基于地平坐標(biāo)系的太陽能追日系統(tǒng)高度角—方位角雙軸跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用研究

金 旭，林臻智，曾奕珂

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

在工業(yè)化時代持續(xù)發(fā)展和逐步形成的影響下，人類社會發(fā)生了巨大的變革，同時在這方面取得了諸多成就，但同時也造成了巨大的能量消耗。伴隨著社會的持續(xù)快速發(fā)展，人類對能源的依賴性也與日俱增[1]。為了保證人類實現(xiàn)持續(xù)進步、發(fā)展，尋求新型能源是現(xiàn)階段亟待解決的問題。太陽能在現(xiàn)階段人們開發(fā)利用所有新型能源中利用時間最長、最為清潔且開發(fā)前景最廣闊。但關(guān)于太陽能的利用效率實際上并不高，只有不到30%，盡管地球表面所接收到的輻射總量非常大，但其同時也表現(xiàn)出明顯的太陽光分散問題，并且極易受到季節(jié)、時間、海拔、天氣等各方面因素的干擾[2-3]。為此，結(jié)合一天中不同時刻太陽所表現(xiàn)出的較為突出的方位變化問題，對太陽軌跡實施定位跟蹤，并結(jié)合軌跡變化情況進行角度的調(diào)整，保證太陽能電池板與入射光線角度能夠始終保持在90°左右，保證太陽輻射能量得到更好的運用[4-6]。太陽能追日系統(tǒng)的研究成為了探討熱點。目前，所開發(fā)研究的各種追日裝置中，機械控制方法非常多，主要是借助電控方式或者壓差式來達到較好的太陽光照跟蹤目的，可以較好地實現(xiàn)對太陽能的收集轉(zhuǎn)化[7-8]，促使太陽能跟蹤效率迅速提升，但這些裝置實際上還存在諸多缺陷，適用性不強。為此，本文研究的主要目的是設(shè)計一種有效且具有較高穩(wěn)定性的太陽能追日系統(tǒng)，更好地對太陽光照進行實時跟蹤，這就能夠幫助太陽能電池組件得到更好的光電轉(zhuǎn)換。

1 太陽能追日系統(tǒng)跟蹤方案設(shè)計

太陽能在實現(xiàn)追日期間，主要通過對太陽的運動軌跡進行全面掌握，并保證太陽光線能夠垂直照射在電池板上，即當(dāng)主光軸的光線表現(xiàn)出傾斜特點時，即可實現(xiàn)對系統(tǒng)工作的控制。這就能夠經(jīng)由指令控制執(zhí)行器來對其做好相對應(yīng)的太陽電池板的調(diào)整處理，從而達到最理想的平行效果。

1.1 太陽能跟蹤方式的選擇

雙軸跟蹤追日系統(tǒng)在設(shè)計的過程中，主要是采用2個不同的旋轉(zhuǎn)軸，保證太陽可以達到相對應(yīng)的軌跡高度角，并通過方位角來落實相對應(yīng)的雙向跟蹤，有著非常強的合理調(diào)整功能。同時，其自身的跟蹤精度也可以實現(xiàn)對單軸跟蹤方式的全面提升，從而獲取更多的太陽能輻射。而太陽能追日系統(tǒng)高度角—方位角雙軸跟蹤系統(tǒng)主要通過地平坐標(biāo)系來做好相對應(yīng)的設(shè)計處理，2根旋轉(zhuǎn)軸可以保持相互垂直[9]。在工作過程中，追日系統(tǒng)主要是在太陽光線高度角、方位角變化的基礎(chǔ)上，通過程序來實現(xiàn)對太陽能電池板的控制，從而達到赤道軸和水平軸運動，促使太陽光線與電池板之間可以達到較高一致性。這種跟蹤方式具備了相對較為穩(wěn)定的干預(yù)效果，且具有較高的太陽能利用率[10]。

1.2 太陽運動軌跡計算

視日運動軌跡在實施跟蹤設(shè)計期間，首先需要將控制器MCU直接與太陽運動軌跡做好相對應(yīng)的計算處理，當(dāng)系統(tǒng)輸入相應(yīng)的位置信息以及時間信息之后，控制器也能夠較好地幫助信息實現(xiàn)快速計算輸入，以便掌握不同時刻狀態(tài)下的運動軌跡變化[11]。在確定太陽方位角、高度角信息后，控制器MCU可以經(jīng)由直流電機來做好太陽位置的跟蹤和驅(qū)動操作。為此，結(jié)合時間信息與地理位置來進行太陽運動軌跡的計算，這是保證太陽能夠更好實現(xiàn)追日系統(tǒng)設(shè)計處理的關(guān)鍵要點。

