太阳能接收器自动跟踪系统研究

宁夏大学

硕士学位论文

太阳能接收器自动跟踪系统研究

姓名：尹东文

申请学位级别：硕士

专业：机械制造及其自动化

指导教师：李明滨

2011-05-01

摘要

本文基于太阳位置计算模型，通过对太阳运行轨迹的分析研究，利用向量法推导出了地平坐标系下的双轴跟踪运动方程。由此，依据数值计算软件matlab绘制出了一年中四个季节的高度角和方位角曲线，经过研究分析，提出了“单驱动，双向跟踪”的新型双轴跟踪策略。在机械结构方面，依托SolidWorks三维参数化设计软件平台，采用穷举寻求最优、三次样条曲线拟合等数值处理方法，完成了高度角方向凸轮机构的设计，并设计若干传动机构使之与方位角方向跟踪运动实现耦合，设计出了“单驱动，双向跟踪”的太阳能跟踪新型机械传动装置。还有，利用COSMOSMotion运动分析模块，针对凸轮机构和整体三维实体模型，分别进行了运动学和动力学仿真，验证了设计的正确性。在电控方面，设计完成了以单片机AT89S52为核心的硬件电路，它包括DS1302时钟电路、LCD显示屏电路、电源管理电路等。然后，根据视日运动轨迹算法，采用步进电机开环控制策略，以Keil C为软件开发平台，编写了主控制程序、液晶显示程序、时钟程序、电机驱动等程序模块，并借助Keil C和单片机仿真软件Proteus构建的虚拟实验室，实现软件和硬件的联调仿真。最终，根据此设计，完成了试验模型的制作和调试。

本文设计的“单驱动，双向跟踪”太阳能跟踪系统，克服了传统的单轴跟踪系统精度低的缺点，同时相比双驱动双向跟踪系统，具有成本低、功耗少等优点，经实验证明该系统遵循经济、高效、可靠、抗干扰能力强、易操作和维护的设计原则，适用于各种小型民用太阳能利用设备，对于太阳能利用的推广具有重要的现实指导意义。

关键词：COSMOSMotion，“单驱动，双向跟踪”，C51，单片机，步进电机

Abstract

Based on the solar position calculation model, depending on the analysis of the sun moving trajectory , this paper deduces the two-axes solar tracking motion control equation in horizontal coordinate system with the mothod of vector analysis. Using the numerical calculation software-MATLAB, the paper draws up the curve of elevation angle and azimuth for the four seasons, after study and analysis, proposes a new two-axes tracking strategy-"single driving, double-axis tracking".In the design of mechanical structure, relying on 3D parametric design platform-SOLIDWORKS, using the numeric alanalysis method，such as exhaustive method to find the optimal solution, cubic spline curve fitting,https://www.doczj.com/doc/6b2635594.html,pletes the design of CAM mechanism of the altitude angles tracking direction, and designs several transmission mechanism to accord with azimuth direction tracking law, giving the coupling movement, thus,realizes new mechanical device-"single driving, double-axis tracking". Also, in terms of movement analysis module-COSMOSMotion, aiming at the CAM and the whole 3d entity model, finishes the kinematics and dynamics simulation separately, to prove design correct.In electronic control design, completes hardware circuit based on single-chip microcomputer- AT89S52, it includes DS1302 clock circuit, LCD display circuit, power management circuits, etc. Then, according to the trajectory algorithm on the day, adopting the strategy of step-motor open-loop control ,relying on Keil C as software development platform, writes main program, LCD program, clock procedures, motor drive programe, and constructing virtual laboratory with Keil C and single-chip microcomputer simulation software-Proteus, realizes the alignment simulation of the software and the hardware. Finally, on the basis of the design model, completes the test model and debugged.

" single driving, double-axis tracking " solar tracking system is designed by this paper, overcomes the low accuracy shortcomings traditional uniaxial tracking system haves.At the same time ,compared with “dual drive, double axes tracking” tracking system,it is lower cost and less power loss. Proved by the experiment this system follows the economy, efficiency, credibility, strong anti-interference ability ,easy operation and maintenance design, and could be applied to the Miniature Civil solar energy utilization device, also it has great practical guiding significance for for improving solar utilization ratio in the western region and the extension of the use of solar energy.

Key words：COSMOSMotion，"single driving, double-axis tracking"，C51，MCU，stepper motor

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：时间：年月日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

研究生签名：时间：年月日

导师签名：时间：年月日

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1能源现状及发展

能源以及资源都是人们赖以生存的基础。当前，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。它们是在大自然的作用下，经过几万年才储存在地层中的，是不可再生资源。随着社会经济的高速发展，能源消耗随之增大。据有关资料预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤。根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后40年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。不仅如此，大量使用化石能源已经开始造成全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质，严重污染了人类的生存环境[1]。

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，人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源日益重视，它们在整个能源消耗结构中所占的比例也正在显著地提高。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。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 太阳能资源

相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，既是可再生能源，又是一次能源，有着矿物质能源不可比拟的优越性，是最引人注目、应用最广泛、开发研究最多的可持续发展能源。而在太阳能利用技术中，太阳能光热利用是相对发展最为成熟的一

种。目前，人类利用太阳能有三大技术领域[2]

，即光热转换、光电转换和光化学转换。

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点[3]

：

首先，它是储量最丰富的可再生能源，可以说是取之不尽，用之不竭的。

其次，可以随时随地开发利用，无需考虑运输成本，特别在一些对于交通不发达地区，如农村、海岛和偏远地区，太阳能利用更具价值。

再次，它无污染，是一种洁净能源，也是一种环保能源，不会影响生态平衡。

太阳能的利用也有它的缺点：

第一，具有较低的“能量强度”，即能流密度较低，地球表面每平方米仅能获得相对较少的能量。从而使太阳能利用装置占地面积大，用料多，成本高。

第二，易受天气影响，常常给使用带来很多不便。

1.1.3 我国太阳能资源及利用状况

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。从自然条件来看，中国西部地区日照时间长，太阳能资源相对丰富，利用不受时空限制，最适宜大量推广太阳能设备。以宁夏为例，太阳辐射量年均为4950~6100兆焦／平方米，年日照时数为2250~3100小时，日照百分率50％~69％，是中国日照资源较丰富地区之一。

