太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

技術(shù)方案

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

目錄

1、太陽能發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述................錯(cuò)誤!未定義書簽。

1.1國內(nèi)外太陽能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述.........錯(cuò)誤!未定義書簽。

1.2太陽能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)特點(diǎn)....................錯(cuò)誤!未定義書簽。

2、本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案概述................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3、太陽跟蹤數(shù)學(xué)模型的建立............................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.1、太陽與地球的位置關(guān)系........................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.1.1天球與天球坐標(biāo)系........................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.1.2地平坐標(biāo)系...............................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.1.3赤道坐標(biāo)系...............................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.1.4時(shí)角坐標(biāo)系...............................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.2太陽與地球的時(shí)間關(guān)系..........................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.3太陽位置計(jì)算原理..............................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.3.1、球面三角形的有關(guān)概念....................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.3.2、太陽位置計(jì)算原理........................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.3.3、太陽高度角力日勺計(jì)算......................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.3.4、太陽方位角AB勺計(jì)算......................錯(cuò)誤!未定義書簽。

3.3.5、日出、日落時(shí)間的計(jì)算....................錯(cuò)誤!未定義書簽。

336、日出、日落方位角日勺計(jì)算..................錯(cuò)誤!未定義書簽。

4、本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

4.1基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)研制....................錯(cuò)誤!未定義書簽。

4.2基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)研制...............錯(cuò)誤!未定義書簽。

4.3具有風(fēng)力保護(hù)的跟蹤控制系統(tǒng)研制................錯(cuò)誤!未定義書簽。

5、數(shù)據(jù)采集模塊及電機(jī)拖動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)....................錯(cuò)誤!未定義書簽。

5.1數(shù)據(jù)采集模塊...................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

5.2電機(jī)拖動(dòng)模塊..................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

6、成本核算...........................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

1、太陽能發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述

1.1國內(nèi)外太陽能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)展概述

任何時(shí)期，能源以及資源都是人們賴以生存的基礎(chǔ)。進(jìn)入二十一世紀(jì)，伴隨

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗隨之增大，節(jié)省能源和尋找新能源成為人類可持

續(xù)發(fā)展的基本條件。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，各國政府都

將太陽能資源運(yùn)用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。我國是世界上最大、地

勢最高的自然地理單元，也是世界上最豐富口勺太陽能資源地區(qū)之一，尤其是西藏

地區(qū)，空氣稀薄、透明度高，年日照時(shí)間長達(dá)1600—3400小時(shí)之間，每日光照

時(shí)間6小時(shí)以上，年平均天數(shù)在275—330天之間，輻射強(qiáng)度大，平均輻射總量

7000兆焦耳/平方米，地區(qū)呈東西向遞增分布，年變化呈峰形，資源優(yōu)勢得天獨(dú)

厚，太陽能應(yīng)用前景十分廣闊。不過運(yùn)用天陽能又受著位置、地勢等條件口勺制約。

因此必須設(shè)計(jì)一種伴隨太陽運(yùn)動(dòng)日勺跟蹤控制系統(tǒng)，使得太陽能電池板接受到的光

照強(qiáng)度最大，資源的運(yùn)用率最大。

圖1美國研制的大規(guī)模太陽能跟蹤裝置圖2國內(nèi)某企業(yè)太陽能自動(dòng)跟蹤裝置

現(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)有F向跟蹤裝置可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種，用以實(shí)現(xiàn)

方位與俯仰角的2自由度日勺轉(zhuǎn)向控制。近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了

這方面的研究，重要用于天文觀測、氣象臺(tái)的太陽跟蹤。1992年推出了太陽灶

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，國家氣象局計(jì)量站在1990年研制了FST型全自動(dòng)太陽跟蹤器，

