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1、 本科毕业设计论文题目：太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分院 系： 电子信息工程学院 专 业: 自 动 化 班 级： 090401 学 生： 张昊 学 号： 080403119 指导教师： 师公社 2013年 6月太阳能光伏发电光源跟踪控制系统 硬件部分摘要太阳能是一种非常具有开发潜力的能源，世界各国都在积极开发利用太阳能。我国太阳能的利用，在近十年发展得非常迅速，但是我国的太阳能利用技术还比较落后，且太阳能利用的局限性很大。为了进一步扩大太阳能的利用范围，提高太阳能的利用率，本文开发了一套太阳跟踪与驱动系统，该系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直，其结构简单、成本低廉且跟踪精度
2、高，可用于太阳灶、太阳能热水器等各种太阳能装置上，具有一定的实用价值。设计的太阳跟踪与驱动控制系统主要由三大部分构成：传感器、控制器、机械跟踪平台。传感器由独立的四片光电池组成，用于大范围跟踪太阳，控制器硬件以单片机STC12C5A60S2为核心，完成了控制器的硬件电路设计和制作，系统的硬件电路包括，模拟输入电路，电机驱动电路，电源电路等。关键词:太阳跟踪，传感器，控制器，跟踪平台Solar photovoltaic energy sources tracking control system The hardware partAbstractSolar energy is a kind of
3、 energy with great potential development,and many countries is trying to utilize it.The use of solar energy is developed very fast in our country in recent ten years.But the technology of utilizing solar energy is still relatively backward,and the application of solar energy is restricted by many fa
4、ctors.To widen the use of solar energy and increase the utilization of solar energy,the solar energy traking and driving system is designed in this paper.The system can guarantee that the deviceice of utilizing solar energy is vertical to sun streams,and it has simple structure, low cost and high tr
5、acking precision.The system can be used in many kinds of solar installations such as solar cooker and solar water heater,and it has certain practical value.In the paper,the designed solar tracking and drive control system are mainly composed of three major components:sensors,controllers and mechanic
6、al tracking platform.The sensor is mainly composed of four photocell which could achieve large-scale tracking the sun.STC12C5A60S2 is used as the core in the controller.Hardware circuit design and production are accomplished.The system hardware circuits are composed of analog input circuit,the motor
7、 drive circuit,power circuit and so on.Keywords:Solar tracking,sensor, controller,tracking platform1 绪论11.1课题背景11.1.1发展太阳能的背景11.1.2太阳能的特点31.1.3太阳能利用基本方式41.1.4我国太阳能资源及利用情况41.1.5国外太阳能利用现状51.2课题意义61.3国内外研究现状71.4跟踪方式的比较81.4.1视日运动轨迹跟踪81.4.2光电跟踪81.4.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合81.5太阳运动规律91.5.1太阳与地球的位置关系91.5.2相关角度的计算
8、101.6设计要求122.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施。122.1 主要内容122.2 研究方法122.3系统工作原理133 太阳跟踪控制系统的硬件设计153.1硬件总体设计方案153.2 信号采集电路153.3 通信电路163.4 键盘电路173.5 显示电路173.6 电源电路183.7 光电隔离电路193.8 单片机194 结论21致谢22参考文献231 绪论1.1课题背景1.1.1发展太阳能的背景能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，还
