太阳能电池板双轴自动跟踪伺服控制系统的设计

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1、题目：光伏发电太阳能电池板双轴伺服控制系统研究一、题冃说明1、双轴跟踪的基本原理双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度--一方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图1.1所示，太阳能设备的能量转换部分的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行,故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角：反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。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1.2所示。太图1.2高度

2、-一方位角式全跟踪阳能设备的能量转换部分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。工作时太阳能设备的能量转换部分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太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面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，而且太阳能设备的能量转换部分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。2、光伏发电系统光电板自动跟踪系统的原理太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大,如果改变入射角，发电量将明显下降。其基本原理与结构为：由2台电动

3、机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器与太阳能电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能电池板方阵平面与光线构成90度角而停止转动，并完成一次调整周期。如此不断地调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪功能。该系统不需设定基准位置，跟踪器永远不会迷失方向。系统还设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试。光电板跟踪系统框图如图1.3所示。图1・3光电板自动跟踪系统

4、框图3、太阳高度角和方位角1)Coper方程太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以/表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士23。27’的范围。夏天最大变化到夏至日的+23。27';冬季最小变化到冬至日的-23。27'.太阳赤纬随季节变化，按照Coper方程，计算得：(2.1)5=23.45sin(360x284+-)365(2.2)式中，n为一年中的天数，如:在春分，n=81,则5=0,自春分FI起的第d天的太阳赤纬为:=23.45sin(—)3652)太阳角的计算如图1.4所示，指向太阳的向量恳与天顶Z的夹角定义为天顶角，用&z表示；向量忌与地平面的

5、夹角定义为太阳高度角，用h表示；(在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用卩表示。太阳的时角用⑵表示，它定义为:在止午时G=0,每隔一个小时增加15°,上午为正，下午为负。图1.4太阳角的定义①太阳高度角计算太阳高度角的表达式为sinh二sin0sind+cos0cosdcosco(2.3)式(2.3)中，0为地理纬度；力为太阳赤纬角；0为太阳时角。正午时，0)二0,cose=l,(2.3)式可以简化为：sinh=sin0sin6+cos0cos8二cos(0-6)(2.4)因为，cos(0-力)二sin[90士(0-》)],所以sinh=sin[90土(

6、(0-6))](2.5)正午时，若太阳在天顶以南，即0＞》，取sinh二sin[90—(0-》)](2.6)从而有,(2.7)h=9O+(0-5)在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有0二》，从而h=90°o②太阳方位角太阳方位角按下式计算，(2.8)(2.9)sinhsin力一sin5cos/=coshcosh也可用下式计算，.cos力sinesiny=cosh根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式(2.8)或者式(2.9)中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在I古I定纬度，固定时段计算出太阳在

7、此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。下面是太阳位置计算程序流程图。(a)主程序(b)子程序太阳位置计算程序流程图4、发电跟踪系统组成发电跟踪系统的组成框图如图1.5所示。1.5发电跟踪系统组成框图5、跟踪系统的机械结构简图跟踪系统的机械结构简图如图1・6所示。1—太阳能电池板框架；2—水平轴；3—水平轴承；4一水平齿轮传动；5—水平鯛轮蜗杆减速器；6—水平无刷直流电机;7—支架；8—竖直齿轮传动；9—竖直蜗轮蜗杆减速器；10—竖直无刷直流电机11—竖直轴；12—竖直轴承；13—整体支