太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

技術(shù)方案

南京航空航天高校自動化學(xué)院

書目

1、太陽能發(fā)電自動跟蹤限制系統(tǒng)發(fā)展概述................................I

1.1國內(nèi)外太陽能發(fā)電跟蹤限制系統(tǒng)發(fā)展概述..........................1

1.2太陽能發(fā)電跟蹤限制系統(tǒng)特點....................................2

2、本系統(tǒng)實現(xiàn)方案概述................................................2

3、太陽跟蹤數(shù)學(xué)模型的建立............................................3

3.1、太陽與地球的位置關(guān)系........................................3

3.1.1夭球與夭球坐標(biāo)系........................................4

3.1.2地平坐標(biāo)系..............................................4

3.1.3赤道坐標(biāo)系...............................................6

3.1.4時角坐標(biāo)系...............................................7

3.2太陽與地球的時間關(guān)系..........................................7

3.3太陽位置計算原理..............................................8

3.3.1、球面三角形的相關(guān)概念....................................8

3.3.2、太陽位置計算原理.......................................11

3.3.3、太陽高度角力的計算.....................................13

3.3.4、太陽方位角A的計算.....................................14

3.3.5、日出、日落時間的計算...................................14

3.3.6、日出、日落方位角的計算.................................15

4、本系統(tǒng)方案實現(xiàn)步驟...............................................15

4.1基于位置的跟蹤限制系統(tǒng)研制...................................15

4.2基于能量最優(yōu)的跟蹤限制系統(tǒng)研制...............................16

4.3具有風(fēng)力愛護(hù)的跟蹤限制系統(tǒng)研制...............................18

5、數(shù)據(jù)采集模塊及電機(jī)拖動模塊實現(xiàn)...................................18

5.1數(shù)據(jù)采集模塊.................................................18

5.2電機(jī)拖動模塊.................................................19

6、成本核算.........................................................20

1、太陽能發(fā)電自動跟蹤限制系統(tǒng)發(fā)展概述

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

任何時期，能源以及資源都是人們賴以生存的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社

會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗隨之增大，節(jié)約能源和找尋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

太陽能資源利用作為國家可持續(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，也是世界上最豐富的太陽能資源地區(qū)之一，尤其是西臧地

區(qū)，空氣淡薄、透亮度高，年日照時間長達(dá)1600—34(X)小時之間，每日光照時

間6小時以上，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，地域呈東西向遞增分布，年改變呈峰形，資源優(yōu)勢得天獨厚，

太陽能應(yīng)用前景特別廣袤,但是利用天陽能又受著位置、地勢等條件的制約。因

此必需設(shè)計一種隨著太陽運動的跟蹤限制系統(tǒng)，使得太陽能電池板接收到的光照

強(qiáng)度最大，資源的利用率最大.

圖I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)太陽能自動跟蹤裝置

現(xiàn)階段國內(nèi)外己有的跟蹤裝置可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種，用以實現(xiàn)方

位與俯仰角的2自由度的轉(zhuǎn)向限制。近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這

方面的探討，主要用于天文觀測、氣象臺的太陽跟蹤。1992年推出了太陽灶自

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

利的應(yīng)用于太陽輻射觀測,1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器,

完成了單軸跟蹤。目前，著太陽能應(yīng)用的普及，眾多的科研院所和企事業(yè)單位針

對太陽能跟蹤限制系統(tǒng)開展了卓有成效的探討。

在目前的太陽能自動跟蹤限制系統(tǒng)中，不論是單軸跟蹤或雙軸跟蹤，太陽跟

蹤裝置可分為：時鐘式、程序限制式、壓差式、控放式、光電式等多種。其中，

時鐘式是依據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)

動的角度，從而確定出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器依據(jù)太陽的位置而相應(yīng)

變動；程序限制式太陽跟蹤裝置，則是通過計算某一時間太陽的位置，再計算出

跟蹤裝置的目標(biāo)位置.，最終通過電機(jī)傳動裝置達(dá)到要求的位置，實現(xiàn)對太陽高度

角和方位角的跟蹤。光電式太陽跟蹤裝置運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)偏差超過一個閾值時，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，實現(xiàn)對太陽高度角利方位角的跟