9、有水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代，或称地上能时代。到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源(煤炭、石油、还有天然气、地热能等)，可称为煤石能时代，或地下能时代。随着世界经济的发展进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战，作为世界主要能源的石油，其价格居高不下，前期每桶原油最高单价已突破100美元。虽然人类的科学技术正在高速发展，但面对石油这些不可再生性的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到21世纪80年代，石油、天然气资源将枯竭。到22世
10、纪20年代，煤资源也将被耗尽。即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短缺的间题，已探明储量的铀矿资源也将在2030年前开采完。从我国的能源利用状况来看，自上世纪70年代初开始，我国已经经历了三次大的能源危机：1970-1984年间持续的能源供应紧张局面使全国约25%的企业开工不足；1988年再次出现类似情况，农业用电缺口超过60%，推动煤炭价格在当年涨幅达到87%，成为1989年以后小煤窑遍地开花的驱动力；2000年以来伴随着国际能源危机的逐步加深，我国能源供应紧张，主要常规能源的价格涨幅已达103%，大量进口石油引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重
11、要影响因素。资料表明，作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3位；基本能源消费占世界总消费量的10.4%，仅次于美国，居世界第2位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。2005年一次能源消费量为15.4亿吨油当量，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。然而2005年，世界人均一次能源消费量为1.65吨油当量，日本、美国分别为4.13吨和7.97吨油当量，而中国仅为1.18吨油当量，约为世界平均水平的3/4、日本的1/4、美国的1/7。预计到2010年，我国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。而且，随着中国的
12、工业化和城市化进程，在基础设施建设和民用建筑阶段，能源需求量特别大，目前能源消费总量已经接近欧盟15国的总量。值得注意的是，过去二十多年来，我国汽车保有量以年均2%的速度迅速增加，亚太能源研究中心的预测，2020年我国交通部门的用能比例将增长到16%。与此同时，能源资源相对短缺又制约了我国能源产业的发展，能源技术相对落后影响了能源供给能力的提高。目前，国内的能源生产已经远远不能满足高速经济增长，能源进口量持续增加，能源对外依存度在7%左右，其中石油对外依存度在43%左右。有专家预测，到2020年前后，中国有可能成为世界第一大油品进口国。就我国实际情况来看，我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年
13、17000亿吨标准煤。我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其它国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。近20年来，中国光伏产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2003、2004年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度增长，2003年达1.2万千瓦，约占世界份额的2.2%，2004年达3.5万千瓦，约占3%。为解决我国的能源短缺问题，太阳能发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色。国务院参事、中国可再生能源协会理事长石定寰在上海召开的“第二届中欧国际太阳能光伏产业发展论坛”上预计，2
14、010年中国太阳能光伏发电装机容量达1GW，2015年预计达5GW，2O2O年达20GW。而2005年，全国太阳能发电装机容量仅为6.5MWp，这就意味着在未来的几年内，中国太阳能装机容量的复合增长率将会高达38%以上。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。国内太阳能电池产业主要应用在通信和工业领域(约占36%)、农村和边远地区领域(约占51%)、光伏并网发电系统(约占4%)以及太阳能商品及其它(约占9%)。由此可见，面对日益严重的能源危机，根本出路在于尽快从采用煤石能转而采用太阳能，即从地下能时代转向天上能时代，或称太阳能时代
15、。太阳能比起煤石能具有众多优点，具有不断再生性，能源分布范围广泛，安全，无污染，可谓取之不尽，用之不竭，能够全面保护自然平衡与气候温度平衡，便于开发与使用等。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。因此，太阳能等可再生能源产业的技术进步及世界各国政府支持已使可再生能源行业爆发式发展。根据欧洲、日本等能源机构预测，2020年，光伏发电将占到全球发电量的1，2040年将占到全球发电量的21，2050年左右，太阳能将成为全球主力替代能源。1.1.2太阳能的特点能源是人类赖以生存和
