基于视日运动轨迹的双轴太阳跟踪系统的研究
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摘要
随着全球范围内的能源问题日益严重，太阳能作为一种清洁无污染的新能源正越来越广泛地被利用。太阳能集热器这类最主要的太阳能热利用产品的质量检测显得尤为重要。车载太阳跟踪系统是流动式太阳能热利用产品热性能测试系统中的一个关键子系统，对提高检测效率具有重要意义。
论文在现有太阳跟踪研究基础上设计一套基于视日运动轨迹的太阳集热器测试系统数控双轴太阳自动跟踪系统，能够实现对太阳的实时跟踪。主要工作围绕以下几方面展开。
首先对我国的能源利用现状、太阳能热利用产品检测现状进行说明，并对现有的太阳跟踪装置从原理到实现方式进行对比分析。确定本车载跟踪系统选用视日运动轨迹跟踪方案。在此基础上，给出了太阳位置的计算方法，特别是对算法中富有争议的时差值进行计算，用一年的数据与天文年历对比，取最优算法。
采用间歇式的控制方式以及双轴转动机构模型对跟踪系统进行硬件设计，其外形尺寸由承载车辆的空间大小决定。利用工控机控制两个轴的伺服电机转动，实现双轴跟踪。基于Labview语言编写各模块的软件程序并进行调试。实现了手动调整以及根据地理经纬度、计算机时间实时计算太阳位置并对其进行自动跟踪的功能。
在实际环境中，用所设计的双轴跟踪系统进行追日试验，对其跟踪精度进行分析，试验结果表明，所设计的双轴跟踪系统能够实现试验环境条件自动判断，各项功能满足项目要求，跟踪精度在±2°以内。
目前，本文设计的车载双轴太阳跟踪系统已集成于流动式太阳能热利用产品热性能测试系统，使用方便，增加了太阳集热器平板能量吸收率，满足热性能测试要求。
With the growing of energy problem worldwide, solar energy is becoming morewidely used as a clean and non-polluting energy. Quality testing for the mostimportant use of solar thermal products such as solar collectors is particularlyimportant. The vehicle sun-tracker is the key component of the mobile thermalperformance testing system for solar thermal products. It has a greatsignificance to improve the detection efficiency.
A numerical control two-axis automatic sun-tracker based on the solar trajectorywas designed for solar collector testing system on the existing study of sun tracking. Itcan realize real-time sun tracking.
Firstly, the status of energy utilization in our country and the current situation ofsolar thermal products’ quality were described. Existing sun-tracking devices wereanalyzed comparatively from their principle to implementation. The tracking programbased on solar trajectory was selected for the system. On this basis, the calculationof the sun position was given, especially, the controversial algorithms for timedifference were researched，the optimal algorithm which was not far off astronomicalalmanac was selected by comparing time difference data of one year.
The hardware of the tracking system was designed using the intermittent controlmode and two-axis rotating model，size of the system was decided by the carryingvehicle’s space. Servo motors’ rotation of the two axes was controlled by industrialcontrol computer to achieve the two-axis tracking. The software program for eachmodule was wrote in Labview-based language and debugged. The system realized thefunctions including manual adjustment and automatic tracking based on the position ofthe sun calculated by the computer using the geographical latitude, longitude and time.
Two-axis tracking system designed was used for tracking test in real environment.Its tracking accuracy was analyzed. It was showed that the two-axis suntracker designed can test environmental conditions automatically, its variousfunctions met the project’ requirements. Tracking accuracy of the system wasdetermined to be less than±2°.
The vehicle two-axis sun tracker has been integrated in the mobile thermalperformance testing system for solar thermal products. It’s convenient to use.Energy absorption rate of flat panel solar collectors are increased. Testing requirementswere met.