我国太阳能产业发展迅速。2008年，我国太阳能热水器的年生产能力达到了4 000万平方米,全国累计太阳能热水器使用量超过1. 25亿平方米，均居世界第一位，其中太阳能热水器使用量占世界总使用量的60%以上。2008年我国光伏电池产量达200多万千瓦，现已超越日本成为世界第一大光伏电池生产国。根据我国1996～2020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。还有，到2 02 0年，太阳能光伏发电将达到1 8 0万千瓦，太阳能热水器总面积将达到3亿平方米，太阳能利用年替代能源6 0 0 0万吨标准煤[4-6] 2009年3月，财政部、住房和城乡建设部联合下发了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》以及《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，重点扶持太阳能光电在城乡建筑上的应用与推广。这预示着我国太阳能利用将有更大的发展空间。

1.2课题研究的目的及意义

由于利用太阳能利用受着位置、地势等条件的制约。因此，必须设计一种随着太阳运动的跟踪控制系统，使得太阳能电池板接收到的光照强度最大，资源的利用率最大。

本课题研究一种基于单片机程序控制的“单驱动、双向跟踪”新型太阳光线跟踪装置，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。本跟踪系统适用于中小型太阳能光伏发电设备、太阳能灶、太阳能热水器等太阳能利用场合，不仅方便实用、能量转换效率明显提高，而且自身的功耗相对“双轴驱动、双向跟踪”将明显减少，这对于光照资源丰富的西部高原地区太阳能利用率提高、推广与发展新能源的利用具有十分积极地现实意义。同时，对节约能源、保护环境也有重大的意义[7]。

1.3 国内外研究现状

1.3.1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[8]

，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。解决这一问题应从两个

方面入手[9]

，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，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。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向

上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授

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[10]

:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接

收率相差37.7%。特别是跟踪系统应用到平板光伏发电阵列，可以比固定模式提高33%的效率[11]。而对于高聚焦比的系统能够提高大约28%的效率[12]，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。下面以太阳能发电 为例来说明固定式与自动跟踪式的区别，见表1-1

表1-1

安装方式

成本

（$/Walt）

发电性能

(kwh/kWy.a)

发电效益

(%)

性价比

(kWh/$)

水平固定安装 5.25 1250 100.0 4.75

倾纬度角固定向南 5.25 1630 130.4 6.20

水平东西跟踪 5.50 2350 188.0 8.55

倾纬度角单轴跟踪 6.50 2450 196.0 8.25

高倍聚光—6MW 4.00 2200 176.0 11.00

高倍聚光—将来 3.00 2400 192.0 16.00

1.3.2 跟踪系统的国内外研究现状

现阶段国内外已有的跟踪装置可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种，用以实现方位角与高度角的2自由度的转向控制。在目前的太阳能自动跟踪控制系统中，不论是单轴跟踪或双轴跟踪，太阳跟踪方法可分为：压差式、控放式、时钟式、程序控制式、光电式等多种。其中压差式和控放式属于纯机械系统跟踪，如图1-1和图1-2所示。压差式是利用密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，使太阳能采集器重新对准太阳，而控放式是利用偏重来实现跟踪的，它们都只实用于单轴跟踪系统，精度很低。后面三种是属于电控式：时钟式是根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳能采集器根据太阳的位置而相应变动；程序控制式太阳跟踪装置，则是通过计算某一时间太阳的位置，再计算出跟踪装置的目标位置，最后通过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪，属于开环的程控系统。光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阀值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。

图1-1 控放式工作原理图 图1-2压差式跟踪器工作原理图

国外很多学术机构和学者做了这方面的研究：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。 Rubio, F. R. [14]提出一种新的控制策略，即复合的双轴太阳跟踪器，包括建立在太阳运动模型上的开环跟踪策略和一个动态反馈控制器的跟踪系统，能够高精度的跟踪太阳而无需准确的安装跟踪器和校准。随着计算机技术的发展，Inha大学机电工程系Yong Kim [15]建立极坐标系单轴太阳跟踪系统用于CPC太阳能收集热性能的评价。结果表明跟踪式太阳能CPC 热收集器比固定式效率提高14.9%。

近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究，主要用于天文观测、气象台的太阳跟踪。1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，国家气象局计量站在1990年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单轴跟踪。目前，着太阳能应用的普及，众多的科研院所和企事业单位针对太阳能跟踪控制系统开展了卓有成效的研究。

图1-3 美国研制的大规模太阳能跟踪装置 图1-4 国内某企业太阳能自动跟踪装置

1.4 本课题来源、论文的研究内容及结构

课题来源：是在能源危机和环境问题日益成为社会焦点，新能源应用日益备受关注的大背景下，为适应宁夏新能源利用需要，而提出的模拟生产实际类课题。

单轴跟踪实现方法简单，但是跟踪误差大、精度低。双轴跟踪比较复杂，技术难度较大，但

是跟踪精度高。而双轴跟踪采用的都是“双驱动，双向跟踪“形式。本文针对于中小型光伏发电、太阳能灶、太阳能热水器等太阳能利用场合，以地平坐标系下的双轴跟踪系统为设计目标，借助机械传动装置，采用视日运动轨迹跟踪方式，通过高精度的太阳位置算法获得太阳位置，最终设计出一种新型的“单驱动，双向跟踪”的自动跟踪系统。论文研究的具体内容分为以下几个部分：（1）理论上，分析太阳运行规律，应用向量法推导高度角、方位角天文学计算公式，建立跟踪增效理论分析模型，通过建立不同坐标系，使跟踪模型更加直观，比较分析国内外主要的几种跟踪方案，提出新型的跟踪策略。

（2）机械传动部分设计与实现。机械传动是实现本文跟踪策略的关键，主要工作包括跟踪机构原理推导、方位角与高度角方向耦合设计，机械结构设计和计算，关键部件机构运动学仿真、零件图及装配图绘制。此部分内容是实现本文“单驱动，双向跟踪”目的关键。

（3）控制系统硬件设计。对于单片机及其外围电路，显示电路、电源管理电路、步进电动机以及驱动电路等硬件电路，进行工作原理说明、安装、连接、调试。

（4）控制系统软件设计。a. 太阳角度计算部分：利用太阳角度天文参数经验计算公式，以Keil uVision3为开发平台，通过C51语言编程计算，根据当地时间、经度和纬度计算得出太阳的高度角和方位角。 b. 步进电机驱动程序设计：根据与前一次方位角的差值，算出所需的脉冲数，以控制方位角步进电机按要求转动一定角度。由于采用步进电机，系统采用开环控制。c. 其他控制部分：编写液晶显示程序，键盘扫描程序，初始定位程序等。