成功時(shí)應(yīng)用于太陽輻射觀測。1994年《太陽能》雜志簡介的）單軸液壓自動(dòng)跟蹤

器，完畢了單軸跟蹤。目前，著太陽能應(yīng)用的普及，眾多口勺科研院所和企事業(yè)單

位針對太陽能跟蹤控制系統(tǒng)開展了卓有成效的研究。

在目前H勺太陽能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)中，不管是單軸跟蹤或雙軸跟蹤，太陽跟

蹤裝置可分為：時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式等多種。其中，

時(shí)鐘式是根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，L算出太陽光接受器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)

動(dòng)向角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接受器根據(jù)太陽FI勺位置而對應(yīng)

變動(dòng)；程序控制式太陽跟蹤裝置，則是通過計(jì)算其一時(shí)間太陽的位置，再計(jì)算出

跟蹤裝置的目的位置，最終通過電機(jī)傳動(dòng)裝置到達(dá)規(guī)定的位置，實(shí)現(xiàn)對太陽高度

角和方位角的跟蹤。光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和

跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一種閾值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位

置，直到使太陽光線與集熱裝置光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟

蹤。

1.2太陽能發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)特點(diǎn)

目前市場上日勺太陽能發(fā)電多是固定式日勺，與之相比較，本項(xiàng)目研究實(shí)現(xiàn)的太

陽能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，具有更高的發(fā)電效率，參見表1所示。

表1、固定式與自動(dòng)式參數(shù)比較

電池板面日照日發(fā)電謖索

項(xiàng)目日輸出功率日儲(chǔ)電量成本

積時(shí)間功率范圍

固定式2平方米2?4h1600瓦800瓦800瓦大。度

自動(dòng)式2平方米6?12h4000瓦2023瓦2023瓦小360度

由表1可見，自動(dòng)跟蹤發(fā)電控制系統(tǒng)，日照時(shí)間更長，輸出功率更高，發(fā)電

效率提高百分之四十到百分之八十，提高效率，減少成本。

2、本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案概述

上述多種措施，雖然在不一樣的方面有各自的長處，然而在實(shí)際的應(yīng)用過程

中或多或少的存在著誤差大，靈活性差、非全天候跟蹤等缺陷。綜合以上幾種方

式的I特點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出一套具有控制精度高、靈活性強(qiáng)、易操作、全自動(dòng)跟蹤

等長處的I“傻瓜式”太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)。

本控制系統(tǒng)重要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)控制模塊、以及電力拖動(dòng)等

模塊構(gòu)成。采用主控計(jì)算機(jī)和多種智能測控模塊互相配合構(gòu)成控制系統(tǒng)，主控模

塊與各子模塊以及各子模塊之間采用數(shù)字化傳播，系統(tǒng)方案的整體框圖參見圖2

所示。

風(fēng)力、風(fēng)速測顯光強(qiáng)測良

風(fēng)力傳感器

單片機(jī)模塊

庫臺(tái)

單

片

機(jī)

模

塊

GPS接收

機(jī)

太陽方位方位破傳感器

電池板方位反愎

圖2、電池板系統(tǒng)總方框圖

由圖2可知，該控制方案中，包括了風(fēng)力傳感器采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、

GPS模塊、方位磁傳感器采集模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊、以及電機(jī)拖動(dòng)模塊幾種部

分，計(jì)算機(jī)通過串口實(shí)現(xiàn)了對各個(gè)子模塊運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)口勺監(jiān)控，同步也將接

受到口勺各個(gè)子模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，再反饋給各個(gè)子模塊，從而到達(dá)高精

度與全自動(dòng)控制，節(jié)省了能源。

對于圖2所示方案中的風(fēng)力傳感器采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、GPS模塊、方

位磁傳感器采集模塊，根據(jù)功能的不一樣可以有不一樣的配置方案，從而構(gòu)成不

一樣功能的跟蹤控制系統(tǒng)。詳細(xì)狀況可以參見表2所示。

表2、不一樣功能的跟蹤控制系統(tǒng)方案

序號(hào)跟蹤控制系統(tǒng)名稱需要配置的模塊

1基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)GPS、方位磁傳感器

光強(qiáng)采集模塊、GPS、

2基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)

