蘇云成

摘要：設(shè)計一種根據(jù)視日運動規(guī)律自動跟蹤太陽的系統(tǒng)。采用太陽高度-方位角雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅(qū)動，通過對跟蹤系統(tǒng)進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種太陽能采集裝置。主要從硬件和軟件方面分析太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實現(xiàn)。系統(tǒng)在實際跟蹤過程中運行狀況良好，跟蹤速度快捷。

關(guān)鍵詞：太陽光線；跟蹤；硅光傳感器；實時仿真

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8322-02

目前的太陽光線自動跟蹤裝置中，硅光式自動跟蹤裝置優(yōu)點比較突出，其跟蹤比較精確，原理簡單，容易實現(xiàn)，能通過反饋消除累計誤差；但缺點是由于選用多個硅板電池，信號采集的密集度始終有限， 不能連續(xù)檢測和跟蹤太陽光線的角度變化，無法實現(xiàn)對太陽運動的連續(xù)跟蹤。

1 方位角—高度角式太陽跟蹤方式硬件設(shè)計

雙軸式跟蹤方式在硬件設(shè)計上通常采用程序控制式和光電控制式（如圖1所示）。

1） 程序控制式太陽跟蹤裝置是與計算機相結(jié)合的。就是依據(jù)視日運行的參數(shù)來引導(dǎo)太陽能采集裝置的運行。實現(xiàn)過程：首先利用一套公式通過計算機算出在給定時間的太陽的位置，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，通過固定在兩個旋轉(zhuǎn)軸（高度角和方位角跟蹤軸）上的16位增量式編碼器得到太陽能采集裝置平面的實際位置，把裝置平面要求所處的位置同實際上所處的位置進行比較，最后偏差信號用來驅(qū)動的直流電機傳動裝置達到要求的位置，使采集裝置實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計誤差，并且自身不能消除。

2） 光電式太陽跟蹤裝置。光電式太陽跟蹤裝置通過光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個閾值時，執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整太陽能采集裝置的位置，直到使太陽光線與采集裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。

綜上兩種跟蹤裝置相比較，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關(guān)注。而采用兩種方式相結(jié)合，即可實現(xiàn)其自動跟蹤智能化。

2 跟蹤控制系統(tǒng)的仿真

2.1 感光材料和圓筒長度的選擇

為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽運動，要通過試驗尋找合適的電壓變化閾值的硅光電池作為傳感器。當(dāng)硅光電池的電壓變化閾值范圍值較小的時候，硅光電池在太陽照射下可能會很快達到飽和狀態(tài)，此時采集的信號就會失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會影響到跟蹤效果，使得跟蹤精度降低。

其次要設(shè)計合適長度的圓筒。理論上講，圓筒的長度越長，跟蹤器的精度就越高。隨著圓筒的增長，內(nèi)部兩個硅光電池同時接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會變小；假設(shè)圓筒內(nèi)部兩個硅光電池同時直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為較小，即太陽光線的偏離角度在較小的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個硅光電池不會出現(xiàn)照度差；短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為較大，即太陽光線的偏離角度在較大范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個硅光電池也不會出現(xiàn)照度差。即選擇合適長度的圓筒時，圓筒內(nèi)部兩個硅光電池就會產(chǎn)生一定的照度差值，該信號經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽。

2.2 太陽方位與高度具體計算

本系統(tǒng)采用太陽方位角-高度角雙軸式跟蹤太陽運動軌跡，先以太陽時鐘定位數(shù)據(jù)進行初定位，后以光偏比較計算數(shù)據(jù)定位進行跟蹤誤差修正，使采集裝置最大限度地接收直射光。跟蹤開始時，先采用時鐘定位數(shù)據(jù)計算當(dāng)前太陽的方位角和高度角，控制器對輸入的太陽位置信息進行運算，控制跟蹤軸快速轉(zhuǎn)動到太陽理論位置。由于時鐘定位易產(chǎn)生累計誤差，此時采集裝置可能并未完全正對太陽，因此再通過四象限硅光電池數(shù)據(jù)進行光偏檢測計算，得出差值信號送入到控制器，再次驅(qū)動步進電機跟蹤軸轉(zhuǎn)動，使得采集裝置和太陽入射光線垂直。

