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太阳能智能跟踪系统的研究与设计
研究目的和意义
能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战。太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景
非常广阔,太阳能发电已成为未来全球解决能源危机的最具独特优势的重要途径。据试验测定,相同条件
下,采用自动跟踪系统的太阳能发电设备比固定式太阳能发电设备的发电量要提高 35 %。为提高利用太阳
能效率而进行太阳自动跟踪系统的研究,对我们所面临的日益严峻的能源问题有着重大而深远的意义。因
此,从解决能源危机的角度上看太阳能具有无以比拟的优势,但从实际工程实践来看,有必要通过各种手
段和途径发挥计算机的重要作用,把自动跟踪系统与太阳能发电设备相结合,使之大大提升自身的发电能
力,提高设备的经济效益。
研究现状分析
目前,各种类型的太阳能跟踪器装置,从简单到复杂,主要分为两大类,即机械系统和电控系统,机
械系统一般又可分为压差式和控放式,而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式。
在各种类型的跟踪器中,纯机械式的跟踪器精度偏低,精度相对较高的光敏电阻控制的太阳跟踪器的
控制方式比较好,但还存在较多问题。要进一步提高太阳能的利用率,需要更深一步的研究和探讨,以开
发出真正廉价、高精、实用的自动跟踪器。
光电式太阳跟踪器
光敏硅光电管等作为一种利用光作用使半导体材料的电导率显著变化的光敏传感器,常见的光电器件
有光电池、光敏二极管和光敏三极管。目前国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式,这些光电跟
踪装置都使用光敏传感器。通常在这些装置中,光电管的安装靠近遮光板,调整遮光板的位置使遮光板对
准太阳。当太阳西移时遮光板的阴影偏移,光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流,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。一般来说光电跟踪灵敏度高,结构
设计较为方便,但受天气的影响很大,如果在稍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,就会导致跟踪装置无法对准太阳,有时甚至会引起执行机构的误动作。
视日运动轨迹跟踪
视日运动轨迹系统通常根据跟踪系统的轴数,可分为单轴和双轴两种。
单轴跟踪一般采用 :①倾斜布置东西跟踪 ;②焦线南北水平布置 .东西跟踪 ;③焦线东西水平布置 .南北跟
踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪。工作原理基本相似。第 3 种跟踪方式的原理 .跟踪系
统的转轴 ( 或焦线 )东西向布置,根据事先计算的太阳赤纬角的变化,绕转轴转动跟踪太阳。采用这种跟踪
方式的优点是结构简单,但是由于入射光线不能始终与主光轴平行,收集收集太阳能的效果并不理想。
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太阳能,采用高度角一方位角
式全跟踪就可以实现。
高度角一方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪,其原理如图所示。集热器的方位轴垂直
于地平面,另一根轴与方位轴垂直,称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方
位角,绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角,从而使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪
系统的特点是跟踪精度高, 而且集热器装置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。
和光电跟踪相比视日运动轨迹的跟踪方法不受外界天气、杂光的干扰,具有较高的可靠性。但是在计
算太阳角度的过程中会产生误差,从而影响跟踪精度。并且跟踪装置的机械执行机构的精密程度也会影响
到装置的跟踪精度。
太阳运行轨迹的算法
太阳的运行轨迹,即太阳相对地球的位置可由两种坐标系统来描述 :赤道坐标系和地平坐标系。
赤道坐标系是人在地球意外的宇宙空间里,看太阳相对于地球的位置,这时太阳相对于地球的位置是
相对于赤道平面而言,用赤纬角 δ和时角 ω。这两个坐标表示,如图。
赤纬角 δ
太阳中心 S 与地球中心 O 的连线, 即太阳光线在地球表面直射点 A 与地球中心 O 的连线 A0 与在赤道
平面上的投影间的夹角称为太阳赤纬角 (或称太阳赤纬 ) 。它描述地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二
者相对位置的变化。一年中,太阳光线在地球
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