16、发展的物质基础。几十年来，能源问题一直是举世瞩目的重大问题之一。目前世界消耗的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等，这些都属于不可再生资源。据权威人士估计，世界上已经探明的石油储量仅可开采40多年；天然气可开采70年左右；煤的储量较丰富，可开采200年。地球上的资源是有限的，矿物质燃料在数量上也是有限的并以不断增长的速度在消耗。能源短缺，矿物燃料减少和污染增加，彼此互相关联，威胁着人类的正常生活和持续发展。常规能源逐渐枯竭，形势危机不容低估，所以寻找和开发新能源是一项刻不容缓的任务。目前许多国家就开展了这方面的工作。在众多可再生清洁能源中，太阳
17、能就是理想的替代能源。其主要有以下优点有：储量的“无限性”。太阳每秒钟放射的能量大约是161023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约18921013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。存在的普遍性。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其它能源来说，对于地球上绝大多数地区而言太阳能具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。利用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等
18、洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染是人类理想的替代能源。利用的经济性。可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。太阳能虽然具有上面所说的许多优点，并且其中有些优点还是它所特有的。但是，它也不可避免地存在一些缺点，致使它未能迅速的大面积推广应用。其主要有以下缺点：强度弱。虽然到达地球大气上界和到达地球表面的太阳能总量都十分巨大，但它的强度却是相当弱的。也就是说，在单位时间内投射到单位
19、面积上的太阳能是相当少的。从到达地球大气上界的太阳能来说，太阳常数的值就表明了这个强度的大小。即在地球大气层外每平方米垂直于太阳光线的面积上按收到的太阳辐射功率只有1353瓦，而垂直投射到地球表面每平方米面积上的太阳辐射功率就只有135347%=640瓦。太阳能的另一个弱点就是它的不稳定性。同一个地点在同一天内，日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后。而在同一个地点的不同季节里，冬季的太阳辐射强度显然又远远比不上夏季。一个原因是，由于太阳的高度角度不同因此对同一个水平面的人射角自然不同。而在单位水平面上所接收到的太阳辐射能，除了与太阳辐射强度本身成正比外，还与太阳高度角的正弦成正比，或者说
20、与太阳辐射的入射角的余弦成正比。显然，当太阳高度角越大，或者说太阳辐射入射角越小，也就是说越接近于正射时地面上同一水平面内所接收到的太阳能就越多。间歇牲。到达地面的太阳直接辐射能，随昼夜交替的变化。这就使大多数太阳能设备在夜间无法工作。为克服夜间没有太阳直接辐射、散射辐射也很微弱所造成的困难，就需要研究和配备储能设备，以便在晴天时把太阳能收集并存储起来，供夜晚或阴雨天便用。1.1.3太阳能利用基本方式太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。人类直接利用太阳能、已有上千年的历史，其而利用的途径主要有以下几种：光热转换。它是靠吸收太阳辐射的光能直接转
21、换为热能的。这种途径虽最古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于100。较高一些的也只有几百摄氏度。显然，它的能源应用难度较低，适合于直接利用。光电转换。将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换”。这是近几十年才发明和发展起来的。由于电能的位品相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。光化学转换。通过光化学作用转换成电能或制氢。它也是利用太阳能的一个途径。二三十年前有不少人对此做了许多研究。近来报道不多。目前仍处于研究、开发阶段。光生物转换。通过光合作用收集与储存太阳
22、能。近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。1.1.4我国太阳能资源及利用情况中国地处北半球，幅员辽阔，绝大部分地区位于北纬45以南。中国拥有丰富的太阳辐射能资源，在大约600万km2的国土上，太阳能的年辐射总量超过16.3102kwhm2a(新的规定不再使用kcal“千卡”这个单位，可选用kJ或kwh)；约相当于1.2104亿吨标准煤。全国年日照小时数在2000 h以上。太阳能年辐射总量超过1630kwhm2a的地区，约占全国总面积的2/3。各个地区全年总辐射量的分布大体上在9302330kWhm2a之间。但由于受地理纬度和气候等的限制，各地分布不均。我国光伏产业发展从20世纪
23、50年代开始研究，到70年代开展空间应用和地面应用，光伏产业初步形成实际上是从20世纪50年代中后期开始，并在90年代以后才得到迅速发展。目前，随着中华人民共和国可再生能源法的颁布和实施、京都议定书的签定以及各项环保政策的出台和对国际的承诺，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保障，给太阳能利用产业带来机遇。再加上西部的大开发，原油价格的上涨，中国能源战略的调整，以及政府加大对可再生能源发展的支持的力度，所有的这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。随着无锡尚德太阳能电力有限公