3 跟蹤方位與高度控制的主要程序設(shè)計

4 結(jié)論

1） 仿真以徐州地區(qū)夏至日的太陽方位角和高度角為例，設(shè)定太陽定位跟蹤誤差的容忍度為0.5 °，每隔5min 獲取太陽位置，應(yīng)用太陽的時鐘定位和光偏比較定位相結(jié)合的方式跟蹤太陽運動軌跡。由仿真結(jié)果可見，用時鐘定位數(shù)據(jù)進行初定位，光偏比較定位數(shù)據(jù)修正誤差的方法效果明顯，能滿足太陽能采集裝置跟蹤控制的要求。

2） 采用太陽的方位角-高度角雙軸式自動跟蹤控制系統(tǒng)通過自身的識別判斷，先時鐘定位、后光偏比較定位來確定或變換測控策略，實現(xiàn)太陽能采集裝置跟蹤系統(tǒng)的全天候跟蹤運行與優(yōu)化控制。該方式跟蹤彌補了單一定位的不足，減少了跟蹤系統(tǒng)累計誤差，提高了太陽方位跟蹤精度。

參考文獻：

[1] 劉巍，王志超，沈垣，等.太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].水電能源科學(xué)，2009，27（2）.

[2] 王尚文，高偉，黃樹紅.混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J].可再生能源，2007（12）.

[3] 陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].新能源及工藝，2003，12（3）.

[4] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機械設(shè)計與制造，2005，7（7）.endprint

摘要：設(shè)計一種根據(jù)視日運動規(guī)律自動跟蹤太陽的系統(tǒng)。采用太陽高度-方位角雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅(qū)動，通過對跟蹤系統(tǒng)進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種太陽能采集裝置。主要從硬件和軟件方面分析太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實現(xiàn)。系統(tǒng)在實際跟蹤過程中運行狀況良好，跟蹤速度快捷。

關(guān)鍵詞：太陽光線；跟蹤；硅光傳感器；實時仿真

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8322-02

目前的太陽光線自動跟蹤裝置中，硅光式自動跟蹤裝置優(yōu)點比較突出，其跟蹤比較精確，原理簡單，容易實現(xiàn)，能通過反饋消除累計誤差；但缺點是由于選用多個硅板電池，信號采集的密集度始終有限， 不能連續(xù)檢測和跟蹤太陽光線的角度變化，無法實現(xiàn)對太陽運動的連續(xù)跟蹤。

1 方位角—高度角式太陽跟蹤方式硬件設(shè)計

雙軸式跟蹤方式在硬件設(shè)計上通常采用程序控制式和光電控制式（如圖1所示）。

1） 程序控制式太陽跟蹤裝置是與計算機相結(jié)合的。就是依據(jù)視日運行的參數(shù)來引導(dǎo)太陽能采集裝置的運行。實現(xiàn)過程：首先利用一套公式通過計算機算出在給定時間的太陽的位置，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，通過固定在兩個旋轉(zhuǎn)軸（高度角和方位角跟蹤軸）上的16位增量式編碼器得到太陽能采集裝置平面的實際位置，把裝置平面要求所處的位置同實際上所處的位置進行比較，最后偏差信號用來驅(qū)動的直流電機傳動裝置達到要求的位置，使采集裝置實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計誤差，并且自身不能消除。

2） 光電式太陽跟蹤裝置。光電式太陽跟蹤裝置通過光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個閾值時，執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整太陽能采集裝置的位置，直到使太陽光線與采集裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。

綜上兩種跟蹤裝置相比較，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關(guān)注。而采用兩種方式相結(jié)合，即可實現(xiàn)其自動跟蹤智能化。

2 跟蹤控制系統(tǒng)的仿真

2.1 感光材料和圓筒長度的選擇

為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽運動，要通過試驗尋找合適的電壓變化閾值的硅光電池作為傳感器。當(dāng)硅光電池的電壓變化閾值范圍值較小的時候，硅光電池在太陽照射下可能會很快達到飽和狀態(tài)，此時采集的信號就會失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會影響到跟蹤效果，使得跟蹤精度降低。