（5）对研究工作进行总结和评价。找出不足、提出改进措施。

以上也是“单驱动，双向跟踪”自动跟踪系统的开发步骤。包括从理论研究到系统试验模型试制，从硬件和软件的设计到实现联机调试等整个研发过程。

第2章 太阳跟踪数学模型建立及跟踪方案的确定

2.1 天文学的有关基本概念介绍

在太阳能接收器跟踪太阳位置的时候不可避免的涉及到计算太阳方位角、高度角、日出日落时间等计算问题，本节将对地球绕太阳运行的基本规律展开详细分析与研究。 2.1.1 天球与天球坐标系 进行太阳角度计算时，无可避免的会涉及到有关天球坐标的知识。所谓天球，就是当人们站在地球表面，以自己为球心，仰望天空，在平视四周时看到的分布着所有天体的假想球面。 根据相对运动原理，所有天体都在这个假想球面上周而复始的运动。太阳也不例外。若要确定太阳的位置，最好的方法是采用天球坐标系。最常用的是地平坐标系和赤道坐标系[19]。 2.1.2 地平坐标系 地平坐标系如图2-1所示。它由两个基本圈组成。以通过观测点O 的地平面与天球相交的地平圈为基本圈，以通过O 点的天顶、天底、地平面南点及北点的子午圈为第二个基本圈。还有，经过太阳位置X 点，过天顶Z 点的子午圈，称之为方位圈；经X 点平行于地平面的圆圈，称为高度圈。显然，地平坐标系主要有两个参量[19]：方位角A、高度角h，观察者的头顶方向与天球相交的点叫做天顶(Z 点)，从观察者的脚底向下延伸与天球相交的点叫做天底。

图2-1 地平坐标系

由图2-1可以看出，天体的地平高度与天顶距的关系是h Z ?=o

90

通过以上介绍可以得到，地球上任何观测点的天极高度等于当地的纬度，由相似三角形的关

系可以证明，在观测点o′处的天极方向为p′方向，根据三角形角度关系显然天极的高度角等于当地的纬度。如图2-2所示。

图2-2 天极高度等于当地纬度示意图

2.1.3 赤道坐标系

QQ作为基本圈，以天赤道与子午圈的交点之一Q′(近南点)作为原点的天球坐标以天赤道'

系，称之为赤道坐标系。如图2-3。又因所取基本点的不同而分为第一赤道坐标系与第二赤道坐标系，前者又称之为时角坐标系。

图2-3 赤道坐标系

太阳X的位置有两个坐标决定：

第一个是圆弧T Q '

，通常称为时角，图中用t 表示。时角从'Q 点起算，也就是从太阳时的正午起算，顺时针为正，逆时真方向为负，即上午为负，下午为正。时角t 的值，是根据地球每个小时回转o 15计算确定，它的数值等于离正午的时间（小时）乘以15°。

第二坐标是圆弧TX ，叫做赤纬，用δ表示。赤纬从天赤道起算。对于太阳太说，向北天极由春分、秋分日的0°变化到夏至的′°+2723；向南天极由春分、秋分日的0°变化到冬至日的′°2723-； 2.1.4 太阳与地球的时间关系

由于太阳角度计算涉及及一些时间上的概念，有必要对天文上用到的时间做个简要的叙述。天文上应用的时间很多，在这里就只针对真太阳时和平太阳时进行简要的说明。

在天文学中以太阳周日视运动为依据而建立的时间计量系统叫真太阳日，所谓真太阳时是指以太阳为视圆面中心，真太阳连续两次通过上中天(即观测地的地理经度)的时间间隔，叫做真太阳时。而进行太阳角度计算，代入公式进行计算的是这个真太阳时。

时钟所指示的时间也称为平太阳时，它与真太阳时之差叫做时差，计算式表示如下： p z t t ?=η

式中：η表示时差，z t 为真太阳时，p t 为平太阳时

2.1.5 太阳角度几何关系模型

此关系模型是基于地平坐标系的。太阳运行轨迹其实就是计算在地球某一点上观看空中的太阳相对地球的位置。这时，太阳相对地球的位置是相对地面而言的，用高度角和方位角两个坐标表示。几个重要角度的可以定义[16]为：

①太阳入射角θ：太阳光线与接收器表面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。太阳光线可分为两个分量，一个垂直于接收器表面，一个平行于接收器表面，只有垂直的辐射才能被接收器所截取。因而，实际使用时应使入射角θ越小越好。

②太阳高度角α和太阳方位角s γ：从地面某一观察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α叫太阳高度角。其值在0°到90°之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为90°。该射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角z θ。这两个角度互为余角。

假如接收器水平放置，则入射角θ与高度角α互为余角。

地面上投影线与正南方的夹角s γ为太阳的方位角。并规定正南方为零度，向西为正，向东为负。它的变化范围是-180°~ +180°。

③接收器方位角γ：和太阳方位角s γ相类似，接收器表面法线在地平面上也有一投影，此投影线与正南方的夹角γ为接收器的方位角。度量方法与太阳方位角s γ相同。

④接收器倾斜角β：接收器平面与水平面的夹角β叫接收器倾斜角。

各个角度几何关系如图2-4

2.2 视日运动轨迹跟踪方程的向量法推导

视日运动轨迹跟踪，就是要求跟踪系统运动规律符合太阳运动规律。以前的太阳运行轨迹计算方法，主要是球面三角几何法。为使跟踪规律更加明确、直观，本文采用向量法推导跟踪方程。首先建立用于分析太阳运动规律的地平坐标系和时角坐标系以及用于分析跟踪系统运动规律的跟踪坐标系，并在各个坐标系中推出相应的运动规律方程，然后通过坐标系之间的变换导出了双轴跟踪运动控制方程。太阳位置计算的几何模学型如图2-5所示，

图中，xyz-o 为以地心建立的时角坐标系，z 轴跟地球极轴重合，并指向北极，x 轴和某一经线圈

图2-5 太阳运行几何计算模型

图2-4 太阳角度几何关系

(loc l )平面与赤道面的交线重合，并从地心指向交点。y 在赤道平面内，与x 、z 构成右手标架坐标系。i v 、j v 、k v 为x 、y 、z 坐标轴的单位矢量。由天文学规定可知[17]， δ为太阳的赤纬角；

ω为时角，规定自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。因而，根据图2-5，在时角

坐标系中S u v 可表示为： cos cos cos sin sin S i j k δωδωδ=???+u r v v v （2-1）

图中XYZ O ?为以太阳跟踪系统所在地为原点建立的地平坐标系，I v 、J u v 、K u u v 分别指向正南方（X ）、正东方(Y)、正上方(Z)的单位向量，以单位向量S u v 表示太阳光线，因此，根据图所示，在地平坐标系中S u v 可表达为：

cos cos cos sin sin S I J K αγαγα=???+u r v u v u u v （2-2）

为了找出地平坐标系与时角坐标系的变换关系，将时角坐标系变换至地平坐标系，使其具有相同的原点，这种变换不会影响任何角度[18]，坐标变换关系如图2-6所示：

图2-6 坐标系变换关系

由图2-6a 可以看出：K u u v 和i v 的夹角大小为跟踪系统所在地的纬度角φ，J u v 和j v 重合，K u u v 和k v 的夹角是90φ°?，因而地平坐标系与时角坐标系间的变换关系为式2-3：

cos sin 0001sin cos 0i I j J k K φφφφ????????????=???????????????????

v v v u v v u u v （2-3） 由2-1、2-3可以推出：

（a）地平坐标系与时角坐标系间变换

(b) 地平坐标系与跟踪坐标系变换

[]cos sin 0cos cos cos sin sin 001sin cos 0(sin cos cos cos sin )cos sin (sin sin cos cos cos )I S J K I J K φφ

δω

δωδφφδφδωφδωδφδωφ????????=??????????????

