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太阳能自动跟踪系统 技术方案 南京航空航天大学自动化学院 目录 1、太阳能发电自动跟踪控制系统发展概述 1 1.1 国内外太阳能发电跟踪控制系统发展概述 1 1.2 太阳能发电跟踪控制系统特点 2 2、本系统实现方案概述 2 3、太阳跟踪数学模型的建立 3 3.1、太阳与地球的位置关系 3 3.1.1 天球与天球坐标系 4 3.1.2 地平坐标系 4 3.1.3 赤道坐标系 6 3.1.4 时角坐标系 7 3.2 太阳与地球的时间关系 7 3.3 太阳位置计算原理 8 3.3.1、球面三角形的相关概念 8 3.3.2、太阳位置计算原理 11 3.3.3、太阳高度角的计算 13 3.3.4、太阳方位角的计算 14 3.3.5、日出、日落时间的计算 14 3.3.6、日出、日落方位角的计算 15 4、本系统方案实现步骤 15 4.1基于位置的跟踪控制系统研制 15 4.2基于能量最优的跟踪控制系统研制 16 4.3具有风力保护的跟踪控制系统研制 18 5、数据采集模块及电机拖动模块实现 18 5.1数据采集模块 18 5.2电机拖动模块 19 6、成本核算 20 1、太阳能发电自动跟踪控制系统发展概述太阳能发电跟踪控制系统发展概述任何时期，能源以及资源都是人们赖以生存的基础。进入21世纪，随着社会经济的高速发展，消耗随之增大，节约能源和寻找新能源成为人类可持续发展的基本条件。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。我国是世界上最大、地势最高的自然地理单元，也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一，尤其是西藏地区，空气稀薄、透明度高，年日照时间长达1600－3400小时之间，每日光照时间6小时以上，年平均天数在275－330天之间，辐射强度大，平均辐射总量7000兆焦耳/平方米，地域呈东西向递增分布，年变化呈峰形，资源优势得天独厚，应用前景十分广阔。但是利用天阳能又受着位置、地势等条件的制约。因此必须设计一种随着太阳运动的跟踪控制系统，使得太阳能电池板的光照强度最大，资源的利用率最大。太阳能发电跟踪控制系统 固定式 2平方米 2～4h 1600瓦 800瓦 800瓦 大 0度 自动式 2平方米 6～12h 4000瓦 2000瓦 2000瓦 小 360度 由表1可见，自动跟踪发电控制系统，日照时间更长，输出功率更高，发电效率提高百分之四十到百分之八十，提高效率，降低成本。 2、本系统实现方案概述 1 基于位置的跟踪控制系统 GPS、方位磁传感器 2 基于能量最优的跟踪控制系统 光强采集模块、GPS、 方位磁传感器 3 具有风力保护的基于位置的跟踪控制系统 风力传感器、GPS、方位磁传感器 4 具有风力保护的基于能量的跟踪控制系统 风力传感器、光强采集模块 3、.1.2 地平坐标系 地平坐标系是以通过观测点O的地平面与天球相交的地平圈为基本圈，以通过O点的天顶、天底、地平面南点及北点的子午圈为第二个基本圈，如图3所示。经过太阳位置X点，过天顶Z点的子午圈，称之为方位圈；经X点平行于地平面的圆圈，称为高度圈。 图3、地平坐标系 显然，地平坐标系主要有两个参量：方位角A、高度角h，观察者的头顶方向与天球相交的点叫做天顶(Z点)，从观察者的脚底向下延伸与天球相交的点叫做天底。垂直天顶与天底连线且过天球中心的平面称之为地平面，它与天球相交成一个大圆，这个大圆即称之为地平圈，也即真地平。与地平圈相平行且与天球相交成的小圆叫地平纬圈，与地平圈垂直的大圆叫地平经圈。通过北天极P和天顶Z的大圆叫做天球子午圈，它和真地平相交与N点与S点，靠近北天极的记做北点N，和它相对的记做南点S。在地平圈上沿顺时针度量，显然离南北90°分别可以叫做东点E与西点W。天体在方位上与地平面正南方向所夹的角度，记做地平方位角，即为A。方位角A，以地平面南点S点为零度，向西为正值，向东为负值。天体在高度上与地平面所夹的角度，记做地平高度h。高度角h，以地平面为零度，向天顶方向为正值，天体沿地平经圈向上到天顶叫做这个天体的天顶距Z。 由图3可以看出，天体的地平高度与天顶距的关系是 通过以上介绍可以得到，地球上任何观测点的天极高度等于当地的纬度，由相似三角形的关系可以证明，在观测点处的天极方向为方向，根据三角形角度关系显然天极的高度角等于当地的纬度。 图4、天极高度等于当地纬度示意图 3.1.3 赤道坐标系 取天赤道作为基本圈，北天极P是基本圈的极，天赤道与子午圈的交点之一(近南点)作为基本点的天球坐标系，称之为赤道坐标系。又因所取基本点的不同而分为第一赤道坐标系与第二赤道坐标系，前者又称之为时角坐标系。 图5、赤道坐标系 如图5所示，地球自转轴的延伸与天球的交