方位磁傳感器

3具有風(fēng)力保護(hù)的基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)風(fēng)力傳感器、GPS、方位磁傳感器

4具有風(fēng)力保護(hù)的基于能量的跟蹤控制系統(tǒng)風(fēng)力傳感器、光強(qiáng)采集模塊

3、太陽跟蹤數(shù)學(xué)模型的建立

3.1、太陽與地球的位置關(guān)系

在本系統(tǒng)電池板跟蹤太陽位置的時(shí)候不可防上的波及到計(jì)算太陽方位角、高

度角、口出日落等計(jì)算問題，本節(jié)將對地球繞太陽運(yùn)行日勺基本規(guī)律展開詳細(xì)分析

與研究。

天球與天球坐標(biāo)系

在晴朗的夜晚，當(dāng)人們遙望蒼穹，滿天星星像珍珠般鑲嵌在茫茫夜空中，仿

佛自己就身處在整個(gè)宇宙日勺中心，這正是人們對天球的最初印象。為了以便研究

各個(gè)天體的位置，引入了天球的概念與天球坐標(biāo)系。

所謂天球，即以觀測者為球心，需要日勺時(shí)候也可以把球心假想移到地球或者

太陽H勺中心，并且以任意長度為半徑，其上分布著所有天體日勺球。需要注意的是

天體在天球上的視位置是人們對于天體的視線在天球上的投影，因而天球口勺半徑

完全可以自由選用，而不影響研究問題的實(shí)質(zhì)。另一方面，天球上任意兩個(gè)天體

之間H勺距離一般都是指它們之間H勺角距離，亦即是它們對于觀測者的張角。在天

球上，線距離是沒故意義日勺；一般說來，天體離開地球的距離都可看作是數(shù)學(xué)上

的“無窮大”，因此，在地面上不一樣地方看同一天體的視線方向可以認(rèn)為是互

相平行的；或者也可以反過來說，一種天體發(fā)射到地球上不一樣地方的光互相平

行。因此，天體在天球日勺視位置，最以便是用球面坐標(biāo)系進(jìn)行表達(dá)，在天球上建

立的坐標(biāo)系叫做天球坐標(biāo)系。天文中又將天球坐標(biāo)系按照原點(diǎn)與基本圈不一樣而

提成地平坐標(biāo)系與赤道坐標(biāo)系。

3.1.2地平坐標(biāo)系

地平坐標(biāo)系是以通過觀測點(diǎn)0口勺地平面與天球相交口勺地平圈為基本圈，以通

過0點(diǎn)口勺天頂、天底、地平面南點(diǎn)及北點(diǎn)的子午圈為第二個(gè)基本圈，如圖3所

示。通過太陽位置X點(diǎn)，過天頂Z點(diǎn)的子午圈，稱之為方位圈；經(jīng)X點(diǎn)平行于

地平面的圓圈，稱為高度圈。

顯然，地平坐標(biāo)系重要有兩個(gè)參量：方位角A、高度角h,觀測者的頭頂方

向與天球相交的點(diǎn)叫做天頂（Z點(diǎn)），從觀測者的腳底向下延伸與天球相交的點(diǎn)叫

做天底。垂直天頂與天底連線且過天球中心的平面稱之為地平面，它與天球相交

成一種大圓，這個(gè)大圓即稱之為地平圈，也即真地平。與地平圈相平行且與天球

相交成的小圓叫地平緯圈，與地平圈垂直的大圓叫地平經(jīng)圈。通過北天極P和天

頂Z『、J大圓叫做天球子午圈，它和真地平相交與N點(diǎn)與S點(diǎn)，靠近北天極的記做

北點(diǎn)N,和它相對的記做南點(diǎn)S。在地平圈上沿順時(shí)針度量，顯然離南北900分

別可以叫做東點(diǎn)E與西點(diǎn)也天體在方位上與地平面正南方向所夾日勺角度，記做

