太阳能发电自动跟踪系统技术方案

1、太阳能自动跟踪系统技术方案南京航空航天大学自动化学院目录1、太阳能发电自动跟踪控制系统发展概述11.1 国内外太阳能发电跟踪控制系统发展概述11.2 太阳能发电跟踪控制系统特点22、本系统实现方案概述23、太阳跟踪数学模型的建立33.1、太阳与地球的位置关系33.1.1 天球与天球坐标系43.1.2 地平坐标系43.1.3 赤道坐标系63.1.4 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、太阳高度角的计算133.3.4、太阳方位角的计算143.3.5、日出、日落时间的计算143.3.6、日出

2、、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201、太阳能发电自动跟踪控制系统发展概述1.1 国内外太阳能发电跟踪控制系统发展概述任何时期，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

3、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

4、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1990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

5、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。

6、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24h1600瓦800瓦800瓦大0度自动式2平方米612h4000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

7、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。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

8、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。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

9、详细分析与研究。3.1.1 天球与天球坐标系在晴朗的夜晚，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

10、来，天体离开地球的距离都可看作是数学上的“无穷大”，因此，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。图3、地平

11、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

12、面南点S点为零度，向西为正值，向东为负值。天体在高度上与地平面所夹的角度，记做地平高度h。高度角h，以地平面为零度，向天顶方向为正值，天体沿地平经圈向上到天顶叫做这个天体的天顶距Z。由图3可以看出，天体的地平高度与天顶距的关系是通过以上介绍可以得到，地球上任何观测点的天极高度等于当地的纬度，由相似三角形的关系可以证明，在观测点处的天极方向为方向，根据三角形角度关系显然天极的高度角等于当地的纬度。图4、天极高度等于当地纬度示意图3.1.3 赤道坐标系取天赤道作为基本圈，北天极P是基本圈的极，天赤道与子午圈的交点之一(近南点)作为基本点的天球坐标系，称之为赤道坐标系。又因所取基本点的不同而分为第一

13、赤道坐标系与第二赤道坐标系，前者又称之为时角坐标系。图5、赤道坐标系如图5所示，地球自转轴的延伸与天球的交点分别表示为北天极P与南天极，地球赤道的延伸与天球相交的大圆圈称之为天赤道。天赤道以北的天球是北天球，以南的天球是南天球，天球上平行与赤道的小圆圈叫做赤纬圈，用表示；垂直与天赤道且过两极的大圆圈叫做经圈或者时圈，用t表示。在赤道第二坐标系中(在本系统中没有用上，所以只简单的叙述下)，天体的位置可以使用赤经（RA）赤纬(DEC)两个变量表达，其中赤经（RA），用表示，赤纬(DEC)用表示，地球公转轨道的延伸与天球相交的大圆圈叫做黄道，天赤道与黄道相交的两点分别叫做春分点与秋分点。天体的赤经是

14、从春分点开始，沿着赤道圈逆时针方向计量到天体的赤经圈与天赤道的交点，以024h表示。若从天赤道向北天极方向量度为正，向南天极方向量度为负。3.1.4 时角坐标系在时角坐标系中，主要的参量是时角t与赤纬。赤纬角，以天球赤道为零度，由此向天球北极P方向为正值；向天球南天极方向为负值。时角t，以观测点与天球赤道南点连线为零度线。自天球北极看，顺时针方向为正值，即午后时间；逆时针方向为负值，即午前时间。其中用来表示天体X方位的时角t的值，是根据地球每个小时回转计算确定的。所以若已知天体经过正南子午线(时角零度线)至观测时刻的位置，所经历的时间乘以，即可得到天体在观测时刻所处位置的时角t值。即：；式中，

15、K为方位时间，所谓方位时间是以真太阳时正午12时为零时，依此分别向午前、午后起算的小时数，逆时针(午前)为负值，顺时针(午后)为正值，即：；3.2 太阳与地球的时间关系由于上述的时角坐标系涉及到一些时间上的概念，所以有必要对天文上用到的时间做个简要的叙述，以便增加理解力。同时天文上应用的时间很多，在这里就只挑选两个与本系统有关的时间概念进行简要的说明。在天文学中以太阳周日视运动为依据而建立的时间计量系统叫真太阳日，所谓真太阳时是指以太阳为视圆面中心。真太阳连续两次通过上中天(即观测地的地理经度)的时间间隔，叫做真太阳时。真太阳位于上中天的时刻，叫做真中午，所以真太阳时具有地方性，不同的地方真中

