高精度双轴伺服太阳能跟踪系统的设计应用

　　1 引言

　　开发新能源和可再生能源是全世界面临的共同课题，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。在新能源中，光伏发电是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术，受到全世界的普遍重视。

　　太阳能光伏发电作为太阳能利用的主要方式之一，因其资源潜力大、可持续利用等特点，成为各国竞相发展的重点。但光伏发电成本过高是长期制约其高速发展的主要问题，其解决途径之一便是提高发电系统的发电量，使平板光伏组件受光面时刻正对太阳，相同的辐照条件下吸收比固定安装光伏组件更多的太阳辐射能量，从而达到降低光伏发电成本的目的。

　　相关理论分析表明[1]：太阳的双轴跟踪与非跟踪，能量的接收率相差41.34%，精确的跟踪太阳可使接收器的热接收效率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。该双轴装置按预定的位置调整太阳能电池板朝向，结构简单、不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能装置的太阳能利用率，有较好的推广应用价值。

　　2 太阳能伺服跟踪系统设计

　　(1)太阳跟踪方式选择

　　按照不同的分类方法，太阳跟踪方式通常有传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序控制)，还有单轴跟踪[2]和双轴跟踪。

　　传感器跟踪[3]是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线，当太阳光偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，经放大、运算后控制执行机构，使跟踪装置重新对准太阳光。这种跟踪方式的优点是灵敏度高;缺点是受天气影响大，阴雨天则无法对准太阳，甚至引起执行机构的误动作。视日运动轨迹跟踪(程序控制)，是根据太阳的实际运行轨迹按预定的程序调整跟踪装置跟踪太阳。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，其精度不高，但是符合实际运行情况，应用较广泛。

　　单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角作季节性调整。双轴跟踪是在方位角和高度角两个方向跟踪太阳轨迹.显然双轴跟踪的效果优于单轴跟踪。

　　目前，以双轴跟踪为基础的传感器双轴跟踪或程序控制双轴跟踪方式被普遍采用.在美国加州建造的发电功率约为300～600mw的太阳能斯特林电厂中，所有太阳能集热器都采用双轴跟踪系统。

　　(2)视日运动轨迹跟踪设计

　　太阳每天东升西落，站在地球表面的人会观测到太阳很有规律的在天球上运动。视日运动轨迹跟踪就是利用plc控制单元根据相应的公式和参数计算出白天时太阳的实时位置，然后发出指令给伺服电机去驱动太阳跟踪装置，以达到对太阳实时跟踪的目的。太阳在天球上的位置可由太阳高度角αs和太阳方位角γs来确定。太阳高度角αs又称太阳高度、太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角(0≤αs≤90°)[4]，可由下式计算得出：