地平方位角，即為A。方位角A,以地平面南點(diǎn)S點(diǎn)為零度，向西為正值，向東

為負(fù)值。天體在高度上與地平面所夾日勺角度，記做地平高度h。高度角h,以地

平面為零度，向天頂方向?yàn)檎?，天體沿地平經(jīng)圈向上到天頂叫做這個(gè)天體的天

頂距Zo

由圖3可以看出，天體口勺地平高度與天頂距的關(guān)系是Z=90"-萬

通過以上簡介可以得到，地球上任何觀測點(diǎn)的天極高度等于當(dāng)?shù)氐木暥?，?/p>

相似三角形日勺關(guān)系可以證明，在觀測點(diǎn)。'處H勺天極方向?yàn)椤胺较?，根?jù)三角形

角度關(guān)系顯然天極的高度角等于當(dāng)?shù)氐木暥取?/p>

圖4、天極高度等于當(dāng)?shù)鼐暥仁疽鈭D

3.1.3赤道坐標(biāo)系

取天赤道作為基本圈，北天極P是基本圈H勺極，天赤道與子午圈的交點(diǎn)之一

Q'（近南點(diǎn)）作為基本點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，稱之為赤道坐標(biāo)系。乂因所取基本點(diǎn)日勺

不一樣而分為第一赤道坐標(biāo)系與第二赤道坐標(biāo)系，前者又稱之為時(shí)角坐標(biāo)系。

如圖5所示，地球自轉(zhuǎn)軸H勺延伸與天球的交點(diǎn)分別表達(dá)為北天極P與南天極

P,地球赤道的延伸與天球相交的大圓圈稱之為天赤道Q。'。天赤道以北的天

球是北天球，以南的天球是南天球，天球上平行與赤道的小圓圈叫做赤緯圈，用

b表達(dá)；垂直與天赤道且過兩極的大圓圈叫做經(jīng)圈或者時(shí)圈，用t表達(dá)。

在赤道第二坐標(biāo)系中（在本系統(tǒng)中沒有用上，因此只簡樸的論述下），天體口勺

位置可以使用赤經(jīng)（RA）赤緯（DEC）兩個(gè)變量體現(xiàn)，其中赤經(jīng)（RA）,用a表達(dá),

赤緯（DEC）用6表達(dá)，地球公轉(zhuǎn)軌道的延伸與天球相交的大圓圈叫做黃道，天赤

道與黃道相交的兩點(diǎn)分別叫做春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)。天體口勺赤經(jīng)a是從春分點(diǎn)開始，

沿著赤道圈逆時(shí)針方向計(jì)量到天體的赤經(jīng)圈與天赤道的交點(diǎn)，以0?24h表達(dá)。

若從天赤道向北天極方向量度為正，向南天極方向量度為負(fù)。

時(shí)角坐標(biāo)系

在時(shí)角坐標(biāo)系中，重要的參量是時(shí)角t與赤緯6。

赤緯角3,以天球赤道為零度，由此向天球北極P方向?yàn)檎担幌蛱烨蚰咸?/p>

極方向?yàn)樨?fù)值。時(shí)角3以觀測點(diǎn)。與天球赤道南點(diǎn)。'連線為零度線。自天球北

極看，順時(shí)針方向?yàn)檎?，即午后時(shí)間；逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)值，即午前時(shí)間。

其中用來表達(dá)天體X方位口勺時(shí)角t的值，是根據(jù)地球每個(gè)小時(shí)回轉(zhuǎn)15。計(jì)算

確定的。因此若已知天體通過正南子午線（時(shí)角零度線）至觀測時(shí)刻日勺位置，所經(jīng)

