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太阳位置计算


假如给出当前位置的经度、纬度和准确的天文时间,用什么方式计算出太阳当前的 位置呢?例如算出类似于方位角和高度角的数据? 实际中使用希腊字符表示经纬度,不过为了输入方便,我改用 XYZ 表示.X 是地方 纬度,Y 是太阳赤纬,t 是时角,z=90 度-h 高度 h,方位角 A,则 sinh=sinXsinY+cosXcosYcost sinA=cosYsint/cosh cosA=(sinXsinh-sinY)/(cosXcosh)

具体的可以在网上搜示意图 或这本书《天文学新概论》 苏宜 编著 华中理工大学出版社 2000 年 8 月第一 版 P52 的章节

第 24 章 太阳位置计算 [许剑伟 于家里 2008-3-30 下午] 一、低精度计算: 低精度计算: 当计算精度要求为 0.01 度,计算太阳位置时可假设地球运动是一个纯椭圆, 也 就说忽略月球及行星摄动,计算表达如下。 设 JD 是儒略日数,可以用第 7 章表述的方法计算。T 为 J2000 起算的儒略世纪 数: T = (JD-2451545.0)/36525 计算时要保留足够的小数位数,5 位小数是不够的(除非所需的太阳黄经的精 度要求不高),注意,T 表达为儒略世纪数,所以 T 误差 0.00001 相当于 0.37 日。 接下来, 太阳几何平黄经:Lo = 280°.46645 + 36000°.76983*T + 0°.0003032*T^2 (Date 平分点起算) 太阳平近点角: M = 357°.52910 + 35999°.05030*T - 0°.0001559*T^2 -0°.00000048*T^3 地球轨道离心率: e = 0.016708617 - 0.000042037*T - 0.0000001236*T^2

太阳中间方程:C = +(1°.914600 - 0°.004817*T -0°.000014*T*T) * sin(M)+(0°.019993 - 0°.000101*T) * sin(2M)+ 0°.000290*sin(3M) 那么,太阳的真黄经是:Θ = Lo + C 真近点角是: v = M + C 日地距离的单位是"天文单位",距离表达为:R = 1.000001018 (1-e^2) / (1+e*cos(v)) ……24.5 式 式中的分子部分的值变化十分缓慢。它的值是: 0.9997190 1800 年 0.9997204 1900 年 0.9997218 2000 年 0.9997232 2100 年 太阳黄经 Θ 可由上述的方法算出,它是 Date 黄道分点坐标中的真几何黄经, 需通过计算地心坐标星体位置也可算出。 要取得 Date 黄道坐标中太阳的视黄经 λ,还应对 Θ 进行章动修正及光行差 修正。如果精度要求不高,可用下式修正: Ω = 125°.04 - 1934°.136*T λ = Θ - 0°.00569 -0°.00478*sin(Ω) 某此时候,我们需要把太阳黄经转到 J2000 坐标中,在 1900-2100 年范围内可利 用下式进行: Θ2000 = Θ - 0°.01397*(year-2000) 如果还想取得更高的转换精度(优于 0.01 度),那么你可以使用第 25 章的方法 进行坐标旋转。 Date 黄道坐标中的太阳黄纬不超过 1".2,如果对精度要求不是很高,可以置 0。因此,太阳的地心赤经 α 及赤纬 δ 可以用下式(24.6 式,24.7 式)计算,式 中 ε 是黄赤交角(由 21 章的 21.2 式计算)。 tanα = cosεsinΘ / cosΘ ……24.6 式 sinδ = sinεsinΘ ……24.7 式 如果要想得到太阳的视赤经及赤纬,以上二式中的 Θ 应换为 λ,ε 应加上修 正量: +0.00256*cos(Ω) [译者注]:实际上就是对 Θ 补上黄经章动及光行差,ε 补上交角章动后再转到赤 道坐标中。也可在赤道坐标中补章动及光行差,但公式不同。

