太阳能电池板双轴自动跟踪伺服控制系统的设计

题目：光伏发电太阳能电池板双轴伺服控制系统研究

一、题目说明

1、双轴跟踪的基本原理

双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度----方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图1.1所示，太阳能设备的能量转换部分的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。

图1.1 极轴式跟踪

高度角---方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图1.2所示。太

图1.2 高度---方位角式全跟踪

阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。

2、光伏发电系统光电板自动跟踪系统的原理

太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，如果改变入射角，发电量将明显下降。其基本原理与结构为：由2台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器与太阳能电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能电池板方阵平面与光线构成90度角而停止转动，并完成一次调整周期。如此不断地调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪功能。该系统不需设定基准位置，跟踪器永远不会迷失方向。系统还设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试。光电板跟踪系统框图如图1.3所示。

图1.3 光电板自动跟踪系统框图

3、太阳高度角和方位角

1) Coper方程

太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以 表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士23°27′的范围。夏天最大变化到夏至日的+23°27′;冬季最小变化到冬至日的-23°27′.太阳赤纬随季节变化，按照Coper方程，

计算得：

)365

284360sin(45.23n +?=δ (2.1) 式中，n 为一年中的天数，如:在春分，n=81，则δ=0，自春分日起的第d 天的太阳赤纬为: )365

2sin(45.23d πδ= (2.2)

2) 太阳角的计算 如图1.4所示，指向太阳的向量S 与天顶Z 的夹角定义为天顶角，用θ Z 表示；向量S 与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h 表示；S

在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用γ表示。太阳的时角用ω表示，它定义为:在正午时ω=0，每隔一个小时增加15°，上午为正，下午为负。

图1.4 太阳角的定义

①太阳高度角

计算太阳高度角的表达式为

sinh=sin φsin δ+cos φcos δcos ω （2.3）

式（2.3）中，φ为地理纬度；δ为太阳赤纬角；ω为太阳时角。

正午时 ，ω =0，cos ω=1，(2.3)式可以简化为：

sinh=sin φsin δ+cos φcos δ=cos(φ-δ) （2.4）

因为，cos(φ-δ)=sin[90士(φ-δ)]，所以

sinh=sin[90土（(φ-δ)）] （2.5）

正午时，若太阳在天顶以南，即φ>δ，取

sinh=sin[90一(φ-δ)] （2.6）

从而有，

h=90+(φ-δ) （2.7）

在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有φ=δ，从而h=90°。

②太阳方位角

太阳方位角按下式计算， cosh

cosh sin sin sinh cos δδγ-= (2.8) 也可用下式计算， cosh

sin cos sin ωδγ= (2.9) 根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式(2.8)或者式(2.9)中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。

利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。

下面是太阳位置计算程序流程图。

4、发电跟踪系统组成

发电跟踪系统的组成框图如图1.5所示。

1.5 发电跟踪系统组成框图5、跟踪系统的机械结构简图

跟踪系统的机械结构简图如图1.6所示。

1.6 跟踪系统的机械结构简图6、控制系统的结构

控制系统结构如图1.7所示。

由上图可以看出，需要做两部分的工作。(1)这是个跟踪问题，首先就需要计算出需要跟踪的轨迹。跟踪的轨迹分为两条，一条是水平方向的，一条是垂直方向的。这里的轨迹是结合太阳位置计算方法和第二章得出的结论来设计的。将水平方向的位置用方位角来表征，垂直方向的位置用高度角来表征。那么，太阳高度角Th是指太阳光线与水平面的交角，方位角TA 则是指阳光在水平面上投影和当地子午线间的夹角。太阳的方位角和高度角分别对应着太阳能电池板的水平方位和垂直方位。在此将电池板的水平方位叫做电池板的方位角用TA 来表示( 可以以正北方向为基准也可以以正南为基准，这里以正北方向为基准线)，将电池板的垂直方位叫做电池板的俯仰角，记做Th。要知道本控制系统的跟踪轨迹就必须求出太阳的位置，那么第一部分的研究内容就是研究地球绕太阳运行的基本规律，从而得出不同时间不同地点下太阳的运动轨迹，最后设计双轴跟踪支架的跟踪轨迹。(2)得到跟踪轨迹之后，接下来就是控制问题。

二、任务

尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统，以提高太阳能电池的光电转化率。该系统是以单片机为核心（或以PLC做控制器），控制伺服电机使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸收效率。具体任务如下：

1、控制系统

A、硬件部分

1）设计出控制系统电路原理总图

2）设计主要组成部分的电路

3）主要部件或元件的技术性能及选型

B、软件部分

1）控制系统的流程图或功能图（SFC图）2）控制系统程序

2、设计说明书—毕业设计论文