论文在现有太阳跟踪研究基础上设计一套基于视日运动轨迹的太阳集热器测试系统数控双轴太阳自动跟踪系统，能够实现对太阳的实时跟踪。主要工作围绕以下几方面展开。
首先对我国的能源利用现状、太阳能热利用产品检测现状进行说明，并对现有的太阳跟踪装置从原理到实现方式进行对比分析。确定本车载跟踪系统选用视日运动轨迹跟踪方案。在此基础上，给出了太阳位置的计算方法，特别是对算法中富有争议的时差值进行计算，用一年的数据与天文年历对比，取最优算法。
采用间歇式的控制方式以及双轴转动机构模型对跟踪系统进行硬件设计，其外形尺寸由承载车辆的空间大小决定。利用工控机控制两个轴的伺服电机转动，实现双轴跟踪。基于Labview语言编写各模块的软件程序并进行调试。实现了手动调整以及根据地理经纬度、计算机时间实时计算太阳位置并对其进行自动跟踪的功能。
在实际环境中，用所设计的双轴跟踪系统进行追日试验，对其跟踪精度进行分析，试验结果表明，所设计的双轴跟踪系统能够实现试验环境条件自动判断，各项功能满足项目要求，跟踪精度在±2°以内。
目前，本文设计的车载双轴太阳跟踪系统已集成于流动式太阳能热利用产品热性能测试系统，使用方便，增加了太阳集热器平板能量吸收率，满足热性能测试要求。
With the growing of energy problem worldwide, solar energy is becoming morewidely used as a clean and non-polluting energy. Quality testing for the mostimportant use of solar thermal products such as solar collectors is particularlyimportant. The vehicle sun-tracker is the key component of the mobile thermalperformance testing system for solar thermal products. It has a greatsignificance to improve the detection efficiency.
A numerical control two-axis automatic sun-tracker based on the solar trajectorywas designed for solar collector testing system on the existing study of sun tracking. Itcan realize real-time sun tracking.
Firstly, the status of energy utilization in our country and the current situation ofsolar thermal products’ quality were described. Existing sun-tracking devices wereanalyzed comparatively from their principle to implementation. The tracking programbased on solar trajectory was selected for the system. On this basis, the calculationof the sun position was given, especially, the controversial algorithms for timedifference were researched，the optimal algorithm which was not far off astronomicalalmanac was selected by comparing time difference data of one year.
The hardware of the tracking system was designed using the intermittent controlmode and two-axis rotating model，size of the system was decided by the carryingvehicle’s space. Servo motors’ rotation of the two axes was controlled by industrialcontrol computer to achieve the two-axis tracking. The software program for eachmodule was wrote in Labview-based language and debugged. The system realized thefunctions including manual adjustment and automatic tracking based on the position ofthe sun calculated by the computer using the geographical latitude, longitude and time.
Two-axis tracking system designed was used for tracking test in real environment.Its tracking accuracy was analyzed. It was showed that the two-axis suntracker designed can test environmental conditions automatically, its variousfunctions met the project’ requirements. Tracking accuracy of the system wasdetermined to be less than±2°.
The vehicle two-axis sun tracker has been integrated in the mobile thermalperformance testing system for solar thermal products. It’s convenient to use.Energy absorption rate of flat panel solar collectors are increased. Testing requirementswere met.
引文
[1]常振明，韩平，曲春洪.可再生能源利用现状与展望[J].当代石油石化，2004，12（12）:19-20.
[2]郝丽，陈超，刘洪泉.能源利用现状与可持续发展[J].电力与电源，2008，20:626.
[3]康文星，田徵，何介南.我国能源利用现状的初步分析[J].中南林业科技大学学报，2010，30（12）：127-132.
[4]许红星.我国能源利用现状与对策[J].中外能源，2010，15（1）:3-13.
[5]代铭玉.国内外新能源利用现状[J].绿色科技，2011，8（8）：62-62.
[6]黄飞，陶进庆.太阳能利用大有可为[J].中国资源总和应用，2001，（4）：35-36.
[7]孟浩，陈颖健.我国太阳能利用技术现状及其对策[J].中国科技论坛，2009，（5）：96-97.