公式 24.6 当然可以转为:tan(α) = cos(ε)*tan(Θ),接下来,我们要注意 α 与 Θ 应在同一象限。然而,如果你使用计算机语中有 ATN2 函数(C 语言是 atan2),那最好保持 24.6 式不变,这样就可直接利用 ATN2 函数算出 α,即:α = ATN2( cos(ε)*sin(Θ),cos(Θ) ) 24.a——计算 1992-10-13,0 点,即力学时 TD=JDE 2448908.5 时刻的太阳位置。 例 24.a 我们算得: T = -0.072183436 Lo= -2318°.19281 = 201°.80719 M = -2241°.00604 = 278°.99396 e = 0.016711651 C = -1°.89732 Θ= 199°.90987 = 199°54' 36" R = 0.99766 Ω= 264°.65 λ= 199°.90897 = 199°54' 32" εo= 23°26'24".83 = 23°.44023 (由 21 章的 21.2 式算得) ε= 23°.43999 α 视= -161°.61918 = +198°.38082 = 13h.225388 = 13h 13m 31s.4 δ 视= -7°.78507 = -7°47' 06"
使用 VSOP87 行星理论计算出的的正确值是:(请与上面的结果做一下比较) Θ= 199°54' 26".18 λ= 199°54' 21".56 β= +0".72 R = 0.99760853 α 视= 13h 13m 30s.749 δ 视= -7°47' 01".74

基于单片机 EM78247 的光伏发电系统太阳自动跟踪器 摘要:由于太阳位置随时间而变化,使光伏发电系统的太阳能电池阵列受光照强度不稳定, 从而降低了光伏电池的效率,因此,设计太阳自动跟踪器是提高光伏发电系统工作效率的有效措 施。本文采用单片机 EM78247 为控制核心,设计了一个双轴太阳自动跟踪器,配合两台交流伺 服电机实现光伏电池阵列与阳光照射之间的同步跟踪。该控制器在硬件和软件各方面采取了多 项抗干扰措施,使其具有较好的跟踪效果和较强的抗干扰能力,且运行可靠稳定,具有较高的 实际应用价值。 关键词:光伏发电系统;EM78247;太阳自动跟踪器 当今社会人们的环保意识越来越强,光伏发电系统的应用普遍受到各国政府重视。因为它

不仅能为我们提供用之不竭的可持续再生电能,并更好地保护人类赖以生存的环境。但其发电 效率较低,发电成本相对较高仍然足制约其大规模应用的重要因素。在没有出现高效的光伏电 池材料之前,研制具有实用价值的阳光随动系统以降低成本,是促进太阳能广泛应用的主要途 径之一。据研究,双轴系统可提高发电量 35%左右,单轴系统也可提高 20%左右。 国外在 20 世纪 80 年代就对太阳跟踪系统进行了研究,如美国、德国在单双轴自动跟踪、 西班牙在 2 倍聚光反射跟踪等方面开发出了相应的商品化自动阳光跟踪器[1]。 我国于 20 世纪 9 0 年代左右也对其进行了大量的研究,但一直没有稳定可靠的商品化产品出现,主要原因在于: 首先,系统的运行可靠性不高,无法满足使用要求。由于大部分光伏电站都安装在偏远地 区,环境非常恶劣,维护困难,跟踪系统增加了旋转机构与相应的机械机构,可靠性明显下降, 如果不能保证整个系统的在各种环境下都能可靠稳定运行,对整个光伏系统反而是灾难性的打 击;其次,跟踪器的控制误差偏大。尤其对反射聚光的跟踪器,如果跟踪误差偏大,不但不能 提高发电效率,反而会使太阳能电池组件的受光面积变小,产生热斑等不利影响,从而降低太 阳能电池组件的使用寿命;第三是采用进口技术和器件使成本过高。全部购买国外成熟的技术, 大大提高系统的硬件成本与维护成本,使推广更加困难。 本文以 EM78247 微处理器为核心,针对光伏发电系统的电池组件,设计开发了一种双轴阳 光随动控制器,它具有运行稳定可靠、跟踪误差小、成本低等优点,具有很高的推广应用价值。 1 阳光随动控制的基本原理 阳光随动控制器,顾名思义其基本功能就是使光伏阵列随着阳光而转动,基本原理框图如 图 1 所示。

图 1 光伏阵列阳光随动系统原理框图 该系统时刻检测太阳与光伏阵列的位置并将其输入到控制单元,控制单元对这两个信号进 行比较并产生相应的输出信号来驱动旋转机构,使阳光时刻垂直入射到光伏阵列的表面上,使 光伏阵列始终处于最佳光照条件下,发挥最大光伏转换效率。 虽然太阳在天空中的位置时刻都在变化,但其运行却具有严格的规律性,在地平坐标系中, 太阳的位置可由高度角 α 与方位角 ψ 来确定,公式如下:

