赤道坐标系下新型太阳能自动跟踪装置设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

当前，太阳能的开发和利用越来越受到人们的关注。如何提高太阳能的转换效率-直是太阳能应用领域的热点问题之-。实现对太阳的自动跟踪是提高太阳能转换效率的常用方法，根据测定，相同环境条件下 ，自动跟踪式太阳能光伏发电系统比固定式太阳能光伏发电系统的发电量提高35%左右 。目前常用的太阳跟踪方法主要有光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪，这两种方法各有特点。在前期实验研究的基础上，设计了-种基于太阳能运动轨迹的新型单驱双动太阳跟踪装置，具有结构紧凑，跟踪精度较高等特点。该装置非常适用于小型太阳能利用装置上，如小型光伏发电、太阳能热利用装置、农村小型民用太阳能灶、太阳能供电路灯等。

2跟踪方案的确定2.1太阳能运动轨迹跟踪理论简介太阳运动轨迹跟踪是通过使用天文学公式，计算出太阳运动轨迹的理论值来控制跟踪装置进行太阳跟踪。该跟踪方式是-种基于开环控制的跟踪方法，根据使用的轴数分为-维跟踪和二维跟踪。二维跟踪又称为全时跟踪，是在两个相互垂直的方向上跟踪太阳。根据坐标系的不同，太阳能运动轨迹跟踪可分为基于赤道坐标系跟踪和基于地平坐标系跟踪。赤道坐标系是以太阳赤纬角和时角为坐标所组成的天球坐标系；地平坐标系是以太阳高度角和方位角为坐标所组成的天球坐标系。

l ； 千 ： 十 二-i ；.。 乏： ： 了～： ：二 J，- 。。 p ：。 叶 r。r j-二：- 卡- 时间ts图 1-天中的太阳方位角和高度角变化范围Fig.1 Solar Azimuth Angle and Height Angle Range in Day来稿日期：20l2-11-27基金项目：国家自然科学基金11262018作者简介：许义泉，1964-，江苏人，硕士，主要研究方向：机械制造及其自动化控制研究156 许义泉等：赤道坐标系下新型太阳能自动跟踪装置设计 第9期1地平坐标系：以宁夏银川地区为例，经过理论模型计算得出的太阳全年中方位角和高度角变化范围最大-天和最小-天的数值，如图 1所示。

根据文献12中的理论计算得出全年-天之内方位角的变化范围最大为240。，最小也有 117.8。，高度角全年-天之内变化最大为75.2。，最小28.6o。通过分析可知，高度角相对太阳方位角变化影响较校太阳高度角由下列公式求得p·，q：sinogsi sin cos6cos coscJ 1式中：Ⅱ -太阳高度角，。；太阳赤纬角角，。；- 当地地理纬度，。；r-为太阳时角，。。

太阳方位角的表达式为p， ：cos ：! ! 竺! 2COSOt CO式中： -太阳方位角，。。

2赤道坐标系：中科院紫金山天文观测台所观测得的-年时间内每天太阳赤纬角角度值，如图2所示。

全年太阳赤续角变化范围3O201O0- 1O- 20- 30：
. . .. 、- ..

z -z z ：图2-年内太阳赤纬角的变化范围Fig.2 Solar Declination Angle Range in Year根据观测数值，-年时间内，太阳赤纬角角的变化范围是-23。27'-23。27 。并且在每年的夏至日和冬至日太阳赤纬角角分别达到最大值23。27 和最小值-23o27 。太阳赤纬角6值无时无刻都在变化，但在-天之内，6的最大变化量不超过 O.5o。因此 ，我们假设每天太阳赤纬角为-个恒定不变的数值时，由此所引入的误差<0.5。。

依照 Cooper方程，太阳赤纬角角 8值可由下式概算：-23 45 n360× 3式中：，r～ 年中的天数，如春分 n81，则 6-0。

3日出日没的时角：太阳视圆面中心在出没地平线的瞬间，太阳高度角--0。。如果不考虑地标曲率几大气折射的影响，有式1可得：0-sinSsin

22跟踪方案的选择目前，基于太阳运动轨迹的二维跟踪装置普遍采用地平坐标系，采用两台电机实现对太阳高度角和方位角的跟踪，本团队曾设计制作了-种利用-台步进电机实现对太阳高度角和方位角同时跟踪的装置回，其基本原理是：根据计算得出的全年-天之内方位角的变化范围最大为240。，最小也有 1 17.8。，高度角全年-天之内变化最大为 75.2。，最小 28.6。，考虑到每天太阳高度角变化相对方位角较小用计算出全年每-天太阳辐射最强的时间段9：30-15：30内太阳高度角平均值作为每-天太阳高度角跟踪点，如图l所示。全年共365个点，运用凸轮机构实现二维跟踪。这种跟踪方式相对于单驱单动跟踪精度有较大提高，但是由于采用以每天太阳辐射最强时间段内太阳高度角平均值作为每天太阳高度角跟踪值，造成跟踪精度不高，从而仍未达到较高的太阳能利用率。

