基于视日运动轨迹的太阳跟踪系统设计

基于视日运动轨迹的太阳跟踪系统设计

0太阳自动跟踪技术作为解决能源危机问题的重要方法，它对太阳能照明的发展趋势非常广阔，已成为解决未来能源危机问题的重要手段。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前太阳能电池板的架设大都采固定式,其电池板的板面固定朝向天空中某一方向,并不随着太阳移动而偏向,其发电效率都会受到时间因素造成太阳光入射太阳电池板角度的影响,不能充分利用太阳能资源,发电效率低下。这成为太阳能光伏发电的一个瓶颈问题,大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。解决这一问题的一种重要可行的途径是进行太阳自动跟踪。太阳自动跟踪就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化,调整太阳能电池板的偏转角度,从而跟踪太阳的运行轨迹,使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上,充分地接收太阳辐射能量。本文采用视日运动轨迹跟踪方案,研制的基于视日运动轨迹的太阳跟踪系统不依赖于传感器,可以根据太阳运动轨迹的变化,全天候地跟踪太阳,最大限度地接收太阳能,提高光伏组件的光电转化效率,降低综合发电成本;同时对机械系统进行优化设计,采用轻量化设计原则,并利用风速传感器对不同风速下组件的角度自动调整,增强系统工作的安全性和适用性。1计算太阳运营轨迹的方法太阳每天东升西落,站在地球表面的人能够观测到太阳有规律地运动。1.1麻黄日至基本日的统计特性,有符合以下情况太阳光线与赤道平面的交角称作太阳赤纬角,以δ表示。在一年当中,太阳赤纬角每天都在变化,但不超过±23.45°的范围。最大变化到夏至日的+23.45°;最小变化到冬至日的-23.45°。按照库伯(Cooper)方程,计算太阳赤纬角的方程为:式中n为一年中的日期序号,从每年1月1日算起,n=1,每往后加一天,即n=n+1。1.2日出日落时太阳高度角s在太阳能的利用中,必然要涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等问题。1)太阳高度角αs地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角为太阳高度角αs。太阳高度角αs的计算公式为:式中:δ———太阳赤纬角;ω是用角度表示的时间,定义为:正午时ω=0,每隔一小时增15°,上午为正,下午为负。其计算公式为:式中:t———北京时间。2)太阳方位角γs地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角,就是太阳方位角γs。太阳方位角γs的计算式为:3)日出(日没)时角ωh为了有效跟踪太阳的位置,除了要计算出太阳的实时位置外,还需要知道具体某天的日出(日没)时角ωh。由于日出日落时太阳高度角αs=0,cosγs=-sinδ/cosΦ,所以:式中,负值表示日出时角,正值表示日没时角。计算出每日的日出时角和日没时角后,由太阳时角ω与每日时间t的关系式,可得到每日的日出和日没时刻。2自动跟踪系统的工作原理视日运动轨迹跟踪就是利用PLC控制单元根据相应的公式和参数,计算出白天太阳的实时位置,再转化为相应的脉冲发送器,驱动直流电机实时跟踪太阳,以达到对太阳进行实时跟踪的目的。基于视日运动轨迹的自动跟踪系统要实现的工作过程是:从早上时开始跟踪太阳位置的变化,使太阳能电池板始终接收到最强的太阳辐射,当太阳落下,太阳能电池板自动回复到初始位置;再检测到太阳升起时,继续跟踪太阳的光照。2.1双轴跟踪系统方案设计太阳跟踪方式通常有单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪只在方位角跟踪太阳,高度角作季节性调整;双轴跟踪在方位角和高度角两个方向跟踪太阳轨迹。要实现对太阳的自动跟踪,跟踪装置必须具备高度角和方位角的调整能力,需要设计一个双轴跟踪系统,分别对太阳的高度角和方位角进行跟踪。