主動式太陽能追日系統(tǒng)設(shè)計

作者：時間：2013-04-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

1．3 太陽位置的確定
因為在天球上的所有圓圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾畫出的圓，同時，鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測的參考方向。所以，地平參考系一直是實用中必不可少的參考系統(tǒng)。在實際觀測中，最重要的幾何坐標(biāo)系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系。把直接觀測的天空形象用嚴(yán)格的幾何方式系統(tǒng)表示時，它也是實際中唯一可用的坐標(biāo)系。因此，太陽跟蹤器采用地平坐標(biāo)系直觀方便，操作性強(qiáng)，但是，也存在軌跡坐標(biāo)計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標(biāo)卻嚴(yán)格已知，同時，赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動密切相關(guān)，因此，通過天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系。綜合分析，在進(jìn)行太陽跟蹤觀測時，兩維程控太陽跟蹤器的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型采用地平坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并借助赤道坐標(biāo)系來進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以獲得即時的太陽高度角和方位角。
雖然太陽在天球上的位置每日、每時都有變化，但是其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運(yùn)動規(guī)律，可以通過天文公式計算出太陽在赤道坐標(biāo)系中的太陽赤緯角和太陽時角。在實際使用中，由于太陽赤緯角和太陽時角是建立在赤道坐標(biāo)系中，不便于直接應(yīng)用，因此一般將其轉(zhuǎn)換到人們所熟悉的地平坐標(biāo)系中，即由太陽赤緯角和時角計算出太陽高度角和太陽方位角。當(dāng)太陽高度角和方位角確定后，太陽的位置也就唯一確定了。
根據(jù)天體幾何學(xué)中太陽運(yùn)行軌跡算法公式，太陽的位置通過下列球面三角公式精確求出：
sinH=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω (1)
sinA=cosδ·sinτ／cosH (2)
其中，太陽高度角為H，太陽方位角為A，涉及3個天文地理坐標(biāo)：δ為太陽赤緯角，φ為觀測點的地理緯度，ω為觀測時的太陽時角。這3個天文地理坐標(biāo)可以通過以下方式獲得：
①觀測地點的地理緯度通過GPS等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。
②赤緯角和時角的計算需要通過時間確定。由于太陽在一年中的時角運(yùn)動很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時間采用平太陽時，即太陽沿著周年運(yùn)動的平均速率，在工程計算中，就會存在時差問題(真太陽時與平太陽時之差)，因此必須采用真太陽時，否則在實際觀測中無法達(dá)到精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時，可以根據(jù)定時標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)時差值，真太陽時計算公式如下：
真太陽時(視時)=時差+平太陽時(平時) (3)
其中：時差可以根據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的規(guī)律由天體力學(xué)算出，在每年的天文年歷中可以查到。

2 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)能根據(jù)裝置所在地點的地理參數(shù)自動計算太陽的高度角和方位角，并結(jié)合系統(tǒng)對天氣的檢測結(jié)果，驅(qū)動電機(jī)完成追日。
(1)太陽能收集裝置安裝位置及工作時間的獲取
借助GPS等設(shè)備通過終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時間等參數(shù)，這是實時計算太陽高度角及方位角的基礎(chǔ)，若系統(tǒng)所處地理位置發(fā)生較大變化，則需要重新輸入地理位置坐標(biāo)及當(dāng)前時間。
(2)太陽高度角及方位角的計算
根據(jù)太陽能收集裝置安裝位置及工作時間實時計算太陽高度角及方位角是本設(shè)計方案的重點與難點之一，需進(jìn)一步深入研究其算法實現(xiàn)，這是能否實現(xiàn)精確追日的關(guān)鍵。
(3)步進(jìn)電機(jī)對太陽能收集裝置的角度驅(qū)動
經(jīng)ATmega32單片機(jī)實時計算產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，通過傳動機(jī)構(gòu)對太陽能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動而完成偏擺，進(jìn)而實現(xiàn)太陽能收集裝置隨太陽位置變化的實時旋轉(zhuǎn)。
(4)工作狀態(tài)下天氣情況的檢測
若為陰雨天氣，則停止對太陽能追日裝置的角度校正。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1 硬件組成框圖
系統(tǒng)硬件除通用電路(電源電路、JTAG電路、RS232串口通信電路)外主要分為8個部分，具體為ATmega32單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、時鐘電路、光電傳感器電路、光敏檢測以及蜂鳴器電路。組成框圖如圖3所示。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/159420.htm