16、午的时刻是不同的，一个真太阳日分成24小时真太阳时，真太阳是以真太阳是时角t进行度量的，显然人们在应用真太阳日时候，由于各个地方的真太阳时不同，且地球在轨道上运行的速度不一样，从而导致真太阳时不一致性。所以给人们生活中带来了诸多的不便。为了弥补真太阳时所带来的不便，天文学家应用了平太阳时的概念，所谓平太阳时，即在黄道平面(地球公转平面)引入一个做等速的假想点，其运行速度等于真太阳运行的平均速度，并和真太阳同时出现在春分点与秋分点，这个假想点就是平太阳。以平太阳为参考点来衡量地球自转一周的时间，叫做平太阳日，一个平太阳日分成24小时的平太阳时。显然真太阳时与平太阳时的时间可以通过时差来表示，其中

17、时差可以通过万年历进行查询得到。即：式中：表示时差，为真太阳时，为平太阳时3.3 太阳位置计算原理3.3.1、球面三角形的相关概念人们引入了天球的概念后，把宇宙空间的恒星等投影到天球面上，研究它们在天球上的位置和运动，而忽略它们在宇宙空间的实际分布。因此，必须熟悉球面的一些基本的性质。1、 球面基本性质1、 球面上的基本圆在立体几何中，我们知道任何平面与球面相交，其截口总是圆；不通过球心的平面截球面所得的截口是小圆：而通过球心的平面截出的圆最大，称为大圆，大圆的半径正是球半径。显然，大圆把球面分成相等的两部分。通过球面上不在同一直径两端的两点，可以做无数个小圆，但只能并且必能做一个大圆；因而在

18、球面三角形中，一般只涉及大圆，只研究大圆的性质和关系。考虑地面点的地理坐标时，地理纬圈，除赤道外，都是小圆：而所有地理经圈都是大圆。2、 球面上的两点距离球面上两点A、B之间的大圆弧（较短的那段），的长度叫做球面上两点AB之间的距离，可以证明：在球面上连接A、B两点的所有曲线中AB最短。3、 球面上圆的极对于球面上一已知圆，（不论大圆或小圆），垂直与这已知圆所在平面的球直径的端点，称之为这个圆的极。显然极到对应圆周上各个点的距离相等，这个距离叫做极距。4、 球面角两个大圆弧相交所成的角，称之为球面角。两个大圆弧的交点叫做球面角的顶点，大圆弧称之为球面角的边，球面角是以过顶点的圆弧的二切线所夹的

19、角度来度量的。2、 球面三角形的定义球面上两两相交的三个大圆弧所围成的几何图形称之为球面三角形，这三个大圆弧成为球面三角形的边，用、b、c表示。各个大圆弧所成的球面角称之为球面三角形的角。用A、B、C表示。以上统称为球面三角形的六要素。图6、球面三角形示意图球面三角形是天文中经常处理的基本几何图形，只有掌握了它们的基本性质，才能进一步的研究本课题中涉及的天文学知识与计算问题。3、 球面三角形相关公式对于给定的球面三角形，其边与角满足一定的函数关系，下面给出这些公式。1 正弦定理如图7所示，球面三角形各边与其对应角的正弦成正比，即：图7、正弦定理示意图2 余弦定理球面三角形任一边的余弦等于其他两

20、边余弦的乘积加上这两边的正弦及其所夹角的余弦的连乘积，以边为例，即其他两边的余弦公式与上面的对称，可以用相应的边和角代换。图8、余弦定理示意图下面简单的对球面余弦定理进行相关的证明。如图8所示，取球面三角形ABC，将各个顶点与球心O相连接，可以得到一个球心三角形O-ABC，过顶点A作b、c边的切线，分别相交OC、OB延长线与N、M。由此得到的两个平面直角三角形OAM、OAN和两个平面三角形OMN、AMN。在OMN中，根据平面三角形余弦定理可以得到如下等式：同样在三角形AMN中，因此，则所以，而，代入上式，则可以推导出开头的余弦定理。3.3.2、太阳位置计算原理计算太阳在天球中对于地球上某点的相

21、对位置，是由该观测点的地理纬度、季节(年、月、日)和时间三个因素来决定的，通常以地平坐标系以及赤道坐标系同时表示太阳的位置。即以高度角、方位角、赤纬以及时角来表示的。图9中用两坐标表示出了太阳在天球中运行的位置示意图。图9、太阳在天球位置示意图图9中，各符号意义如下：-太阳位置；-地平圈；-为方位圈，Z为天顶；-为天球赤道；-为子午圈；-为时圈，P为天球北极；-为太阳方位角；-为太阳高度角；-为赤纬；-为时角；-为地理纬度。显然，在图9中构成球面三角形，其内角可以表示为：，。其中、各个顶点的对边分别为：z、p、l。从图中得知：、计算太阳位置时，观测点的地理纬度、赤纬、以及时角均为已知。利用已知

