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文献综述
太阳能是取之不尽的能源，在我们这一个能源缺乏的时代，能否有效利用太阳能就显得至关重要了。虽然现在太阳能的应用比较普遍,但是利用率普遍都不高。首先由于到达地球表面的太阳福射的总量尽管很大,但是能流密度很低。夏季在天气较为晴朗的情况下,正午时太阳福射的福照度最大,在垂直于太阳光方向一平米面积上接收到的太阳能平均有1KW左右;而在冬季大致只有一半,阴天一般只有五分之一左右,这样的能流密度是很低的。其次由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,到达某一地面的太阳福照度既是间断的又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。综上所述,我们应该避免这些弊端,在实际应用过程中通过各种技术手段和设施设备,来解决太阳能源本身存在的这一些缺点。考虑到太阳能由于其不稳定性和分散性导致太阳能利用存在效率低和成本高的问题,本课题认为设计研究一款简单、适用、高效的逐日控制系统很有现实意义,并能对改善和推广利用太阳能取到积极的推动作用。
如何高效的利用太阳能,获得最大限度的利用率是当前首要问题。由参考文献[18]知随动控制系统的太阳能发电设备就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化，调整太阳能电池板的偏转角度，从而跟踪太阳的运行轨迹，使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上，充分地接收太阳辐射能量。据试验测定,相同条件下,釆用随动控制系统的太阳能发电设备比固定式太阳能发电设备的发电量要提高20--35%。
逐日装置主要可以分为两大类,机械系统和电控系统。机械式分为压差式和控方式;目前,我们最为常见的是电控式,因为电控系统有较高的稳定性和跟踪精度,电控系统分为光电式和视日运动轨迹式。根据参考文献[18]下面介绍一下目前常用的逐日跟踪器:
(1)压差式逐日跟踪器这种太阳能跟踪器结构简单,是纯机械控制,不需要控制器控制和外部的电路等设备,所以此种跟踪器的跟踪精度很低,而且只能用于单轴跟踪。原理是:当入射光源发生偏斜时,使容器两端的受光面积不同,从而产生压力差,在压力差的作用下使跟踪器重新对准太阳。
(2)控放式逐日跟踪器这种太阳跟踪器的成本低,也是纯机械装置,不需要控制器部分和外部电路电源等。控制精度低,只能用于单轴跟踪。原理是:在逐日跟踪装置的一端放偏重,作为逐日跟踪装置向西转动的动力,利用控放式跟踪装置慢慢释放次动力,
就会使逐日跟踪装置慢慢的向西转动。(3)光电式跟踪装置光电跟踪装置主要是利用安放在不同位置的光电传感器,接收到太阳发出的光线,当太阳光发生偏斜时,不同的传感器产生的电压(电流)就会发生变化,根据产生的微弱信号差值,经过放大电路等电子电路的处理,由伺服机构调整电机的角度使逐日跟踪装置也转过相应的角度,根据变化实时的调整跟踪装置的方向来跟踪太阳的方位。这种跟踪方法的跟踪精度较高,在电路搭建和控制器等方面比较容易实现,但是价格相对较高,而且由于使用了传感器,对外界光线的变化比较敏感。
(4)视日运动轨迹式跟踪装置控制原理是:根据当地的时间、纬度等数据,计算出太阳在天空中不同时刻的高度角和方位角,从而可以确定电机的转动方向和转速,使逐日跟踪系统能根据实时的太阳角度变化而变化。这种逐日跟踪器的原理简单,但由于时钟累计误差的不断积累和天文角度的近似计算,控制精度并不高,控制系统复杂,但是不会受外界天气的影响。视日运动轨迹式跟踪分为两种,单轴式和双轴式跟踪。通过以上这些逐F1跟踪器的原理可知,机械式跟踪器和视日运动轨式跟踪器的精度较低,光电式跟踪的精度相对较高。跟踪系统的目的就是在于提高太阳能的使用率,如果跟踪精度太低,那么就达不到跟踪太阳的目的,也没有提高太阳能的使用率所以在这些跟踪方法中,精度较高的光电式跟踪的跟踪效果较好,但还是存在着很多的不足,需要进一步的研究。随着自动化技术的不断发展,越来越多的人工智能被应用到各个领域中,在跟踪控制系统中智能控制的应用也广泛起来,如机载光电跟踪平台、航拍跟踪技术、智能机器人、煙缝自动跟踪技术等等,专家学者们都在不断的尝试新的智能
目前，太阳能跟踪方法有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪两大类。参考文献[9]提出了基于PLC的单轴跟踪系统，采用光敏电阻光强比较法，利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理来控制电机的转动，从而带动集热器跟踪太阳，但该跟踪方法受天气影响大，无法在阴雨天气正常工作，而且该跟踪系统采用单轴跟踪，只能在一个方位上对太阳进行跟踪。参考文献[10]介绍了基于二维太阳跟踪装置的控制系统，该系统采用视日运动轨迹跟踪方法计算出太阳高度角和方位角，进而通过PC机控制步进电机，从而带动集热器实现对太阳的跟踪。该方法成本低，但是采用视日运动轨迹跟踪存在累计误差，而且自身不能消除。此外，以上光电跟踪和视日运动轨迹跟踪中没有设计时间显示调整模块，无法显示实时时间和对时间进行调整。
鉴于此,本课题以设备简单、价格低廉、功能适用及控制精准为原则,通过分析太阳的运动轨迹和逐日跟踪控制系统的原理和组成,在双自由度跟踪系统的硬件基础上,结合地球经纬度的数据,得到太阳的方位角和高度角的变化趋势,通过PLC与上位机串口通讯实现此部分;再通过传感器件采集到的精确的跟踪位置信号,传送到控制器中,最后通过PLC控制算法,控制双自由度的系统,实现不同地理位置、不同地区,逐日系统精确地跟踪太阳的能力。
