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1、摘 要太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。跟踪太阳的方法可概括为两种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整采光板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便；缺点是受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，会导致跟踪装置无
2、法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。而视日运动轨迹跟踪的优点是能够全天候实时跟踪，所以本设计采用视日运动轨迹跟踪方法和双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的全天候跟踪。该系统适用于各种需要跟踪太阳的装置。该文主要从硬件和软件方面分析太阳自动跟踪系统的设计与实现。第一 ：机械部分设计机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪：同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动，通过步进电机
3、1、步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。第二：控制部分设计：主要包括传感器部分、信号转换电器、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光照强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。最后本文进行了总结，对未来做了展望。关键词：太阳能；跟踪；太阳能电板/光敏电阻；单片机；步进电机 第一章 绪 论1.1课题来源太阳能是取之不尽，用之不竭的绿色新能源，随着我国国民经济的飞速发展，太阳能越来越被广泛地利用，它主要有一下
4、利用方式： 太阳能热发电：主要是把太阳的能量聚集在一起，加热来驱动汽轮机发电。太阳能光伏发电：将太阳能电池组合在一起，大小规模随意。可独立发电，也可并网发电。太阳能水泵：正在取代太阳能热动力水泵，九十年代我国研制的25kW光伏水泵在新疆运用。太阳热水器：我国自从1958年研制出第一台热水器后，经过四十多年的努力，我国太阳热水器产、销量均占世界首位。 本课题就是根据现有的太阳能采光不足，采光系统相对固定，不能充分利用太阳能能源，我们提出了太阳能跟中系统，随着太阳光照热量时间等因数自动调整角度吸收最大的能量，来设计太阳能自动系统。1.1.1能源现状及发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前
5、，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水利能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比列正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%，而太阳能发电每年增长20%，风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来的5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿
6、物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.1.2我国的太阳能资源我国年日照时数多在1400-3200小时之间，大致以秦岭-淮河、川西山地为界，其东南年日照时数多在2200小时以下，其西北在2200小时以上。川黔地区平均年日照时数1400小时以下，其中，四川宝兴826.4小时，峨眉946.8小时，马边951.5小时，云南盐津952.1小时等，是我国年日照最少的台站。锡林浩特、呼和浩特、银川、西宁、拉萨一线以西北，平均年日照时数多在3000小时以上，其中青海冷湖3553.9小时，内蒙古达来库布3443.2小时，哈日奥日布格及西藏定日3393.3小时
7、，新疆哈密3359.1小时等，是我国年日照最多的台站。我国平均年日照百分率分布趋势与年日照时数相似。大致大致以秦岭-淮河、川西山地之东南，年日照百分率在50以下，其中川黔地区30以下，云南盐津及四川马边21，峨眉22。锡林郭勒以西的内蒙古高原和柴达木盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地大部分地区，平均年日照百分率大于70，其中青海冷湖80，内蒙古哈日奥日布格77，新疆哈密76，西藏高原大部分地区年日照百分率60%以上，定日77%。（一）太阳总辐射我国年总辐射量约33108-83108/m2之间。其分布，大体是西部大于东部。西部以青藏高原年总辐射量最大（70108J/m2），东部以川1黔地区年太阳总辐射
8、量最小（40108J/m2）.太阳总辐射量由直达辐射和散射辐射2个分量组成，而这两个分量比列各地不同，青藏高原和西北干旱地区，年中云量和水汽不多，散射辐射少而直达辐射多、青藏高原直达辐射占年总辐射的70，新疆和内蒙古地区占60-65。长江流域和东南沿海，直达辐射与散身辐射几乎相等。西南地区云量多，水汽丰富，直达辐射仅占年总辐射量的40%。（二）太阳能分区为了开发利用我国太阳能资源，王炳忠1983年作出中国太阳能资源利用区划，在此基础上，盛承禹（1986年）坐了较简化的我国太阳能分区。下面主要介绍盛氏分区。一级区以年总辐射量为指标，二级区以日照百分率出现峰值的季节为标志（峰值在春季以A表示，夏季
9、以B表示，秋季以C表示，冬季以D表示），全国分为4区11副区。区为太阳能丰富区，年总辐射量62.0108J/m2，包括锡林浩特-银川、玉树-西藏朗县以西、天山以南的区域。其中，IB1副区为内蒙古日照百分率夏季峰值区， IA副区为塔里木日照百分率春季峰值区，IB2副区为青藏高原日照百分率夏季峰值区。区为太阳能较丰富区，年总辐射量50108-62108J/m2，包括天山以北区域和内蒙古高原东部，渤海沿岸平原、晋北、陕北、宁夏和甘肃的一部分、川西山地、西藏东南部等区域。其中D副区为新疆北部日照百分率冬季峰值区。B1副区为内蒙古东部、渤海沿岸平原、晋北等地日照百分率夏季峰值区，A副区为陕北和宁夏、甘肃