蹤。

1.2太陽能發(fā)電跟蹤限制系統(tǒng)特點

當(dāng)前市場上的太陽能發(fā)電多是固定式的，與之相比較，本項目探討實現(xiàn)的太

陽能自動跟蹤限制系統(tǒng)，具有更高的發(fā)電效率，參見表1所示。

表I、固定式與自動式參數(shù)比較

電池板面日照日發(fā)電搜尋

項目日輸出功率日儲電量成本

積時間功率范圍

固定式2平方米2?4h1600瓦800瓦800瓦大0度

自動式2平方米6?12h4000瓦2000瓦2000瓦小360度

由表1可見，自動跟蹤發(fā)電限制系統(tǒng)，日照時間更長，輸出功率更高，發(fā)電

效率提高百分之四十到白分之八十，提高效率，降低成本。

2、本系統(tǒng)實現(xiàn)方案概述

上述各種方法，雖然在不同的方面有各自的優(yōu)點，然而在實際的應(yīng)用過程中

或多或少的存在著誤差大，敏捷性差、非全天候跟蹤等缺點。綜合以上幾種方式

的特點，本項目設(shè)計出?套具有限制精度高、敏捷性強(qiáng)、易操作、全自動跟蹤等

優(yōu)點的“傻瓜式”太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)。

本限制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、計算機(jī)限制模塊、以及電力拖動等

模塊組成。采納主控計算機(jī)和多個智能測控模塊相互協(xié)作組成限制系統(tǒng)，主控模

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

所示。

風(fēng)力、風(fēng)速測艮光頰惻fit

風(fēng)力傳感將

單片機(jī)模塊

綜合

單

驅(qū)

片

動

機(jī)S

模

PCKM

塊

上計算機(jī)擰制單元

六亭n*?

GPS接收

機(jī)

太陽方位方位破傳感那

電池板方位反憒

圖2、電池板系統(tǒng)總方框圖

由圖2可知，該限制方案中，包含了風(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、計算機(jī)限制模塊、以及電機(jī)拖動模塊幾個部

分，計算機(jī)通過串口實現(xiàn)7對各個子模塊運行狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)控，同時也將接

收到的各個子模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，再反饋給各個子模塊，從而達(dá)到高精

度與全自動限制，節(jié)約了能源。

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，依據(jù)功能的不同可以有不同的配置方案，從而構(gòu)成不同功

能的跟蹤限制系統(tǒng)。具體狀況可以參見表2所示。

表2、不同功能的跟蹤限制系統(tǒng)方案

序號跟蹤限制系統(tǒng)名稱須要配置的模塊

1基于位置的跟蹤限制系統(tǒng)GPS、方位磁傳感器

光強(qiáng)采集模塊、GPS、

2基于能量最優(yōu)的跟蹤限制系統(tǒng)

方位磁傳感器

3具有風(fēng)力愛護(hù)的基于位置的跟蹤限制系統(tǒng)風(fēng)力傳感器、GPS、方位磁傳感器

4具有風(fēng)力愛護(hù)的基于能量的跟蹤限制系統(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候不行避開的涉及到計算太陽方位角、高

度角、日出日落等計算問題，木節(jié)將對地球繞太陽運行的基本規(guī)律綻開具體分析

與探討。

天球與天球坐標(biāo)系

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

佛自己就身處在整個宇宙的中心，這正是人們對天球的最初印象。為了便利探討

各個天體的位置，引入了天球的概念與天球坐標(biāo)系。

所謂天球，即以視察者為球心，須要的時候也可以把球心假想移到地球或者

太陽的中心，并且以隨意長度為半徑，其上分布著全部天體的球。須要留意的是

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，因而天球的半徑

完全可以自由選取，而不膨響探討問題的實質(zhì)。其次，天球上隨意兩個天體之間

的距離一般都是指它們之間的角距離，亦即是它們對于觀測者的張角。在天球上,

線距離是沒有意義的；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，在地面上不司地方看同?天體的視線方向可以認(rèn)為是相互平行的；

或者也可以反過來說，一個天體放射到地球上不同地方的光相互平行。所以，天

體在天球的視位置，最便利是用球面坐標(biāo)系進(jìn)行表示，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)系依據(jù)原點與基本圖不同而分成地平坐標(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O的地平面與天球相交的地平圈為基本圈，以通

過0點的天頂、天底、地平面南點及北點的子午圈為其次個基本圈，如圖3所

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

地平面的圓圈，稱為高度圈。

圖3、地平坐標(biāo)系

明顯，地平坐標(biāo)系主要有兩個參量：方位角A、高度角h,視察者的頭頂方

向與天球相交的點叫做天頂（z點），從視察者的腳底向卜.延長與天球相交的點叫

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

成一個大圓，這個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的大圓叫做天球子午圈，它利真地平相交與N點與S點，靠近北天極的記做