(1) 式中: δ 为太阳赤纬角;φ 为当地的纬度角;α 为时角。 太阳赤纬角与时角可以由本地时间确定,而对确定的地点,本地的纬度角也是确定,因此 只要输入当地相关地理位置与时间信息就可以确定此时此刻的太阳位置。 2 系统的整体设计方案 EM78247 是一款具有 RISC 结构的高性能中档单片机,仅有 35 条单字指令,8 k×14 个字 节 FLASH 程序存储器,368×8 个字节 RAM 数据存储器,256×8 个字节 E2PROM 数据存储器, 14 个中断源,8 级深度的硬件堆栈,内部看门狗定时器,低功耗休眠模式,高达 25 mA 的吸入 /拉出电流,外部具有 3 个定时器模块,2 个 16 位捕捉器/16 位比较器/10 位 PWM 模块,10 位 多通道 A/D 转换器,通用同步异步接收/发送器等功能模块。 自动阳光跟踪器的控制方式主要有微处理器控制、PLC 控制、DSP 控制与模拟电路控制 4 种形式,根据以上原理,本文选择性价比较高的 EM78247 单片机为控制核心,系统实现的具体 原理框图如图 2 所示。 整个控制器主要由控制单元与驱动执行机构两部分组成。 控制单元由角度计算及反馈控制、 启动信号产生、电机驱动信号产生、保护信号处理与人机通讯 5 个部分组成。系统功能说明如 下:单片机循环检测光伏阵列的位置,并将其与计算出的此时本地太阳的高度角与方位角进行 比较来确定光伏阵列是否跟踪上太阳的位置,如果没有启动信号满足启动条件,单片机就发出 指令驱动电机转动;保护信号是保证系统在外界以及其他非人为因素情况下所执行的一种操作 指令,以确保系统不受损坏,从而提高了整个系统的可靠性。驱动执行单元主要功能是用来实 现电机驱动与旋转,并通过机械传动机构带动光伏电池阵列转动。 2.1 控制单元的硬件设计 由于采用了单片机作为主控制单元,大部分工作都由单片机在软件中实现,从而简化了控 制电路的硬件设计,简要说明主要控制部分的实现过程。 (1)角度计算及反馈控制 单片机通过外扩三态锁存器输入口获取时钟模块产生的时间信号 与光电旋转编码器的位置信号后,利用单片机快速运算处理能力用软件加以实现; (2)电机驱动信号生成 本文采用的是步进电机,其驱动脉冲由单片机内部自带的 10 位 PW M 波发生模块产生,只需在软件中设置相应的有关参数就可改变电机的转速; (3)上位机监控系统是利用单片机内部自带的异步接受/发送器等功能模块, 硬件部分只需加 MAX 232 加以电平转换,便可实现 PC 机与单片机的数据传输; (4)考虑到光伏发电只有在太阳光强满足一定强度的时候才能发电,启动信号主要是利用光

敏二极管检测光强,保证系统在夜间或阴雨天不满足发电条件的情况下,系统停止跟踪,检测 电路如图 3 所示。主要由放大、比较与光耦隔离 3 个部分组成; (5)系统的保护功能主要包括大风保护、电网掉电保护、振动过大保护、限位开关与接近开 关保护组成,单片机检测到保护信号产生时,便发出指令将系统停放在安全的位置上,确保整 个系统不受损坏。图 4 是电网掉电检测电路原理图,主要由降压、整流与光耦隔离 3 个部分组