[8]钱伯章.新能源后石油时代的必然选择[M].北京:化学工业出版社，2007.
[9]于晓燕，崔爱红.我国太阳能利用的现状、问题与对策[J].科技信息，2011，（3）：53.
[10] Teolan Tomson．Discrete two-positional tracking of solar collectors [J]．Renewable Energy，2008(33)：400—405.
[11] Nelson A．Kelly，Thomas L．Gibson．Improved photovoltaic energy output for cloudyconditions with a solar tracking system [J]．Solar Energy，2009(83)：2092—2102.
[12]段瑞芳.太阳集热器热性能测试系统的研发[D].华中科技大学，2006.
[13]霍志臣，罗振涛.中国太阳能热利用产业发展研究（2008-2010）（上）[J].太阳能，2010，（10）：12-14.
[14]何梓年.应尽快开展太阳热水器产品质量认证工作[J].能源工程，2006，（6）：13-16.
[15]任可.国家首次进行平板型太阳集热器产品质量抽查[J].太阳能，1989，（1）:2.
[16]黄巧燕.太阳集热器热性能试验系统[D].华中科技大学，2003.
[17] GB/T4271-2007，太阳能集热器热性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.
[18]王如竹，代彦军．太阳能热利用基础[M]．第一版．北京：化学工业出版社，2007：10．
[19]王炳忠，汤洁．几种太阳位置计算方法的比较研究[J]．太阳能学报，2001．22（4）：413-415．
[20]陈建彬，沈惠平，丁磊.太阳能光伏发电二轴跟踪机构的研究现状及发展趋势[J]．机械设计与制造，2010(8)：264—266.
[21] R.C.Neville. Solar energy collector orientation and tracking mode [J]. Solar Energy，1978（20）：7-11.
[22]李晶，窦伟，徐正国．光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究[J]．太阳能学报，2007，28（3）：268—273.
[23]薛建国．基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J]．长春师范学院学报，2005，24(3)：26—30.
[24]刘四洋，伍春生，彭燕昌．主动式双轴太阳跟踪控制器[J]．可再生能源，2007，25(6)：69—72.
[25]孙茵茵．自适应复精度太阳跟踪平台[D]．武汉：华中科技大学机械制造及其自动化系，2005．
[26]王志超．太阳能热发电系统中太阳跟踪器的研究[D]．江苏：南京航空航天大学能源与动力系，2008．
[27]张翌翀．基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器设计与实现[D]．上海：上海交通大学电子信息与电气工程系，2008．
[28]凌栋宝，李文婷．双光电探头的光伏电源自动跟踪装置的研制[J]．青海大学学报，2007．25（1）：10-12．
[29]王尚文，高伟，黄树红．混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[J]．可再生能源，2007，25（6）：10-13．
[30]赵建根，高永全．五象限法太阳自动跟踪仪[J]．应用光学，2001，22(1)：30—32．
[31]薛建国．基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J]．长春师范学院学报，2005，24(3)：26—30．
[32] Ibrahim Reda，Afshin Andreas．Solar position algorithm for solar radiation applications[J]．Solar Energy，2004(76)：577—589．
[33] Alistair B． Sproul． Derivation of the solar geometric relationships using vectoranalysis[J]． Renewable Energy，2007(32)：1187—1195.
[34]金晶晶．太阳光线自动跟踪装置[D]．沈阳：沈阳工业大学检测技术与自动化装置，2007．
[35] Roberto Grena．An algorithm for the computation of the solar position [J]．Solar Energy，2008(82)：462—468．
[36] Robert Foster Majid Ghassemi Alma Cota．太阳能——可再生能源与环境[M]．北京：人民邮电出版社，2010：5-6．
[37]杜春旭，王普，马重芳．一种高精度太阳位置算法[J]．新能源及工艺，2010(2)：41—44．
[38]吴静．太阳自动跟踪系统的研究[D].重庆：重庆大学光电工程学院，2008.
