精密自動太陽跟蹤器的設(shè)計

張定學(xué)

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣信息工程系，湖北武漢430023)

精密自動太陽跟蹤器的設(shè)計

張定學(xué)

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣信息工程系，湖北武漢430023)

要想高效率地吸收太陽能，集熱器必須全天候地對準(zhǔn)太陽。本文介紹了基于地平坐標(biāo)系的二軸自動太陽跟蹤器的原理，設(shè)計方法，控制算法流程和消除誤差的措施。給出了一種簡便實用的太陽跟蹤器的實現(xiàn)方法。實踐表明，這種太陽跟蹤器具有高效，便利，實用的特點。

地平坐標(biāo)系;二軸跟蹤;控制算法;誤差消除

太陽能是地球上最豐富的可再生利用的綠色環(huán)保能源，在利用集熱器收集它的熱能或通過太陽能電池板將其轉(zhuǎn)換成為電能的工程中，都希望發(fā)揮最大效率。因此必須設(shè)法使跟蹤臺架始終正對太陽并且實時地隨太陽作同步運轉(zhuǎn)。本文詳細(xì)地敘述了一種在工程實踐中使用的自動跟蹤臺架的設(shè)計方案及其具體實現(xiàn)方法。

工程實踐上同步跟蹤太陽的方法主要有兩種：利用光電傳感器來校正誤差的光電式跟蹤(類似于雷達跟蹤目標(biāo)的原理)以及依據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道公式進行計算的位置式跟蹤(基于地平坐標(biāo)系太陽跟蹤原理)。光電跟蹤裝置一般都使用成對的光敏傳感器(如硅光電管)來感知跟蹤臺架與太陽光的垂直偏差，以便決定跟蹤臺架下一步的運轉(zhuǎn)情況。這種光電式有很多缺點，比如：容易受到天氣的影響(在陰雨天時，檢測豎直角和水平角的光電傳感器沒有信號輸出，臺架不知道如何運轉(zhuǎn));在進行實時跟蹤時容易產(chǎn)生位置振蕩(如小范圍內(nèi)上下，左右搖擺)等，尤其是當(dāng)跟蹤臺架上承載一，兩噸的重物時，上下?lián)u擺更加有害，甚至?xí)：Φ饺松戆踩?由于灰塵的遮蔽及四季溫差的變化，容易破壞光敏傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的對稱性。

而根據(jù)視日運動的軌跡進行的位置式跟蹤方法不受天氣，季節(jié)，氣候的影響，可以實現(xiàn)真正的前天候跟蹤。這種太陽跟蹤器就有原理簡單，結(jié)構(gòu)合理，跟蹤精度高，經(jīng)濟適用的優(yōu)良特點。所以本系統(tǒng)選用了視日運動的位置式跟蹤方法。

1 跟蹤原理

這套太陽跟蹤器是基于地平坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)的，地平坐標(biāo)系是以真地平為基本園圈，以正南方為起始點。所有經(jīng)過天頂?shù)拇髨A都垂直于真地平平面。在地平坐標(biāo)系模型中，太陽(看作是一個質(zhì)點)的位置可以通過兩個參數(shù)來確定，即高度角和方位角。高度角是太陽照射到地球上的射線與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。方位角是太陽射線在水平面上的投影(也就是影子)與正南方向構(gòu)成的角度。如圖1所示：①跟蹤臺架由水平回轉(zhuǎn)臺和上下(即垂直方向)方向移動的支撐機構(gòu)兩部份構(gòu)成，水平方向上對太陽的跟蹤由工控機控制橫軸(即X軸)上的高精度步進電機轉(zhuǎn)動實時計算出來的角度來實現(xiàn)，垂直方向上臺架的上下移動則由另一臺步進電機來帶動。由于使用了俯仰角和方位角的二軸控制，這樣就可以使跟蹤臺架在三維立體空間內(nèi)自由移動，以便對太陽進行全天候的實時跟蹤。②如果能夠知道任何時刻，跟蹤臺架和水平面(赤道平面)的傾斜角度β，以及在水平面內(nèi)臺架相對于某一方向(例如南北方向)轉(zhuǎn)動的角度α，則可以利用兩根轉(zhuǎn)軸(垂直方向的Z軸和水平方向的X軸)使臺架平面始終和太陽光線保持垂直。

