸出結(jié)果分析如表1所示，dn為仿真隨機(jī)選取的日期，太陽(yáng)日出日落時(shí)間只與dn有關(guān)。對(duì)該模塊輸出的10 b Q4格式的時(shí)間計(jì)算其實(shí)際的代表值，并與理論計(jì)算值做比較，經(jīng)計(jì)算其輸出時(shí)間誤差很小，該模塊能夠準(zhǔn)確計(jì)算出日出日落時(shí)間。3.3 太

9、陽(yáng)高度角方位角計(jì)算模塊當(dāng)時(shí)間為正常光照時(shí)間時(shí)，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)每隔5 min就會(huì)進(jìn)入太陽(yáng)高度角方位角進(jìn)行計(jì)算。計(jì)時(shí)模塊輸出給太陽(yáng)高度角方位角模塊所需的時(shí)間信息，然后計(jì)算赤道坐標(biāo)系下的赤緯角和時(shí)角，最后計(jì)算高度角方位角坐標(biāo)系下的高度角和方位角值，并輸出高度角和方位角值如圖6所示，仿真波形如圖7所示。高度角和方位角輸出均為10 b Q7格式。在視日運(yùn)動(dòng)跟蹤算法中最重要的是準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)前的太陽(yáng)相對(duì)于地球的高度角和方位角，其計(jì)算準(zhǔn)確性影響太陽(yáng)能裝置的能量接受效率。表2表示在dn=100時(shí)，不同的時(shí)間輸出的太陽(yáng)的高度角與方位角值，都為10 b Q7格式，計(jì)算其實(shí)際代表值，并與理論值相比較，誤差很小，說(shuō)明該模

10、塊能夠準(zhǔn)確計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角。3.4 步進(jìn)電機(jī)脈沖控制模塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇了3955SB，本設(shè)計(jì)選擇步進(jìn)電機(jī)的1/8步運(yùn)行模式，即每步可以達(dá)到0.225°。由太陽(yáng)的高度角方位角計(jì)算模塊輸出的高度角和方位角與上一次輸出的高度角方位角值，決定高度和方位需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，然后確定高度角步進(jìn)電機(jī)和方位角步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)順序輸出16位數(shù)字信號(hào)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)高度和方位上旋轉(zhuǎn)的角度與其旋轉(zhuǎn)方向。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該模塊能夠按照輸入的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行輸出，并在電機(jī)完成旋轉(zhuǎn)要求后能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)有新的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入后能夠在原來(lái)的狀態(tài)上輸出。4 結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)

11、的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)適用于太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能電池等需要跟蹤太陽(yáng)地裝置。跟蹤控制系統(tǒng)采用了視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法，通過(guò)基于FPGA的高度角方位角計(jì)算模塊準(zhǔn)確計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角。利用轉(zhuǎn)動(dòng)精確的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以精確地跟蹤太陽(yáng)，有效提高太陽(yáng)跟蹤裝置的太陽(yáng)能吸收效率Reference URL：.dz3w./articlescn/tyn/9515.html摘  要： 設(shè)計(jì)了一種以FX3U系列PLC為控制核心的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。該跟蹤控制系統(tǒng)將視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與傳感器跟蹤相結(jié)合，即第一級(jí)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，初步跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，第二級(jí)采用傳感器跟蹤校正，并采用雙軸式跟蹤調(diào)整裝置

12、。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了時(shí)間顯示模塊，能夠顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，同時(shí)也可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤；PLC；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；傳感器跟蹤如何提高太陽(yáng)能的利用率一直是國(guó)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)1-5。太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)使集熱器裝置始終保持與太垂直，就可以在有限的使用面積收集更多的太陽(yáng)能，精確地跟蹤太陽(yáng)，可以大大提高集熱器的接收率，進(jìn)而提高太陽(yáng)能的利用率。目前，太陽(yáng)能跟蹤方法有光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩大類(lèi)6-8。參考文獻(xiàn)9提出了基于PLC的單軸跟蹤系統(tǒng)，采用光敏電阻光強(qiáng)比較法，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)集熱器跟蹤太陽(yáng)，但該跟蹤方法受天氣影響大，無(wú)法在陰雨天氣正常工作，而

