【導(dǎo)讀】任何時期，能源以及資源都是人們賴以生存的基礎(chǔ)。進入21世紀(jì)，隨著社。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。兆焦耳/平方米，地域呈東西向遞增分布，年變化呈峰形，資源優(yōu)勢得天獨厚，太陽能應(yīng)用前景十分廣闊。但是利用天陽能又受著位置、地勢等條件的制約。位與俯仰角的2自由度的轉(zhuǎn)向控制。近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這

　　

【正文】 Asincossinhcosh ?? 得到： c os hs inc oss in tA ?? ? 、日出、日落 時間的計算 在日出、日落的時候，太陽高度角 0?h ，將 00sinsinh ?? o 的值代入高度角公式，得到： 0c osc osc oss ins in ????? t???? 從而可以推導(dǎo)出： ?? ?? co sco s s ins inco s ????t 進一步得到日出、日落的時角公式： ??tgtgt ??cos 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。求出時角 t 值后， 則可進一步 得到相關(guān)的時間。 第 15 頁 、日出、日落方位角的計算 日出、日落時刻太陽高度角 0?h ， 將 10coscos h ?? o 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： tA s inco ss in 0 ?? ? 式中 ， A0為日出、日落 時的 方位角， A0有正、負(fù)二值，正值為日落方位角，負(fù)值為日出方位角。 本系統(tǒng)方案實現(xiàn)步驟 基于位置的跟蹤控制系統(tǒng)研制 (1) 基于位置的單自由度太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)研制。利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng) GPS 接收機，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；根據(jù) GPS 接收機給出的時間信息，實時計算太陽的方位角，通過計算得到的數(shù)據(jù)內(nèi)容，控制水平方位電機的轉(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控 制系統(tǒng)研制。利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng) GPS 接收機給出用戶所在地的緯度數(shù)據(jù)，通過控制太陽能電池板頂桿的移動，調(diào)節(jié)電池板的俯仰角；根據(jù) GPS 接收機給出的時間信息，實時計算太陽的方位角，通過控制水平方位電機的轉(zhuǎn)動，使得太陽能電池板保持與太陽矢量方向垂直。 圖 基于位置控制的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 (3) 基于位置的太陽能電池板控制系統(tǒng)的軟件流程圖，通過對位置控制步驟的簡要敘述，下面給出基于這種控制的軟件框圖。 第 16 頁 圖 1基于位置控制的軟件框圖 基于能量最優(yōu)的跟蹤控制系統(tǒng)研制 (1)、基于能量的單自由度跟蹤控制系 統(tǒng)研制。根據(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；根據(jù)能量傳感器檢測信息，計算能量最大時的方位角，通過控制水平方位電機的轉(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控制系統(tǒng)研制。根據(jù)能量傳感器檢測信息，計算能量最大時的方位角、俯仰角，通過控制水平方位電機的轉(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。 第 17 頁 圖 1基于 能量最優(yōu) 控制的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 (3)、基于能量的太陽能電池板控制系統(tǒng)的軟件流程圖，通過對能量控制步驟的簡 要敘述，下面給出基于這種控制的軟件框圖。 第 18 頁 圖 1基于能量控制的軟件框圖 具有風(fēng)力保護的跟蹤控制系統(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)模型進行分析，編寫最優(yōu)控制算法，使得系統(tǒng)可以對 11 級以上的臺風(fēng)進行自動的 “ 規(guī)避 ” ，減弱風(fēng)暴對 電池板 方陣的損害，保護發(fā)電方陣免遭破壞。 數(shù)據(jù)采集模塊及電機拖動模塊 實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要分成 3 個部分，分別是光強及入射角采集、風(fēng)力采集、以及 GPS 和方位角采集模塊。光強采集采用的是光強傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機微控單元，其中光強 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射強度，并由光電轉(zhuǎn)換器件進行信號的轉(zhuǎn)換，再將電信號進行比較，形成差模信號，最后通過 A/D 轉(zhuǎn)換送入單片機微控單元，完成對其俯仰位置的調(diào)整。 圖 1光強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、單片機微控單元，原理與實現(xiàn)步驟于上述方法類似。 圖 1風(fēng)力傳感器模塊圖 第 19 頁 最后的數(shù)據(jù)采集模塊是 GPS 和方位角采集模塊，根據(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，所以按照以往的 “經(jīng)驗值 ”進行計算太陽方位的做法誤差非常大，遇到陰雨天的情況下，往往失去跟蹤目標(biāo)，反而浪費了電能。所以在本系統(tǒng)中，通過 GPS 定位出所在地的經(jīng)緯度、以及時間變量，通過一系列的算法，得出所在地每天的日出時間，日出方位，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)，使得電池板每天自動的轉(zhuǎn)向起始位置，而后加入光電跟蹤模塊，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，在操作方面實現(xiàn)了 “ 傻瓜式 ” 的跟蹤。同時通過方位角的測量，單片機微控單元讀入此刻電池板的地理偏向，并儲存起來，作為電機 控制電池板轉(zhuǎn)向的初始值。因此本電池板控制系統(tǒng)能夠大范圍、跨緯度的得到應(yīng)用，克服了以往電池板控制系統(tǒng)在地域上應(yīng)用的局限性，并在電池板控制系統(tǒng)安裝就位后，無人調(diào)整，自動跟蹤上的智能性。 圖 1 GPS/方位磁傳感器 電機拖動模塊 電機拖動模塊部分主要包括 2 個伺服電機，實現(xiàn)了方位角、俯仰角的 2 個自由度的跟蹤，同時由于系統(tǒng)中的電池板面積較大，因此不能使用一般的器件進行直接的驅(qū)動，本系統(tǒng)選用了大功率可控整流器件 ——(SCR)晶閘管驅(qū)動伺服電機，并且控制伺服電機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確運動到另外一個位置，伺 服電機的位置控制需要兩個參數(shù)，第一個參數(shù)是伺服電機控制的執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，我們稱為絕對位置。絕對位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍，超越了這個極限就應(yīng)報警。第二個參數(shù)是從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的角度，我們可以用軟件解算的方式將這個角度折算成伺服電機的轉(zhuǎn)換角度。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時，即執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置差正好減到一個域值時停轉(zhuǎn)。因此，用角度差等于一個域值可以判斷電池板朝向是否移動到目標(biāo)的位置。運行過程中電機通過內(nèi)部自帶的光電編碼管對其位置進行負(fù)反饋控制，對電池板位置進行不斷的調(diào)整，直 到達(dá)到要求為至，從而精度得到大幅度的提高。 第 20 頁 圖 1電機拖動模塊圖 成本核算 表 成本核算表 序號 系統(tǒng)模塊 模塊 功能 參考價格 1 PC104 與全溫電源板 主控制 CPU 模塊 及電源 模塊 萬 2 GPS/磁方位傳感器 確定所在地區(qū)地理參數(shù) 、方位角 萬 3 光強及入射角傳感器 測定光線強度及入射角 萬 4 風(fēng)力及風(fēng)向傳感器 測定實時風(fēng)力大小 萬 5 電 機控制 模塊 控制 電 機轉(zhuǎn)動 萬 6 蓄電池 儲存電源 合計 萬 綜合以上基于跟蹤的電池板控制系統(tǒng)于 未跟蹤的電池板控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的成本核算等的評估，顯然基于自動跟蹤電池板控制系統(tǒng)收集太陽能時間長， 太陽能 利用率高，應(yīng)用前景廣，整個系統(tǒng)投入成本后，能夠很快收回，并取得盈利。