一种高精度太阳跟踪控制装置研究
发布时间：2021-07-09 02:57
提高太阳能跟踪系统的跟踪精度及其稳定性是提高太阳能利用效率及降低成本的重要途径。提出了一种以程控和光控相结合的混合控制高精度太阳能跟踪系统。通过对光电传感器进行改进,使其壁有一定的张角同时增加合适宽度的遮光板用使输出模拟量放大,以提高其稳定性和入射光偏差灵敏度,其中入射光最大偏差为0.105 mm。实验结果表明:该跟踪装置通过太阳光线垂直照射在接收器,从而有效的提高系统的跟踪精度且能够实现全天候自动跟踪。通过误差分析法将实测数据与理论数据进行计算得出跟踪绝对误差在±0.1°以内,比现有的跟踪控制装置更为精确,表明该跟踪控制装置满足稳定可靠、精度高、抗干扰能力强。
【文章来源】：传感技术学报. 2018,31(06)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
太阳能跟踪控制系统结构框图
时控制太阳跟踪装置工作。实验数据表明当太阳偏转±0．5°时隔板式跟踪传感器输出0．3mA电流，而对于改进后的跟踪传感器，当太阳偏转±0．1°则就会有0．3mA的电流输出。通过数据的比较可以看出本文中对跟踪传感器的设计改进可改善跟踪器接收信号的灵敏度、系统控制精度。而传感器光电池的输出量与其表面接受的光照能量成正比，当其中一个为常量时，则光电池输出量与另一个变量成为线性关系，而且受光照面积越大，短路电流也越大［21］。光生电动势和光电流与光照强度关系如图3所示。图3光生电动势和光电流与光照强度关系图4四象限光电池光照分布图1．3光电传感器精度计算当光照强度在短时间内看作一定值时，通过控制光电池光照面积来得到不同的输出量。四象限光电池光照分布如图4所示，四象限光电池分为X轴和Y轴两个方向。当光线偏离后，光电池就会相应产生电流差，并通过计算可以得到太阳的实际偏差和入射角［22］。当光电池接受光照的光斑沿着X轴向左偏离了ΔX，则光斑被Y轴所分的面积差为ΔS。光电池上的光斑半径为Ｒ，光电池半径为Ｒ，总面积为S，4个象限光电池上对应产生的输出量的值为I1、I2、I3、I4，输出量的值之和为I。假设ΔX很小，则通过近似计算可以得到:ΔS≈2ＲΔX(1)由于光电池材质都一样，则光电池输出量与光照面积成正比，所以:(S/2－ΔS)/S=ΔI/I(2)(πＲ2)/2－2ＲΔXπＲ2=I1+I4－I2－I3I1+I2+I3+I4(3)ΔX=πＲ43(I2+I3)－(I1+I4)I1+
心之间的距离为ΔX=H×tan(0．1°)=60×tan(0．1°)=0．105mm，可以表明其入射光最大偏差为0．105mm，通过结果分析输出量偏差满足跟踪精度要求且能够使跟踪精度能够控制在±0．1°以内。2太阳能跟踪控制系统的设计2．1视日运动轨迹模型视日运动轨迹跟踪系统的控制方法基于复杂的天文数字算法［24－25］。通过复杂的天文公式计算，得出太阳相对跟踪装置的安放地点，并以不同的方式表示出它们位置关系。然后给出相对应的控制信号来驱动伺服电机对太阳进行跟踪。图6太阳运行轨迹跟踪天体模型太阳运行轨迹跟踪天体模型如图6所示，当太阳跟踪装置所在的地理经纬度确定后，给出一组此刻太阳所处的时角和赤纬角，就可以求解出观测时刻该地点的太阳高度角δ和方位角ω的数据。其中，高度角δ=∠MOＲ，方位角ω=∠MOS，观测地点的纬度γ=∠NOP(－90°≤γ≤90°)，此刻太阳所处的时角为φ=∠QOT，太阳所处的赤纬角为Θ=∠TOＲ(－23．45°≤θ≤23．45°)，n指一年中的第n天。由Cooper提出对地球赤纬角的近似计算表达式:θ=23．45°sin360°(284+n)365[](7)根据地平坐标和时坐标之间的坐标计算方法，可得太阳高度角计算表达式［26］:sinδ=sinγsinθ+cosγcosθcosφ(8)sinδ=sinγsinθ+cosγcosθ(9)sinω=cosθsinφcosδ(10)可以通过给定当地的经纬度得出太阳的高度角、方位角，最终能够求解出日出时间和日落时间，然后通过程序控制给出相应的信号，驱动伺服电机运作并对太阳进行跟踪。图7跟踪控制系统流程图2．2PLC
