主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統設計

摘要：設計一種主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統。通過(guò)對太陽(yáng)運行軌跡理論的分析和研究，確定了追日系統的天文算法公式，以保證系統的跟蹤精度。在此基礎上，針對追日系統的控制原理，提出了系統的控制方案，闡述了控制系統硬件電路的設計過(guò)程和軟件平臺的操作。經(jīng)驗證，設計的主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統的性能指標完全滿(mǎn)足應用要求，運行穩定可靠，能適應各種復雜環(huán)境。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；追日系統；主動(dòng)式

引言
隨著(zhù)全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長(cháng)之間的矛盾日益凸顯，太陽(yáng)能作為綠色清潔能源受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動(dòng)力是整個(gè)社會(huì )可持續發(fā)展的有效途徑之一。目前的太陽(yáng)能利用方式主要有以下4種：光熱利用、太陽(yáng)能發(fā)電、光化利用及光生物利用。我國較成熟的太陽(yáng)能產(chǎn)品主要集中在太陽(yáng)能熱水系統和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統兩個(gè)方面，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這兩項產(chǎn)業(yè)已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)化體系。然而，在目前大多數的太陽(yáng)能項目中，仍未最大限度地利用太陽(yáng)能，未能隨著(zhù)太陽(yáng)高度角及方位角的變化，及時(shí)變換太陽(yáng)能電池板或太陽(yáng)能集熱器的旋轉角度，一天中有相當一部分時(shí)間未能有效利用太陽(yáng)能。若能隨著(zhù)太陽(yáng)位置的變化不斷調整太陽(yáng)能電池板或集熱器的角度，即對太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤，則可以很大程度上提高太陽(yáng)能的利用率。
如今，有多種跟蹤太陽(yáng)的方式：
①時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤裝置。此裝置是一種被動(dòng)式裝置，有單軸和雙軸兩種類(lèi)型，系統根據時(shí)間將方位角和仰俯角分為幾等份，在固定時(shí)間段內通過(guò)控制器驅動(dòng)電機按固定的角度旋轉，進(jìn)而跟蹤太陽(yáng)。
②最大功率跟蹤裝置。本方法以動(dòng)態(tài)平衡追蹤太陽(yáng)能系統的最大功率。本方法特征是太陽(yáng)能板與直流／直流升降壓轉換器間聯(lián)接一個(gè)瞬間功率型超級電容，作為能量的動(dòng)態(tài)平衡器，將太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電能轉換成電容器形態(tài)的電能進(jìn)行最大功率演算，可大幅度簡(jiǎn)化演算程序，提升追蹤演算的實(shí)時(shí)性與可靠度，提高太陽(yáng)能系統效率。
③光電式跟蹤裝置。此類(lèi)裝置使用光敏傳感器如硅光電管，硅光電管要靠近遮光板安裝，調整遮光板的位置使遮光板對準太陽(yáng)，硅光電池處于陰影區；當太陽(yáng)西移時(shí)，遮光板的陰影偏移，硅光電管受到陽(yáng)光直射輸出一定值的微電流，該微電流作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服機構調整角度，使跟蹤裝置對準太陽(yáng)完成跟蹤。
以上每種跟蹤方式都可完成對太陽(yáng)的跟蹤，但這些方式都是被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤方式，只能被動(dòng)地接收太陽(yáng)輻射作為驅動(dòng)基礎。時(shí)鐘式靈敏度不高，不能高效地利用太陽(yáng)能；最大功率和光電跟蹤裝置靈敏度高，結構設計較為方便，但受天氣的影響很大，如果在較長(cháng)時(shí)間段里出現烏云遮住太陽(yáng)的情況，太陽(yáng)光線(xiàn)往往不能照到硅光電管上，導致跟蹤裝置無(wú)法對準太陽(yáng)，甚至會(huì )引起執行機構的誤動(dòng)作。
鑒于此，本文設計一種主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統，根據太陽(yáng)能收集裝置的安裝地點(diǎn)及具體工作時(shí)間，實(shí)時(shí)計算出太陽(yáng)高度角及方位角，自動(dòng)修正太陽(yáng)能收集裝置的角度，確保其始終跟蹤太陽(yáng)方位，最大限度地利用太陽(yáng)能。具體實(shí)施中擬通過(guò)終端輸入模塊為系統設定當前所在地區的經(jīng)緯度、時(shí)間等參數，經(jīng)緯度設置可借助GPS等設備獲得。在此基礎上，經(jīng)主控制器ATmega32單片機的實(shí)時(shí)計算，產(chǎn)生相應脈沖來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機，通過(guò)傳動(dòng)機構對太陽(yáng)能收集裝置進(jìn)行角度驅動(dòng)而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現太陽(yáng)能收集裝置隨太陽(yáng)位置變化的追日旋轉。該設計延長(cháng)了太陽(yáng)輻射時(shí)間，增大了輻射面積，有效提高了太陽(yáng)能的利用率。

