太阳自动跟踪系统的研究与设计

时间:2022-06-28 08:48:13

太阳自动跟踪系统的研究与设计

摘 要: 为了提高太阳能的利用效率,设计了太阳自动跟踪系统。跟踪方法采用视日轨迹跟踪方法和光电跟踪的混合跟踪方法,第一级采用视日轨迹跟踪方法,第二级采用光电池传感器跟踪进行校正。该装置跟踪精度高,抗干扰能力强,无论天气情况如何,都能精确的跟踪太阳。

关键词:太阳自动跟踪 视日跟踪 光电跟踪 光电池传感器

中图分类号:TM93文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-091-02

近年来,太阳自动跟踪系统多采用光电式、视日式、混合式等跟踪方法,但这些方法都存在一定的局限性。光电跟踪方法其跟踪灵敏度高、比较容易实现,但这种方法跟踪存在死区。如果传感器摆放不合理往往会导致跟踪不到太阳,而且受天气的影响较大,在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况,太阳光线往往不能照到感光元件,导致跟踪装置无法对准太阳甚至会出现误动作 。视日运动轨迹跟踪,其优点是在有云的情况下仍能正常工作,缺点是跟踪精度低,有可能存在累积误差 。传统的混合式跟踪方法是在晴天时采用光电跟踪方法,云天时采用视日运动轨迹跟踪方法,虽然消除了光电跟踪受天气影响较大的问题,但没有解决视日轨迹运动误差累计的问题 。本系统采用视日跟踪和传感器跟踪的混合跟踪方法,第一级采用视日跟踪方法,为了避免视日运动轨迹跟踪的误差累计问题,采用二级光电池传感器跟踪进行校正,比较四个光电池的电压输出,在一个很小的范围内精确的跟踪太阳的位置。

1视日运动轨迹跟踪

视日运动轨迹跟踪就是根据相应的公式和参数计算出太阳的位置,然后发出指令给步进电机,去驱动太阳跟踪装置,以达到对太阳实时跟踪的目的。在天体几何学中,太阳的位置通过下列球面三角公式精确计算 :

光线与地平面的夹角为太阳高度角

(1)

太阳光线在地平面的投影与南北方向的夹角为方位角(2)

式(1),(2)中为当地地理纬度,为太阳赤纬角, 为太阳时角。当地纬度可以由天文参数得到;太阳赤纬角是太阳光线与地球赤道面的夹角,一年中,太阳赤纬每天都在变化,一年中第n天的太阳赤纬:

(3)

正午时,时角 =0,每小时时角为15,上午为正,下午为

(4)

一天中可能的日照时间:(5)

得到日出日落时角:(6)

为日出或日落时角,日出时角为正,日落时角为负。日出日落时间由式(4)计算。根据地理纬度、太阳赤纬角及观测时间,利用上述公式就可以求出任何地区、任何季节的太阳高度角、方位角和日照时间。只要输入当地地理位置与时间信息就可以确定此时此刻的太阳位置。

2光电跟踪方法

光电跟踪是指利用光电传感器来测定入射太阳光线和系统光轴间的偏差,当检测出偏差时,通过步进电机驱动跟踪调整装置转动,减小偏差直到使太阳光线与系统光轴垂直,实现对太阳高度角和方位角的跟踪。本系统中使用光电池作为光电传感器。

2.1光电池电压输出特性

图1 太阳光线与光电池法线关系

如图1所示,当太阳光线与光电池法线夹角为时,光电池输出电动势: ,为光通量一通过截面S1的光能量,k为比例常数.其中I为光照度一单位面积上的光通量。所以 。

2.2太阳相位检测过程

检测相位偏差的光电池安装时与地面的夹角为45,设太阳光线偏离水平面法 角度,两片光电池的电压差为:

当 时,

当 时,

当 时,

当 时,

当 时,

太阳光垂直照射到传感器时 ,两片光电池接受的太阳辐射强度相同,比较后输出电压偏差信号为零。当太阳光偏离传感器垂直位置时,两片光电池接受的太阳辐射强度不同,经比较后输出偏差信号,将偏差信号放大,根据的正负和大小决定步进电机的转向和转动角度。太阳高度检测过程与相位检测过程相同。

3控制系统硬件设计

以ATmega16 为主控芯片,选用DS1302为计时芯片。步进电机驱动芯片采用LM298N,该芯片具有驱动能力强、控制安全可靠和精度高等特点,适合驱动中小功率的步进电机。控制电路如下图2所示

图2控制与驱动电路图

4系统的工作原理

通过时间和地理参数计算出太阳高度角和太阳方位角以及当日的日出和日落时间。当检测为日出时间时,系统通过四个光电池传感器的电压和值来判断天气情况。当检测是晴天或云天时启动视日运动轨迹跟踪,然后采用光电跟踪进行二级校正。此时,如果天气情况十分复杂,比如太阳本身被云层遮住,光电池传感器上由于云层变薄而出现一相对较亮的光斑时,极有可能会使设备被这一光斑引入“歧途”。为了区别这样的光斑,系统并非简单的实行二级校准,而是设定一个阈值,二级校准的范围只能在这个阈值内,这样就避免了系统的误操作问题。阴雨天气时,系统停止工作。当系统检测为日落时间时,光电池传感器停止检测,系统回到日出的位置,进行第二天的跟踪。

5结论

本系统结合了视日轨迹跟踪和传感器跟踪的优点,实现精确跟踪太阳光线,其特点是:(1)传感器结构简单,价格低廉,跟踪稳定。(2)有效避免了视日运动轨迹跟踪的误差累

积和光电跟踪过程中长时间阴天而使系统误动作的问题。(3)跟踪精度较高,抗干扰能力强,成本较低。

注释:

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