10、的一部分等地日照百分率春季峰值区，B2副区为川西山地、西藏东南等地日照百分率夏季峰值区。区为太阳能可利用区，年辐射总量42108-50108J/m2，包括东北和内蒙古呼伦贝尔等区域，以及华北南部、东南沿海平原及丘陵、云南、西藏东南部等区域。其中，B1副区为东北和内蒙古呼伦贝尔日照百分率夏季峰值区，A副区为华北南部、东南沿南平原及丘陵日照百分率春季峰值区，B2副区为滇、藏东南日照百分率夏季峰值区。区为太阳能贫乏区，年辐射总量42108J/m2，主要在川黔区域。其中，C副区为川西日照百分率秋季峰值区，D为川东、贵州的大部分、桂北及湘西的一部分等地日照百分率冬季峰值区。1.1.3目前太阳能的开发与利
11、用人类直接利用的太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光学转换，此外，还有储能技术。太阳能光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、热力发电装置及太阳能医疗器具6。1.1.4太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽用之不竭的。第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和远边地区更具有利用价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发与利用时，不
12、会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置的面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.2 课题研究的目的与意义本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。1.2.1新环保能源长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大
13、量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等1。能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合环境规划署资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发与利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济划厅和三泽公司合作研究认为，
14、到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能2。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。1.2.2提高太阳能的利用率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装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高，就
15、目前的太阳能装置而言，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。解决这一问题从另个方面入手，一是提高太阳能装置的转换效率，二是提高太阳能接收的效率，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。1.2.3太阳能利用的国内外发展状况自上世纪70年代出现能源危机以来，一些发达国家十分重视并支持对可再生能源技术发展，一些欧美国家及国内制定了符合本国的发展规划，并制定如税收优惠、政府补贴、低息贷款、加速折旧等相关政策，有力地保障太阳能产业的发展。欧盟自2000年开始实施了一项名为SOLTHERM的项目，目标是推动欧洲太阳能集热器安装数量每年增加200万，到2004年
16、累计达到1500万；美国规划到2010年安装100万套屋顶光伏计划、安装机容量300万千瓦；日本提出到2010年安装光伏发电760千瓦；德国已实施10万屋顶计划，安装光伏发电容量30万千瓦，今后还将不断扩大。在国内，青岛市建委在2001年4月出台的关于新建工程同时设计安装太阳能热水器的意见中提出：有条件安装太阳能热水器的建筑，在建设规划中要同时考虑设计、安装太阳能热水器，暂时无条件的在设计时应预留户纳管线和安装位置。大连市城乡建设委员会在2005年8月出台的关于在建筑工程中全面推广应用太阳热水器的通知中规定，所有新建和改建的低层（别墅）、多层住宅建筑，必须按大连市太阳应用，对认定的普通商品房应
17、当将可再生能源设备和设施的投资予以扣除。同时，市房地资热水器建筑设计导则（DT05-2）进行太阳热水器一体化设计和施工。小高层、高层住宅及其他公共建筑可依据开发单位和使用者的要求，确定是否进行太阳热水器的一体化设计和施工。在上海市开发利用太阳能行动计划中，提出要做好与房地产政策的协调。为鼓励太阳能的源局进一步制定房地产商开发别墅和低层住宅应用可再生能源的引逼政策3。 1.2.4 太阳能光发电系统白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池
18、组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能电能化学能电能光能。1.2.5 太阳能发电系统的组成部分太阳能光伏发电系统原理图如图1所示光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。其各部分设备的作用是：图1 太阳能光伏发电系统原理图一、太阳能电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光
19、照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 二、蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的目前我国与太阳能发
20、电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200额定电压为2VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。 三、充放电控制器充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。 四、逆变器逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电