24、司成功登陆纳斯达克，国内掀起一股进军光伏产业的热潮。目前，我国的太阳能光伏产业基地的省份主要集中于环渤海区域，长三角区域的江苏，华中华南地区的湖北以及广东，多晶硅的生产基地则多分布于中西部地区，其中江苏的光伏产业位居全国前列，以无锡尚德太阳能电力有限公司为代表的企业已具备较好的产业基础。据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，我国是太阳能资源丰富的国家之一，我国有荒漠面积108万平方公里，大多分布在光照资源丰富的西部高原地区，一平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年能发电1.5亿度。只要开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。看来，在我国加快采用太阳能是有很好的基础的。据
25、发展改革委能源局介绍，截至2006年年底，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达亿平方米，生产量和使用量均居世界第一。全国有1000多家太阳能热水器生产企业，年总产值近120亿元，已形成较完整的产业体系，从业人数达20多万人。到2020年，太阳能光伏发电将达到180万千瓦，太阳能热水器总面积将达到亿平方米，太阳能利用年替代能源6000万吨标准煤 13-14。1.1.5国外太阳能利用现状从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。自20世纪80年代以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一
26、。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。美国颁布一系列优惠政策， 2005年能源政策法规定，光伏系统投入费用可免税30%。据SEIA的统计，2005年美国太阳能光伏市场增长达72%。美国新的太阳能启动计划对太阳能项目研究的资助2006年达到6500万美元，2007年将达到1.48亿美元，而对美国国家可再生能源实验室（NREL）的太阳能研发资助达4500万美元，其研究目标是到2015年使光伏能量可与其它电源相竞争。日本政府于2007年年末宣布，要大力普及家庭太阳能发电，计划到2030年使家庭采用太阳能发电的由现在的约40万户扩大到1400万户，相当于日本全
27、国家庭总数的约30，该项目标已列入日本的“能源革新技术计划”。日本政府决定将在2008年成立由国内外专家组成的国际研究机构，专门从事低成本新型太阳能板的研制开发，并在年度预算中列入相关经费20亿日元。据国际能源机构的统计，2006年包括企业在内，日本的太阳能发电容量为171万千瓦。目前日本住宅用太阳能发电设备的价格在200万日元左右，包括发电成本在内，太阳能发电的低价格化是普及太阳能发电的一大课题。因此，日本政府提出将开发使能源效率比现在提高1-2倍的新型太阳能板，使发电成本大体上与火力发电相当，到2030年其成本由现在的每千瓦46日元降低到7日元。日本政府的目标是，在2030年之前要将住宅用
28、太阳能电力容量(现在为130万千瓦)扩大到30倍。德国是一个能源紧缺的国家，能源供应在很大程度上依赖进口。为摆脱对进口和传统能源的依赖，德国近年把能源政策重点放在节约传统能源和发展新型能源两个方面，以期实现能源生产和消费的可持续发展。德国对可再生能源的利用通过立法、政府大量补贴等措施，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。德国2005年太阳能投资为37亿欧元，与风电和生物能一样同属发展最快的新能源之一。根据太阳能协会BSW的数据，德国在2006年前3年中，太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其它国家平均水平高一倍。全球最大的太阳能发电厂于2006年9月在德国南部巴伐利亚州投入使用，
29、其发电总容量达12兆瓦，能够为3500多个家庭供电。该发电厂拥有1400多个可移动太阳能吸热发电板，这些发电板能够随着太阳的移动而自动旋转，从而最大限度吸收太阳热能。这项技术使这家发电厂的发电能力比普通太阳能发电厂高出35。虽然目前太阳能占德国的能源供给不到1，但到2020年将超过5%。此外，在节能建筑应用太阳能方面，欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。比如美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”等。近几年来发达国家的“
30、零能房屋”已有相当发展水平，许多国家的政府（如美国、德国）还制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20的计划，如德国实施的绿电计划10万家屋顶光伏发电计划自1999年开始实施，2003年该计划顺利完成。目前，光伏发电已向德国普通家庭推广。日本自1992年启动了“新阳光计划”，同时颁布了新的净电计量法，要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量，并实行补贴政策。日本居民光伏屋顶系统最近5年平均年增长率为96.7%9-12。1.2课题意义由于太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能干
31、燥器、太阳能电池等等，但对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能设备而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能设备的能量转换率，二是提高设备的能量接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。提高太阳能利用率的途径通常有跟踪和聚焦两种方式。跟踪指是太阳能利用装置始终垂直于太阳辐射光线，即入射角度为零。香港大学建筑系的KPCheng和SCMHui教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7%，可见精
