主動(dòng)式太陽能追日系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種主動(dòng)式太陽能追日系統(tǒng)。通過對(duì)太陽運(yùn)行軌跡理論的分析和研究，確定了追日系統(tǒng)的天文算法公式，以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)追日系統(tǒng)的控制原理，提出了系統(tǒng)的控制方案，闡述了控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)過程和軟件平臺(tái)的操作。經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的主動(dòng)式太陽能追日系統(tǒng)的性能指標(biāo)完全滿足應(yīng)用要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。
關(guān)鍵詞：太陽能；追日系統(tǒng)；主動(dòng)式

引言
隨著全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長(zhǎng)之間的矛盾日益凸顯，太陽能作為綠色清潔能源受到越來越多的關(guān)注和研究，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力是整個(gè)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。目前的太陽能利用方式主要有以下4種：光熱利用、太陽能發(fā)電、光化利用及光生物利用。我國(guó)較成熟的太陽能產(chǎn)品主要集中在太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)兩個(gè)方面，經(jīng)過多年的發(fā)展，這兩項(xiàng)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(shù)的太陽能項(xiàng)目中，仍未最大限度地利用太陽能，未能隨著太陽高度角及方位角的變化，及時(shí)變換太陽能電池板或太陽能集熱器的旋轉(zhuǎn)角度，一天中有相當(dāng)一部分時(shí)間未能有效利用太陽能。若能隨著太陽位置的變化不斷調(diào)整太陽能電池板或集熱器的角度，即對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤，則可以很大程度上提高太陽能的利用率。
如今，有多種跟蹤太陽的方式：
①時(shí)鐘式太陽跟蹤裝置。此裝置是一種被動(dòng)式裝置，有單軸和雙軸兩種類型，系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間將方位角和仰俯角分為幾等份，在固定時(shí)間段內(nèi)通過控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按固定的角度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而跟蹤太陽。
②最大功率跟蹤裝置。本方法以動(dòng)態(tài)平衡追蹤太陽能系統(tǒng)的最大功率。本方法特征是太陽能板與直流／直流升降壓轉(zhuǎn)換器間聯(lián)接一個(gè)瞬間功率型超級(jí)電容，作為能量的動(dòng)態(tài)平衡器，將太陽能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)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，提高太陽能系統(tǒng)效率。
③光電式跟蹤裝置。此類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(diào)整遮光板的位置使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽，硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽西移時(shí)，遮光板的陰影偏移，硅光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，該微電流作為偏差信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度，使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽完成跟蹤。
以上每種跟蹤方式都可完成對(duì)太陽的跟蹤，但這些方式都是被動(dòng)式太陽跟蹤方式，只能被動(dòng)地接收太陽輻射作為驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)。時(shí)鐘式靈敏度不高，不能高效地利用太陽能；最大功率和光電跟蹤裝置靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便，但受天氣的影響很大，如果在較長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對(duì)準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。
鑒于此，本文設(shè)計(jì)一種主動(dòng)式太陽能追日系統(tǒng)，根據(jù)太陽能收集裝置的安裝地點(diǎn)及具體工作時(shí)間，實(shí)時(shí)計(jì)算出太陽高度角及方位角，自動(dòng)修正太陽能收集裝置的角度，確保其始終跟蹤太陽方位，最大限度地利用太陽能。具體實(shí)施中擬通過終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時(shí)間等參數(shù)，經(jīng)緯度設(shè)置可借助GPS等設(shè)備獲得。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)主控制器ATmega32單片機(jī)的實(shí)時(shí)計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)太陽能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動(dòng)而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能收集裝置隨太陽位置變化的追日旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了太陽輻射時(shí)間，增大了輻射面積，有效提高了太陽能的利用率。

1 太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律
1．1 赤道坐標(biāo)系
赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)緯度坐標(biāo)系擴(kuò)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(zhuǎn)的球，理論上具有無限大的半徑，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(duì)應(yīng)，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；在地球上通過南北極的經(jīng)度圈，在天球上稱時(shí)圈。本文在赤道坐標(biāo)系下以太陽赤緯角δ和時(shí)角α來表示太陽的位置。

太陽光線與地球赤道面所夾的圓心角，即為太陽赤緯角δ。赤緯角從赤道面算起，向北為正，向南為負(fù)。顯然，赤緯角變化范圍為±23°27’。太陽所在的時(shí)圈與通過春分點(diǎn)的時(shí)圈(春分圈)構(gòu)成的夾角為時(shí)角α。自天球北極看，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。時(shí)角表示太陽的方位，天球1天(24小時(shí))旋轉(zhuǎn)360°，所以每小時(shí)的時(shí)角為15°。太陽在黃道上的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上不是勻速的，而是時(shí)快時(shí)慢，因此，真太陽日的長(zhǎng)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，它以均勻的速度在運(yùn)行。這個(gè)假想的太陽就稱為平太陽，其每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間稱平太陽日，由此而來的小時(shí)稱為平太陽時(shí)。平太陽時(shí)是基本均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，與人們的生活息息相關(guān)。由于平太陽是假想的，因此無法實(shí)際觀測(cè)它，但它可以間接地從真太陽時(shí)求得。為此，需要一個(gè)差值來表達(dá)二者的關(guān)系，這個(gè)差值就是時(shí)差。
1．2 地平坐標(biāo)系
地平坐標(biāo)系是一種最直觀的天球坐標(biāo)系，和我們?nèi)粘５奶煳挠^測(cè)關(guān)系最為密切。地平坐標(biāo)系是以地平圈為基圈，地平圈就是觀測(cè)者所在的地平面無限擴(kuò)展與天球相交的大圓。如圖2所示，從觀測(cè)者所在的地點(diǎn)，作垂直于地平面的直線并無限延長(zhǎng)，在地平面以上與天球相交的點(diǎn)稱為天頂Z，在地平面以下與天球相交的點(diǎn)稱為天底Z’；N和S分別表示北點(diǎn)和南點(diǎn)；h和A分別表示太陽高度角和太陽方位角，用太陽高度角h和方位角A來確定太陽在天球中的位置。