21、系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。 五、交流配电柜其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。 1.2.6 太阳能光伏发电系统分类太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统与并网光伏发电系统： 一、独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。 二、并网光伏发电系统就是太
22、阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。 1.2.7 太阳能跟踪系统的光伏发电系统太阳能跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。国内自主知识产
23、权、首家完全不用电脑软件的太阳空间定位跟踪仪，具有国际领先水平，能够不受地域和外部条件的限制，可以在-50至70环境温度范围内正常使用；跟踪精度可以达到0.001，最大限度的提高太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。该太阳能跟踪系统可以广泛的使用于各类设备的需要使用太阳跟踪的地方，价格实惠、性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用。把加装了该太阳能跟踪系统的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该自动太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！1.3 国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我
24、国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而在南北方向则通过手动调节，接收器的接受效率提高了。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透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。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，结构紧张，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出太阳灶自动跟踪系统，1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。目前，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多
25、，但在不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视目运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的控制系统。1.4 论文的研究内容本文所介绍的太阳能跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文主要工作包括：(1) 分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。(2) 机械部分也是实现追踪目的的关键，主要是设计和计算，装配图及其零件图。(3) 分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，还要设计光转换电路。(4) 设计控制方案，步进电动机以及驱动电路选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。1.5 论文结构第一章，绪论主要
26、阐述了课题的研究背景，目的及意义，以及国内外太阳能的利用现状、太阳能追踪方式的现状等。第二章，主要是对太阳自动追踪系统进行了总体设计，确定了系统的追踪方式。第三章，太阳的转动原理。第四章，自动追踪系统总体结构，光电转换器，单片机及其外围电路，步进电机以及驱动电路。第五章，课题总结及展望。 第二章 太阳能自动追踪系统总体设计2.1 太阳运行的规律由于地球的自传和地球太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤
27、纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直至冬至，另一个变化周期开始。2.2机械执行部分比较选择根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及成本等各方面考虑，有以下几种跟踪器。2.2.1 立柱转动式跟踪器图2 立柱转动式跟踪器跟踪器的结构：大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面，小齿轮与大齿轮贴合，小齿轮连接马达1的输出轴。马达1固定在转架上，转动架以及制假固定安装在主轴上，接收器、马达2 安装在支架上面，马达2 的输出轴连接在接收器上。如图2所示。跟踪器实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮转动，由于
28、大齿轮固定。使得小齿轮自动的同时围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达2带动接收器相对与支架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪器机构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置在转动支架。受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。2.2.2 陀螺仪式跟踪器图3 陀螺仪式跟踪器跟踪器的结构：传动箱1固定安装在支架上，马达1安装在传动箱1上，传动箱1的内部是由蜗
29、杆、蜗轮组成的运动副，马达1输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面，传动箱1的输出轴连接环形支架，传动箱2固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱2上，传动箱2内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面，传动箱2的输出轴连接接收器。如图3所示。该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按照上图的朝向进行安装时，跟踪器的实现原理如下:当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达2带动传动箱2中德蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制部分也发出信号驱动由马达1带动传动箱1中德蜗杆、蜗轮转动，在输出带动环形支架和接收器转动，
