高精度太陽(yáng)能聚光雙軸定時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能雙軸全自動(dòng)聚光跟蹤控制系統(tǒng)，使可以放多個(gè)太陽(yáng)能電池模塊的框架平臺(tái)可以跟蹤太陽(yáng)光旋轉(zhuǎn)，并保持框架平臺(tái)上的太陽(yáng)能電池與陽(yáng)光入射角保持垂直，以達(dá)到光能的最大獲取率。在考慮太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可以同時(shí)跟蹤太陽(yáng)軌跡的二軸框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，方位軸和俯仰軸。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，設(shè)計(jì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結(jié)合的自適應(yīng)智能跟蹤方法，全自動(dòng)地準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)的位置，跟蹤精度小于0．4°，最大限度的接收太陽(yáng)能，提高了太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的效率。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能聚光；光伏組件；高精度跟蹤；伺服控制

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。近年來(lái)，隨著太陽(yáng)電池成本下降，光伏發(fā)電已成為太陽(yáng)能利用中最具活力的領(lǐng)域，而提高光伏發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率是進(jìn)一步利用太陽(yáng)能、降低成本的重要課題。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，需要提高光伏陣列吸收太陽(yáng)輻射能量的能力。其主要解決途徑是使光伏組件的框架平臺(tái)受光面能正對(duì)太陽(yáng)，使相同的輻照條件下比固定安裝的光伏組件能吸收更多的太陽(yáng)輻射能量。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動(dòng)跟蹤裝置，成本最低的最佳傾角固定安裝光伏陣列，由于太陽(yáng)光入射角隨晝夜、季節(jié)變化，光伏組件陣列不能充分吸收太陽(yáng)輻射的能量，且由于光伏組件聚光后產(chǎn)生的高溫，有可能反而造成不必要的損失。
文中在考慮太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可以同時(shí)跟蹤太陽(yáng)軌跡的兩軸框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)。采用太陽(yáng)軌跡自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)隨時(shí)根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡調(diào)整陣列表面位置以減小入射角，在相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏陣列更多的太陽(yáng)輻射能量。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，運(yùn)用太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結(jié)合的自適應(yīng)智能跟蹤方法，全自動(dòng)地準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)的位置，最大限度的接收太陽(yáng)能，提高了太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的效率。

1 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡及平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)
1．1 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡
太陽(yáng)軌跡跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行原理為：依據(jù)天體運(yùn)行規(guī)律，實(shí)時(shí)計(jì)算出太陽(yáng)對(duì)應(yīng)于當(dāng)?shù)貢r(shí)間、經(jīng)度、緯度的與水平面相對(duì)的方位角和俯仰，進(jìn)而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架平臺(tái)按照確定的角度運(yùn)行，以使光伏組件正對(duì)太陽(yáng)光的最強(qiáng)點(diǎn)。
在太陽(yáng)能利用文獻(xiàn)中有大量的文獻(xiàn)，涉及太陽(yáng)位置的算法上述算法有些簡(jiǎn)單，有些復(fù)雜。但無(wú)論算法的簡(jiǎn)單與否，最終均需計(jì)算出太陽(yáng)的赤緯角、當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)角，并以此為變量，利用球面三角公式或矢量法計(jì)算太陽(yáng)視位置的地平坐標(biāo)(方位角、俯仰角)。太陽(yáng)位置地平坐標(biāo)計(jì)算通用公式如下所示：

其中，el是太陽(yáng)高度角；az是太陽(yáng)方位角；δ是太陽(yáng)赤緯角：ω是太陽(yáng)時(shí)角；φ是當(dāng)?shù)鼐暥取?br /> 由以上公式可知，太陽(yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角的估算與太陽(yáng)位置的計(jì)算密切相關(guān)，其估算精度直接影響太陽(yáng)位置的計(jì)算精度。其中太陽(yáng)赤緯角δ是太陽(yáng)光線與地球赤道的夾角(以北為正)。一年內(nèi)，太陽(yáng)赤緯角在之間變動(dòng)。要確定某一天的太陽(yáng)赤緯角，可以利用下面的公式來(lái)進(jìn)行近似的計(jì)算：

其中，DAY為式中：DAY為從1月1日起，到該天的天數(shù)。
由于外界自然環(huán)境復(fù)雜多變，天空中飛起的樹(shù)葉或生活垃圾，以及云層的運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)傳感器檢測(cè)造成干擾，使跟蹤器產(chǎn)生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽(yáng)能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。