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种四象限太阳跟踪控制系统设计[J]. 谢漪,谢翠婷,叶创辉. 机电工程技术. 2017(02)
[2]高倍聚光太阳能电池板跟踪系统[J]. 李训涛,张明. 测试技术学报. 2016(05)
[3]视日轨迹太阳能反馈跟踪系统的设计与实现[J]. 徐炜君,原大明. 化工自动化及仪表. 2016(08)
[4]基于单片机的双轴太阳光追踪器设计[J]. 陆建章,杨天宇,马小斌,雷小龙. 科技创新与应用. 2016(02)
[5]太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计[J]. 王林军,门静,张东,许立晓,邓煜,吕耀平,陈艳娟. 农业工程学报. 2015(14)
[6]新能源的开发与利用[J]. 刘云龙,章忠柯,陈刚. 技术与市场. 2015(01)
[7]太阳能自动跟踪系统的研究现状及展望[J]. 王林军,邵磊,门静,张东,刘伟. 中国农机化学报. 2014(01)
[8]自动追踪太阳能UASB反应器的设计[J]. 施云芬,王旭晖,张更宇,姚海滨,陈弘名. 化工自动化及仪表. 2014(01)
[9]太阳能利用技术及其应用[J]. 闫云飞,张智恩,张力,代长林. 太阳能学报. 2012(S1)
[10]我国新能源发展现状及前景[J]. 李春曦,王佳,叶学民,喻桥. 电力科学与工程. 2012(04)
博士论文
[1]中国新能源发展研究[D]. 张海龙.吉林大学 2014
硕士论文
[1]基于平顶锥形传感器的光伏组件方位检测与自动跟踪系统[D]. 张海昇.沈阳农业大学 2016
[2]基于太阳跟踪光探测器的研究与设计[D]. 段忠宝.新疆大学 2010
[3]高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究[D]. 杨培环.武汉理工大学 2010
[4]太阳能利用的跟踪与聚集系统研究[D]. 张宝星.合肥工业大学 2006
本文编号：3272872
【文章来源】：传感技术学报. 2018,31(06)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
太阳能跟踪控制系统结构框图
时控制太阳跟踪装置工作。实验数据表明当太阳偏转±0．5°时隔板式跟踪传感器输出0．3mA电流，而对于改进后的跟踪传感器，当太阳偏转±0．1°则就会有0．3mA的电流输出。通过数据的比较可以看出本文中对跟踪传感器的设计改进可改善跟踪器接收信号的灵敏度、系统控制精度。而传感器光电池的输出量与其表面接受的光照能量成正比，当其中一个为常量时，则光电池输出量与另一个变量成为线性关系，而且受光照面积越大，短路电流也越大［21］。光生电动势和光电流与光照强度关系如图3所示。图3光生电动势和光电流与光照强度关系图4四象限光电池光照分布图1．3光电传感器精度计算当光照强度在短时间内看作一定值时，通过控制光电池光照面积来得到不同的输出量。四象限光电池光照分布如图4所示，四象限光电池分为X轴和Y轴两个方向。当光线偏离后，光电池就会相应产生电流差，并通过计算可以得到太阳的实际偏差和入射角［22］。当光电池接受光照的光斑沿着X轴向左偏离了ΔX，则光斑被Y轴所分的面积差为ΔS。光电池上的光斑半径为Ｒ，光电池半径为Ｒ，总面积为S，4个象限光电池上对应产生的输出量的值为I1、I2、I3、I4，输出量的值之和为I。假设ΔX很小，则通过近似计算可以得到:ΔS≈2ＲΔX(1)由于光电池材质都一样，则光电池输出量与光照面积成正比，所以:(S/2－ΔS)/S=ΔI/I(2)(πＲ2)/2－2ＲΔXπＲ2=I1+I4－I2－I3I1+I2+I3+I4(3)ΔX=πＲ43(I2+I3)－(I1+I4)I1+