1.2.1 太陽方位角γs

太陽方位角主要是指追日系統(tǒng)能夠在太陽中心連線與太陽能電池板的地平面上形成正南方向和投影位置的夾角，其具體的計算公式為：

(1)

1.2.2 太陽高度角αs

太陽高度角主要是指太陽能電池板與太陽中心的連線以及地平線所形成的夾角，計算公式為：

sinαs=sinδsinφ+cosδcosφcosω

(2)

式中，φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋沪臑樘柍嗑暯牵沪貫樵谔囟〞r刻太陽時角，以角度來進行時間的表示，上午即為正，下午即為負。正午時刻的時角ω=0，此后時角每小時會相應(yīng)的增加15°，具體的計算公式為：

(3)

1.2.3 太陽時角ω與太陽赤緯角δ的計算

(1)太陽時角ω。太陽時角主要是指太陽每小時所運動的角度，這與時間密切相關(guān)，太陽運動速度在持續(xù)不斷的改變，這就使得真太陽時及其角度能夠表現(xiàn)出非常突出的不均勻性特征。而在處于平太陽狀態(tài)下，則屬于人們?nèi)粘Ｕf的時間概念，同時它也是基于太陽均速運動假設(shè)層面，這就能夠與真太陽之間保持著相對較為突出的時差特性[12]。

必須確保太陽的運動軌跡能夠得到最大程度、最精確的跟蹤處理，同時在程序跟蹤設(shè)計期間，需要為其提供相應(yīng)的真太陽時[13]。真太陽時與平太陽時之間的時差均可以通過定時標(biāo)準(zhǔn)來實施相應(yīng)的校正處理，我國區(qū)域真太陽時確定方法如下：

(4)

式中，Lloc主要用于對觀測位置的地理經(jīng)度進行表示；時差則主要通過時差表來作出相應(yīng)的查詢信息獲取，年際之間所表現(xiàn)出的誤差通常情況下并不大，可以直接忽略。

(2)太陽赤緯角δ。太陽赤緯角可以被視為日地中心與赤道面連線之間所形成的一個夾角[14]。為此，太陽赤緯角每時每刻均有著明顯的差異。

(5)

在春季與秋季正午時分，太陽能夠直接照射在赤道上方，這個過程中赤道赤緯角可以保持為0；在北半球的夏季到正午時刻，太陽直射能夠直射到北回歸線上，這個時候赤緯角δ=23.45°，而處于冬至正午時刻的情況下，太陽會轉(zhuǎn)換到南回歸線，此時赤緯角δ=-23.45°。

2 太陽能追日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

太陽能追日系統(tǒng)往往包含了支撐底座、2個水平軸等，其中驅(qū)動電機1主要用于對傳動齒輪副實施相應(yīng)的控制，從而加強豎直軸的回轉(zhuǎn)運動處理，通過對電池板水平軸方向進行控制，即可實現(xiàn)達到太陽方位角度的跟蹤處理；驅(qū)動電機2則主要針對2個水平軸在上俯仰運動的過程來加強操作控制，同時可以基于赤道軸的方向上做好相對應(yīng)的太陽高度角的跟蹤[15]。

太陽能追日系統(tǒng)主要是經(jīng)由太陽升起時刻來實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)，通過對電池板朝向的合理調(diào)整，即可實現(xiàn)對太陽運動軌跡的跟蹤。在進行日落處理后，追日系統(tǒng)可以逐步恢復(fù)到日出的位置上，并能夠在這個過程中重復(fù)完成下輪的跟蹤。雙軸跟蹤系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙軸跟蹤系統(tǒng)示意

2.1 太陽能追日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對太陽能追日系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)做出相對應(yīng)的設(shè)計操作期間，首先必須全面了解太陽能電池板的相關(guān)參數(shù)情況。太陽能電池板參數(shù)：最大功率290 W；組件尺寸1 955 mm×991 mm×50 mm；質(zhì)量26 kg；工作電壓34.930 V；工作電流8.306 A。

