高精度双轴伺服太阳能跟踪系统的设计应用

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1、高精度双轴伺服太阳能跟踪系统的设计应用引言开发新能源和可再生能源是全世界面临的共同课题，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。在新能源中，光伏发电是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术，受到全世界的普遍重视。太阳能光伏发电作为太阳能利用的主要方式之一，因其资源潜力大，可持续利用等特点，成为各国竞相发展的重点。但光伏发电成本过高是长期制约其高速发展的主要问题，其解决途径之一便是提高发电系统的发电量，使平板光伏组件受光面时刻正对太阳，相同的辐照条件下吸收比固定安装光伏组件更多的太阳辐射能量，从而达到降低光伏发电成本的目的。相关理论分析表明⋯：太阳的

2、双轴跟踪与非跟踪，能量的接收率相差41．南京工业大学运动控制研究所舒志兵汤世松赵李霞摘要：随着太阳能的广泛利用，如何提高对太阳能的利用率，成为太阳能研究的焦点问题之一。理论分析表明，采用跟踪技术可以提高41．34％的能量接收率。提出了基于可编程逻辑控制器欧姆龙PLC(ProgrammableLogicController)的太阳能跟踪系统，使跟踪装置的控制器根据相关的公式和参数计算出白天太阳的位置，再转化成相应的脉冲发送给伺服驱动器，驱动伺服电机实时跟踪太阳。此系统在自东向西追踪太阳的同时，使太阳能板倾斜从而跟踪太阳的高度变化，从而获得最大的光伏发

3、电效率。关键词：太阳能跟踪系统伺服电机PLC34％，精确的跟踪太阳可使接收器的热接收效率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。该双轴装置按预定的位置调整太阳能电池板朝向，结构简单、不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能装置的太阳能利用率，有较好的推广应用价值。太阳能伺服跟踪系统设计(1)太阳跟踪方式选择按照不同的分类方法，太阳跟踪方式通常有传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序控制)，还有单轴跟踪【2l和双轴跟踪。传感器跟踪【3】是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线，当太阳光偏离电池板法线日寸，传感器发出偏差信号

4、，经放大、运算后控制执行机构，使跟踪装置重新对准太阳光。这种跟踪方式的优点是灵敏度高；缺点是受天气影响大，阴雨天则无法对准太阳，甚至引起执行机构的误动作。视日运动轨迹跟踪(程序控制)，是根据太阳的实际运行轨迹按预定的程序调整跟踪装置跟踪太阳。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，其精度不高，但是符合实际运行情况，应用较广泛。单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角作季节性调整。双轴跟踪是在方位角和高度角两个方向跟踪太阳轨迹．显然双轴跟踪的效果优于单轴跟踪。目前，以双轴跟踪为基础的传感器双轴跟踪或程序控制双轴跟踪方式被普遍采用．在美国加州建造的发电功率约为30

5、0～600MW的太阳能斯特林电厂中，所有太阳能集热器都采用2010智能检测与运动控制会议论文31双轴跟踪系统。(2)视日运动轨迹跟踪设计太阳每天东升西落，站在地球表面的人会观测到太阳很有规律的在天球上运动。视日运动轨迹跟踪就是利用PLC控制单元根据相应的公式和参数计算出白天时太阳的实时位置，然后发出指令给伺服电机去驱动太阳跟踪装置，以达到对太阳实时跟踪的目的。太阳在天球上的位置可由太阳高度角口。和太阳方位角’，。来确定。太阳高度角口。又称太阳高度、太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角(0<口。<90。)14]，可Fh下式计算得出：sin口

6、。=sin

7、9×sin万+COS口XCOS占XCOS国(I)肚23．45×sinl骂365(284州l(2)、’。式中各角度单位均为度，其中口为当地纬度角；6为太阳赤纬角；删为时角，是用角度表示的时间。春分和秋分时6=0。，夏至时6=23．5O，冬至时6=一23．5。：太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角【4】，可由(3)式确定：sin口。×sin9一sin占∞8始2—意COi五CO矿S(3)S口。×拶’。在太阳轨迹公式(1)，(2)，(3)中，涉及到3个天文地理坐标，即太阳赤纬角6、纬度角6和时角彬。太阳能光伏发电地点的地理经

8、纬度通过GPS等精密导航仪器可以方便获得。而赤纬角和时角的计算需要通过时间确定，由于太阳在一年中的时角运动很复杂，日常生活中的钟表时间采用平太阳时，即太阳沿着周年运动的平均速率，在工程计算中，就会存在时差问题(真太阳时与平太阳时之差)，因此必须采用真太阳时(t0)，否则在实际计算中无法到达精度要求。为了得到准确的真太阳时(t0)，可以根据定时标准来校正时差值，我国区域的时差确定如下【51：tO=(120一longitude)／15一e／60(4)式中，longirude为光伏发电地点的地理经度，中国地区的北京标准时间的经度为l20。，e为时差，可由

9、下式计算得出：∥：一360xQ—1)’365、(5)P=0．0172+0．428l×COS∥一7．3515xSin∥一3．