1 太陽(yáng)運動(dòng)規律
1．1 赤道坐標系
赤道坐標系是把地球上的經(jīng)緯度坐標系擴展至天球而形成的。天球在天文學(xué)等領(lǐng)域中是一個(gè)想象的旋轉的球，理論上具有無(wú)限大的半徑，與地球同心。天空中所有的物體都想象成是在天球上，與地球相對應，它有天赤道和天極。如圖1所示，其中，地軸和天球于北方相交的一點(diǎn)叫做北天極P，地軸和天球于南方相交的一點(diǎn)叫做南天極P’，通過(guò)地心并與地軸垂直的平面與地球表面相交而成的圓，是地球的赤道也是天赤道。在地球上與赤道面平行的緯度圈，在天球上叫做赤緯圈；在地球上通過(guò)南北極的經(jīng)度圈，在天球上稱(chēng)時(shí)圈。本文在赤道坐標系下以太陽(yáng)赤緯角δ和時(shí)角α來(lái)表示太陽(yáng)的位置。

太陽(yáng)光線(xiàn)與地球赤道面所夾的圓心角，即為太陽(yáng)赤緯角δ。赤緯角從赤道面算起，向北為正，向南為負。顯然，赤緯角變化范圍為±23°27’。太陽(yáng)所在的時(shí)圈與通過(guò)春分點(diǎn)的時(shí)圈(春分圈)構成的夾角為時(shí)角α。自天球北極看，順時(shí)針?lè )较驗檎?，逆時(shí)針?lè )较驗樨?。時(shí)角表示太陽(yáng)的方位，天球1天(24小時(shí))旋轉360°，所以每小時(shí)的時(shí)角為15°。太陽(yáng)在黃道上的運動(dòng)實(shí)際上不是勻速的，而是時(shí)快時(shí)慢，因此，真太陽(yáng)日的長(cháng)短也就各不相同。但人們的實(shí)際生活需要一種均勻不變的時(shí)間單位，這就需要尋找一個(gè)假想的太陽(yáng)，它以均勻的速度在運行。這個(gè)假想的太陽(yáng)就稱(chēng)為平太陽(yáng)，其每個(gè)周期的持續時(shí)間稱(chēng)平太陽(yáng)日，由此而來(lái)的小時(shí)稱(chēng)為平太陽(yáng)時(shí)。平太陽(yáng)時(shí)是基本均勻的時(shí)間計量系統，與人們的生活息息相關(guān)。由于平太陽(yáng)是假想的，因此無(wú)法實(shí)際觀(guān)測它，但它可以間接地從真太陽(yáng)時(shí)求得。為此，需要一個(gè)差值來(lái)表達二者的關(guān)系，這個(gè)差值就是時(shí)差。
1．2 地平坐標系
地平坐標系是一種最直觀(guān)的天球坐標系，和我們日常的天文觀(guān)測關(guān)系最為密切。地平坐標系是以地平圈為基圈，地平圈就是觀(guān)測者所在的地平面無(wú)限擴展與天球相交的大圓。如圖2所示，從觀(guān)測者所在的地點(diǎn)，作垂直于地平面的直線(xiàn)并無(wú)限延長(cháng)，在地平面以上與天球相交的點(diǎn)稱(chēng)為天頂Z，在地平面以下與天球相交的點(diǎn)稱(chēng)為天底Z’；N和S分別表示北點(diǎn)和南點(diǎn)；h和A分別表示太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角，用太陽(yáng)高度角h和方位角A來(lái)確定太陽(yáng)在天球中的位置。