北點N,和它相對的記做南點S。在地平圈上沿順時針度量，明顯離南北90°分

別可以叫做東點E與西點W。天體在方位上與地平面正南方向所夾的角度，記做

地平方位角，即為A。方位角A,以地平面南點S點為零度，向西為正值，向東

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

平面為零度，向天頂方向為正值，天體沿地平經(jīng)圈向上到天頂叫做這個天體的天

頂距Zo

由圖3可以看出，天體的地平高度與天頂距的關(guān)系是Z=90”-6

通過以上介紹可以得到，地球上任何觀測點的天極高度等于當(dāng)?shù)氐木暥?，?/p>

相像三角形的關(guān)系可以證明，在觀測點。'處的天極方向為p'方向，依據(jù)三角形

角度關(guān)系明顯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是基本圈的極，天赤道與子午圈的交點之一

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

不同而分為第一赤道坐標(biāo)系與其次赤道坐標(biāo)系，前者乂稱之為時角坐標(biāo)系。

如圖5所示，地球自轉(zhuǎn)軸的延長與天球的交點分別表示為北天極P與南天極

P',地球赤道的延長與天球相交的大圓圈稱之為天赤道QQ'。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表示；垂直與天赤道且過兩極的大圓圈叫做經(jīng)圈或者時圈，用I表示。

在赤道其次坐標(biāo)系中（在本系統(tǒng)中沒有用上，所以只簡潔的敘述下），天體的

位置可以運用赤經(jīng)（RA）赤緯（DEC）兩個變量表達(dá)，其中赤經(jīng)（RA）,用a表示,

赤緯（DEC）用3表示，地球公轉(zhuǎn)軌道的延長與天球相交的大圓圈叫做黃道，天赤

道與黃道相交的兩點分別叫做春分點與秋分點。天體的赤經(jīng)a是從春分點起先，

沿著赤道圈逆時針方向計量到天體的赤經(jīng)圈與天赤道的交點，以0?24h表示。

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)。

時角坐標(biāo)系

在時角坐標(biāo)系中，主要的參量是時角t與赤緯6。

赤緯角6,以天球赤道為零度，由此向天球北極P方向為正值；向天球南天

極方向為負(fù)值。時角3以觀測點。與天球赤道南點。'連線為零度線。自天球北

極看，順時針方向為正值，即午后時間；逆時針方向為負(fù)值，即午前時間。

其中用來表示天體X方位的時角t的值，是依據(jù)地球每個小時回轉(zhuǎn)15。計算

確定的。所以若已知天體經(jīng)過正南子午線（時角零度線）至觀測時刻的位置，所經(jīng)

