基于FPGAXC3S1500開(kāi)發(fā)板的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統設計

本設計采用傳統的視日運動(dòng)跟蹤法，利用Xilinx公司提供的FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE，設計完成了基于XC3S1500開(kāi)發(fā)板的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統，以實(shí)現對太陽(yáng)的全天候、全自動(dòng)、實(shí)時(shí)精確控制。

　　1 視日運動(dòng)跟蹤法

　　視日運動(dòng)跟蹤法是根據地日運行軌跡，采用赤道坐標系或地平坐標系描述太陽(yáng)相對地球的位置。一般在雙軸跟蹤中極軸式跟蹤采用赤道坐標系，高度角-方位角式跟蹤采用地平坐標系。

　　1.1 極軸式跟蹤

　　赤道坐標系是人在地球以外的宇宙空間里，觀(guān)測太陽(yáng)相對于地球的位置。這時(shí)太陽(yáng)位置是相對于赤道平面而言，用赤緯角和時(shí)角這兩個(gè)坐標表示。太陽(yáng)中心與地球中心的連線(xiàn)，即太陽(yáng)光線(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)公轉而引起二者相對位置的變化。一年中，太陽(yáng)光線(xiàn)在地球表面上的垂直照射點(diǎn)的位置在南回歸線(xiàn)、赤道和北回歸線(xiàn)之間往復運動(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變化。赤緯角在一年中的變化用式(1)計算：

　　式中：δ為一年中第n天的赤緯角，單位：(°);n為一年中的日期序號，單位：日。

　　時(shí)角是描述地球自轉而引起的日地相對位置的變化。地球自轉一周為360°，對應的時(shí)間為24 h，故每小時(shí)對應的時(shí)角為15°。日出、日落時(shí)間的時(shí)角最大，正午時(shí)角為零。計算公式如下：

　　式中：ω為時(shí)角，單位：(°);T為當地時(shí)間，單位：h。

　　根據上述方法可以計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，對于太陽(yáng)跟蹤系統來(lái)說(shuō)，采光板的一軸與地球自轉軸相平行，稱(chēng)為極軸，另外一軸與其垂直。工作時(shí)采光板繞地球自轉軸旋轉，其轉速的設定為與地球的自轉速度相同，方向相反。為了適應太陽(yáng)赤緯角的變化，采光板圍繞與地球自轉軸垂直的軸做俯仰運動(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)，極軸支撐結構的設計比較困難，因此本設計沒(méi)有選用極軸式跟蹤。

　　1.2 地平坐標系

　　地平坐標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)系得到地平坐標系的太陽(yáng)的高度角和方位角。如圖1所示，該天球是以觀(guān)測者為球心，任意距離為半徑的假想球，對于天球上各點(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)長(cháng)。M和N分別為天球上的南北天極。P點(diǎn)為觀(guān)測者的鉛垂線(xiàn)與天球的交點(diǎn)，P點(diǎn)的地理緯度為φ，S為太陽(yáng)在天球中的位置。S的赤緯度為δ，觀(guān)測者的鉛垂線(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。角A為太陽(yáng)的方位角。

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