歷的時(shí)間乘以15。，即可得到天體在觀測時(shí)刻所處位置的時(shí)角t值。即：

r=15Zc；

式中，K為方位時(shí)間，所謂方位時(shí)間是以真太陽時(shí)正午12時(shí)為零時(shí)，依此分別

向午訕、午后起算的小時(shí)數(shù)，逆時(shí)針（午前）為負(fù)值，順時(shí)針（午后）為正值，即：

k=n-\2；

3.2太陽與地球的時(shí)間關(guān)系

由于上述的時(shí)角坐標(biāo)系波及到某些時(shí)間上日勺概念，因此有必要對天文上用到

日勺時(shí)間做個(gè)簡要日勺論述，以便增長理解力。同步天文上應(yīng)用日勺時(shí)間諸多，在這里

就只挑選兩個(gè)與本系統(tǒng)有關(guān)日勺時(shí)間概念進(jìn)行簡要R勺闡明。

在天文學(xué)中以太陽周日視運(yùn)動(dòng)為根據(jù)而建立的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)叫真太陽E,所

謂真太陽時(shí)是指以太陽為視圓而中心。真太陽持續(xù)兩次通過上中天（即觀測地H勺

地理經(jīng)度）日勺時(shí)間間隔，叫做真太陽時(shí)。真太陽位于上中天日勺時(shí)刻，叫做真中午,

因此真太陽時(shí)具有地方性，不一樣日勺地方真中午的時(shí)刻是不一樣日勺，一種真太陽

日提成24小時(shí)真太陽時(shí)，真太陽是以真太陽是時(shí)角t進(jìn)行度量的，顯然人們在

應(yīng)用真太陽日時(shí)候，由于各個(gè)地方日勺真太陽時(shí)不一樣，且地球在軌道上運(yùn)行的速

度不一樣樣，從而導(dǎo)致真太陽時(shí)不一致性。因此給人們生活中帶來了諸多日勺不便。

為了彌補(bǔ)真太陽時(shí)所帶來的不便，天文學(xué)家應(yīng)用了平太陽時(shí)日勺概念，所謂平

太陽時(shí)，即在黃道平面（地球公轉(zhuǎn)平面）引入一種做等速日勺假想點(diǎn)，其運(yùn)行速度等

于真太陽運(yùn)行的平均速度，并和真太陽同步出目前春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)，這個(gè)假想點(diǎn)

就是平太陽。以平太陽為參照點(diǎn)來衡量地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，叫做平太陽日，一

種平太陽日提成24小時(shí)日勺平太陽時(shí)。顯然真太陽時(shí)與平太陽時(shí)的時(shí)間可以通過

時(shí)差來表達(dá)，其中時(shí)差可以通過萬年歷進(jìn)行查詢得到。即：

式中：7表達(dá)時(shí)差，/二為真太陽時(shí)，％為平太陽時(shí)

3.3太陽位置計(jì)算原理

3.3.1、球面三角形的有關(guān)概念

人們引入了天球日勺概念后，把宇宙空間日勺恒星等投影到天球面上，研究它們

在天球上日勺位置和運(yùn)動(dòng)，而忽視它們在宇宙空間的實(shí)際分布。因此，必須熟悉球

面的I某些基本的性質(zhì)。

一、球面基本性質(zhì)