成。

图 4 电网掉电检测电路原理图 2.2 控制单元的软件设计 软件是该控制系统的核心,除一些保护自锁功能通过硬件实现外,大部分功能均通过软件来 实现,整个软件采用 C 语言模块化编程方式,易于系统的移植与集成。 主程序与中断服务子程序流程如图 5 所示。首先对单片机进行初始化,之后读取系统初始 校验值作为光电旋转编码器的位置基准。主循环程序不断检测系统的运行状态,如果满足复位 条件便发出指令转入复位子程序,迅速将电池板转到适当的位置后待机以等待新的指令;校验子 程序对系统重新进行校验, 并将新的位置检验值存储到单片机内部自带的 E2PROM 中作为新的 位置基准,他可以用来消除系统的累积误差,同时也方便了系统的安装与调试;系统通常运行在 自动跟踪状态,单片机时刻检测太阳与电池板实际位置间的差值并结合启动条件发出相应的 P WM 脉冲,来控制电机转动;此外主循环程序还不断检测当前太阳与电池板的位置,将位置信息 通过数据总线与 RS 232 分别送到液晶显示与 PC 机监控软件系统中, 并将有关位置参数及时存 到单片机的 E2PROM 中。 为了充分利用 EM78247 单片机的系统资源,提高单片机的检测速度,单片机接收 PC 机的 数据采用中断来实现,流程框图如图 5 所示。 3 系统的抗干扰措施

能够可靠稳定的运行是阳光自动跟踪控制器走向实际应用的前提,该控制器主要从软件与 硬件两个方面采取一定的措施来提高抗干扰能力,主要措施有: 一是外部输入信号与控制系统信号不共地,较好地防止了相互之间的共地干扰;二是所有 的外部输入信号在输入到单片机内部之前都经过严格的光耦合电路加以隔离,较好地防止了输 入电路噪声对单片机运算处理的干扰;三是进一步优化了 PCB 板的布线结构,减少了过孔,从 而降低了寄生电容和杂散电感对放大电路的影响;四是保证整个系统的可靠接地;五是外部信 号采用屏蔽电缆线传输,有效控制了信号传输过程中的池漏和电磁噪声的干扰;六是在软件上 增加了软件滤波、看门口定时器与软件陷阱等措施,确保软件在出现死机、跑飞等故障时能够 自我恢复,提高了软件运行的可靠性,从而确保了整个控制器工作的可靠性;七是在整个控制 器中的重要保护(如限位保护)均从软件与硬件两方面采取有效措施,实现软硬件双重保护, 从而进一步提高了整个控制器运行的可靠性。 总之,采取这些措施后,该阳光自动跟踪控制器的抗干扰能力和运行可靠性均有很大提高, 为实现商品化生产创造有利条件。 4 结 语 阳光自动跟踪控制器的稳定性与可靠性一直是其没有被大规模应用的主要问题之一。本文 基于 EM78247 单片机为控制核心, 设计了一种自动跟踪太阳高度角与方位角转动的阳光自动跟 踪控制器,试验运行结果表明该系统跟踪准确、能耗低、可靠性高、系统性能稳定,发电效率 提高 20%以上,具有较大的应用价值。 参考文献: [1] 李建英,吕文华,等.一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计[J].太阳能学报,2003,(3). [2] 王炳忠.太阳辐射能的测量与标准[M].北京:科学出版社,1993. [3] 李晶,窦伟,徐正国,等.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, (3). [4] Noguchi T,Togashi S,Nakamotob R.Short-current pulsebased maximum-power-point trac king method for multiple photovoltaic-and-converter module system[J].IEEE Transactions on In dustrial Electronics,2002,49,(1):217-223. [5] 王庆章,赵庚申,许盛之,等.光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法研究[J].南开大学学 报,2005,(6). [ 本日:1 本周:1 本月:4 总浏览数:93 ] [返回上一页] [打 印] 上一篇元件:史丹福大学将把衣服变为电池 下一篇元件:锂离子电池正极材料 LiNiVO4 的容 量衰减原因分析

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基于 AT89S52 单片机的太阳能环境参数测试仪设计 引 言 为了确保太阳能发电系统能够正常的工作,需要对太阳能发电系统的各项环境参数进行测 量,从而有效地控制其运行。本文介绍了一种基于单片机的太阳能参数测试仪,提供了 3 种参数 的测量功能和通信接口,以及 2 种供电方式,既可作为手持设备使用,又能安装在发电系统中, 具有较高的实用价值。 1 硬件电路设计 1.1 总体结构 . 该测试仪以 AT89S52 单片机为核心,外接温湿度传感器 SHTll、照度传感器 TSL2561、四 位共阴数码管、 RS485 总线通信接口以及显示切换按键。 单片机上电工作后, 对当前温度、 湿度、 光强度进行实时测量,通过按键切换将测得的 3 种参数通过 LED 数码管进行轮流显示;此外, 还可以通过 RS485 总线与 PC 机进行通信,将参数值传送到上位机,以达到远程监测的目的。该 测试仪的结构框图如图 1 所示。