驗的時間乘以15。，即可得到天體在觀測時刻所處位置的時角t值。即：

t=\5k；

式中，K為方位時間，所謂方位時間是以真太陽時正午12時為零時，依此分別

向午前、午后起算的小時數(shù)，逆時針（午前）為負(fù)值，順時針（午后）為正值，即：

左=〃一12；

3.2太陽與地球的時間關(guān)系

由于上述的時角坐標(biāo)系涉及到一些時間上的概念，所以有必要對天文上用到

的時間做個簡要的敘述，以便增加理解力。同時天文上應(yīng)用的時間許多，在這里

就只選擇兩個與本系統(tǒng)有關(guān)的時間概念進(jìn)行簡要的說明。

在天文學(xué)中以太陽周日視運動為依據(jù)而建立的時間計量系統(tǒng)叫真太陽日，所

謂真太陽時是指以太陽為視網(wǎng)面中心。真太陽連續(xù)兩次通過上中天（即觀測地的

地理經(jīng)度）的時間間隔，叫做真太陽時。真太陽位于上中天的時刻，叫做真中午,

所以真太陽時具有地方性，不同的地方真中午的時刻是不同的，一個真太陽日分

成24小時真太陽時，真太陽是以真太陽是時角t進(jìn)行度量的，明顯人們在應(yīng)用

真太陽日時候，由于各個地方的真太陽時不同，且地球在軌道上運行的速度不一

樣，從而導(dǎo)致真太陽時不一樣性。所以給人們生活中帶來了諸多的不便。

為了彌補(bǔ)真太陽時所帝來的不便，天文學(xué)家應(yīng)用了平太陽時的概念，所謂平

太陽時，即在黃道平面（地球公轉(zhuǎn)平面）引入一個做等速的假想點，其運行速度等

于真太陽運行的平均速度，并和真太陽同時出現(xiàn)在春分點與秋分點，這個假想點

就是平太陽。以平太陽為參考點來衡量地球自轉(zhuǎn)一周的時間，叫做平太陽日，一

個平太陽日分成24小時的平太陽時。明顯真太陽時與平太陽時的時間可以通過

時差來表示，其中時差可以通過萬年歷進(jìn)行查詢得到。即：

-0

式中：表示時差，（為真太陽時，。為平太陽時

3.3太陽位置計算原理

3.3.1、球面三角形的相關(guān)概念

人們引入了天球的概念后，把宇宙空間的恒星等投影到天球面上，探討它們

在天球上的位置和運動，而忽視它們在宇宙空間的實際分布。因此，必需熟識球

面的一些基本的性質(zhì)。

一、球面基本性質(zhì)

1、球面上的基本圓

在立體幾何中，我們知道任何平面與球面相交，其截口總是圓；不通過球心

的平面截球面所得的截口是小圓：而通過球心的平面截出的圓最大，稱為大圓，

大圓的半徑正是球半徑。明顯，大圓把球面分成相等的兩部分。

通過球面上不在同始終徑兩端的兩點，可以做多數(shù)個小圓，但只能并且必能

做一個大圓；因而在球面三角形中，一般只涉及大圓，只探討大圓的性質(zhì)和關(guān)系。

考慮地面點的地理坐標(biāo)時，地理緯圈，除赤道外，都是小圓：而全部地理經(jīng)圈都

是大圓。

2、球面上的兩點距離

球面上兩點A、B之間的大圓?。ㄝ^短的那段），的長度叫做球面上兩點AB

之間的距離，可以證明：在球面上連接A、B兩點的全部曲線中AB最短。

3^球面上圓的極

對于球面上一已知圓，（不論大圓或小圓），垂直與這已知圓所在平面的球直

徑的端點，稱之為這個圓的極。明顯極到對應(yīng)圓周上各個點的距離相等，這個距

離叫做極距。

4、球面角

兩個大圓弧相交所成的角，稱之為球面角。兩個大圓弧的交點叫做球面角的

頂點，大圓弧稱之為球面角的邊，球面角是以過頂點的圓弧的二切線所夾的角度

來度量的。

二、球面三角形的定義

球面上兩兩相交的三個大圓弧所圍成的幾何圖形稱之為球面三角形，這三個

大圓弧成為球面三角形的邊，用4、b、C表示。各個大圓弧所成的球面角稱之為

球面三角形的角。用A、B、C表示。以上統(tǒng)稱為球面三角形的六要素。

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，只有駕馭了它們的基本性

質(zhì)，才能進(jìn)一步的探討本課題中涉及的天文學(xué)學(xué)問與計算問題。

三、球面三角形相關(guān)公式

對于給定的球面三角形，其邊與角滿意肯定的函數(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)角的正弦成正比，即：

sina_sinZ?_sinc

sinAsinBsinC

②余弦定理

球面三角形任一邊的余弦等于其他兩邊余弦的乘積加上這兩邊的正弦及其

所夾角的余弦的連乘積，以〃邊為例，即

cos。=cOS/J-cosc+sinZ??sinc?cos

其他兩邊的余弦公式可上面的對稱，可以用相應(yīng)的邊和角代換。

圖8、余弦定理示意圖

下面簡潔的對球面余弦定理進(jìn)行相關(guān)的證明。

如圖8所示，取球面三角形ABC,將各個頂點與球心0相連接，可以得到一

個球心三角形0-ABC,過頂點A作b、c邊的切線，分另?.相交0C、0B延長線與N、

Mo由此得到的兩個平面直角三角形0AM、0AN和兩個平面三角形0M\、AMN。

在OMN中，依據(jù)平面三角形余弦定理可以得到如卜.等式:

而9=5，+麗?一2麗?麗cost?