1、球面上日勺基本圓

在立體幾何中，我們懂得任何平面與球面相交，其截口總是圓；不通過球心

日勺平面截球面所得的截口是小圓：而通過球心日勺平面截出日勺圓最大，稱為大圓，

大圓日勺半徑正是球半徑。顯然，大圓把球面提成相等日勺兩部分。

通過球面上不在同一直徑兩端時(shí)兩點(diǎn)，可以做無數(shù)個(gè)小圓，但只能并且必能

做一種大圓；因而在球面三角形中，一般只波及大圓，只研究大圓的性質(zhì)和關(guān)系。

考慮地面點(diǎn)的I地理坐標(biāo)時(shí)，地理緯圈，除赤道外，都是小圓：而所有地理經(jīng)圈都

是大圓。

2、球面上日勺兩點(diǎn)距離

球面上兩點(diǎn)A、B之間日勺大圓?。ㄝ^短時(shí)那段），時(shí)長度叫做球面上兩點(diǎn)AB

之間日勺距離，可以證明：在球面上連接A、B兩點(diǎn)的所有曲線中AB最短。

3、球面上圓的J極

對于球面上一已知圓，（不管大圓或小圓），垂直與這已知圓所在平面的J球直

徑的I端點(diǎn)，稱之為這個(gè)圓H勺極。顯然極到對應(yīng)圓周上各個(gè)點(diǎn)日勺距離相等，這個(gè)距

離叫做極距。

4、球面角

兩個(gè)大圓弧相交所成口勺角，稱之為球面角。兩個(gè)大圓弧的交點(diǎn)叫做球面角的

頂點(diǎn)，大圓弧稱之為球面角的邊，球面角是以過頂點(diǎn)的圓弧的二切線所夾口勺角度

來度量的。

二、球面三角形口勺定義

球面上兩兩相交口勺三個(gè)大圓弧所圍成FI勺幾何圖形稱之為球面三角形，這三個(gè)

大圓弧成為球面三角形的邊，用。、b、c表達(dá)。各個(gè)大圓弧所成的球面角稱之為

球面三角形口勺角。用A、B、C表達(dá)。以上統(tǒng)稱為球面三角形的六要素。

A

圖6、球面三角形示意圖

球面三角形是天文中常常處理的基本幾何圖形，只有掌握了它們的基本性

質(zhì)，才能深入的研究本課題中波及時(shí)天文學(xué)知識(shí)與計(jì)算問題。

三、球面三角形有關(guān)公式

對于給定的球面三角形，其邊與角滿足一定的函數(shù)關(guān)系，下面給出這些公式。

①正弦定理

如圖7所示，球面三角形各邊與其對應(yīng)角時(shí)正弦成正比，B|J：

sinasinZ?sinc

BsinC

圖7、正弦定理示意圖

②余弦定理

球面三角形任一邊日勺余弦等于其他兩邊余弦的乘積加上這兩邊日勺正弦及其

所夾角日勺余弦的連乘積，以。邊為例，即

cos?=cos/?cosc4-sin/?-sinc-cosA

其他兩邊的余弦公式與上面日勺對稱，可以用對應(yīng)日勺邊和角代換。

下面簡樸的對球面余弦定理進(jìn)行有關(guān)的證明。

如圖8所示，取球面三角形ABC,將各個(gè)頂點(diǎn)與球心。相連接，可以得到一

種球心三角形O-ABC,過頂點(diǎn)A作b、c邊的切線，分別相交OC、0B延長線與N、

Mo由此得到的兩個(gè)平面直角三角形0AM、0AN和兩個(gè)平面三角形OMN、AMN。

在0MN中，根據(jù)平面三角形余弦定理可以得到如下等式：

---0--->--->-------

MN~=0M~+0N~-20MON-cosa

同樣在三角形AMN中，MN2=AM2AN2-2?麗?俞?cosA

因此，OM"+ON2-2-OM-ON-COS6Z=AM"+-2-AM-AN-cosA,則

20M-ON-cosa=(ON-AN)+(0M-AM)+2AM-ANcosA

=2?而+2麗晨麗cosA

OAOAANAM、

因此，cosa=■+^=?=?cosA

ONOMONOM

OA.,AN，sinc="，代入上式，則可以推導(dǎo)

而cos/?=,cost?=-------',sin/7=-----

ONOMONOM

出開頭口勺余弦定理。

3.3.2、太陽位置計(jì)算原理

計(jì)算太陽在天球中對于地球上某點(diǎn)的相對位置，是由該觀測點(diǎn)的地理緯度、

季節(jié)（年、月、日）和時(shí)間三個(gè)原因來決定日勺，一般以地平坐標(biāo)系以及赤道坐標(biāo)系

同步表ii太陽的位置即以高度角〃、方位角A、赤緯6以及時(shí)角，來表iA日勺。

圖9中用兩坐標(biāo)表達(dá)出了太陽在天球中運(yùn)行日勺位置示意圖。

zA

圖9、太陽在天球位置示意圖

圖9中，各符號(hào)意義如下：

X--太陽位置；

ESWN--地平圈；

ZLZ--為方位圈,Z為天頂；

。7。'一為天球赤道；

尸。P--為子午圈；

PLP-為時(shí)圈，P為天球北極；

NSQW=A--為太陽方位角:

NMOL=〃一為太陽rWj度角；

N7OLM--為赤緯；

NTCQ=f-為時(shí)角；

NPON=。--為土也理緯度。

顯然，在圖9中ALPZ構(gòu)成球面三角形，其內(nèi)角可以表達(dá)為：Z=〃-4,P=to

其中NZ、NP、NL各個(gè)頂點(diǎn)的對邊分別為：z、p、1。從圖中得知：

z=--J>p=--h.l=

222

計(jì)算太陽位置時(shí)，觀測點(diǎn)日勺地理緯度。、赤緯*、以及時(shí)角，均為已知。運(yùn)用已

知數(shù)值以及球面三角形定理，可以推導(dǎo)出太陽高度角h、方位角A、日出口落力

位角以及時(shí)間的計(jì)算公式。

3.3.3、太陽高度角〃的計(jì)算

按球面三角形定理，球面三角形邊日勺余弦，等于其他兩邊余弦日勺乘積，加上

該兩邊正弦余其夾角余弦日勺乘積，即

cos/?=cos/cosz+sin/sinzcosP

將Z、P、L時(shí)值代入上式得：

cos(90°-/z)=cos(90°-。)?cos(900-3)+sin(90”一^)-sin(900-S)?cost

因此易得到太陽高度角的計(jì)算公式如下：

sinh=sin^sinJ+cos^cos^cosr

特殊地，正午太陽高度角ho時(shí)，因正午時(shí)的時(shí)角t=0；因此代入上式后可有:

sinh0=sin0*sinb+cos0?cosS

又按照兩內(nèi)角和日勺三角函數(shù)可以得到,

sinh0二cos(。-S)與cos(。-S)=sin(90'±(。一5))

得到正午太陽高度角公式

%=90”-3-。)，或者％=90。一(°一3)

春秋分時(shí)的正午太陽高度角時(shí)候赤緯5=()。

3.3.4、太陽方位角A曰勺計(jì)算

按照計(jì)算太陽高度角時(shí)候所取的球面三角形，運(yùn)用球面三角形的正弦定理，

得到:

sinp_sinz

sinPsinZ

將p,p,z,z的I值代入上式得：

sin(90"-/?)_sin(90'>-b)

sinrsinA

從而：

cosh_cos*

sinhsinA

得到:

.,cost)-sinr

sinA=-------------

cosh

3.3.5、日出、日落時(shí)間的計(jì)算

在日出、日落日勺時(shí)候,太陽高度角，=0,將sinh=sin0°=0的值代入高度角

公式，得到：

sin^sin^+cos^cos^cosr=0

從而可以推導(dǎo)出：

sin^-sin^

cost=----------------

cos0cos3

深入得到日出、日落日勺時(shí)角公式：

吆。

cosr=---

tgb

上式所示的日出、日落的時(shí)角公式中，時(shí)角t有正、負(fù)二值，負(fù)值為日出時(shí)間，

正值為日落時(shí)間。求出時(shí)角t值后，則可深入得到有關(guān)的時(shí)間。

3.3.6、日出、日落方位角的計(jì)算

日出、日落時(shí)刻太陽高度角/?=(),將cosh=cosO"=1的值代入求解方位角口勺

公式，得到日出、日落時(shí)的方位角求解公式：

sin&=cos<y-sinr

式中，A。為日出、日落時(shí)的方位角，A。有正、負(fù)二值，正值為日落方位角，負(fù)值

為日出方位角。

4、本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)

4.1基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)研制

(1)基于位置的單向由度太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。運(yùn)用衛(wèi)星定位導(dǎo)

航系統(tǒng)GPS接受機(jī)，給出顧客所在地歐)緯度數(shù)據(jù)，設(shè)定并固定電池板的俯仰角；

根據(jù)GPS接受機(jī)給出的時(shí)間信息，實(shí)時(shí)計(jì)算太陽的方位角，通過計(jì)算得到燈數(shù)