=?+?++v u v u v u u v v u v u u v （2-4）

由式2-2、2-4比较后可以得到： sin sin sin cos cos cos αδφδωφ=+ （2-5）

cos sin sin cos δωγα

?= （2-6） 式2-5与式2-6即为太阳高度角、方位角的计算公式。与参考文献[17]计算公式一致。 跟踪坐标系如图2-2b 所示，它与描述太阳位置的地平坐标系重合，以单位矢量n v 表示太阳能接收器表面的法线，因此n v 的表达式为：

cos cos cos sin sin n I J K βρβρβ=?+v v u v u u v （2-7）

式中β表示太阳跟踪系统的高度角方向旋转角；ρ表示太阳跟踪系统的方位角方向旋转角。由图2-6b 可以看出，太阳入射角θ为单位矢量n v 与矢量S u v 的夹角，因此： 1cos (S n S n

θ??=×u v v u v v (2-8) 将式2-1与式2-7代入式2-8即可求得太阳入射角θ。由于描述太阳位置的地平坐标系与跟踪坐标系完全重合，因此，若要是太阳能接收器表面Ω能够完全跟踪太阳运行轨迹，即需要θ角等于0，n v 与S u v

重合。若想完全跟踪，提高跟踪精度，就必须采用双轴跟踪，并且使太阳跟踪系统的

方位角方向旋转角ρ与太阳方位角运行规律一致，

使太阳跟踪系统的高度角方向旋转角β与太阳高度角运行规律一致；由此得出太阳跟踪系统垂直旋转角、水平旋转角的计算式为2-9和式2-10。 arcsin(sin sin cos cos cos )βαδφδωφ==+ (2-9)

cos sin arcsin()cos δωργβ

?== (2-10) 由式2-9和式2-10可以看出，跟踪系统的两个旋转角由跟踪系统安装地理位置的纬度φ、太阳的赤纬角δ以及时角ω决定。可以根据参考文献[19]进行计算。

（1）太阳时角ω，是一个与时间有关的物理量，可由当地真太阳时求得，求解步骤如下： 太阳时角可按下式计算

(/60)15s s S F ω=+×°

这里时s S 和s F 的表示是真太阳时、分。我国采用东经120°经圈上的平太阳时作为全国的标准时间。即所谓“北京时间”。所以要求真太阳时，先由“北京时间”求出当地时间，公式如下：

(){}120/604/60d S S F JD JF =±?°?+×????

120°是北京时的标准经度,乘4是将角度转化成时间,即太阳每4分钟转1°,除60是将分钟化成小时。S d 为当地时间，S 为北京时间小时，F 为北京时间分钟。式中“±”号对于东半球取正号，西半球则取负号。

其次，进行时差订正，如式

s d t S S E =+

而时差可由式 0.0028 1.9857sin 9.9059sin 27.0924cos 0.6682cos 2Et Q Q Q Q =?+??

式中Q 称日角,即

2(0)/365.2422Q N N π=?

式中N 为积日,所谓积日,就是日期在年内的顺序号,例如, 1月1日其积日为1,平年12月31日的积日为365,闰年则为366,等等。而式中N0可由

079.67640.2422(1985)int((1985)/4)N y y =+???

式中y 为年份，int(x)表示对x 取整。

（2）太阳赤纬

0.372323.2567sin 0.1149sin 20.1712sin 30.758cos 0.3656cos 20.0201cos3Q Q Q Q

Q Q

δ=++??++

式中Q 称日角。

（3）太阳日出日落时间计算 在日出、日落的时候，太阳高度角0α=，将sin sin 00α==o

的值代入高度角公式2-5，得到： sin sin cos cos cos 0?δ?δω?+??=

从而可以推导出：

sin sin cos cos cos ?δω?δ

?=?

? 进一步得到日出、日落的时角公式： cos tg tg ?ωδ

=? 上式所表示的日出、日落的时角公式中，时角ω有正、负二值，负值为日出时间，正值为日落时间。求出时角ω值后，则可进一步得到相关的日出日落时间。

4）日出、日落方位角的计算

日出、日落时刻太阳高度角0α=，将cos cos 01α==o

的值代入求解方位角的公式2-6，得

到日出、日落时的方位角求解公式：

0sin cos sin γδω=?

式中，γ0为日出、日落时的方位角，γ0有正、负二值，正值为日落方位角，负值为日出方位角。

2.3 跟踪增效理论研究模型的建立

下面我们就以太阳能发电产业中电池板为对象，建立通用数学模型、从而从理论上推断出自动跟踪式收集器比固定式收集器能效到底增加了多少。

有许多文献中做了一些对比测试或计算，文献[20]测试得出电能产出增加了23.9%。文献[21]测出发电量增加了45.2%，但这个计算结果只考虑了日运动产生的余弦效应，而未考虑全年产生的余弦效应。文献[22]计算出双轴跟踪收集器比水平放置的固定式收集器收集的太阳能高出72%，可在实际应用中，固定式的收集器都是朝南以各地的最佳倾角倾斜放置。

以上的计算或测试条件各有差异，结果相差也较大，不能一般地反映双轴自动跟踪式太阳能收集器所获得的辐射能增效百分比，因此本文从理论计算出全年太阳能光伏组件因双轴自动跟踪相对于朝南以最佳角度倾斜的固定式光伏组件增加的能效，目的为本文跟踪系统的研究提供一个理论上的支持，也为太阳能应用领域提供一定的指导作用。 几何模型如图2-7所示，设OCFG 为光伏组件表面，OZ 为其法线，EO 为太阳的入射光线，φ角为入射角，α和β角分别是光线入射角φ在东西立面OADG 和南北立面OABC 上的投影角,把α和β角分别定义为东西入射角和南北入射角，这里将φ角分解为α和β角，在跟踪系统中可近似为太阳高度角和方位角。因在OCFG 平面上的投影OF 跟光伏组件平行，无法吸收太能辐射能。所以无需考虑。α和β角的变化时相互独立的。所以在计算太阳辐射能时，对它们依次做不跟踪的假设，然后利用积分逐步利用积分逐步求出两个方向都不跟踪时全年能量的累积，和有自动跟踪的光伏组件全年收集的太阳能量比较，可求出自动跟踪增效的百分比。

