1.太阳和地球的运动规律
如果太阳能接收装置要接收最大量的太阳辐射能，并保持集中器的主光学轴始终与太阳入射光线平行，那么掌握太阳运动的规律是必要的。众所周知，到达地球的太阳辐射能会随着季节、昼夜时间和地球的纬度而变化。要掌握其变化的规律，必须从地球和太阳的运动开始。

1) 地理坐标
地球是一个近似圆形的球体，地球上任何地点的位置由地理坐标的经度和纬度表示。在利用太阳能时，具体的地理坐标是一个不可或缺的参数。

2) 地球和太阳时间的自传
地球不断地绕着地轴（旋转轴）旋转。一次旋转形成一个昼夜，即360°经度，昼夜又分为24小时，因此地球每小时旋转15°，时间的测量是基于地球的旋转周期。地球每天旋转一周，共计24个太阳小时。太阳时与钟表指示的时间有差异。在后面推导的太阳高度角公式中，所涉及的时间是地方太阳时，其特点是正午（12点）阳光通过当地子午线，即在天空中的最高点，这与日常生活中使用的标准时间不一致。首先介绍太阳时与钟表的换算。钟表所指示的时间也称为平均太阳时（简称正常时间）。它与真太阳时的差值称为时差E。计算如下：
E=τ0﹣τ

在公式中，τ0 是太阳时（分钟）；τ 是平均太阳时（分钟）。

根据国际协议，格林观象台所在地子午线的平均太阳时作为普遍时间的基准被称为世界时。我国采用东经120°的平均太阳时作为国家标准时间，即北京时间”
某经度区域的平均太阳时用北京时间表示可用以下公式表示：
τ=标准时间±(Lst﹣Lloc)/15h，即τ=北京时间±4(120﹣Lloc)分钟
在公式中，Lst是制定标准时间所使用的标准经度；Lloc是地方经度，位置在东半球为负，在西半球为正。

由上述两个公式获得
τ=北京时间＋E±4(120﹣Lloc)

在转换过程中考虑了两个修正。第一项E是地球绕太阳运行时的岁差和旋转速度引起的修正。时间差E以分为单位，计算公式如下：
E=9.87sin2B﹣7.53cosB﹣1.5sinB
B=[360(n﹣81)]/364

在公式中，n是请求日期所在年份的天数，范围在1到365之间，公式中的第二项4 (120-Lloc) 是考虑区域经度Lloc与标准时间经度之间的差异所产生的修正。

3) 地球绕太阳运动的规律
通过地球中心连接南北的线称为地球的轴。除了绕地球轴旋转外，地球还以小偏心率（通常称为黄道）在椭圆形轨道上绕太阳运动，这称为公转，周期为一年。椭圆的偏心率不是很大。在1月1日近日点时，太阳和地球之间的距离是147.1×106公里。7月1日远日点是152.1×106公里。这个差异约为3%。地球自转轴与椭圆轨道平面（称为黄道平面）之间的夹角是66°33′，而且这个轴的空间方向总是相同的。因此，赤道平面与黄道平面之间的夹角是23°27′，而地球中心与太阳连接线（即正午的太阳光线）与地球赤道平面之间的夹角则是一个在一年内周期性变化的量。这个变化的范围是±23°27′，这个角度被称为太阳赤纬角。赤纬角是由于地球绕太阳公转而产生的一种特殊现象。它使得地球在黄道平面上的不同位置接收到太阳光线的不同方向，从而形成地球上的四季。北半球的夏至（6月22日）是南半球的冬至。太阳光线垂直照射在北回归线（纬度23°27′）：北半球的冬至（2月22日）是南半球的夏至，太阳光线垂直照射在南回归线（纬度-23°27′）。在春分和秋分时，太阳垂直照射在赤道上，红结角为零。地球的南半球和北半球昼夜等长。太阳的光线正交于摩羯座热带。δ=-23°27′：在春分和秋分时，太阳正交于赤道，红结角为零。地球的南半球和北半球昼夜等长。太阳的光线正交于摩羯座热带。δ=-23°27′：在春分和秋分时，太阳正交于赤道，红结角为零。地球的南半球和北半球昼夜等长。

2. 天球坐标
所谓的天球是指，人们站在地球表面仰望天空时，看到的这个想象中的球体。根据相对运动的原理，太阳似乎在这个球体上前后移动。为了确定太阳在天球上的位置，最方便的方法是使用天球坐标系。最常用的天球坐标系是赤道坐标系和地平坐标系。