按旋转轴向的不同,双轴跟踪系统可分为水平轴跟踪系统和赤道轴跟踪系统两种形式。根据跟踪精度高的原则及太阳能电池板的稳定性考虑,采用高度角―方位角式跟踪系统设计方案。这种方案可使系统使用在大多数地区,不用考虑当地的地理位置,都能实时的对太阳方位进行有效跟踪。2.2理论值的计算和跟踪检测视日运动轨迹跟踪采用基于天文学参数的方法,控制单元先根据太阳运行规律计算出某一天内某时刻太阳的高度角和方位角的理论值,驱动器将理论值和跟踪检测的误差补偿值转化为相应的脉冲发送,驱动直流电机,电机驱动执行机构工作,从而调整太阳能电池板的角度,实现对太阳的实时跟踪。3系统故障跟踪结合本控制系统的特点和功能,设计了控制系统硬件框图如图1所示。太阳跟踪系统的控制系统主要由控制器、传感器和驱动器、环境监测模块等组成。视日运动轨迹跟踪方案的具体工作过程为:首先,PLC计算出给定地点给定时间的太阳位置,即实际时刻太阳的高度角和方位角;然后,计算出跟踪装置被要求的位置,将这个位置乘以相关系数,即可得到高度角和方位角电机所需的脉冲,并发送给驱动器,驱动电机转动装置,达到要求的位置,实现对太阳高度角和方位角的跟踪。风速传感器采用感应式器件,当风力达到一定强度时,控制器控制高度角驱动电机转动,使阵列向水平方向运行,直到阵列受力最小为止,以保护跟踪装置组件不被大风吹坏。大风过后,快速自动恢复跟踪。3.1plc的简介可编程逻辑控制器PLC是太阳能跟踪系统的核心部件,本系统采用结构紧凑、配置灵活和指令集强大的西门子公司SIMATICS7-1200型PLC。该控制器采用64位微处理器,具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点,适用于多种应用场合,能够保障现有投资的长期安全。该控制器具有可扩展的灵活设计,符合工业通讯最高标准的通讯接口,支持TCP/IPnative、ISOonTCP,以及SIMATICS7通讯,以及全面的集成工艺功能,因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。3.2超风速控制仪器为保护跟踪装置组件不被大风吹坏,系统配置了风速传感器模块。系统选用北京飞超风速控制仪器有限责任公司生产的FC―2A型风速传感器,风速范围为0~60m/s,输出信号为0~10V,供电电压为DC24V,测量精度为±3%,分辨率为0.1m/s,具有精度高、量程宽、输入线电阻高、稳定可靠等优点。4血压传感检测跟踪太阳系统运动控制程序流程图如图2所示。首先,运行主程序系统初始化,系统判断机构是否位于基准位置,如果不在基准位置,指示灯点亮,需人工调整机构至基准位置,手动调整直到信号灯变暗;点击开始运行按钮后系统即可进入跟踪状态,读取GPS传感器模块的地理位置信息及时间信息,判断此时是否在当天的日出和日落之间,否则机器静止等待日出时刻,是则通过气象传感器断天气状况,若天气良好跟踪系统利用天文学的计算公式根据提供的时间参数来确定即时的太阳位置,计算出当时的太阳高度角、方位角,快速的跟踪目标太阳位置;接着按照设定的时间间隔和速度间歇方式循环的检测、判断、跟踪太阳直至日落时刻,太阳电池阵列又回到当天日出时刻位置等待新的一天。当有大风来临时,风速传感器响应中断程序,PLC接收到风速传感器的高速脉冲,达到规定的脉冲数时则响应中断,使太阳电池板放平,以保护电池板组件。大风过后,跟踪系统运行程序返回主程序,读取GPS的信息,计算此时的太阳高度角及方位角,驱动两直流电机调整太阳电池板的角度实现对太阳的跟踪。5系统照度计实验使用照度计可以有效判断当前的光照强度,在测试中,使用两块相同的照度计作为测量装置,分别记为照度计A和照度计B,将照度计A固定并紧贴在采用本跟踪系统的太阳能电池板表面;将照度计B放置在一固定位置,每隔1小时记录照度计A和B的值,实验记录结果如图3所示。从图3中可以看出,采用了跟踪系统的太阳能电池板,附着在其上的照度计光照强度要明显高于采用固定姿态的照度计。由于太阳能电池板的光照强度和其发电效率呈正比关系,因此本实验证明了采用本跟踪系统的太阳能电池板的发电效率