太阳自动跟踪装置控制系统的研究(精)

第2期(总第147期

2008年4月机械工程与自动化

M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G &AU TOM A T I ON N o 12

A p r 1

文章编号:167226413(20080220140203

太阳自动跟踪装置控制系统的研究

徐东亮,任超

(武汉理工大学机电学院,湖北武汉430070

摘要:为了更充分、高效地利用太阳能,人们普遍采用跟踪太阳的方式以最大限度地获得更多的光能。介绍了太阳自动跟踪装置控制系统的控制原理及硬件、软件的设计方法。该系统控制软件运行后,PC 机通过串行端口发送和接收脉冲信号以驱动步进电机,实现对太阳运动轨迹的自动跟踪。整个系统结构简单、价格低廉、性能可靠、跟踪精度高。本控制系统基于PC ,具有丰富的软件资源、良好的人机界面以及强大的数据处理能力。关键词:太阳跟踪装置;自动控制;串口通讯;步进电机中图分类号:T P 273文献标识码:A

收稿日期:2007208213;修回日期:2007211201

作者简介:徐东亮(19702,男,福建人,副教授,博士,研究方向为机械电子工程、检测技术与自动化装置。

0引言

太阳能是一种洁净的可再生资源,有着矿物能源不可比拟的优越性,而且太阳能资源十分丰富,是目前可再生能源中应用范围最广泛、发展前景最远大的清洁能源。

虽然太阳能总能量很大,但由于太阳能的能量密

度比较低,在大气层外的平均密度约为1135k W m 2

,再考虑通过大气层的损耗等因素,当到达地面时,只

有不到1k W m 2

。因此为了更充分、高效地利用太阳能,人们普遍采用跟踪太阳的方式以最大限度地获得更多的光能。本文介绍的是基于二维太阳跟踪装置的控制系统,该系统采用视日运动轨迹跟踪的方法计算太阳的高度角和方位角,进而通过PC 控制步进电机,实现全自动、全天候、高精度的太阳跟踪。由于采用在V C ++610环境下通过PC 机串口直接控制步进电机的方法,因此整个系统成本低、简单实用、可靠性高,且具有良好的人机界面,能够广泛应用于气象监测、环境能源利用等领域。1太阳运行轨迹的算法

太阳的运行轨迹,即太阳相对地球的位置可由两种坐标系来描述:赤道坐标系和地平坐标系。111赤道坐标系

赤道坐标系是人在地球以外的宇宙空间里看太阳相对于地球的位置,这时太阳相对于地球的位置是相对于赤道平面而言,用赤纬角和时角这两个坐标表示。11111赤纬角∆

太阳中心与地球中心的连线(即太阳光线在地球表面直射点与地球中心的连线与此连线在赤道平面上的

投影间的夹角称为太阳赤纬角(或称太阳赤纬。它描述地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对位置的变化。一年中,太阳光线在地球表面上的垂直照射点的位置在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动,使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复变化。赤纬角∆(o 在一年中的变化用下式计算:

∆=23145sin (2Πd

365。或∆=23145sin [360×(284+n 365]。

式中:∆——一年第n 天或离春分第d 天的赤纬,春分

和秋分∆=0,冬至∆=-2315o ,夏至∆=2315o ;

d ——由春分算起的第d 天;n ——一年中的日期序号。11112时角Ξ

时角描述因地球自转而引起的日-地相对位置的变化,如无自转,则不存在时角。地面上任意一点与地心连线在赤道平面上投影与当地12点钟的日-地中心连线在赤道平面上投影之间的夹角Ξ为时角。地球自转一周为360o ,对应的时间为24h ,故每小时对应的时角为15o ,从正午算起,上午为负,下午为正,数值等于离正午的时间乘以15。日出、日落时的时角最大,正午时为零。112地平坐标系

地平坐标系是人在地球上观看空中的太阳相对地球的位置。这时,太阳相对地球的位置是相对地面而言的,用高度角ΑS 和方位角ΧS 两个坐标表示

。所谓的相对于地平面,是指太阳与地球间的任何夹角都是与某地的地平面的夹角。

11211天顶角ΗZ

太阳光线和地平面法线之间的夹角ΗZ称为天顶角。

11212高度角ΑS

太阳光线和它在地平面上投影线之间的夹角称为高度角,它表示太阳高出水平面的角度。ΑS的计算式为:

sinΑS=sin5sin∆+co s5co s∆co sΞ。

式中:5——当地纬度。

高度角与天顶角的关系为:

ΗZ+ΑS=90o。

11213方位角ΧS

地平面上正南方向线与太阳光线在地平面上投影间的夹角称为方位角,它表示太阳光线的水平面投影偏离正南方向的角度,由下式计算:

sinΧS=co s∆sinΞ co sΑS。

或co sΧS=(sinΑS sin5-sin∆ (co sΑS co s5。

方位角从正午起算,按顺时针方向为正,逆时针方向为负,也就是上午为负,下午为正。

从上我们可以看出赤道坐标系相对地平坐标系更为直接、简单,可以更为精确地描述太阳的轨迹。但赤道坐标系是以赤道平面、地球的极轴为基准,在实际应用中跟踪装置机械结构的设计和安装都很困难,因此在满足跟踪精度的前提下我们采用地平坐标系,由当地的纬度、日期、时间计算太阳的方位角和高度角,从而控制步进电机实现跟踪装置对太阳的跟踪。2控制系统结构

根据地平坐标系,自动跟踪装置具有两个相互垂直的转轴,即垂直轴和水平轴,分别垂直、平行于当地的水平面。太阳能电池板围绕垂直轴转动实现方位角的变化,围绕水平轴转动实现高度角的变化。

控制系统采用闭环控制,硬件主要由PC机、电平转换电路、定位开关、电机及其驱动器组成。工业PC 运行控制程序,通过计算机串行端口和电平转换模块向步进电机驱动器发送方向脉冲和驱动脉冲,驱动步进电机带动机构运动,在地平坐标系中实现对太阳运行轨迹的跟踪。

(1在两维方向的零点位置安装精密定位开关,机械运动部件运行到基准位置时,通过触发开关向控制端口发送电平信号,实现反馈控制。