[39]刘念雄，秦佑国．建筑热环境．北京：清华大学出版社，2005：241-245．
[40] Shuang-Ying Wu，Lan Xiao，You-Rong Li．Effect of aperture position and size on naturalconvection heat loss of a solar heat-pipe receiver [J]．Applied Thermal Engineering，2011，31（14-15）：2787-2796．
[41]刘海波，王建芳，于海芹等.太阳能工程中几种相关角度的计算及应用[J]．中国建设动态：阳光能源，2010，（6）：60-70.
[42]孙吉山，洪薇.北京标准时间与各地真太阳时的换算法[J]．上海针灸杂志，1994，13（1）：25-26．
[43]林慧捷．时差产生的物理机制及其在气象中的应用[J]．辽宁气象，1996，（1）：46-47.
[44] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9D%87%E6%99%82%E5%B7%AE．
[45] http://baike.baidu.com/view/2715951.htm．
[46]任松林．主动式太阳跟踪及驱动系统研究与设计[D]．重庆：重庆大学仪器科学与技术系，2008.
[47]洪楠，侯军．MINITAB统计分析教程[M].北京：电子工业出版社，2007,4:2—5．
[48] K．K．Chong，C．W．Wong．General formula for on-axis sun-tracking system and itsapplication in improving tracking accuracy of solar collector [J]．Solar Energy，2009(83)：298—305．
[49]王宁侠．机械设计[M]．北京：机械工业出版社，2010：8—55．
[50]郭忠文．太阳能光伏发电自动跟踪系统[J].太阳能，2008,(6):36—37.
[51] Runsheng Tang，Yamei Yu．Feasibility and optical performance of one axis three positionssun-tracking polar-axis aligned CPCs for photovoltaic applications [J]．Solar Energy，2010(84)：1666—1675．
[52]廖锦城.计算机控制双轴太阳跟踪系统及其偏差检测[D].武汉：武汉理工大学机电工程学院，2008.
[53]项小东，白国振.基于运动控制卡的伺服控制系统开发研究[J].机电工程技术，2010，39（11）：20-22.
[54]张定学.闭式太阳集热器综合性能测试系统的研究与开发[D].武汉：华中科技大学机械电子工程系，2005.
[55]刘群.日晷投影原理及其应用[J].贵州师范大学学报(自然科学版)，2003，21(3)：109-110.
[56]张立克，常建军.工控机的现状与前景[J].水利电力机械，2007，29（1）：64-65.
[57]王勇.步进电机和伺服电机的比较[J].中小企业管理与科技，2010，（34）：311-312.
[58]颜嘉男.伺服电机应用技术[M]．北京：科学出版社，2010.
[59]柏林，王见，秦树人.虚拟仪器及其在机械测试系统中的应用[M].北京：科学出版社，2007:2-3.
[60] Zhimin Li，Xinyue Liu，Runsheng Tang．Optical performance of vertical single-axis trackedsolar panels [J]．Renewable Energy，2011(36)：64—68．
[61] Garrison，John D．A program for calculation of solar energy collection by fixed and trackingcollectors [J]．Solar Energy，2002，73(4)：30—36．
[62]余军，范景锋，陶霖．基于地理参数之太阳跟踪装置及其方法[P]．中国专利：200810034421．0，2008-3-10．
[63] Sebastijan Seme， Gorazd Stumberger．A novel prediction algorithm for solar angles usingsolar radiation and Differential Evolution for dual-axis sun tracking purposes [J]．Solar Energy，2011，85(11)：2757—2770．
[2]郝丽，陈超，刘洪泉.能源利用现状与可持续发展[J].电力与电源，2008，20:626.
[3]康文星，田徵，何介南.我国能源利用现状的初步分析[J].中南林业科技大学学报，2010，30（12）：127-132.
[4]许红星.我国能源利用现状与对策[J].中外能源，2010，15（1）:3-13.