同樣在三角形AMN中，~MN~+AN2-2-AMANcosA

因此，麗？+麗2-2.麗?麗?cosa=藺2+麗2一2?赤?麗.cosA,則

2OM-CWCOS?=(ZW；-^2)+(ZW2-AM2)+2AM-^VCOSA

=2?次+2而?巾cosA

#卜1OAOAANAM

fyl以，cosci=---?----+---?^=-cosAA

ONOMONOM

工「~5kOAinb=—,sinc=@^，代入上式，則可以推導(dǎo)

mJcos/?=---，cosc=^=,S

ONOMONOM

出開頭的余弦定理。

3.3.2、太陽位置計算原理

計算太陽在天球中對于地球上某點的相時位置，是由該觀測點的地理緯度、

季節(jié)（年、月、日）和時間三個因素來確定的，通常以地平坐標(biāo)系以及赤道坐標(biāo)系

同時表示太陽的位置。即以高度角力、方位角A、赤緯b以剛好角，來表示的。

圖9中用兩坐標(biāo)表示出了太陽在天球中運行的位置示意圖。

圖9、太陽在天球位置示意圖

圖9中，各符號意義如下：

X--太陽位置；

ESWN-地平圈；

ZLZ—為方位圈，Z為天頂；

-為天球赤道；

尸。尸--為子午圈；

九P—為時圈，P為天球北極;

/SOM=A--為太陽方位角；

NMOL=/…為太陽高度角：

N7OL3-為赤緯；

NT。。=，一為時角；

NPON=0-為地理緯度。

明顯，在圖9中ALPZ構(gòu)成球面三角形，其內(nèi)角可以表示為：Z=〃-A,P=1°

其中NZ、4P、NL各個頂點的對邊分別為：z、p、1。從圖中得知：

計算太陽位置時，觀測點的地理緯度。、赤緯5、以即好角/均為己知。利用己

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、日出口落方

位角以剛好間的計算公式＜

3.3.3、太陽高度角力的計算

按球面三角形定理，球面三角形邊的余弦，等于其他兩邊余弦的乘積，加上

該兩邊正弦余其夾角余弦的乘積，即

cos/?=cos/cosz+sin/sinzcosP

將Z、P、L的值代入上式得:

cos(90°-/?)=cos(90°-°)?cos(90°-5)+sin(90°-河?sin(90”-5)?cosr

所以易得到太陽高度角的計算公式如下：

sinh=sin。sin3+cos。cos'cos/

特別地，正午太陽高度角ho時，因正午時的時角t=D；所以代入上式后可有:

sinh。=sin0sinK+cos0cosK

乂依據(jù)兩內(nèi)角和的三角函數(shù)可以得到,

sinh0二cos(。一S)與cos@-6)=sin(90'土(。-6))

得到正午太陽高度角公式

%=90“-(3-0),或者%=90°-S-3)

春秋分時的正午太陽高度角時候赤緯5=0。

3.3.4、太陽方位角A的計算

依據(jù)計算太陽高度角時候所取的球面三角形，運用球面三角形的正弦定理，

得到：

sinp_sinz

sinPsinZ

將p,p,z，z的值代入上式得：

sin(9O“/7)_sin(90“一.)

sintsinA

從而：

coshcosJ

sinhsinA

得到：

.cos^>sinz

4sinA=---------

cosh

3.3.5、日出、日落時間的計算

在日出、日落的時候，太陽高度角〃=(),將sinh=sin。,=0的值代入高度角

公式，得到：

siii^sin^+cos^-cos^cosr=0

從而可以推導(dǎo)出：

sin<bsin6

COSl=-----L-----7

COS。COS*

進(jìn)一步得到日出、日落的時角公式：

COSZ=

1端

上式所表示的日出、日落的時角公式中，時角t有正、負(fù)二值，負(fù)值為日出時間,

正值為日落時間。求出時用t值后，則可進(jìn)一步得到相關(guān)的時間。

3.3.6、日出、日落方位角的計算

日出、日落時刻太陽而毆角/?=0,將cosh=cosO"=1的值代入求解方位角的

公式，得到日出、日落時的方位角求解公式：

sin&=cos^sinr

式中，人為日出、日落時的方位角，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)方案實現(xiàn)步驟

4.1基于位置的跟蹤限制系統(tǒng)研制

(1)基于位置的單自由度太陽能電池板跟蹤限制系統(tǒng)研制。利用衛(wèi)星定位導(dǎo)

航系統(tǒng)GPS接收機(jī)，給出用戶所在地的緯度數(shù)據(jù)，設(shè)定并固定電池板的俯仰角；

依據(jù)GPS接收機(jī)給出的時間信息，實時計算太陽的方位角，通過計算得到的數(shù)

