基于FPGA的太陽(yáng)跟蹤器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

0 引言
太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的能源，取之不盡，用之不竭，發(fā)展前景廣闊。但是太陽(yáng)能具有間歇性及強(qiáng)度和方向不確定的特點(diǎn)，給太陽(yáng)能的收集帶來(lái)了一定困難。采用太陽(yáng)跟蹤裝置可以使太陽(yáng)光線始終與接收面保持垂直，提高太陽(yáng)能設(shè)備的能量接收效率，從而提高太陽(yáng)能利用率。
本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法，利用Xilinx公司提供的FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE，設(shè)計(jì)完成了基于XC3S1500開(kāi)發(fā)板的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全天候、全自動(dòng)、實(shí)時(shí)精確控制。

1 視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法
視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法是根據(jù)地日運(yùn)行軌跡，采用赤道坐標(biāo)系或地平坐標(biāo)系描述太陽(yáng)相對(duì)地球的位置。一般在雙軸跟蹤中極軸式跟蹤采用赤道坐標(biāo)系，高度角-方位角式跟蹤采用地平坐標(biāo)系。
1．1 極軸式跟蹤
赤道坐標(biāo)系是人在地球以外的宇宙空間里，觀測(cè)太陽(yáng)相對(duì)于地球的位置。這時(shí)太陽(yáng)位置是相對(duì)于赤道平面而言，用赤緯角和時(shí)角這兩個(gè)坐標(biāo)表示。太陽(yáng)中心與地球中心的連線，即太陽(yáng)光線在地球表面直射點(diǎn)與地球中心的連線與在赤道平面上的投影的夾角稱為太陽(yáng)赤緯角。它描述地球以一定的傾斜度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而引起二者相對(duì)位置的變化。一年中，太陽(yáng)光線在地球表面上的垂直照射點(diǎn)的位置在南回歸線、赤道和北回歸線之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使該直射點(diǎn)與地心連線在赤道面上的夾角也隨之重復(fù)變化。赤緯角在一年中的變化用式(1)計(jì)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(hào)，單位：日。
時(shí)角是描述地球自轉(zhuǎn)而引起的日地相對(duì)位置的變化。地球自轉(zhuǎn)一周為360°，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為24 h，故每小時(shí)對(duì)應(yīng)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(jì)算公式如下：

式中：ω為時(shí)角，單位：(°)；T為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，單位：h。
根據(jù)上述方法可以計(jì)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(duì)于太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采光板的一軸與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，稱為極軸，另外一軸與其垂直。工作時(shí)采光板繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定為與地球的自轉(zhuǎn)速度相同，方向相反。為了適應(yīng)太陽(yáng)赤緯角的變化，采光板圍繞與地球自轉(zhuǎn)軸垂直的軸做俯仰運(yùn)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，極軸支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較困難，因此本設(shè)計(jì)沒(méi)有選用極軸式跟蹤。
1．2 地平坐標(biāo)系
地平坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)系的太陽(yáng)的高度角和方位角。如圖1所示，該天球是以觀測(cè)者為球心，任意距離為半徑的假想球，對(duì)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長(zhǎng)。M和N分別為天球上的南北天極。P點(diǎn)為觀測(cè)者的鉛垂線與天球的交點(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，觀測(cè)者的鉛垂線OP與地心與太陽(yáng)連線的夾角叫做天頂角，天頂角和太陽(yáng)的高度角互補(bǔ)。角A為太陽(yáng)的方位角。