根据上述分析和我们前期的实验研究，我们设计-种新型的跟踪机构，该机构采用基于赤道坐标系的跟踪方式，以-台步进电机为动力源，单片机作为控制核心，采用单驱双动实现对太阳赤纬角和时角的跟踪 ，达到相对精确的跟踪太阳轨迹的目的。

综合考虑传动机构结构的紧凑性，传动过程的平稳性，整个传动机构我们采用齿轮传动。

2.3跟踪装置工作原理由于跟踪过程中时角和太阳赤纬角间的特殊关系，若想实现太阳轨迹的相对精确跟踪，必须在精确跟踪时角的基础上完成对太阳赤纬角的精确跟踪。

1时角的跟踪：整个跟踪装置，我们以步进电机作为动力源，每隔4～5min发送-次脉冲，进行高精度间歇式跟踪。根据上述计算结果我们知道，-年时间内每天太阳日照时间是不断变化的，变化范围为9.34-l4.67h，而每天时角的变化值较小，最大变化值为6min。所以在计算过程中我们假设每天时角是-定值，取时角变化的平均值 12h，由于假设每天的太阳日照时间为-固定值 12h，与实际日照时间相比可能偏大，也可能偏校因此，时角的误差补偿采用在每-天中对应时刻的设计时角和实际时角是相同的，然后通过控制程序对时角的误差进行补偿 。

2太阳赤纬角的跟踪：根据图2所示，太阳赤纬角在-年内的变化范围是-23.4-23.4。，且呈正弦曲线趋势变化，并且每天的变化范围约为0.5o因此在本设计中，我们认为每天的太阳赤纬角为-定值。在时角准确追踪的基础上，利用相对运动原理以及投影原理，将运动反应到太阳赤纬角的跟踪上。整个跟踪机构采用齿轮传动，同步跟踪太阳赤纬角和时角，原理如图3所示通过单片机控制步进电机驱动内齿轮底盘 1，实现时角的跟踪。与齿轮3固连的轴上固定有可单向转动的棘轮机构。当底盘1正向旋转时，与齿轮3所固连的轴不转，此时与齿轮2所固连No.9Sept.2013 机械设计与制造 157的轴在底盘的带动下绕齿轮3转动。由相对运动原理分析得，此时齿轮 2的运动状态是，在相对于底盘 1无运动的情况下 自转 ，从而实现动力传至上部机构。经过行星轮系5-6，7-8进行大传动比降速，再经89，10-11，12-13降速，最终实现太阳赤纬角的跟踪。

l3图3传动原理图Fig.3 Principle Diagram of Transmission3跟踪装置设计3.1传动机构设计计算根据式1计算得某地区夏至日6月 21日Et照时间14.67h，时角为 220.076。，冬至 日 12月 23 Et日照时间为 9.34 h，时角为140.106。。根据设计，我们计每天日照时间为-固定值 12h，时角为180o。由时角造成的误差及跟踪问题由单片机中进行编程反馈调节。综合考虑齿轮传动链的传动比分配与结构形式对其空程的影响嘲，我们将底盘的齿数设置为54内齿。由时角的传动到太阳赤纬角的传动，该过程的传动比为 1：455.625，通过计算，排除非整数的影响，所需行星轮系的齿轮齿数分别为 26-27，27-28，实现全动比为1：729的降速传动。然后通过后置定比传动时间传动比为 1.6的升速。全过程实现传动比为 1：455.625的传动。

3.2理论数值与实际数值间的误差：10.0- l。
0
.
.
。
0- 20.0- 30.0、瑷 用 H 阻 。-J 丹 1且 ⅡJ因 - 赤壤角理论崔 、 - - 赤续角计算隹·
. . / ...

图4太阳赤纬角理论值与计算值对比Fig.4 Comparison of Solar Declination An e betweenTheoretical Value and Calculate Value因为传动比的分配对空程影响较大，从减姓程的角度出发，各级传动比不宜过大，而且，结构设计中如果可调中心距级越多，空程越小，传动精度越高，本设计以结构紧凑为首先考虑因素，在此基础上再考虑合适的各级传动比，所以，设计的跟踪机构其跟踪精度的误差主要是由于齿轮传动空程造成的，这里设计的跟踪装置对太阳赤纬角跟踪的理论计算值与实际观测值对比图，如图4所示。由图4可以看出，根据设计机构计算得到的太阳赤纬角变化曲线与实际观测太阳赤纬角变化曲线拟合较好，误差较小，其中偏差最大处出现在两端，相对误差分别为4.276%，4.129%。

4结论通过理论设计计算值与实际观测值间的比较我们可以看到，该设计的理论跟踪精度是相当高的，而且，目前齿轮加工的精度已达到了较高水平，因此该跟踪机构无论是从设计还是加工制作均能满足跟踪精度要求，下-阶段我们将根据理论设计，进行实物的制作和实际跟踪实验。为太阳能跟踪技术的研究提供-定借鉴。