主动式太阳能追日系统设计

摘要：设计一种主动式太阳能追日系统。通过对太阳运行轨迹理论的分析和研究，确定了追日系统的天文算法公式，以保证系统的跟踪精度。在此基础上，针对追日系统的控制原理，提出了系统的控制方案，阐述了控制系统硬件电路的设计过程和软件平台的操作。经验证，设计的主动式太阳能追日系统的性能指标完全满足应用要求，运行稳定可靠，能适应各种复杂环境。
关键词：太阳能；追日系统；主动式

引言
随着全球资源逐渐匮乏与能源需求不断增长之间的矛盾日益凸显，太阳能作为绿色清洁能源受到越来越多的关注和研究，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力是整个社会可持续发展的有效途径之一。目前的太阳能利用方式主要有以下4种：光热利用、太阳能发电、光化利用及光生物利用。我国较成熟的太阳能产品主要集中在太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统两个方面，经过多年的发展，这两项产业已形成较为完整的产业化体系。然而，在目前大多数的太阳能项目中，仍未最大限度地利用太阳能，未能随着太阳高度角及方位角的变化，及时变换太阳能电池板或太阳能集热器的旋转角度，一天中有相当一部分时间未能有效利用太阳能。若能随着太阳位置的变化不断调整太阳能电池板或集热器的角度，即对太阳进行跟踪，则可以很大程度上提高太阳能的利用率。
如今，有多种跟踪太阳的方式：
①时钟式太阳跟踪装置。此装置是一种被动式装置，有单轴和双轴两种类型，系统根据时间将方位角和仰俯角分为几等份，在固定时间段内通过控制器驱动电机按固定的角度旋转，进而跟踪太阳。
②最大功率跟踪装置。本方法以动态平衡追踪太阳能系统的最大功率。本方法特征是太阳能板与直流／直流升降压转换器间联接一个瞬间功率型超级电容，作为能量的动态平衡器，将太阳能板产生的电能转换成电容器形态的电能进行最大功率演算，可大幅度简化演算程序，提升追踪演算的实时性与可靠度，提高太阳能系统效率。
③光电式跟踪装置。此类装置使用光敏传感器如硅光电管，硅光电管要靠近遮光板安装，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳，硅光电池处于阴影区；当太阳西移时，遮光板的阴影偏移，硅光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，该微电流作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度，使跟踪装置对准太阳完成跟踪。
以上每种跟踪方式都可完成对太阳的跟踪，但这些方式都是被动式太阳跟踪方式，只能被动地接收太阳辐射作为驱动基础。时钟式灵敏度不高，不能高效地利用太阳能；最大功率和光电跟踪装置灵敏度高，结构设计较为方便，但受天气的影响很大，如果在较长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。
鉴于此，本文设计一种主动式太阳能追日系统，根据太阳能收集装置的安装地点及具体工作时间，实时计算出太阳高度角及方位角，自动修正太阳能收集装置的角度，确保其始终跟踪太阳方位，最大限度地利用太阳能。具体实施中拟通过终端输入模块为系统设定当前所在地区的经纬度、时间等参数，经纬度设置可借助GPS等设备获得。在此基础上，经主控制器ATmega32单片机的实时计算，产生相应脉冲来驱动步进电机，通过传动机构对太阳能收集装置进行角度驱动而完成偏摆，进而实现太阳能收集装置随太阳位置变化的追日旋转。该设计延长了太阳辐射时间，增大了辐射面积，有效提高了太阳能的利用率。

1 太阳运动规律
1．1 赤道坐标系
赤道坐标系是把地球上的经纬度坐标系扩展至天球而形成的。天球在天文学等领域中是一个想象的旋转的球，理论上具有无限大的半径，与地球同心。天空中所有的物体都想象成是在天球上，与地球相对应，它有天赤道和天极。如图1所示，其中，地轴和天球于北方相交的一点叫做北天极P，地轴和天球于南方相交的一点叫做南天极P’，通过地心并与地轴垂直的平面与地球表面相交而成的圆，是地球的赤道也是天赤道。在地球上与赤道面平行的纬度圈，在天球上叫做赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈，在天球上称时圈。本文在赤道坐标系下以太阳赤纬角δ和时角α来表示太阳的位置。

太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角，即为太阳赤纬角δ。赤纬角从赤道面算起，向北为正，向南为负。显然，赤纬角变化范围为±23°27’。太阳所在的时圈与通过春分点的时圈(春分圈)构成的夹角为时角α。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。时角表示太阳的方位，天球1天(24小时)旋转360°，所以每小时的时角为15°。太阳在黄道上的运动实际上不是匀速的，而是时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同。但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行。这个假想的太阳就称为平太阳，其每个周期的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时。平太阳时是基本均匀的时间计量系统，与人们的生活息息相关。由于平太阳是假想的，因此无法实际观测它，但它可以间接地从真太阳时求得。为此，需要一个差值来表达二者的关系，这个差值就是时差。
1．2 地平坐标系
地平坐标系是一种最直观的天球坐标系，和我们日常的天文观测关系最为密切。地平坐标系是以地平圈为基圈，地平圈就是观测者所在的地平面无限扩展与天球相交的大圆。如图2所示，从观测者所在的地点，作垂直于地平面的直线并无限延长，在地平面以上与天球相交的点称为天顶Z，在地平面以下与天球相交的点称为天底Z’；N和S分别表示北点和南点；h和A分别表示太阳高度角和太阳方位角，用太阳高度角h和方位角A来确定太阳在天球中的位置。