心之间的距离为ΔX=H×tan(0．1°)=60×tan(0．1°)=0．105mm，可以表明其入射光最大偏差为0．105mm，通过结果分析输出量偏差满足跟踪精度要求且能够使跟踪精度能够控制在±0．1°以内。2太阳能跟踪控制系统的设计2．1视日运动轨迹模型视日运动轨迹跟踪系统的控制方法基于复杂的天文数字算法［24－25］。通过复杂的天文公式计算，得出太阳相对跟踪装置的安放地点，并以不同的方式表示出它们位置关系。然后给出相对应的控制信号来驱动伺服电机对太阳进行跟踪。图6太阳运行轨迹跟踪天体模型太阳运行轨迹跟踪天体模型如图6所示，当太阳跟踪装置所在的地理经纬度确定后，给出一组此刻太阳所处的时角和赤纬角，就可以求解出观测时刻该地点的太阳高度角δ和方位角ω的数据。其中，高度角δ=∠MOＲ，方位角ω=∠MOS，观测地点的纬度γ=∠NOP(－90°≤γ≤90°)，此刻太阳所处的时角为φ=∠QOT，太阳所处的赤纬角为Θ=∠TOＲ(－23．45°≤θ≤23．45°)，n指一年中的第n天。由Cooper提出对地球赤纬角的近似计算表达式:θ=23．45°sin360°(284+n)365[](7)根据地平坐标和时坐标之间的坐标计算方法，可得太阳高度角计算表达式［26］:sinδ=sinγsinθ+cosγcosθcosφ(8)sinδ=sinγsinθ+cosγcosθ(9)sinω=cosθsinφcosδ(10)可以通过给定当地的经纬度得出太阳的高度角、方位角，最终能够求解出日出时间和日落时间，然后通过程序控制给出相应的信号，驱动伺服电机运作并对太阳进行跟踪。图7跟踪控制系统流程图2．2PLC
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种四象限太阳跟踪控制系统设计[J]. 谢漪,谢翠婷,叶创辉. 机电工程技术. 2017(02)
[2]高倍聚光太阳能电池板跟踪系统[J]. 李训涛,张明. 测试技术学报. 2016(05)
[3]视日轨迹太阳能反馈跟踪系统的设计与实现[J]. 徐炜君,原大明. 化工自动化及仪表. 2016(08)
[4]基于单片机的双轴太阳光追踪器设计[J]. 陆建章,杨天宇,马小斌,雷小龙. 科技创新与应用. 2016(02)
[5]太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计[J]. 王林军,门静,张东,许立晓,邓煜,吕耀平,陈艳娟. 农业工程学报. 2015(14)
[6]新能源的开发与利用[J]. 刘云龙,章忠柯,陈刚. 技术与市场. 2015(01)
[7]太阳能自动跟踪系统的研究现状及展望[J]. 王林军,邵磊,门静,张东,刘伟. 中国农机化学报. 2014(01)
[8]自动追踪太阳能UASB反应器的设计[J]. 施云芬,王旭晖,张更宇,姚海滨,陈弘名. 化工自动化及仪表. 2014(01)
[9]太阳能利用技术及其应用[J]. 闫云飞,张智恩,张力,代长林. 太阳能学报. 2012(S1)
[10]我国新能源发展现状及前景[J]. 李春曦,王佳,叶学民,喻桥. 电力科学与工程. 2012(04)
博士论文
[1]中国新能源发展研究[D]. 张海龙.吉林大学 2014
硕士论文
[1]基于平顶锥形传感器的光伏组件方位检测与自动跟踪系统[D]. 张海昇.沈阳农业大学 2016
[2]基于太阳跟踪光探测器的研究与设计[D]. 段忠宝.新疆大学 2010
[3]高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究[D]. 杨培环.武汉理工大学 2010
[4]太阳能利用的跟踪与聚集系统研究[D]. 张宝星.合肥工业大学 2006
本文编号：3272872
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