图2-7 增效研究几何模型

（1）假设南北方向（仰角）已有自动跟踪装置，即0=β，而光伏组件东西（方位角固定在正午的位置）没有自动跟踪，计算光伏组件每天接收的能量

∑Q 。

假设太阳辐射能量为h ?2cal/m η，东西向由于α角的变化，在某天的△t 时间内，A ㎡太阳能光

伏组件接收的太阳能量为：

αηcos t A Q Δ??= （2-11）

设每天太阳能光伏组件接收的日照时间为8小时，在中午12:00时，入射角α约0度，根据地球的日运动规律，时间t 和日运动角α的关系式为：

ππα?=t 12 （8

所以2-11式可以写成 )12

cos(ππ

η?ΔΔ??=t t A Q （2-13） 则在一天的8个小时内，固定式太阳能光伏组件接收太阳能累计为： )](12cos )(12cos )(12cos [2211ππ

ππ

ππη?ΔΔ+?????+?ΔΔ+?ΔΔ??=∑n n t t t t t t A Q (2-14)

根据积分定义，2-14式可以写成

dt t A Q ∫???=∑168)12

cos(ππ

η (2-15) 所以一天中接收能量的积累值为： ηππ

ηA dt t A Q 62.6)12

cos(21612=???=∑∫ (2-16) （2）假设东西方向（方位角）已经有自动跟踪装置，即0=α，而光伏组件南北（高度角）没有自动跟踪，计算光伏组件每天接收的能量2∑Q 。由于全年太阳赤纬角（日地中心的连线与赤道面之间的夹角）的变化在夏至和冬至时刻出现极值，分别为±23.5°，这就造成太阳全年南北角β变化约为472×°，因而在南北方向也存在余弦效应。为了简化模型，假设赤纬角在365天内均匀变化。进行收集能量的近似计算。则每天南北入射角的变化为： π00143.0258.0365

472=°=°× （2-17） 设南北入射角为0°时的那个时刻为第0天，则当南北入射角β为23.5°（0.1306π）时，是第91天，也就是图中的上限位置，所以南北入射角β和天数的关系式是：

πβ1306.0?Δ=ΔN （2-18）

所以在某几天的时间段内N Δ里收集到的太阳能量为：

)00143.0cos(82πη?ΔΔ???=N N A Q （2-19）

1年中A ㎡固定的光伏组件收集的总能量为：

ηπηA dN N A Q 2831)00143.0cos(8491

02=???=∫∑ （2-20） （3）两个方向都不跟踪的情况下，得综合（1）、（2）计算方法考虑，太阳能光伏组件全年接收能量的累积计算如下：

ηπηπA dN N A dN N Q Q 2343)00143.0cos(62.64)00143.0cos(4910

9103=?=??=∫∑∫∑ （2-21）

（4）双轴自动跟踪光伏组件全年累计接收的能量，按每天接收8个小时阳光计算为：

ηηA A Q

292083654=×=∑ （5）南北方向（仰角）自动跟踪增效百分比为： %1.32343

234362.636536533

1=?×=

?×=∑∑∑Q Q Q ρ 东西方向跟踪（方位角方向）自动跟踪增效比为：

%212343

234328313322=?=∑?=∑∑Q Q Q ρ 双轴自动跟踪增效百分比为：

%252343

234329203343=?=?=∑∑∑Q Q

Q ρ 由模型可以看出，太阳能跟踪系统的研究是很有意义的，它能大幅的提高太阳能利用率，带来可观的经济效益。不过，采用单轴跟踪，利用率的提高不如双轴跟踪，并且单独采用南北方向跟踪，即高度角方向跟踪，跟踪优势体现不明显。

2.4 常见跟踪策略比较分析

目前太阳能跟踪装置应用到的跟踪原理主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪。实现方法主要有机械类、电子类、还有GPS 追踪类。

机械类跟踪系统通过发条、变速机构和执行机构来实现太阳跟踪、它的通病是体积庞大而又笨重，运输、安装或者维修都比较麻烦，且存在积累误差。

电子追踪类跟踪系统，是大型企业或者科研单位为了进行某一项工程或研究而专门研发的专业化很高的设备仪器，造价高、精密且易损坏。它的控制策略有如下三种：第一种是通过光电传感器实时采集太阳位置信号被动跟踪;此种策略优点在跟踪控制算法相对简单。但是，要达到较高的跟踪控制精度，传感器的设计是主要的工作。常见传感器种类主要有：一是将一定数量的光电传感器(光敏电阻、光电二极管、光电三极管等)按照一定规律布置在一个遮光筒内，通过太阳位置偏移，使光电传感器阵列产生信号偏差，再利用数据采集模块及处理模块对传感器信号进行采集处理后，通过查表的方式决定聚光器运行的运转方向。在这个过程中，采集到的传感器信号精度是影响跟踪精度的主要因素。同时，传感器输出信号易受温度、天气影响，且在不同太阳辐射下，输出信号也各有不同。即使是同一类的传感器，由于制造等原因其输出特性也会有所差别。另一方面，每一跟踪传感器都有一定的分辨率范围。分辨率越高精度也越高，但是，一旦太阳位置信号超过了传感器分辨率范围(比如短时云层的遮挡，造成太阳偏角过大)，跟踪就无法正常进行。这时就需要根据不同的跟踪分辨率范围设置不同分辨率的传感器，从而增加了控制电路的复杂程度。还有，灵敏度越高，传感器越容易受外界干扰影响，这也是这种跟踪控制策略的一大缺点。另一种是采用CCD 传感器阵列，它由大量的光电传感器阵列构成，通过实时采集太阳像斑

位置信号来达到分辨太阳方位的目的，能达到较高的精度。但由于传感器单元较多，对控制单元处理器的运算能力与速度要求也就相对提高了，还有，硬件电路也复杂很多。第二种控制策略是根据天体运动规律实时计算太阳角度，从而调整聚光器角度的视日运动轨迹主动跟踪。其优点在于跟踪控制电路简单，相对减小了系统结构的复杂程度。同时由于没有传感器元件，系统的抗干扰能力强，且不受天气因素的影响。其不足之处在于跟踪精度有赖于太阳角度算法的设计。而目前关于太阳角度计算的方法较多，且绝对计算精度可达到0.3度范围内。这精度完全能满足一般跟踪系统的要求。第三种方法综合了以上两种策略的优点，但是对于两种策略在同一系统上相互配合运行是控制系统设计的关键，其难度与复杂程度都比前两种方法要高。