托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與電池板數(shù)量、質(zhì)量之間均密切相關(guān)，研究所提出的太陽追日系統(tǒng)在進行安裝操作過程中，主要設(shè)計了2塊相同尺寸的太陽能電池板，具體尺寸為1 956 mm×992 mm×50 mm。在對太陽能電池板托架選材以及結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，因受到承托力的影響，研究以30 m/s的風(fēng)速來進行承托力的計算，結(jié)合經(jīng)驗公式獲得該支架的風(fēng)壓承托力q為600 N/m2。

為了確保追日系統(tǒng)工作具有較高的穩(wěn)定性，太陽能電池板托架必須有較大的剛度和強度。綜合各方面考量，最終采用厚度為50 mm的電池板托架，其托架主要運用等邊角鋼來作為材料。

2.2 追日系統(tǒng)傳動機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)傳統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計特點，為了更好地提升傳動準(zhǔn)確性，增強大扭轉(zhuǎn)傳動能力、傳動比和較快的調(diào)節(jié)速度，即可較好地實現(xiàn)對追日系統(tǒng)傳動機構(gòu)的合理設(shè)計，從而選擇與普通齒輪傳動與渦輪蝸桿傳動的二級傳動方案(圖2、圖3)。

圖2 雙軸跟蹤裝置示意

圖3 渦輪蝸桿減速機示意

在設(shè)計過程中，追日系統(tǒng)能夠與高度角傳動機構(gòu)、方位角傳動機組成一體，這主要是借助直流機、減速機共同組合而成。方位角的傳動機構(gòu)、跟蹤系統(tǒng)高度角的機構(gòu)如圖4所示。在針對傳動機構(gòu)設(shè)計處理期間，主要采取了大減速比裝置來實現(xiàn)對其整體驅(qū)動力的承載力進行提升，同時還可確保追日系統(tǒng)能夠達到最低啟動和跟蹤精度效果。

圖4 雙軸跟蹤系統(tǒng)傳動機構(gòu)

水平軸與豎直軸均是借助2個不同的驅(qū)動電機來做出相對應(yīng)的控制操作，根據(jù)圖4(a)，方位角、大齒輪均能夠與小齒輪之間形成有效嵌合，減速器1輸出軸與小齒輪相互連接，當(dāng)驅(qū)動電機1在對減速器1進行驅(qū)動運行期間，小齒輪必然能夠繞著大齒輪實現(xiàn)行星轉(zhuǎn)動，同時還可以配合轉(zhuǎn)臺繞著豎直軸來實現(xiàn)對應(yīng)的回轉(zhuǎn)活動處理，確保其能夠更好的完成太陽方位角跟蹤操作。根據(jù)圖4(b)，這就意味著其本身有著較為突出的高度傳動關(guān)系，驅(qū)動電機2能夠幫助減速器2得到更好的運轉(zhuǎn)，減速器2則能夠與小齒輪相互連接，電機2在工作過程中，必將經(jīng)由小齒輪攜帶大齒輪能夠繞水平軸做好相對應(yīng)的俯仰活動，這最大限度保證太陽高度角的跟蹤處理。

2.3 太陽能追日系統(tǒng)三維建模與靜力分析

結(jié)合暖溫帶地區(qū)的地理以及環(huán)境條件，當(dāng)太陽能電池板在進行直射的過程中，配合相對應(yīng)的軌跡跟蹤即可實現(xiàn)對光電轉(zhuǎn)化效率的全面提升，同時還具有高角度自動調(diào)節(jié)、方位角度等環(huán)境自適應(yīng)功能[16-17]。在遭遇到極限條件時，其最大應(yīng)力值與結(jié)構(gòu)形變量均是研究設(shè)計非常重要的內(nèi)容和要點。研究在分析期間，可以配合ANSYS分析軟件來做好相關(guān)靜力處理。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在極端惡劣的環(huán)境下，追日系統(tǒng)的最大變形量為1.298 mm，主要出現(xiàn)在太陽能電池板支架邊緣部位，其所能夠承受的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力值均處在豎直立柱上方，且結(jié)構(gòu)在能夠承載的范圍內(nèi)。

