太阳跟踪控制方式

太阳跟踪控制方式

国内外，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，基本上可以分为两类:一类是实时的探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪;另一类是根据天文知识计算太阳位置以跟踪太阳的主动式跟踪。文献中介绍了被动式跟踪的典型代表:压差式跟踪器和光电式跟踪器;主动式跟踪的典型代表:控放式跟踪器、时钟式跟踪器和采用计算机控制和天文时间控制的视日运动轨迹跟踪器。以下对两种类型中目前主要采用的光电跟踪

方式和视日运动轨迹跟踪方式进行比较。一般地，在聚光光伏发电的应用多采用校准

的光筒，它可以阻止散射进入传感器达到更精确的太阳位置探测。

（1）光电跟踪

虽然光电跟踪方式本身的精度较高，但是它却具有严重的缺点:在阴天时，太阳辐照度较弱(而散射相对会强些)，光电转换器很难响应光线的变化;在多云的天气里，太阳

本身被云层遮住，或者天空中某处由于云层变薄而出现相对较亮的光斑时，光电跟踪

方式可能会使跟踪器误动作，甚至会引起严重事故。对于太阳能发电来说，是可能在

晴朗、阴天和多云等任何天气情况下进行的。光电跟踪能够在较好的天气条件下，提

供较高的精度，但是在气象条件差时跟踪结果不能令人满意。

（2)视日运动轨迹跟踪

视日轨迹跟踪的原理是根据太阳运行轨迹，利用计算机(由天文学公式计算出每天中日出至日落每一时刻的太阳高度角与方位角参数)控制电机转动，带动跟踪装置跟踪太阳。此跟踪方式通常采用开环控制，由于太阳位置计算与地理位置(如纬度、经度等)和系

统时钟密切相关，因此，跟踪装置的跟踪精度取决于一是输入信息的准确性，二是跟

踪装置参照坐标系与太阳位置坐标系的重合度，即跟踪装置初始安装时要进行水平和

指北调整。

太阳跟踪机构

双轴跟踪

如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，

全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟踪。

1)极轴式全跟踪。

极轴式全跟踪原理如图1一5a所示:跟踪装置的一轴指向天球北极，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。工作时电池板绕极轴运转，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的时角变化;电池板绕赤纬轴作俯仰转动是为了跟踪赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上电池

板的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。

2)高度角一方位角式太阳跟踪。

高度角和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1一sb所示。电池板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。工作时电池板

根据太阳的位置变化绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变电池板的倾

斜角，从而使电池板的法线始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且集热器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。

由于太阳跟踪系统采用地平坐标系运动控制规律较为直观，结构受力特性好、操作性强、容易实现跟踪系统的大型化.因此，本章采用矢量分析方法，主要对地平坐标系全跟踪系统跟踪角运动控制方程和控制方式进行全面地分析，并对跟踪机构的安装误差、运行时间误差、运行误差等可能导致跟踪系统精度降低的因素进行系统研究。

地平坐标下，双轴太阳跟踪系统

β=β(φ,L loc,n,t）

ρ=ρ(φ,L loc,n,t)

双轴跟踪系统运动控制方法

通常，太阳跟踪可以采用连续跟踪和间歇跟踪两种基本方法进行太阳跟踪

系统的运动控制。连续跟踪方法为跟踪角按照太阳位置变化规律随时间连续调

节以跟随太阳运行轨迹的变化的控制方法，根据上节跟踪系统运动特性的研究

结果可以看出，太阳跟踪的两个运动轴的速度非常小，最小速度仅为0.00028转

/min，为了避免系统在超低速运动下出现位置伺服控制的不稳定，系统设计时就

需要非常大的减速比;但是，连续跟踪意味着电机在不停的运动，将消耗大量

的电能，违背了太阳能发电的目的，因此，连续跟踪方法并不适合用在太阳能

发电系统。本论文综合考虑跟踪精度和系统能耗，采用间歇跟踪方法，即每隔一段时间后，运动轴快速调整一次跟踪角，并使各运动轴的转角与其由于停顿导致落后于太阳运行的方位角和高度角相等，其余时间系统跟踪角驱动机构固定不动，如此循环，因而形成跟踪系统间歇追踪太阳的跟踪方法。显然，采用间歇跟踪方法，不仅可以简化系统控制，避免庞大的减速系统;而且可以减少步

进电机的运行次数，增加电机的运行寿命，降低跟踪运动系统本身的能耗。我们知道，虽然间歇跟踪方法具有上述优点，但不可避免的要牺牲系统的跟踪精度，因此本节将从理论上分析不同的运动控制参数对跟踪精度的影响，从而确定在使用要求许可的误差范围内，实现间歇跟踪控制方法。

绝对编码器

位置检测装置是运动控制系统实现精确控制的重要组成部分。在闭环系统

中，它的主要作用是检测位移量，该位移量与给定值进行比较，得到误差信号，控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零。本文采用绝对式的光电编码器用于跟踪系统高度角和方位角位置的反馈。

由于跟踪装置两轴的跟踪范围均在360”以内，编码器若能直接连接在目标检测轴，单圈的绝对编码器就足够。但是考虑跟踪系统机械设计的特点，安装在最后一级输出轴上比较困难，因此编码器需要安装在前一级间接的检测轴的位置，此时轴的转动角度已经超过360度，此时，必须采用多圈的绝对编码器。最终选用上海精浦机电型号为 GAX60R13/12的编码器，其主要性能指标为分辨率/ 圈:8192(13位)，连续4096圈，即能检测的最小角度为

360ο/213二 0.0440

由于绝对编码器的输出信号是以格雷码的形式，为了便于信号的采集和处