32、确的跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。1.3国内外研究现状目前，国外对于太阳光线自动跟踪装置或称为太阳跟踪器的研究有，1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置8。美国blackace，在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量,使热收率进一步提高；Joel.H.Goodman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直
33、径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。2006年2月,Acciona太阳能公司建立的被称为西班牙最大的太阳能电站设施开始投入使用,整个设施由400个太阳跟踪托盘，14400个电池板组成。这些太阳跟踪托盘设
34、计结构为全年每天根据太阳不同的位置跟踪阳光,与通常固定的平面系统相比，这种托盘设计可以增加35%的能源产出量。在欧美国家现在有较成熟的主动式全方位太阳跟踪技术及产品。中国早在1958年就开始了光伏电池的研究，于1971年首次成功用于我国发射的东方红二号卫星上，并于1973年开始将光伏电池应用于地面，由于受到价格和产量的限制，市场发展缓慢。在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏产业给予支持，促使光伏工业有了一定发展。2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区700多个无电乡的用电问题，光伏电池用量达到15.5MWP。该项目大大刺激了国内的光伏产业，
35、国内建起了几条光伏电池封装线，2002年的年产量达到了20MWP。截止到2005年底，中国太阳电池组件的生产能力己经达到400Mwp，当年产量达到140Mwp，绝大部分太阳电池组件出口欧洲，2005年国内安装量只有5MWp，2006年为10Mwp，国内光伏电池累计使用量达到80MWP。1.4跟踪方式的比较目前国内外跟踪太阳的主要方法可以分为三种：视日运动轨迹跟踪光电跟踪视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。现就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。1.4.1视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。视日
36、运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用:倾斜布置东西跟踪;焦线南北水平布置,东西跟踪；焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪。工作原理基本相似。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能电池板垂直，收集太阳能的效果并不理想 1718。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角一方位角式全跟踪。在双轴跟踪中极轴式全跟踪采用赤道坐标系，高度角方位角式全跟踪采用地平坐标1.4.2光电跟踪目前，国内常用的光电跟
37、踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中，光电管的安装靠近采光板，调整采光板的位置使采光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时采光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作12。1.4.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合光电跟踪方法容易受外界天气、杂光的干扰。视日运动轨迹跟踪在计算
38、太阳角度的过程中会产生误差，从而影响跟踪精度，并且跟踪装置的机械执行机构的精密程度也会影响到装置的跟踪精度。但是，将视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合就能克服两者的缺点。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度传感器初始定位。在运行当中，以过程控制为主，传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十分复杂，高精度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。1.5太阳运动规律1.
39、5.1太阳与地球的位置关系地球每天围绕通过它本身南极和北极的一个假想轴地轴自西向东自传一周，每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24时，所以地球每小时自转15度。在自转的同时。地球围绕太阳在一个椭圆形轨道上公转，每公转一周为一个太阳年、它等于365天5小时48分。即365241天，因此每四年须闰一日。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)的法线倾斜成23.27度的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极，这也是太阳赤纬角的最大值。在地球围绕太阳公转的一年中有四个特殊的日期，这就是受地球倾斜运动影响最大的冬至和夏至以及不受地球倾斜运动影响的春分和秋分。在北半球，春分大约是3月2