據(jù)內(nèi)容，限制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動，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限制系統(tǒng)研制。利用衛(wèi)星定位導(dǎo)

航系統(tǒng)GPS接收機(jī)給出用戶所在地的緯度數(shù)據(jù)，通過限制太陽能電池板頂桿的

移動，調(diào)整電池板的俯仰角；依據(jù)GPS接收機(jī)給出的時間信息，實時計算太陽

的方位角，通過限制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動，使得太陽能電池板保持與太陽矢量方

向垂直。

單

蓼

片

動

機(jī)S

模

PCIIM

塊

上計算機(jī)??制單元

六串n

CPS接收

機(jī)

太陽方位方位妙傳魅器

電池板方位反忸

圖10、基于位置限制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)基于位置的太陽能電池板限制系統(tǒng)的軟件流程圖，通過對位置限制步驟

的簡要敘述，下面給出基于這種限制的軟件框圖。

圖II、基于位置限制的軟件框圖

4.2基于能量最優(yōu)的跟蹤限制系統(tǒng)研制

(1)、基于能量的單自由度跟蹤限制系統(tǒng)研制。依據(jù)用戶所在地的緯度數(shù)據(jù)，

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

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

向垂直。

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

檢測信息，計算能量最大時的方位角、俯仰角，通過限制水平方位電機(jī)的轉(zhuǎn)動、

太陽能電池板頂桿的移動，使得太陽能電池板保持與能量最大的矢量方向垂直。

光強(qiáng)傳感器

單片機(jī)模塊

單

片

機(jī)

模

PC1G4

塊

上計/機(jī)控制單元

六申門

CPS接收

機(jī)

太陽方位方位段傳感器

電池板方位反饋

圖12、基于能量最優(yōu)限制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)、基于能量的太陽能電池板限制系統(tǒng)的軟件流程圖，通過對能量限制步驟

的簡要敘述，下面給出基于這種限制的軟件框圖。

助于開始

慳序開始

根據(jù)能量傳感器信息計算

能及最大時

采集并計算

方位角及俯仰角

GPS緯度數(shù)據(jù)

控制電機(jī)

囚定太陽俯抑角掙制電機(jī)

謝X太陽俯仰角

粗搟能反傳感戕信息計算

能量最大時方位角，池板頂桿是否到;

指定位聲

是

控制電機(jī)

調(diào)節(jié)太陽方位免控制也機(jī)

說節(jié)太陽方位角

&池板是古谷

太陽光車白

是

程序結(jié)束

程序結(jié)束

圖13、基于能量限制的軟件框圖

4.3具有風(fēng)力愛護(hù)的跟蹤限制系統(tǒng)研制

通過風(fēng)力傳感器實時檢測風(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)限制算法，使得系統(tǒng)可以對11級以上的臺風(fēng)進(jìn)行自動的“規(guī)避”，減弱風(fēng)暴

對電池板方陣的損害，愛護(hù)發(fā)電方陣免遭破壞。

5、數(shù)據(jù)采集模塊及電機(jī)拖動模塊實現(xiàn)

5.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要分成3個部分，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)采集采納的是光強(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方位實時采集天空

中太陽光線的照耀強(qiáng)度，并由光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換，再將電信號進(jìn)行比

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

置的調(diào)整。

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/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)微控單元，原理與實現(xiàn)步

驟于上述方法類似。

圖15、風(fēng)力傳感器模塊圖

最終的數(shù)據(jù)采集模塊是GPS和方位角采集模塊，依據(jù)天文學(xué)的理論，處于不

同緯度與經(jīng)度的地區(qū)，其每天的日出時刻是不一樣的，所以在本系統(tǒng)中的GPS

模塊作用就是克服處于不同緯度所帶來的系統(tǒng)誤差，同時對于不同季節(jié)，太陽運

行軌跡也是不相同的，所以依據(jù)以往的“閱歷值”進(jìn)行計算太陽方位的做法誤差特

別大，遇到陰雨天的狀況下，往往失去跟蹤目標(biāo)，反而奢侈了電能。所以在本系

統(tǒng)中，通過GPS定位出所在地的經(jīng)緯度、以剛好間變量，通過一系列的算法，

得出所在地每天的日出時間，日出方位，最終依據(jù)這些數(shù)據(jù)，使得電池板每天自

動的轉(zhuǎn)向起始