22、数值以及球面三角形定理，可以推导出太阳高度角h、方位角A、日出日落方位角以及时间的计算公式。3.3.3、太阳高度角的计算按球面三角形定理，球面三角形边的余弦，等于其他两边余弦的乘积，加上该两边正弦余其夹角余弦的乘积，即将Z、P、L的值代入上式得：所以易得到太阳高度角的计算公式如下：特殊地，正午太阳高度角h0时，因正午时的时角t=0；所以代入上式后可有：又按照两内角和的三角函数可以得到，与得到正午太阳高度角公式，或者春秋分时的正午太阳高度角时候赤纬。3.3.4、太阳方位角的计算按照计算太阳高度角时候所取的球面三角形，运用球面三角形的正弦定理，得到：将,的值代入上式得：从而：得到：3.3.5、日出

23、、日落时间的计算在日出、日落的时候，太阳高度角，将的值代入高度角公式，得到：从而可以推导出：进一步得到日出、日落的时角公式：上式所表示的日出、日落的时角公式中，时角t有正、负二值，负值为日出时间，正值为日落时间。求出时角t值后，则可进一步得到相关的时间。3.3.6、日出、日落方位角的计算日出、日落时刻太阳高度角，将的值代入求解方位角的公式，得到日出、日落时的方位角求解公式：式中，A0为日出、日落时的方位角，A0有正、负二值，正值为日落方位角，负值为日出方位角。4、本系统方案实现步骤4.1基于位置的跟踪控制系统研制(1) 基于位置的单自由度太阳能电池板跟踪控制系统研制。利用卫星定位导航系统GPS

24、接收机，给出用户所在地的纬度数据，设定并固定电池板的俯仰角；根据GPS接收机给出的时间信息，实时计算太阳的方位角，通过计算得到的数据内容，控制水平方位电机的转动，使得太阳能电池板保持与太阳矢量方向垂直。(2) 基于位置的双自由度太阳能电池板跟踪控制系统研制。利用卫星定位导航系统GPS接收机给出用户所在地的纬度数据，通过控制太阳能电池板顶杆的移动，调节电池板的俯仰角；根据GPS接收机给出的时间信息，实时计算太阳的方位角，通过控制水平方位电机的转动，使得太阳能电池板保持与太阳矢量方向垂直。图10、基于位置控制的系统结构图(3) 基于位置的太阳能电池板控制系统的软件流程图，通过对位置控制步骤的简要叙

25、述，下面给出基于这种控制的软件框图。图11、基于位置控制的软件框图4.2基于能量最优的跟踪控制系统研制(1)、基于能量的单自由度跟踪控制系统研制。根据用户所在地的纬度数据，设定并固定电池板的俯仰角；根据能量传感器检测信息，计算能量最大时的方位角，通过控制水平方位电机的转动，使得太阳能电池板保持与能量最大的矢量方向垂直。(2)、基于能量的双自由度太阳能电池板跟踪控制系统研制。根据能量传感器检测信息，计算能量最大时的方位角、俯仰角，通过控制水平方位电机的转动、太阳能电池板顶杆的移动，使得太阳能电池板保持与能量最大的矢量方向垂直。图12、基于能量最优控制的系统结构图(3)、基于能量的太阳能电池板控制

26、系统的软件流程图，通过对能量控制步骤的简要叙述，下面给出基于这种控制的软件框图。图13、基于能量控制的软件框图4.3具有风力保护的跟踪控制系统研制通过风力传感器实时检测风力大小，并对电池板的抗风模型进行分析，编写最优控制算法，使得系统可以对11级以上的台风进行自动的“规避”，减弱风暴对电池板方阵的损害，保护发电方阵免遭破坏。5、数据采集模块及电机拖动模块实现5.1数据采集模块数据采集模块主要分成3个部分，分别是光强及入射角采集、风力采集、以及GPS和方位角采集模块。光强采集采用的是光强传感器、A/D转换、单片机微控单元，其中光强传及入射角传感器是由我们自主研发，4方位实时采集天空中太阳光线的照

27、射强度，并由光电转换器件进行信号的转换，再将电信号进行比较，形成差模信号，最后通过A/D转换送入单片机微控单元，完成对其俯仰位置的调整。图14、光强及入射角传感器模块图风力传感器模块包括风力采集、A/D转换、单片机微控单元，原理与实现步骤于上述方法类似。图15、风力传感器模块图最后的数据采集模块是GPS和方位角采集模块，根据天文学的理论，处于不同纬度与经度的地区，其每天的日出时刻是不一样的，所以在本系统中的GPS模块作用就是克服处于不同纬度所带来的系统误差，同时对于不同季节，太阳运行轨迹也是不相同的，所以按照以往的“经验值”进行计算太阳方位的做法误差非常大，遇到阴雨天的情况下，往往失去跟踪目标，反而浪费了电能。所以在本系统中，通过GPS定位出所在地的经纬度、以及时间变量，通过一系列的算法，得出所在地每天的日出时间，日出方位