30、跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。系统优点：该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动，在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。结构紧凑，运动空间大。传动装置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。2.2.3 齿圈转动式跟踪器机械结构：马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1贴合。齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2合，齿圈2连接
31、着转动架，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1的主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮 2.小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。如图4所示。图4 齿圈转动式跟踪器系统特点：该跟踪器机构结构简单，造价低，两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运动空间大。2.2.4机械设计方案机构结构：马达1固定在支
32、架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮的主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。机械设计方案如图5所示。图5 本课题的机械设计方案2.3 跟踪方案设计目前国内外采用的跟踪太阳的方法有，但不外乎三种方式：一、视日运动轨迹跟踪
33、；二、光电跟踪；三、视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个简单的介绍和比较。2.3.1 太阳运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系统较为直观方便，操作性强，但也在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳很观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全
34、球定位系统可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统确定位很跟踪的高度准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点后。2.3.2 光电跟踪系统传统的光电跟踪器是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统原则上由三大部件组成：位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统如图6所示。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如
35、四象光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。图6 跟踪系统框图下面对2001年应用光学杂志介绍的一种五象限法太阳跟踪仪做一简单介绍下图7为五象限光电转换器原理。在半径为R的大圆有一个半径为R/2的小圆，将大圆与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与X轴均成45，小圆为第V象限。图7 五象限光电转换器原理在上述5象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。将5片面积、性能、参数相同的光电池安装在所设的5个象限内，当阳光照射到5片光电池上时必然产生电流，光电流与光照成正比。为了测量准确，在光电池前放置可调光学镜筒，将一个
36、凸透镜放在透镜前，透镜安放在镜筒的最外沿，如图8所示。当光线经过透镜照射到镜筒底部5片光电池上时，调节筒的长度，使光斑正好完全覆盖5片光电池。图8 镜筒结构当太阳与光轴成一角度时，光线经过透镜照射到5片光电池上形成的光斑必然发生偏移，如图9所示。阴影部分为光线到的部分，此时有的光电池不能被光斑完全覆盖，因此各光电池产生的光电流产生的光电流不尽相同，将光电流差经过一系列处理后输入到跟踪头，驱动电机动作，调节跟踪装置，直至4个象限光电池输出的光电流相等，此时太阳光线与透镜光轴平行，驱动电机。为了使测量跟踪装置更安全、可靠、该装置采用V象限主测光电池进行光强测量和判断，使装置在夜晚停止工作。将第V象
37、限的电压V1与外来控制电压V2进行比较，可选择合适的V1控制测量跟踪装置的工作状态，在夜晚时V2V2，装置正常工作。图9 光线与光轴垂直时理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有关系，不可能无限制增长，通常镜筒长度，已取10-30cm为宜。系统的位置精度，基本决定于传感器的精度，因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度，光电池只要能捕捉到透镜聚焦的光斑就可以跟踪太阳，且结构设计较为简单。但当长时间出现云遮后或早晨太阳刚升起时，太阳光线与透镜光轴的夹角超过一定的角度范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到这时跟踪装置编无法跟踪太阳，甚至引起执行机构
38、的误动作。因而该种跟踪装置只能在一定的角度范围内实现高精度跟踪，其跟踪范围跟镜筒结构有关。2.3.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述结论可知，开环的程序跟踪存在很多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。如果两者结合，各取其长处，可以获得角满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度