圖1 跟蹤臺架傳動結(jié)構(gòu)照片

天文學(xué)上已經(jīng)推算出了基于地平坐標(biāo)系的地球公轉(zhuǎn)軌道的精確數(shù)學(xué)模型，解決了計算俯仰角(傾斜角)β和方位角α的問題。依據(jù)基于地平坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)臺采光面上的日射入射角θ可以由太陽赤緯角δ，時角φ，轉(zhuǎn)臺應(yīng)升降的傾斜角度β，水平方向應(yīng)回轉(zhuǎn)的方位角α和試驗場所的緯度φ，經(jīng)度l經(jīng)過計算得到。為了形象地確定太陽相對于操作人員的相對位置，在此引入天球的概念模型：設(shè)想一個以操作人員所在地為球心，半徑無窮大的一個園球體，把太陽看做是這個球體(天球)中的一個忽視其大小的質(zhì)點，而且還假設(shè)天球的赤道面與地球的赤道剛好重合，試驗地所在的水平面與天球的水平面重疊，通過過球心的垂直于天球水平面的一條直徑的上端點稱為天頂;在球面三角形中運用余弦定律可以推算出太陽的高度角β與緯度φ及時角ω間的關(guān)系公式：

經(jīng)過整理可得：

其中：δ是太陽在天球上的緯度，即赤緯角：

n是由1月1日起算的總天數(shù)，天球赤道以北δ為正，反之為負(fù);φ是試驗場所的地理緯度(北半球φ取正值，南北球取負(fù)值)。

太陽的時角ω的計算公式為：

其中［H+(L－Lss)+e/60］部分為當(dāng)?shù)匚鐣r;Hs為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(h);L為當(dāng)?shù)亟?jīng)度(°)。

而e為當(dāng)?shù)氐臅r差，它可以通過以下算式計算得到：

上式中：B=360(n－81)/364.

根據(jù)球面三角形的正弦定理：

經(jīng)整理得到太陽方位角α的計算公式為：

由上述推導(dǎo)過程可以看出：只要知道當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度L，緯度Φ就可以計算出任何時候太陽的高度角β和方位角α，從而控制轉(zhuǎn)臺的實時跟蹤。

2 跟蹤臺架的實現(xiàn)方案

跟蹤轉(zhuǎn)臺豎直方向的運動過程如圖2所示：在進行跟蹤之前工控機自動把臺架調(diào)回到位于水平面的位置(稱之為回零)，控制程序會根據(jù)日期和時間自動計算出臺架在當(dāng)?shù)禺?dāng)時的傾斜角度β(其中要用到的β0為已經(jīng)測算出來的初始固定角度)。在圖2所示的三角形ABP中，按照余弦定理可計算出絲桿的長度BP=Δh+h0;其中h0為臺架水平放置時的絲桿長度BO.

圖2 跟蹤臺架垂直方向的運動軌跡示意圖

那么當(dāng)臺架的傾角為β時絲桿的伸長量為Δh(既是超出水平面的部分)，把它除以絲杠的螺距T就可以計算出絲杠在這一輪跟蹤中應(yīng)該的轉(zhuǎn)動圈數(shù)y，然后根據(jù)豎直方向傳動機構(gòu)的減速比n就可算得驅(qū)動z軸的步進電機的這一次的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ny以及脈沖分配器應(yīng)發(fā)的脈沖數(shù)。

依照同樣的方法，給定某一時刻太陽的方位角α及水平傳動機構(gòu)的減速比m就可以算出帶動X軸的步進電機應(yīng)走的步數(shù)。從而實現(xiàn)在豎直和水平兩個方向?qū)μ柕倪M行全天候的實時跟蹤。

由于轉(zhuǎn)臺所在的豎直和水平方向的實際位置很難精確測量出來(需要大尺度的精密位置測量傳感器)，如果采用閉環(huán)控制的方法跟蹤太陽，則難以得到實際位置參數(shù)(既是反饋量)。所以本跟蹤系統(tǒng)采用開環(huán)控制的方法;這樣就可以省掉測量X，Z軸實際位置的高精度傳感器，從而可以降低造價，簡化控制方法，增強跟蹤系統(tǒng)的可靠性。此外，在實際進行跟蹤的時候還采用脈沖累計的辦法來消除傳動機構(gòu)的間隙帶來的一些機械加工誤差(比如軸承的間隙，齒輪正反轉(zhuǎn)的回程差等)。

電氣控制系統(tǒng)硬件部分由分別控制水平，豎直方向的兩臺步進電機，一些手動操作按鈕，若干進行位置限定的行程開關(guān)和一臺工控計算機組成(工控機還要承擔(dān)其他的實時測量，控制任務(wù))。圖3所示是跟蹤控制程序的主要流程。

