基于FPGA的太陽跟蹤器的設(shè)計

　　引言

　　太陽能是一種清潔無污染的能源，取之不盡，用之不竭，發(fā)展前景廣闊。但是太陽能具有間歇性及強度和方向不確定的特點，給太陽能的收集帶來了一定困難。采用太陽跟蹤裝置可以使太陽光線始終與接收面保持垂直，提高太陽能設(shè)備的能量接收效率，從而提高太陽能利用率。

　　本設(shè)計采用傳統(tǒng)的視日運動跟蹤法，利用Xilinx公司提供的FPGA開發(fā)環(huán)境ISE，設(shè)計完成了基于XC3S1500開發(fā)板的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，以實現(xiàn)對太陽的全天候、全自動、實時精確控制。

　　1 視日運動跟蹤法

　　視日運動跟蹤法是根據(jù)地日運行軌跡，采用赤道坐標系或地平坐標系描述太陽相對地球的位置。一般在雙軸跟蹤中極軸式跟蹤采用赤道坐標系，高度角-方位角式跟蹤采用地平坐標系。

　　1．1 極軸式跟蹤

　　赤道坐標系是人在地球以外的宇宙空間里，觀測太陽相對于地球的位置。這時太陽位置是相對于赤道平面而言，用赤緯角和時角這兩個坐標表示。太陽中心與地球中心的連線，即太陽光線在地球表面直射點與地球中心的連線與在赤道平面上的投影的夾角稱為太陽赤緯角。它描述地球以一定的傾斜度繞太陽公轉(zhuǎn)而引起二者相對位置的變化。一年中，太陽光線在地球表面上的垂直照射點的位置在南回歸線、赤道和北回歸線之間往復(fù)運動，使該直射點與地心連線在赤道面上的夾角也隨之重復(fù)變化。赤緯角在一年中的變化用式(1)計算：

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　　式中：δ為一年中第n天的赤緯角，單位：(°)；n為一年中的日期序號，單位：日。

　　時角是描述地球自轉(zhuǎn)而引起的日地相對位置的變化。地球自轉(zhuǎn)一周為360°，對應(yīng)的時間為24 h，故每小時對應(yīng)的時角為15°。日出、日落時間的時角最大，正午時角為零。計算公式如下：

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　　式中：ω為時角，單位：(°)；T為當(dāng)?shù)貢r間，單位：h。

　　根據(jù)上述方法可以計算出地球上任意地點和時刻的太陽的赤緯角和時角，由此可建立極軸式跟蹤，對于太陽跟蹤系統(tǒng)來說，采光板的一軸與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，稱為極軸，另外一軸與其垂直。工作時采光板繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定為與地球的自轉(zhuǎn)速度相同，方向相反。為了適應(yīng)太陽赤緯角的變化，采光板圍繞與地球自轉(zhuǎn)軸垂直的軸做俯仰運動。此種跟蹤方式原理簡單，但是由于采光板的重量不通過極軸軸線，極軸支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較困難，因此本設(shè)計沒有選用極軸式跟蹤。

　　1．2 地平坐標系

　　地平坐標系用高度角和方位角來描述太陽的位置，已知太陽赤道坐標系中的赤緯角和時角，可以通過球面三角形的變換關(guān)系得到地平坐標系的太陽的高度角和方位角。如圖1所示，該天球是以觀測者為球心，任意距離為半徑的假想球，對于天球上各點之間的距離，只討論它們之間的角距而不考慮它們的線長。M和N分別為天球上的南北天極。P點為觀測者的鉛垂線與天球的交點，P點的地理緯度為φ，S為太陽在天球中的位置。S的赤緯度為δ，觀測者的鉛垂線OP與地心與太陽連線的夾角叫做天頂角，天頂角和太陽的高度角互補。角A為太陽的方位角。

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　　根據(jù)球面三角形的邊的余弦公式描述，即一邊的余弦等于其他兩邊余弦的乘積，加上這兩邊正弦及其夾角余弦的乘積，在天球的半徑不是確定值。因此描述天球上的圓弧通常用圓弧所對應(yīng)的角度來表示弧長。在球面三角形NPS中，三邊為弧NP、弧NS、弧SP，分別用角度90-φ，90-δ，τ表示。采用球面三角形邊的余弦公式：

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　　高度角-方位角跟蹤又叫做地平坐標系雙軸跟蹤系統(tǒng)，采光板的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時采光板根據(jù)太陽的視日運動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變采光板的傾斜角，從而使采光板與太陽光線垂直。這種跟蹤系統(tǒng)的特點是跟蹤精度高，而且采光板裝置的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較容易。在本文中采用了高度角一方位角跟蹤進行設(shè)計。