據(jù)內(nèi)容，控制水平方位電機(jī)H勺轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽能電池板保持與太陽矢量方向垂直。

(2)基于位置的雙自由度太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。運(yùn)用衛(wèi)星定位導(dǎo)

航系統(tǒng)GPS接受機(jī)給出顧客所在地日勺緯度數(shù)據(jù)，通過控制太陽能電池板頂桿日勺

移動(dòng)，調(diào)整電池板的俯仰角；根據(jù)GPS接受機(jī)給出口勺時(shí)間信息，實(shí)時(shí)計(jì)算太陽

日勺方位角，通過控制水平方位電機(jī)歐I轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽能電池板保持與太陽矢量方

向垂直。

單

驅(qū)

片

功

器

機(jī)

模

PC104

塊

土計(jì)標(biāo)機(jī)控制單元

六格口

GPS接收

機(jī)

太陽方位方位破傳感器

電池板方位反饋

圖10、基于位置控制歐I系統(tǒng)構(gòu)造圖

(3)基于位置日勺太陽能電池板控制系統(tǒng)日勺軟件流程圖，通過對位置控制環(huán)節(jié)

日勺簡要論述，下面給出基于這種控制日勺軟件框圖。

圖11、基于位置控制H勺軟件框圖

4.2基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)研制

(1)、基于能量的單自由度跟蹤控制系統(tǒng)研制C根據(jù)顧客所在地的緯度數(shù)據(jù)，

設(shè)定并固定電池板的俯仰角；根據(jù)能量傳感器檢測信息，計(jì)算能量最大時(shí)的方位

角，通過控制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽能電池板保持與能量最大的矢量方

向垂宜。

(2)、基于能量的雙自由度太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。根據(jù)能量傳感器

檢測信息，計(jì)算能量最大時(shí)的方位角、俯仰角，通過控制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、

太陽能電池板頂桿的移動(dòng)，使得太陽能電池板保持與能量最大口勺矢量方向垂直。

光強(qiáng)傳感器

光強(qiáng)測R

單月機(jī)模塊

驅(qū)

動(dòng)

器

太陽方位方位磁傳感器

電池板方位反饋

圖12、基于能量最優(yōu)控制的系統(tǒng)構(gòu)造圖

(3)、基于能量的太陽能電池板控制系統(tǒng)的軟件流程圖，通過對能量控制環(huán)節(jié)

的簡要論述，卜面給出基于這種控制的軟件框圖。

圖13、基于能量控制的軟件框圖

4.3具有風(fēng)力保護(hù)的跟蹤控制系統(tǒng)研制

通過風(fēng)力傳感器實(shí)時(shí)檢測風(fēng)力大小，并對電池板的抗風(fēng)模型進(jìn)行分析，編寫

最優(yōu)控制算法，使得系統(tǒng)可以對11級以上口勺臺(tái)風(fēng)進(jìn)行自動(dòng)口勺“規(guī)避”，減弱風(fēng)暴

對電池板方陣的損害，保護(hù)發(fā)電方陣免遭破壞.

5、數(shù)據(jù)采集模塊及電機(jī)拖動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)

5.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊重要提成3個(gè)部分，分別是光強(qiáng)及入射角采集、風(fēng)力采集、以

及GPS和方位角采集模塊。光強(qiáng)采集采用日勺是光強(qiáng)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)

微控單元，其中光強(qiáng)傳及入射角傳感器是由我們自主研發(fā)，4方位實(shí)時(shí)采集天空

中太陽光線的照射強(qiáng)度，并由光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行信號(hào)F向轉(zhuǎn)換，再將電信號(hào)進(jìn)行比

較，形成差模信號(hào)，最終通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)微控單元，完畢對其俯仰位

置FJ調(diào)整。

光強(qiáng)

傳感器

入射角

傳感器

圖14、光強(qiáng)及入射角傳感器模塊圖

風(fēng)力傳感器模塊包括風(fēng)力采集、A