[5]代铭玉.国内外新能源利用现状[J].绿色科技，2011，8（8）：62-62.
[6]黄飞，陶进庆.太阳能利用大有可为[J].中国资源总和应用，2001，（4）：35-36.
[7]孟浩，陈颖健.我国太阳能利用技术现状及其对策[J].中国科技论坛，2009，（5）：96-97.
[8]钱伯章.新能源后石油时代的必然选择[M].北京:化学工业出版社，2007.
[9]于晓燕，崔爱红.我国太阳能利用的现状、问题与对策[J].科技信息，2011，（3）：53.
[10] Teolan Tomson．Discrete two-positional tracking of solar collectors [J]．Renewable Energy，2008(33)：400—405.
[11] Nelson A．Kelly，Thomas L．Gibson．Improved photovoltaic energy output for cloudyconditions with a solar tracking system [J]．Solar Energy，2009(83)：2092—2102.
[12]段瑞芳.太阳集热器热性能测试系统的研发[D].华中科技大学，2006.
[13]霍志臣，罗振涛.中国太阳能热利用产业发展研究（2008-2010）（上）[J].太阳能，2010，（10）：12-14.
[14]何梓年.应尽快开展太阳热水器产品质量认证工作[J].能源工程，2006，（6）：13-16.
[15]任可.国家首次进行平板型太阳集热器产品质量抽查[J].太阳能，1989，（1）:2.
[16]黄巧燕.太阳集热器热性能试验系统[D].华中科技大学，2003.
[17] GB/T4271-2007，太阳能集热器热性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.
[18]王如竹，代彦军．太阳能热利用基础[M]．第一版．北京：化学工业出版社，2007：10．
[19]王炳忠，汤洁．几种太阳位置计算方法的比较研究[J]．太阳能学报，2001．22（4）：413-415．
[20]陈建彬，沈惠平，丁磊.太阳能光伏发电二轴跟踪机构的研究现状及发展趋势[J]．机械设计与制造，2010(8)：264—266.
[21] R.C.Neville. Solar energy collector orientation and tracking mode [J]. Solar Energy，1978（20）：7-11.
[22]李晶，窦伟，徐正国．光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究[J]．太阳能学报，2007，28（3）：268—273.
[23]薛建国．基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J]．长春师范学院学报，2005，24(3)：26—30.
[24]刘四洋，伍春生，彭燕昌．主动式双轴太阳跟踪控制器[J]．可再生能源，2007，25(6)：69—72.
[25]孙茵茵．自适应复精度太阳跟踪平台[D]．武汉：华中科技大学机械制造及其自动化系，2005．
[26]王志超．太阳能热发电系统中太阳跟踪器的研究[D]．江苏：南京航空航天大学能源与动力系，2008．
[27]张翌翀．基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器设计与实现[D]．上海：上海交通大学电子信息与电气工程系，2008．
[28]凌栋宝，李文婷．双光电探头的光伏电源自动跟踪装置的研制[J]．青海大学学报，2007．25（1）：10-12．
[29]王尚文，高伟，黄树红．混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[J]．可再生能源，2007，25（6）：10-13．
[30]赵建根，高永全．五象限法太阳自动跟踪仪[J]．应用光学，2001，22(1)：30—32．
[31]薛建国．基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J]．长春师范学院学报，2005，24(3)：26—30．
[32] Ibrahim Reda，Afshin Andreas．Solar position algorithm for solar radiation applications[J]．Solar Energy，2004(76)：577—589．
[33] Alistair B． Sproul． Derivation of the solar geometric relationships using vectoranalysis[J]． Renewable Energy，2007(32)：1187—1195.