40、1日、夏至是6月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。夏至的白天最长而冬至的黑夜最长；春分和秋分的昼夜各12个小时。在设计太阳能应用系统时，不可避免地都会涉及到地球和太阳的位置关系，如太阳高度角、方位角等问题。a. 地平坐标系以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2.1所示。通过天顶和太阳（任一天体）X作一大圆，叫做地平经圈；地平交地平面于M点；从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为方位角s(地平经度)；弧XM为高度角（地平纬度），向上为正，向下为负。弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。显然Z=90-。 b. 时角坐标系以天赤道为基本圈，北天极为
41、基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系为时角坐标系或第一赤道坐标系，如图2.2所示。通过北天极和太阳X作一个大圆，叫做时圈；时圈交天赤道于T点；从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角，以度、分，秒单位来表示，也可以用时，分，为单位来表示；弧XT为赤纬角，以度、分，秒单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。当天体作周日运动时，天体的赤纬不随周日运动而变化，但天体的时角却从0均匀地增加到360秒。1.5.2相关角度的计算在太阳能的地面应用中，绝大部分的采光组件或阵列的安装形式并非水平，而是以与地平面成一定夹角的倾斜形式安装。所以有必要分析倾斜面在特定时间 及地点下的太阳入
42、射计算。a. 有关角的定义假如太阳能采光组件的倾斜角度和方位角已经确定，要计算入射在采光组件表面上的太阳直射辐射的能量，就必须定义一些角度。太阳光线入射角：太阳光线和采光组件表面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。太阳光线可以分为两个分量，一个垂直于采光面，一个平行与采光面，只有前者的辐射能北采光面所截取。由此可见，实际使用时应该是入射角越小越好，这也就是所说的跟踪。 太阳高度角和太阳方位角s:从地面某一观测点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角叫做太阳的高度角。该射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角z.。其中+z=90。太阳光线在地面上的投影线与正南方的夹角s，为太阳
43、的方位角。并规定，向西为正，向东为负。采光组件的方位角：采光组件表面法线在地面上有个投影，此投影线与正南方的夹角为采光组件的方位角。采光组件的倾斜角：采光组件平面与水平面的夹角称为采光组件的倾斜角度如下图所示. 倾斜面有关几何角度b. 角度之间的关系和有关公式采光组件所获得的太阳辐射量主要取决于太阳入射角，而是太阳赤纬角、太阳时角、地理纬度、采光组件倾斜角、采光组件方位角和的函数，它们的具体关系是:(2.1)其中太阳赤纬角可由Cooper方程式(2.2)近似计算：n：一年中的天数，如：在春分，n=81，则=0。 （2.2）=(t-12)15 （2.3）时角计算公式见式(2.3)，T为当地时间，
44、按小时计算。地球自转一周为 360，相应的时间为24h，每1h地球自转的角度定义为太阳时角，则3602415，正午时角为零其它时辰时角的数值等于离正午的时间(h)乘以15。上午时角为负值，下午时角为正值，例如，上午10时和下午2时的时角分别为-30及+30。从式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，当，确定后，采光组件倾角和方位角的值决定了直接日射入角，因此只要控制采光组件使其倾角和方位角有合适的值，就可以保证太阳光线入射角为0，从而最大限度地收集太阳能。故我们可以根据不同地区的情况确定一个合适的太阳能阵列的固定的安装角，从而能最大效率利用太阳能。1.6设计要求因光伏电池的输出特性受外界因
45、素影响较大，如何对光伏系统进行有效控制使其能够工作在最佳的状态，有效的利用太阳能，从而能够产生更多的电能，是一个非常重要的课题。主要研究内容为：了解太阳能利用的相关背景知识。研究太阳跟踪控制系统的相关资料、技术要求。研究和设计高太阳跟踪控制系统方案。设计和画出太阳能光伏发电跟踪控制系统硬件原理图。2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施。2.1 主要内容 主要内容： 自主设计一个典型单片机系统，含以下部分及功能：1. 典型51内核的单片机系统（推荐采用Silabs公司的C8051F系列）。2. 光电传感器、放大等环节。3. 1012位的光电池阵列朝向（电压）信号检测（推荐内置
46、结构）。4. 电机随动跟踪驱动电路（PWM直流调速或步进控制）。5. 常规可靠设计。2.2 研究方法 系统工作原理图2.3系统工作原理正常情况下：光电池阵列接受光照后，光电传感器输出信号（电压差）经放大处理等（光源跟踪信号前置电路）输入单片机，单片机处理后发出信号给电机驱动电路，进而驱动电机对光电池阵列进行水平和垂直方向的调节，以便保持同太阳光垂直的角度，从而达到对太阳光的最大利用，通过当前时钟可以很方便的在太阳下山后（无光照时）控制光电池阵列回到初始位置，以便开始新的一天的工作。非正常情况下：如果是阴天，光电传感器检测到的两电压信号相等，所以输出的电压差信号为零，这时可用软件实现时钟优先。单片机会结合当前时钟调节光电池阵列的角度，如果光电传感器仍然检测不到电压差信号，则可判断是阴天，系统停止连续跟踪调节以节能；如果光电传感器能检测到电压差信号，但是经单片机对电机进行调整后，光电传感器再次检测的信号与前一次相比没有变化，则判断光电池阵列是否触到限位开关，若是，单片机将结合当前时钟对光电池阵列的角度进行调节，若不是，则说明系统出现故障，这时将由通信口发出信号通知工作人员进行维护。3