暖溫帶地區(qū)由于受到季風(fēng)水平的影響，需要保證其承載30 m/s風(fēng)速、11級風(fēng)力的影響，追日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件所承擔(dān)的最大風(fēng)力W=3.780 kN。太陽能電池板所承載的積雪載荷為1.323 kN，而固定載荷為1.600 kN。針對太陽能追日系統(tǒng)高度角—方位角雙軸跟蹤系統(tǒng)對雪載、風(fēng)力情況的變形情況做出相應(yīng)考慮，即可實現(xiàn)對應(yīng)力分布以及應(yīng)變情況的計算處理(圖5、圖6、圖7)。

圖5 太陽能追日系統(tǒng)變形結(jié)果

圖6 太陽能追日系統(tǒng)應(yīng)力分布結(jié)果

圖7 太陽能追日系統(tǒng)應(yīng)變結(jié)果

2.4 系統(tǒng)能耗計算

為了最大限度地確保系統(tǒng)處于正常運轉(zhuǎn)的情況下，設(shè)計的追日系統(tǒng)能耗均是將大于正常值作為主要內(nèi)容。其中，太陽能追日系統(tǒng)主要結(jié)合每日12 h來做出相對應(yīng)的計算處理，其功率為30 W；而每日需要對水平軸與豎直軸做出120次的調(diào)整處理，同時還需要進行5 s的跟蹤調(diào)整操作，此時太陽能追日系統(tǒng)的日平均能耗大約為0.42 W，系統(tǒng)的能耗程度相對較低。

圖8 太陽能追日系統(tǒng)實物

3 追日系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計

研究主要將閉環(huán)控制系統(tǒng)作為太陽能追日系統(tǒng)，其主要是基于太陽理論基礎(chǔ)上，借助傳感器反饋信息來幫助太陽理論位置得到更好的修正，從而幫助其更準(zhǔn)確地實現(xiàn)追日效果，促使控制系統(tǒng)的精度得到最大程度上的提升；視日運動軌跡跟蹤法具有更好的實用價值，以防因天氣變化短時間變化或者云層遮蔽而導(dǎo)致太陽能追日系統(tǒng)受到影響[18-19]。追日系統(tǒng)的控制原理如圖9所示。

圖9 追日系統(tǒng)的控制原理

3.1 核心部件設(shè)計

3.1.1 MCU控制器

MCU控制器，又可稱之為單片機，這是太陽能追日系統(tǒng)控制系統(tǒng)中的核心部件[20]。主要采用STM32F407ZGT6型單片機進行系統(tǒng)的控制處理，具有成本較低、自主設(shè)計等特性，能夠滿足太陽能逐日系統(tǒng)的安全要求和性能要求，這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能追日系統(tǒng)的獨立控制，還能夠應(yīng)用于大型太陽能電池板陣列的追日系統(tǒng)控制。

STM32F407ZGT6型單片機參數(shù)：核心為ARM Cortex M4；數(shù)據(jù)總線寬度32 bit；工作溫度-40～85 ℃；數(shù)據(jù)RAM大小192 KB；數(shù)據(jù) RAM類型SRAM；ADC分辨率12 bit；ADC通道數(shù)量24；DAC分辨率12 bit；工作電源電壓1.8～3.6 V；程序存儲器大小1 024 KB；接口類型CAN，I2C，SDIO，I2S/SPI，UART/USART，USB；輸入/輸出端數(shù)量114I/O。

3.1.2 風(fēng)速傳感器

研究主要采用風(fēng)速傳感器(RY-FS01型)，它主要是基于先進的電路模塊技術(shù)來完成變送器開發(fā)，這就能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境風(fēng)量的準(zhǔn)確測量，同時標(biāo)準(zhǔn)的脈沖輸出信號也方便運用。

在高風(fēng)速條件下為了更好地確保太陽能追日系統(tǒng)不會遭受到破壞，控制系統(tǒng)可相應(yīng)地增加風(fēng)速傳感器模塊，從而實現(xiàn)對高風(fēng)速響應(yīng)中斷程序的配置。風(fēng)速傳感器有著較強的風(fēng)速傳感器，這就能夠?qū)崿F(xiàn)對多個太陽能電池板方陣的群控，可以在惡劣的條件下正常使用。