39、传感器初设定位，在运行中，以程序控制为主，角度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，高精度角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，这种跟踪方式并不十分适用。2.3.4 本设计的跟踪方案本设计的光敏器件选为光敏阻或太阳能电池板。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电
40、动机不转动。当太阳光于方向电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法第三章 转动原理3.1 欧几里得平面几何根据欧几里得平面几何知识推理发现，在三维空间中，假设有一条确定的直线和一个确定的平面，如果对平面进行一定的旋转，使得直线和平面垂直，那么平面的旋转可以分解为水平方向的旋转和垂直方向的旋转的叠加，证明方法是作平面的垂线，旋转垂线使得该垂线和原先确定的直线平行。假设有确定的直线，其方程为，平面的方程为，设平面为水平面，则与平面垂直的平面都是竖直面，如图10所示。图10 三维坐标中的线面图直线的方向向量为： （
41、2.1）该直线与水平面的夹角： （2.2）平面法向量： （2.3）该向量与水平面的夹角： （2.4）过已知直线做竖直面： （2.5）过做竖直面： （2.6）将平面在平面上沿逆时针方向旋转度，然后在竖直平面上沿逆时针方向旋转度，就可以使和直线平行，即平面和直线垂直，其中是竖直面和竖直面的夹角，是和的夹角，即： （2.7） （2.8）根据以上推理，当太阳光线确定时，适当调整太阳能光伏板的水平方向朝向和竖直方向朝向，一定能把太阳能光伏板调整到一个与太阳光线垂直的方向。3.2 太阳能自动跟踪器太阳能自动跟踪小车的两个电机分别驱动控制水平方向转动的轮子和控制竖直方向转动的涡杆，水平方向转动的示意图如图1
42、1 所示：图11 太阳能蓄电自动跟踪器水平旋转示意图太阳能自动跟踪器小车由一个固定的支撑点（点P）和一个轮子支撑起来。滚轮转动（电机M2驱动）时，以点P为圆心，带动整个装置绕P点转动。从图二可知，此时滚轮在水平面xy上经过的轨迹是一个以支撑点P为圆心的圆。竖直方向转动示意图如图12所示：图12 太阳能蓄电自动跟踪器竖直方向旋转示意图太阳能光伏板固定在A板上，电机M1驱动涡杆转动，涡杆的位置固定，只允许绕z轴转动，在xy平面内不发生位置移动。涡杆上套有一个升降平台（升降平台连接太阳能光伏板A板的一端，并与之固定），升降平台因与A板一端相连而不能进行水平方向上的旋转。因此，电机驱动涡杆转动时，升降
43、平台只能进行上下移动，即升降平台上任意一点只有z的坐标值会变化。升降平台带动A板一端在竖直方向上下移动，而A板另一端架在高度不变的平行板B的平面上，可以在B平面上滑动，使得A板与B板的夹角Q发生变化，从而实现太阳能光伏板平面（A板）在竖直方向上角度的变化。 经测量，此作品的太阳能光伏板在水平方向上角度变化范围是0360，竖直方向上角变化范围是32.26 86.31，其平面包含的朝向范围广泛，在地面上，无论太阳光的入射方向如何，与之垂直的面基本都在此作品光伏板所能变化得到的面的范围内7。实物图如图13图13 太阳能蓄电自动跟踪器实物图第四章 自动跟踪系统设计4.1 系统总体结构 本体统包括光电转
44、换器、步进电机、89C51系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度，控制机构将分别对水平方向和垂直方向进行调整。单片机加电复位后，垂直方向将处于旋转状态，单片机将对采样进行的电压信号进行判断，电压有增大和减小两种可能，如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出信号，让点击反转，实现电池板对太阳的跟踪。如图14所图14 系统总体结构任意时刻太阳的位置可以用太阳视位置精确表示。太阳视位置用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，
45、可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。系统采用水平方位步进电机和俯仰方向步进电机来追踪太阳的方位角和高度角，从而可以实时精确追踪太阳的位置。图15 跟踪系统机械结构示意图位机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数，将数据送给跟踪系统驱动器，单片机接收上位机送来的数据，驱动步进电机的运行。系统具有实现复位、水平方位的调整，俯仰方向的调整，太阳的跟踪及手动校准等功能。如图15所示。4.2 光电转换器光电转换器接收太阳光，将光信号转换成电信号，单片机根据采集来的信号进行分析比较，得出结果最终控制步进电机的转动与转向
46、来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。 一、光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光线垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强较多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻比较法，其优点在于控制较精确电路比较容易实现。二、选用太阳能板作为光电转换，利用光在不同的位置、纬度时，太阳能板的电压值发生变化的原理。两个太阳能电池板中间有
47、一定的距离，当光照在第一个太阳能时，两边的电压值为正，两边电压的绝对值大于0，电机正转动；当光照在第二个太阳能电池板时，两边的电压值为负，绝对值大于0，电机反转。当太阳光照在照在两个太阳能板时，两边的电压为0，电机不转。4.2.1 光电模拟电路设计一、下图16中光电转换电路是其中的一组，另一组电路于此相同。当太阳光正对太阳能电池板时，光敏电阻R1、R2都是高电阻，A、B两点电压相等。四运放LM124的输出的电压相同，单片机接收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。当阳光发生倾斜，使R1被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高。运算放大器U2A的作用是一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，保持采样信号的稳定。U3A是减法器，其输出端不能为负的电压值，所以U3A正的输出端接了个偏置电压电路，使U3的输出始终为正直。图16 光电转换器二、采用电机驱动太阳能光伏板的方位移动分为水平面方位控制和竖直面方位