圖3 跟蹤控制算法的主要流程

3 跟蹤臺架的運行及起始位置的確定

依據(jù)上文建立的天球坐標(biāo)模型：太陽方位角的起點參考點是正南方，高度角(也就是傾斜角度)的起始點是地球的水平面;然而，要想在工程實踐中測定當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢蒙系恼戏较蚝芾щy，況且還容易帶來測量誤差;再者，把比較笨重的轉(zhuǎn)臺平面精確地調(diào)整到和水平面剛好重合也不容易。所以，在實際操作中往往在正南方附近選取某一位置作為方位角的參考起點(在這里裝設(shè)一個行程開關(guān)來定位)。同時，在當(dāng)?shù)厮矫娓浇x取一個近似和它平行的平面作為傾角的參考平面，如圖4、圖5所示。然后想辦法利用軟件自動算出X軸方向參考點和正南方向的夾角α0以及傾角參考平面和水平面的夾角β0;那么在實時追蹤太陽的時候中考慮進去初始位置(稱為零點)α0和β0的影響即可。

圖4 轉(zhuǎn)臺朝向南方

圖5 轉(zhuǎn)臺水平放置

確定初始位置角度α0和β0的方法：于跟蹤臺架的正面平面上安裝一日晷，通過觀察指針的在刻度圓盤面上投影的長確定轉(zhuǎn)臺是否對準(zhǔn)了太陽。然后選取一天中的某一個合適的時刻(例如早上9時左右)用手動的方法操作控制面板，調(diào)整跟蹤臺架到正對太陽為止。在這期間，工控機會利用程序自動累計從初始位置到臺架正對太陽時驅(qū)動X軸和Z軸的步進電機分別走過的脈沖數(shù)，而在此期間臺架由正南方和真實水平面開始應(yīng)該走過的脈沖數(shù)可由上面的軌跡計算公式算出，最后通過把兩者分別進行相減即可得到α0和β0的取值。一旦始位置確定下來，就可以依據(jù)軌跡模型算法進行全天候的實時跟蹤了。如圖4、圖5所示的具體跟蹤過程為：首先讓Z軸與X軸自動回到初始位置，然后從初始位置開始不間斷地驅(qū)動X軸和Z軸電機轉(zhuǎn)動，直到對準(zhǔn)太陽，再每隔一定的時間間隔(系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)定好的)，依照前述公式計算出α角和β角的增量來自動調(diào)整跟蹤臺架的方位角和傾斜角使其始終正對太陽。

4 結(jié)束語

對于地平坐標(biāo)系全跟蹤方式，其跟蹤精度不但跟φ、δ、ω的取值有關(guān)，還與步進電機精度及跟蹤臺的機械結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此需要對跟蹤軌跡進行校正，使跟蹤臺在實際運行過程中精確對準(zhǔn)太陽。隨著太陽能的進一步開發(fā)利用，太陽跟蹤的應(yīng)用將越來越廣泛。

［1］ 李業(yè)發(fā)，楊廷柱.能源工程導(dǎo)論［M］.安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.1999：152－155.

［2］ 魏保太.能源工程［M］.湖北：華中理工大學(xué)出版社，1985：146 －149

［3］ 張定學(xué).閉式太陽集熱器綜合性能測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.武漢：華中科技大學(xué)圖書館，2005.

［4］ GB/T 4271－2000，太陽集熱器熱性能試驗方法［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.

［5］ 世界能源理事會中國國家委員會.面向21世紀(jì)的世界能源［M］.北京：原子能出版社.2001.

The design of automatic solar tracker

ZHANG Ding-xue
(Department of Electrical and Information Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

To absorb solar energy efficiently，collector must be toward the sun throughout the day.This article describes the principle，design method，control algorithm and measures to eliminate errors of the automatic sun-tracking device based on horizon coordinate system with two－axis.A simple and practical method for realizing solar tracking has been provided.The practices shows that the solar tracker is an efficient，convenient and practical.

horizon coordinate system;two-axis tracking;control algorithm;error elimination

TP 275

A

1009-4881(2011)03-0034-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2011.03.009

2011-04-04.

張定學(xué)(1968-)，男，講師，E-mail：zhangdingxue888@126.com.

湖北省橫向聯(lián)合科技攻關(guān)項目(2002AA101C61);UNDP(聯(lián)合國開發(fā)計劃署)GEF(加速中國可再生能源商業(yè)化基金)項目.