GPS追踪类跟踪系统是电子追踪里的高端产品，对太阳能的强弱判断已经延伸出了地球的范围，虽然精度极高、但是价格极为昂贵，已经不是大众所能接受，不利于推广。

上述跟踪方式普遍采用双轴跟踪，且都是采用两个动力源驱动，分别控制太阳两个方向的跟踪。本文采用电子类和机械类综合，另外，考虑到实际运行环境的复杂多变，应用电子类视日运动轨迹跟踪控制策略，通过机械结构传动实现“单驱动、双向跟踪”。该系统相对于双驱动二维跟踪有一定累积误差，精度也较低，但它成本低，可靠性好、运行平稳，易维护。且相对单轴太阳跟踪装置，精度明显提高，还可实现全天侯自动控制。在小型光伏发电、太阳能热利用，尤其是民用几十瓦太阳能电池发电等场合，采用此方案不仅方便实用、能量转换效率明显提高，而且跟踪系统自身的功耗相对二维驱动时将明显减少。

2.5 跟踪方案的确定

根据前述运动方程，利用matlab编程，间隔六分钟计算一次地平坐标系的太阳高度角和方位角，分别绘出了一年中典型的日期：春（秋）分日（3月22日和9月21）、夏至日（6月21日）、以及冬至日（12月21日）太阳位置从日出至日落的变化曲线。图2-8（a）、（b）、（c）、（d）的分别为2011年银川市夏至日、春分、秋分、冬至等四天的方位角和高度角变化曲线，从图中可以看出方位角和高度角在夏至日变化范围最大，约为（-120°，+120°）和（0°~90°）

太阳能自动跟踪系统方案

摘要 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。 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、信号转换电路、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。 关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

Abstract Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on.These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the solar beam,it must track the movement of solar.In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. First,the mechanical part is designed. Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rayshas a deviation, small gear arerotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Second, control system part is designed. Control system mainly includesthe sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection systemisused to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances receiveddifferent light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors. Keywords Solar energyTrackingPhotosensitive resistance SCMSteppingmotor

太阳能跟踪器工作原理

太阳能跟踪器的工作原理 一工作原理 “太阳光寻迹传感器”安装在太阳能装置上，根据太阳光的位置，驱动电机，带动机械转动机构，始终跟随太阳位置运动。当太阳偏转一定角度时（一般5--10分钟左右），控制器发出指令，转动机构旋转几秒钟，到达正对太阳位置时时停止，等待下一个太阳偏转角度，一直这样间歇性运动；当阴天或晚上没有太阳出现时停止动作；只要出现太阳它就自动寻找并跟踪到位，全自动运行，无需人工干预，东西向、南北向二维控制，也可单方向控制，使用电源直流12伏，技术指标 1. 跟踪起控角度:1°--10°（不同应用类型） 2. 水平（太阳方位角）运行角度：Ⅰ型0°--360°，Ⅱ型-20°-- +200° 3. 垂直（太阳高度角）调整角度：10°--120°（太阳光与地面夹角） 4. 传动方式：丝杠、涡轮蜗杆、齿轮 5. 承载重量:10Kg-- 500Kg 6. 系统重量：2 Kg--500Kg 7. 电机功率：0.4W--15W 8. 电源电压 DC6V--24V 9. 运行环境温度： -40--85℃ 10.运行时间≥10万小时 11.室外全天候条件运行现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器，但设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比

太阳能自动跟踪系统的设计

太阳能自动跟踪系统的设计 1引言 开发新能源和可再生资源是全世界面临的共同课题，在新能源中，太阳能发电已成为全球发展最快的技术。太阳能作为一种清洁无污染的能源，开发前景十分广阔。然而由于太阳存在着间隙性，光照强度随着时间不断变化等问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求(见图1)。目前很多太阳能电池板阵列基本都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。据测试，在太阳能电池板阵列中，相同条件下采用自动跟踪系统发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。 所谓太阳能跟踪系统是能让太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前市场上所使用的跟踪系统按照驱动装置分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。所谓单轴是指仅可以水平方向跟踪太阳，在高度上根据地理和季节的变化人为的进行调节固定，这样不仅增加了工作量，而且跟踪精度也不够高。双轴跟踪可以在水平方位和高度两个方向跟踪太阳轨迹，显然双轴跟踪优于单轴跟踪。 图1 太阳能的收集装置现场 从控制手段上系统可分为传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序跟踪)。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光线是否偏离电池板法线，当太阳光线偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，经放大运算后控制执行机构，使跟踪装置从新对准太阳。这种跟踪装置，灵敏度高，但是遇到长时间乌云遮日则会影响运行。视日运动轨迹跟踪，是根据太阳的实际运行轨迹，按照预定的程序调整跟踪装置。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，其精度不是很高，但是符合运行情况，应用较广泛。 从主控单元类型上可以分为PLC控制和单片机控制。单片机控制程序在出厂时由专业人员编写开发，一般设备厂家不易再次进行开发和参数设定。而学习使用PLC比较容易，通过PLC厂家技术人员的培训，设备使用厂家的技术人员可以很方便的学会简单的调试和编写，并且PLC能够提供多种通讯接口，通讯组网也比较方便简单。

太阳能自动跟踪装置设计报告

吉林铁道职业技术学院 电子制作职业技能大赛（论文） 题目太阳能自动跟踪装置设计

参赛人姓名王志会张卫国朱峰所在系电气工程系 指导教师陈冬鹤 完成时间2013年5月26日

吉林铁道电子制作职业技能大赛设计报告 题目：太阳能自动跟踪装置设计 主要内容、基本要求等： ◆主要内容：加强大学生动手操作能力，促进集体荣誉感。 ◆基本要求：1，利用单片机控制实现太阳能电池板随着太阳（光源）的位置变 化而调整自身相应的姿态，以达到太阳光能的最佳利用。 2，实现一定的姿态控制精度。 3，以低成本、低功耗完成设计并实现目标电路的组装。 ◆主要参考资料：电路基础、电工技术、电子手工焊接、单片机原理及应用、传感器原理与应用。 完成日期：2013年5月26日 指导教师：陈冬鹤 实验组组长：王志会 2013年 6 月 5 日

太阳能自动跟踪装置 研制目的 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，但由于传统太阳能板方向固定，受光时间有限。因此研制可随光移动的太阳能跟随系统。