1.2 测量模块 . 温度和湿度测量采用的是瑞士 Sensirion 公司生产的 SHTll 传感器。该传感器采用独特的 C MOsens TM 技术,将温湿度传感器、信号放大处理、A/D 转换、I2C 总线全部集成在一块芯片 上,可直接与单片机接口。该芯片采用数字式输出,为编程提供了方便。 光照度测量选用的是 TAOS 公司生产的 TSL2561 光强度传感器。它具有数字式输出端口和 标准 I2C 总线接口,涵盖 1~70 000 lx 的宽照度范围,非常适合户外环境下光照强度的测量, 适用于太阳能发电系统。图 2 为传感器与 AT89S52 单片机的接口电路设计。

1.3 电源模块 . 电源模块提供了 2 种供电方式: ①当测试仪作为手持设备使用时,可直接使用 3.6V 锂电池,经过 DC—DC 电压转换芯片 MAX756 将电压升至 5 V 后为单片机和外设供电。 ②当测试仪作为固定设备安装在太阳能发电现场时, 可以采用太阳能供电。 太阳能电池产生 的 12 V 电压通过稳压芯片 LM7805 后, 得到稳定的 5 V 电压输出,输出电压既可以为测试模块 供电还可以通过充电电路为锂电池充电。图 3 是电源模块的硬件原理图。

1.4 充电电路 . 充电电路的核心器件采用的是上海如韵公司生产的专用充电芯片 CN3058,它可以对单节磷 酸铁锂可充电电池进行恒流/恒压充电。 该器件内部集成有功率晶体管, 使用时不需要设计外围 电流检测和保护电路,适用于便携式的应用领域。 图 4 为锂电池充电电路。 其中 LEDl 和 LED2 分别作为充电中和充电饱和两种状态的指示灯, R1 在充电时起限流保护的作用;电容 C1 和 C2 采用的是多层陶瓷电容器(MLCC),能保证充电 电路稳定工作。

1.5 通信模块 .

测试仪通过 RS485 工业总线与 PC 机进行通信,其硬件接口电路如图 5 所示。

2 软件设计 2.1 总体设计 . 测试仪的软件开发环境采用的是 Keil C,所有代码采用 C 语言编写。为了方便程序调试和 提高可靠性,软件采用模块化结构设计,主要由初始化程序、主程序、子程序、中断服务程序等 组成。单片机上电后即开始循环执行温湿度、照度测量程序,并以设定的时间间隔在数码管上轮 流动态显示;按键切换和通信功能部分由于使用频率相对较低,为降低设备功耗,其程序以中断 响应的方式执行。在此要注意中断优先级的设置:按键中断优先级应高于串口中断,否则将无法 进行显示切换。主程序流程如图 6 所示。

2.2 传感器驱动程序 . 本系统采用的传感器均为集成数字芯片且都具有 I2C 总线接口, 故其驱动程序的编写要严格 遵循 I2C 总线的时序。 主程序为每一个参数开辟了一个 8 位的存储空间, 传感器将采集到的数据 经 SDA 引脚串行输出,驱动程序将 SDA 线上输出的数据进行串并转换,并存储到相应空间中, 以方便其他功能程序调用。以下是照度传感器数据采集程序的部分代码。 (1)TSL2561 初始化

2.3 RS485 通信程序 . 测试仪与上位机的通信采用 RS485 协议。串口参数为:波特率 9600,数据位 8 位,1 个校 验位,1 个停止位。其数据格式如图 7 所示。

由于 RS485 总线协议与 RS232 串口协议只是接口电平上有区别,其软件编程完全按照串口 通信协议进行,此处不再详述。 结 语 经实验测试,该环境参数测试仪温度测量显示精度可以达到 0.1℃,湿度精确到 O.1%, 照度可以精确到 11x。由于主要器件均为 I2C 数字接口,故本测试仪还有结构简单、易维护、可 扩展性强等特点,具有很高的实用价值;另外,独特的双电源供电方式更扩展了它的适用范围。


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