研究所設(shè)置的高風(fēng)速響應(yīng)中斷程序即便是在風(fēng)力達到了30 m/s速度下，仍然能夠自動向MCU控制器進行脈沖信號的輸出，同時將中斷程序啟動，太陽能追日系統(tǒng)即可停止自動跟蹤程序。同時，控制器還能夠?qū)Ω叨冉球?qū)動電機驅(qū)動太陽能電池板放平，從而有效減緩風(fēng)力的沖擊。風(fēng)速在下降到安全范圍之后5 min時間內(nèi)，追日系統(tǒng)就能夠自動進行追日跟蹤模式的恢復(fù)。

3.1.3 觸摸屏

在觸摸屏中刷入下位機軟件來進行相應(yīng)的程序控制，同時與控制器之間借助局域以太網(wǎng)信號來完成通信操作，借助觸摸屏就能夠達到對追日系統(tǒng)運行狀態(tài)的有效控制，且通過手動的方式來實現(xiàn)對追日系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的合理控制。

3.1.4 定位模塊

將GPS定位模塊搭載到MCU控制器上，這就能夠促使其緯度、經(jīng)度的地理信息定位準(zhǔn)確性得到更好的實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)控制連接

針對雙軸太陽能追日系統(tǒng)在實施控制操作期間，在將電源成功接通之后，GPS定位模塊可以將經(jīng)緯度等位置信息及時反饋給MCU控制器，MCU控制器預(yù)先放置了太陽軌跡計算程序。同時，結(jié)合時間信息和經(jīng)緯度信息計算出當(dāng)前太陽的方位角與高度角，并借助相應(yīng)的高度角、方位角的2個電機來實現(xiàn)對追日系統(tǒng)的驅(qū)動，確保其能夠繞水平軸進行俯仰運動以及繞豎直軸進行旋轉(zhuǎn)運動，以便到達相應(yīng)位置。

圖10 硬件連接控制連接示意

4 太陽能追日系統(tǒng)發(fā)電效率對比實驗

研究所設(shè)計的太陽能電池板群控太陽能追日系統(tǒng)最主要的目標(biāo)是在保證太陽能追日系統(tǒng)發(fā)電效率的基礎(chǔ)上，將EthereCAT總線來引入到太陽能追日系統(tǒng)中，從而達到對太陽能追日系統(tǒng)的群控操作。通過對基于地平坐標(biāo)系太陽能追日系統(tǒng)高度角—方位角雙軸跟蹤系統(tǒng)的控制，即可實現(xiàn)對其發(fā)電效率的提升，使其效率達到30%。

實驗研究方法：為了確保實驗的可靠性與準(zhǔn)確性，本研究主要運用了2組不同的技術(shù)方式來進行太陽能發(fā)電實驗，即固定安裝與本次設(shè)計追日系統(tǒng)。在相同的條件下，從8：00到15：00進行實驗操作，共連續(xù)采集9 h，當(dāng)天天氣預(yù)報顯示氣溫在3～17 ℃，9：00—10：00顯示為多云天氣，其他的時間段均為晴天。

在實驗操作的過程中，總共對37組數(shù)據(jù)進行了記錄，所記錄的太陽能電池板固定安裝發(fā)電裝置以及群控追日系統(tǒng)功率結(jié)果見表1。根據(jù)表1，追日裝置在固定時間段內(nèi)，其輸出功率提升到了30%以上，實現(xiàn)了對太陽能資源利用率的全面提升。

表1 輸出功率數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

綜上所述，能源作為國家經(jīng)濟繁榮與社會進步的重要基礎(chǔ)，能夠直接影響人類未來發(fā)展方向。就現(xiàn)階段的發(fā)展情況來看，人類所能夠開發(fā)與利用的能源主要有石油、煤炭、天然氣等不能重復(fù)利用、不可持續(xù)的化石能源。但對能源實施開采處理的過程中，盡管給人類社會帶來持續(xù)繁榮的經(jīng)濟效益，但同時也會造成了較大的隱患，長此以往，勢必會引起較為嚴(yán)重的能源問題。為此，探索太陽能的利用成為了能源研究的主要課題。而基于地平坐標(biāo)系來構(gòu)建起相應(yīng)的太陽能追日系統(tǒng)高度角—方位角雙軸跟蹤系統(tǒng)，可實現(xiàn)對發(fā)電效率的全方位提升。