一自动跟踪系统整体设计 1.1 系统总体结构 本系统包括光电转换器、步进电机、89C5系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板可以360度自由旋转。控制机构将分别对水平方向进行调整。单片机加电复位后，首先由TRCT5000构成的定位系统对整个系统进行预置定位，然后单片机将对两光敏电阻采样进来的两个电平进行比较，电平有高电平和低电平两种，若两电平相等则电池板停止转动，若不等单片机将对两电平进行比较判定，驱动步进电机让太阳能板与之相对应转动，实现电池板对太阳的跟踪。图1-1所示： 1.2 光电转换器

太阳能跟踪器小知识

水平单轴跟踪系统 水平单轴跟踪系统是指光伏方阵可以绕一根水平轴东西方向跟踪太阳。跟踪系统主要由：太阳能电池组件安装支架、水平转轴、转动驱动机构、风速检测装置和跟踪控制器组成。 特点及应用：这种跟踪装置结构特点是结构简单、成本较低、更适合于纬度较低的地区，发电效率比固定纬角的固定式结构高30%左右。可以安装在地面也可以安装在屋顶。 极轴式单轴跟踪系统 极轴式单轴跟踪系统具有一根固定纬角的转轴，光伏方阵可以绕该转轴东西向旋转跟踪太阳。跟踪系统主要由：光伏组件安装支架、转轴、支架、电动推杆、风速探头及跟踪控制器组成。 特点及应用：这种跟踪系统的特点是结构最简单，造价最低。比较适合纬度较高的地区使用，发电效率比固定纬角的固定式系统高30%以上。可以安装在地面也可以安装在屋顶。 阵列式双轴跟踪系统 这种系统具有一根南北方向的纵向转轴和固定在纵向轴上的多根横向转轴组成，每块太阳能组件小方阵既可绕纵向轴东西向转动又可绕横向转轴上下旋转。跟踪系统主要由：纵向转轴、横向转轴、东西向推杆、高度角推杆、连杆、支架、组件安装支架、向日跟踪探头、风速探头及跟踪控制器组成。

特点及应用：与水平单轴跟踪相比，实现了双轴跟踪，发电效率更高，比固定纬角的固定结构高45%以上，与立柱式跟踪相比，系统的高度更低，抗风性能更好，单位面积的安装功率更高。既可安装在地面也可安装在屋顶。 立柱式双轴跟踪系统 有一根立轴和一根水平轴，整个光伏方阵由一根立柱支撑，光伏方阵既可绕立轴跟踪太阳的方位角，同时绕水平轴跟踪太阳的高度角，它完全无限制地跟踪太阳方位，最大限度地发挥跟踪系统的效能。跟踪系统主要由：组件安装支架、水平轴、水平动力头、电动推杆、立柱、向日跟踪探头、风速探头、跟踪控制器等组成。 特点及应用：跟踪范围最大、跟踪效率最高，比固定纬角的固定结构高50%以上。一般仅适合安装在地面

太阳能自动跟踪系统的设计

太阳能自动跟踪系统的设计 解决方案： 跟踪系统驱动器接口电路 步进电机驱动电路 限位信号采集电路 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。 系统总体设计 本文介绍的是一种基于单片机控制的双轴太阳自动跟踪系统，系统主要由平面镜反光装置、调整执行机构、控制电路、方位限位电路等部分组成。跟踪系统电路控制结构框图如图1所示，系统机械结构示意图如图2所示。

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，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。上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。 硬件电路设计 1跟踪系统驱动器接口电路

太阳能自动跟踪系统

1.绪论 1.1课题背景 由于现今高科技环境下，能源是促进经济发达和社会进步的原动力。从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量使用造成全球环境生态和气候产生莫大的变化，同时大气中的温室气体浓度大幅提高，造成气温逐渐升高、海平面上升等温室效应的现象，威胁了我们生存的环境。因此在环保意识抬头的今日，积极开发低污染及低危险性能源乃为迫切的需要。 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，但是人们对核能及太阳能，风能，地热能，水力能，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例正在显著的提高。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达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来，可持续能源将与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。 相对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。1.1.1我国太阳能资源 我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×10 km2，占世界总面积的7%，居世界第三位。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×10kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2A，中值为586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为“日光城”的拉萨市,1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ/cm2A，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成

太阳能跟踪器

现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器，但设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻；一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输人端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳，而且调试十分简单，成本也比较低。 电路原理

电路原理图如图1所示（点击下载原理图），双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器，参考电压为VDD（＋12V）的1/2。光敏电阻RT1、RT2与电位器RP1和光敏电阻RT3、RT4与电位器RP2分别构成光敏传感电路，该电路的特殊之处在于能根据环境光线的强弱进行自动补偿。如图2所示，将RT1和RT3安装在垂直遮阳板的一侧，RT4和RT2安装在另一侧。当RT1、RT2、RT3和RT4同时受环境自然光线作用时，RP1和RP2的中心点电压不变。如果只有RT1、RT3受太阳光照射，RT1的内阻减小，LM358的③脚电位升高，①脚输出高电平，三极管VT1饱和导通，继电器K1导通，其转换触点3与触点1闭合。同时RT3内阻减小，LM358的⑤脚电位下降，K2不动作，其转换触点3与静触点2闭合，电机M正转；同理，如果只有RT2、RT4受太阳光照射，继电器K2导通，K1断开，电机M反转。当转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时，继由器K1、

基于52单片机 太阳能自动跟踪系统设计.

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。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。本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电机双轴驱动，由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器。微机处理器运行程序，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。 关键词：太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机；步进电机

Abstract Solar energy is known as the most primitive energy, and it is clean, renewable, rich, and wide distribution and has wide prospects of use. But the solar energy utilization efficiency is low; the problem has been influencing and hindering the popularity of solar energy technology. Solar energy to be automatic tracking system designed to solve the problem provide the new way，which greatly improve the efficiency in the use of solar energy. This design uses the photoelectric tracking method, and use the stepping motor driver, by photoelectric sensor incident, then the strength of the light’s changes produce feedback signals to the computer processor, and computer processor will run the program, through the horizontal tracking mechanism and pitch two degrees of freedom control to adjust the angle of solar panels to achieve the tracking of the sun. Solar tracking system by single chip microcomputer to achieve can improve the efficiency of conversion of photoelectric solar panels, and has a broad prospect of application. Key words: Solar energy；Tracking；Photosensitive diode ；SCM；Stepping motor

自动跟踪太阳智能型太阳能系统设计

图书分类号： 密级： 摘要 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。 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、信号转换电路、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。 关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