其次要設(shè)計合適長度的圓筒。理論上講，圓筒的長度越長，跟蹤器的精度就越高。隨著圓筒的增長，內(nèi)部兩個硅光電池同時接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會變?。患僭O(shè)圓筒內(nèi)部兩個硅光電池同時直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為較小，即太陽光線的偏離角度在較小的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個硅光電池不會出現(xiàn)照度差；短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為較大，即太陽光線的偏離角度在較大范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個硅光電池也不會出現(xiàn)照度差。即選擇合適長度的圓筒時，圓筒內(nèi)部兩個硅光電池就會產(chǎn)生一定的照度差值，該信號經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽。

2.2 太陽方位與高度具體計算

本系統(tǒng)采用太陽方位角-高度角雙軸式跟蹤太陽運動軌跡，先以太陽時鐘定位數(shù)據(jù)進行初定位，后以光偏比較計算數(shù)據(jù)定位進行跟蹤誤差修正，使采集裝置最大限度地接收直射光。跟蹤開始時，先采用時鐘定位數(shù)據(jù)計算當(dāng)前太陽的方位角和高度角，控制器對輸入的太陽位置信息進行運算，控制跟蹤軸快速轉(zhuǎn)動到太陽理論位置。由于時鐘定位易產(chǎn)生累計誤差，此時采集裝置可能并未完全正對太陽，因此再通過四象限硅光電池數(shù)據(jù)進行光偏檢測計算，得出差值信號送入到控制器，再次驅(qū)動步進電機跟蹤軸轉(zhuǎn)動，使得采集裝置和太陽入射光線垂直。

3 跟蹤方位與高度控制的主要程序設(shè)計

4 結(jié)論

1） 仿真以徐州地區(qū)夏至日的太陽方位角和高度角為例，設(shè)定太陽定位跟蹤誤差的容忍度為0.5 °，每隔5min 獲取太陽位置，應(yīng)用太陽的時鐘定位和光偏比較定位相結(jié)合的方式跟蹤太陽運動軌跡。由仿真結(jié)果可見，用時鐘定位數(shù)據(jù)進行初定位，光偏比較定位數(shù)據(jù)修正誤差的方法效果明顯，能滿足太陽能采集裝置跟蹤控制的要求。

2） 采用太陽的方位角-高度角雙軸式自動跟蹤控制系統(tǒng)通過自身的識別判斷，先時鐘定位、后光偏比較定位來確定或變換測控策略，實現(xiàn)太陽能采集裝置跟蹤系統(tǒng)的全天候跟蹤運行與優(yōu)化控制。該方式跟蹤彌補了單一定位的不足，減少了跟蹤系統(tǒng)累計誤差，提高了太陽方位跟蹤精度。

參考文獻：

[1] 劉巍，王志超，沈垣，等.太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].水電能源科學(xué)，2009，27（2）.

[2] 王尚文，高偉，黃樹紅.混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J].可再生能源，2007（12）.

[3] 陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].新能源及工藝，2003，12（3）.

[4] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機械設(shè)計與制造，2005，7（7）.endprint

摘要：設(shè)計一種根據(jù)視日運動規(guī)律自動跟蹤太陽的系統(tǒng)。采用太陽高度-方位角雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅(qū)動，通過對跟蹤系統(tǒng)進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種太陽能采集裝置。主要從硬件和軟件方面分析太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實現(xiàn)。系統(tǒng)在實際跟蹤過程中運行狀況良好，跟蹤速度快捷。

關(guān)鍵詞：太陽光線；跟蹤；硅光傳感器；實時仿真

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8322-02

目前的太陽光線自動跟蹤裝置中，硅光式自動跟蹤裝置優(yōu)點比較突出，其跟蹤比較精確，原理簡單，容易實現(xiàn)，能通過反饋消除累計誤差；但缺點是由于選用多個硅板電池，信號采集的密集度始終有限， 不能連續(xù)檢測和跟蹤太陽光線的角度變化，無法實現(xiàn)對太陽運動的連續(xù)跟蹤。

1 方位角—高度角式太陽跟蹤方式硬件設(shè)計

雙軸式跟蹤方式在硬件設(shè)計上通常采用程序控制式和光電控制式（如圖1所示）。

1） 程序控制式太陽跟蹤裝置是與計算機相結(jié)合的。就是依據(jù)視日運行的參數(shù)來引導(dǎo)太陽能采集裝置的運行。實現(xiàn)過程：首先利用一套公式通過計算機算出在給定時間的太陽的位置，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，通過固定在兩個旋轉(zhuǎn)軸（高度角和方位角跟蹤軸）上的16位增量式編碼器得到太陽能采集裝置平面的實際位置，把裝置平面要求所處的位置同實際上所處的位置進行比較，最后偏差信號用來驅(qū)動的直流電機傳動裝置達到要求的位置，使采集裝置實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計誤差，并且自身不能消除。