[34]金晶晶．太阳光线自动跟踪装置[D]．沈阳：沈阳工业大学检测技术与自动化装置，2007．
[35] Roberto Grena．An algorithm for the computation of the solar position [J]．Solar Energy，2008(82)：462—468．
[36] Robert Foster Majid Ghassemi Alma Cota．太阳能——可再生能源与环境[M]．北京：人民邮电出版社，2010：5-6．
[37]杜春旭，王普，马重芳．一种高精度太阳位置算法[J]．新能源及工艺，2010(2)：41—44．
[38]吴静．太阳自动跟踪系统的研究[D].重庆：重庆大学光电工程学院，2008.
[39]刘念雄，秦佑国．建筑热环境．北京：清华大学出版社，2005：241-245．
[40] Shuang-Ying Wu，Lan Xiao，You-Rong Li．Effect of aperture position and size on naturalconvection heat loss of a solar heat-pipe receiver [J]．Applied Thermal Engineering，2011，31（14-15）：2787-2796．
[41]刘海波，王建芳，于海芹等.太阳能工程中几种相关角度的计算及应用[J]．中国建设动态：阳光能源，2010，（6）：60-70.
[42]孙吉山，洪薇.北京标准时间与各地真太阳时的换算法[J]．上海针灸杂志，1994，13（1）：25-26．
[43]林慧捷．时差产生的物理机制及其在气象中的应用[J]．辽宁气象，1996，（1）：46-47.
[44] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9D%87%E6%99%82%E5%B7%AE．
[45] http://baike.baidu.com/view/2715951.htm．
[46]任松林．主动式太阳跟踪及驱动系统研究与设计[D]．重庆：重庆大学仪器科学与技术系，2008.
[47]洪楠，侯军．MINITAB统计分析教程[M].北京：电子工业出版社，2007,4:2—5．
[48] K．K．Chong，C．W．Wong．General formula for on-axis sun-tracking system and itsapplication in improving tracking accuracy of solar collector [J]．Solar Energy，2009(83)：298—305．
[49]王宁侠．机械设计[M]．北京：机械工业出版社，2010：8—55．
[50]郭忠文．太阳能光伏发电自动跟踪系统[J].太阳能，2008,(6):36—37.
[51] Runsheng Tang，Yamei Yu．Feasibility and optical performance of one axis three positionssun-tracking polar-axis aligned CPCs for photovoltaic applications [J]．Solar Energy，2010(84)：1666—1675．
[52]廖锦城.计算机控制双轴太阳跟踪系统及其偏差检测[D].武汉：武汉理工大学机电工程学院，2008.
[53]项小东，白国振.基于运动控制卡的伺服控制系统开发研究[J].机电工程技术，2010，39（11）：20-22.
[54]张定学.闭式太阳集热器综合性能测试系统的研究与开发[D].武汉：华中科技大学机械电子工程系，2005.
[55]刘群.日晷投影原理及其应用[J].贵州师范大学学报(自然科学版)，2003，21(3)：109-110.
[56]张立克，常建军.工控机的现状与前景[J].水利电力机械，2007，29（1）：64-65.
[57]王勇.步进电机和伺服电机的比较[J].中小企业管理与科技，2010，（34）：311-312.
[58]颜嘉男.伺服电机应用技术[M]．北京：科学出版社，2010.
[59]柏林，王见，秦树人.虚拟仪器及其在机械测试系统中的应用[M].北京：科学出版社，2007:2-3.
[60] Zhimin Li，Xinyue Liu，Runsheng Tang．Optical performance of vertical single-axis trackedsolar panels [J]．Renewable Energy，2011(36)：64—68．
[61] Garrison，John D．A program for calculation of solar energy collection by fixed and trackingcollectors [J]．Solar Energy，2002，73(4)：30—36．
[62]余军，范景锋，陶霖．基于地理参数之太阳跟踪装置及其方法[P]．中国专利：200810034421．0，2008-3-10．
[63] Sebastijan Seme， Gorazd Stumberger．A novel prediction algorithm for solar angles usingsolar radiation and Differential Evolution for dual-axis sun tracking purposes [J]．Solar Energy，2011，85(11)：2757—2770．