1) 赤道坐标系
赤道坐标系是以天球赤道 QQ’ 和天球子午圈的交点 Q 为原点的天球坐标系。如图 1 所示，P 和 P’ 分别是北天极和南天极。显然，通过 P 和太阳（点 Sθ）的半圆也垂直于天赤道，并且在点 B 相交。

在赤道坐标系中，太阳Sθ的位置由以下两个坐标确定：第一个坐标是弧QB。它通常被称为时角，用ω表示。时角从天球子午线圈上的点Q计算，即从太阳时间的中午开始，顺时针方向为正，逆时针方向为负，即在上午为负，在下午为正，其值等于从中午（小时）乘以15°。在第二个坐标中，弧BSθ称为赤纬，用δ表示。赤纬从天赤道计算。对于太阳，北天极从春分和秋分时的0°变化到夏至时的正23°27′。从春分和秋分时的0°变化到冬至时向南天极减去23°27′。

太阳赤纬δ可以用Cooper的方程近似计算：
δ=23.5sin[360°×(284+n)/365]

在公式中，n 是请求日期所在年份的天数。

2) 地平坐标系
通过天球中心O作与观测点铅垂线平行的直线，与天球相交于Z和Z’两点。点Z称为天顶，点Z’称为天底。通过天顶O和天底ZZ’垂直的平面所截得的大圆称为真地平圈。地平坐标系以真地平为基准，以南点S为原点的天球坐标系如图2所示。天顶是基本极，所有通过天顶的大圆都垂直于地面，均在点M相交。在地平坐标系中，太阳Sθ的位置由两个坐标确定。

第一个坐标是天球距离，即弧ZSθ或天顶角∠ZOSθ，用θz表示，也可以用太阳的地平高度（称为太阳高度）表示，即弧SθM或中心角∠SθOM，记为αs天顶距离，与太阳高度有如下关系：
θz+αs=90°

第二个坐标是方位角，即弧SM。它用γs表示。以南点S为起点，向西（顺时针）为正，向东为负。

3. 跟踪系统示例
在光伏及其互补发电系统的计算机模拟研究中，通常使用每小时平均光照强度（即每小时太阳辐射量）和每小时平均温度来计算太阳能电池阵列的每小时发电量。
随束系统是一个更为复杂的系统，它结合了机械控制和电子控制。其机械控制模式主要是双轴控制，如图3和图4所示。电气控制部分主要由单片机和光度电路组成。光度盒是利用光沿直线传播和小孔成像的原理制作的。光敏电阻组排列在盒内，并在阵列组的中心开有一个小孔。用薄玻璃（半透明）盖住并进行防水密封工艺，形成一个检测阳光方向的光检测器。当阳光通过透明玻璃板照射到光敏电阻组时，电压被比较以追踪阳光的方向。

图5是两个不同跟踪系统的电子控制结构示意图，它们的基本功能相似。

电子控制系统的设计目的是计算太阳的位置并通知机械执行器的动作。设计原则如下：
(1) 选择典型电路；
(2) 便于二次开发；
(3) 软件和硬件的协同设计：
(4) 最佳性能和最高的性价比；
(5) 可靠性和抗干扰能力；
(6) 驱动能力；
(7) 低功耗要求。

自动跟踪系统是将传感器安装在太阳能板上，并与面板同步旋转。一旦光线方向略有变化，电箱从计量箱接收到的数据也会同步变化。核心控制器将对数据进行逻辑处理，驱动两轴电机进行跟踪，并重复调整以实现“自动光跟踪”。特点。该系统的所有信号均来自传感器，系统无需启动定位。当达到一定的光强时，系统将在180°内自动跟踪，并且无论从哪个位置启动，都不会失去方向。跟踪精度与照度和时间段有关。阳光越强，跟踪精度越高。当阳光不足时，系统电路将自动进入睡眠状态并等待，而不是盲目追踪。当达到一定的光强时，系统将在短时间内进行调整，以实现“自动光追踪”。如图6所示。

通过自动追光系统，太阳能板反复调整以跟随太阳光线的方向移动。当太阳能板直接受到阳光照射且系统达到平衡时，为了确保太阳能板能够及时停止，需要一个自锁机构。当阳光垂直照射到光电器盒时，通过信号反馈，单片机驱动电机旋转，电机驱动涡轮和蜗杆移动，从而控制太阳能板的旋转直到阳光直接照射到光电器盒。使用涡轮杆机构使系统驱动平稳，低噪音，且具有自锁功能，可以避免强风、太阳能板倾倒和导致电机反转。