2） 光電式太陽跟蹤裝置。光電式太陽跟蹤裝置通過光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個閾值時，執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整太陽能采集裝置的位置，直到使太陽光線與采集裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。

綜上兩種跟蹤裝置相比較，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關(guān)注。而采用兩種方式相結(jié)合，即可實現(xiàn)其自動跟蹤智能化。

2 跟蹤控制系統(tǒng)的仿真

2.1 感光材料和圓筒長度的選擇

為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽運動，要通過試驗尋找合適的電壓變化閾值的硅光電池作為傳感器。當(dāng)硅光電池的電壓變化閾值范圍值較小的時候，硅光電池在太陽照射下可能會很快達到飽和狀態(tài)，此時采集的信號就會失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會影響到跟蹤效果，使得跟蹤精度降低。

其次要設(shè)計合適長度的圓筒。理論上講，圓筒的長度越長，跟蹤器的精度就越高。隨著圓筒的增長，內(nèi)部兩個硅光電池同時接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會變??；假設(shè)圓筒內(nèi)部兩個硅光電池同時直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為較小，即太陽光線的偏離角度在較小的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個硅光電池不會出現(xiàn)照度差；短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為較大，即太陽光線的偏離角度在較大范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個硅光電池也不會出現(xiàn)照度差。即選擇合適長度的圓筒時，圓筒內(nèi)部兩個硅光電池就會產(chǎn)生一定的照度差值，該信號經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽。

2.2 太陽方位與高度具體計算

本系統(tǒng)采用太陽方位角-高度角雙軸式跟蹤太陽運動軌跡，先以太陽時鐘定位數(shù)據(jù)進行初定位，后以光偏比較計算數(shù)據(jù)定位進行跟蹤誤差修正，使采集裝置最大限度地接收直射光。跟蹤開始時，先采用時鐘定位數(shù)據(jù)計算當(dāng)前太陽的方位角和高度角，控制器對輸入的太陽位置信息進行運算，控制跟蹤軸快速轉(zhuǎn)動到太陽理論位置。由于時鐘定位易產(chǎn)生累計誤差，此時采集裝置可能并未完全正對太陽，因此再通過四象限硅光電池數(shù)據(jù)進行光偏檢測計算，得出差值信號送入到控制器，再次驅(qū)動步進電機跟蹤軸轉(zhuǎn)動，使得采集裝置和太陽入射光線垂直。

3 跟蹤方位與高度控制的主要程序設(shè)計

4 結(jié)論

1） 仿真以徐州地區(qū)夏至日的太陽方位角和高度角為例，設(shè)定太陽定位跟蹤誤差的容忍度為0.5 °，每隔5min 獲取太陽位置，應(yīng)用太陽的時鐘定位和光偏比較定位相結(jié)合的方式跟蹤太陽運動軌跡。由仿真結(jié)果可見，用時鐘定位數(shù)據(jù)進行初定位，光偏比較定位數(shù)據(jù)修正誤差的方法效果明顯，能滿足太陽能采集裝置跟蹤控制的要求。

2） 采用太陽的方位角-高度角雙軸式自動跟蹤控制系統(tǒng)通過自身的識別判斷，先時鐘定位、后光偏比較定位來確定或變換測控策略，實現(xiàn)太陽能采集裝置跟蹤系統(tǒng)的全天候跟蹤運行與優(yōu)化控制。該方式跟蹤彌補了單一定位的不足，減少了跟蹤系統(tǒng)累計誤差，提高了太陽方位跟蹤精度。

參考文獻：

[1] 劉巍，王志超，沈垣，等.太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].水電能源科學(xué)，2009，27（2）.

[2] 王尚文，高偉，黃樹紅.混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J].可再生能源，2007（12）.

[3] 陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].新能源及工藝，2003，12（3）.

[4] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機械設(shè)計與制造，2005，7（7）.endprint