13、且該跟蹤系統(tǒng)采用單軸跟蹤，只能在一個(gè)方位上對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。參考文獻(xiàn)10介紹了基于二維太陽(yáng)跟蹤裝置的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角，進(jìn)而通過(guò)PC機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，從而帶動(dòng)集熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。該方法成本低，但是采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤存在累計(jì)誤差，而且自身不能消除。此外，以上光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤中沒(méi)有設(shè)計(jì)時(shí)間顯示調(diào)整模塊，無(wú)法顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。鑒于此，本文提出了一種基于PLC的碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電的跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案混合跟蹤方法，當(dāng)太陽(yáng)輻射光線(xiàn)達(dá)到一定閾值時(shí)，首先通過(guò)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，然后采用光電傳感器跟蹤校正，同時(shí)本系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了時(shí)間顯示調(diào)整模塊

14、，能夠顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，同時(shí)也可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并設(shè)計(jì)了伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)與PLC的連接電路。1 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)跟蹤控制系統(tǒng)由傳感器、可編程控制器（PLC）、數(shù)碼管顯示器、雙軸跟蹤裝置組成。其中雙軸跟蹤裝置包括方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、行星減速器、一級(jí)蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)軸承組成；高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、行星減速器、螺旋升降機(jī)組成。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，由控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速裝置從而驅(qū)動(dòng)集熱器跟蹤太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角兩方位的跟蹤。跟蹤系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.3 光電傳感器跟蹤模塊本系統(tǒng)采用4個(gè)光敏電阻作為傳感器來(lái)檢測(cè)天空光

15、線(xiàn)的變化，跟蹤太陽(yáng)的位置，進(jìn)行誤差校正。4個(gè)完全一樣的光敏電阻置于一個(gè)高壁圓筒，均勻分布在東南西北4個(gè)方位處，接收來(lái)自不同角度的入射光。當(dāng)東西方位或南北方位的兩個(gè)光敏電阻感受到的光強(qiáng)差值小于某個(gè)限定值時(shí)，PLC不發(fā)出讓電機(jī)動(dòng)作的信號(hào)；當(dāng)光強(qiáng)差值超過(guò)一定圍時(shí)，PLC發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示。其中CDS1和CDS2兩個(gè)光敏電阻用于檢測(cè)東西方向光線(xiàn)變化，調(diào)整太陽(yáng)能集熱器東西方向角，即方位角；CDS3和CDS4兩個(gè)光敏電阻則用于調(diào)整太陽(yáng)能集熱器南北方向角，即高度角。采樣不同位置光敏電阻上的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放與相應(yīng)保護(hù)電路，然后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換之后將信號(hào)輸送到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)比較程序，最終從PLC發(fā)出

16、相應(yīng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。PLC采樣輸入端口選擇X4、X5、X6、X7端口。圖3為采樣光敏電阻CDS1電壓、進(jìn)入PLC端口X4的采樣電路，其他三路原理一樣。由于本系統(tǒng)中需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了按鍵電路，設(shè)置了2個(gè)按鍵S1、S2。S1用來(lái)調(diào)整時(shí)，調(diào)整圍是023，每按一次鍵時(shí)加1，可以在023之間循環(huán)調(diào)整。S2用來(lái)調(diào)整分，調(diào)整圍是059，每按一次鍵時(shí)加1，可以在059之間循環(huán)調(diào)整1. 可以考慮用光電傳感器，根據(jù)電流的大小，自動(dòng)調(diào)整光電板的位置和方向。 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為： （一）太陽(yáng)能電池板：太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本； （二）太陽(yáng)能控制器：太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較