Abstract Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on.These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the solar beam,it must track the movement of solar.In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. First, the mechanical part is designed. Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rays has a deviation, small gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Second, control system part is designed. Control system mainly includes the sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances received different light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors. Keywords Solar energy Tracking Photosensitive resistance SCM Stepping motor

太阳能自动跟踪机械装置

太阳能自动跟踪机械装置 11 310 9A—A4 15 8 2147 16AA 513 171612 1118 太阳能自动跟踪装置原理图 1-支座;2-支柱;3-电池板支架;4-销轴;5-减速箱体;6、15-主轴;7-丝杆;8-横支架;9、18-电机;10-减速器;11-铰链;12、13-齿轮;14-连接轴;16-蜗轮;17-蜗杆1(东西方向跟踪 在减速箱体5内安装由电机18、齿轮12、13、蜗轮16、蜗杆17构成的传动机构。齿轮13固定在连接轴14中部，连接轴通过轴承安装在减速箱体上，蜗轮16固定在主轴6的上端，主轴通过轴承安装在减速箱体上，主轴的下端固定在支座1上，支柱2的下端固定在减速箱体上，支柱2的上端通过销轴4与电池板支架连接。电机18通过齿轮12、13带动蜗杆17转动，并带动减速箱体、电池板支架转动，完成东西方向的跟踪。 2(南北方向跟踪

支柱2上设置一个横支架8，横支架8端部铰接一个减速器10，减速器中设有蜗杆(图中未画出)与电机9相连，蜗杆与设在减速器中的蜗轮啮合，蜗轮中心设有螺孔与丝杆7连接配合，丝杆7的一端通过铰链11与电池板支架连接。电机9通过蜗轮蜗杆、丝杆螺孔机构，带动电池板支架转动，完成南北方向的跟踪。 俯仰跟踪控制。动力源电机1通过联轴器7带动蜗杆8与蜗轮9啮合运动,蜗轮9与齿轮10同轴,经过齿轮10与11的啮合运动,带动与齿轮11同轴的支架12转动,从而实现与支架12固接的硅光电池板13达到仰俯运动跟踪的目的。周转跟踪控制。动力源电机6通过联轴器5带动蜗杆4与蜗轮3啮合运转,从而带动与蜗轮3同轴固联的上箱2实现周转运动,因仰俯控制的传动机构都装在上箱2内,从而达到硅光电池板周转运动跟踪的目的。 两轴分别由两个电机控制，图a表示电机1输出轴连接固定在转台上的减速器1输入轴，减速器1输出轴连接小齿轮，大齿轮固定，当电机转动时驱动小齿轮绕

基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计-图文(精)

第24卷第3期 V ol 124 N o 13师学院学报(自然科学版Journal of Chang Chun T eachers C ollege (Natural Science 2005年8月Aug 2005 基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计 薛建国 (学院电子信息工程系,351100 [摘要]本系统以单片机为核心,构建了由光电二极管检测和比较,方位角和高度角双轴机械跟踪 定位系统组成的自动控制装置,设计出一套自动使太阳能电池板保持与太垂直的自动跟踪系统。 在晴天检测时能自动跟踪太阳并实时回存正确数据,消除因季节变化而产生的积累误差,在阴天时能 自动引用晴天时的位置,控制精度高,具有广泛的应用潜力。实现了追踪太阳的效果,达到提高发电 效率的目的。 [关键词]太阳跟踪;光电检测;自动定位;单片机;设计 [中图分类号]T N710 [文献标识码]A [文章编号]1008-178X (200 [收稿日期]2005-06-05 [作者简介]薛建国(1965-,男,人,省学院电子信息工程系高级讲师,从事多媒体、电子技术、单片机 研究。

太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,没有充分利用太阳能资源,发电效率低下。据实验,在太阳能光发电中,相同条件下,采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,因此在太阳能利用中,进行跟踪是十分必要的[1]。 本文提出一种新型的基于单片机的太自动跟踪系统设计方案,该系统不仅能自动根据太方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值。 11自动跟踪系统的组成和结构 111 组成。自动跟踪系统由光电检测电路,双轴机械跟踪定位系统,时钟电路,单片机控制系统等几部分组成。 11111 光电检测电路 太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同,因此,欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。 图1是太电定位装置中光电检测电路的俯视简图,共由9个光电三极管组成。正中央1个,旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住,圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞,以让光线通过(如图2所示。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上,光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射也安装一个光电二极管(其朝向与圆柱体的光电二极管朝向相同,用于检测环境亮度,并与圆柱体的每个光电二级管及运放(可用LM324集成电路中的一个构成一个比较电路(如图3。适当调整图中电阻的阻值,这样当圆柱体的光电二极管没有受光线照射时,运放将输出低电平。此电平可对接到的输入端进

太阳能跟踪器中英文对照外文翻译文献

(文档含英文原文和中文翻译) 中英文对照外文翻译 英文原文 Solar Tracker The Solar Tracker team was formed in the fall of 2005 from five students in an ME design team, and a Smart House liaison. We continued the work of a previous solar tracker group. The task was to design a prototype tracking device to align solar panels optimally to the sun as it moves over the course of the day. The implementation of such a system dramatically increases the efficiency of solar panels used to power the Smart House. This report examines the process of designing and constructing the prototype, the experiences and problems encountered, and suggestions for continuing the project. 1.Introduction

Solar tracking is the process of varying the angle of solar panels and collectors to take advantage of the full amount of the sun?s energy. This is done by rotating panels to be perpendicular to the sun?s angle of incidence. Initial tests in industry suggest that this process can increase the efficiency of a solar power system by up to 50%. Given those gains, it is an attractive way to enhance an existing solar power system. The goal is to build a rig that will accomplish the solar tracking and realize the maximum increase in efficiency. The ultimate goal is that the project will be cost effective – that is, the gains received by increased efficiency will more than offset the one time cost of developing the rig over time. In addition to the functional goals, the Smart House set forth the other following goals for our project: it must not draw external power (self-sustaining), it must be aesthetically pleasing, and it must be weatherproof. The design of our solar tracker consists of three components: the frame, the sensor, and the drive system. Each was carefully reviewed and tested, instituting changes and improvements along the design process. The frame for the tracker is an aluminum prismatic frame supplied by the previous solar tracking group. It utilizes an …A-frame? design with the rotating axle in the middle. Attached to the bottom of this square channel axle is the platform which will house the main solar collecting panels. The frame itself is at an angle to direct the panels toward the sun (along with the inclination of the roof). Its rotation tracks the sun from east to west during the day. The sensor design for the system uses two small solar panels that lie on the same plane as the collecting panels. These sensor panels have mirrors vertically attached between them so that, unless the mirror faces do not receive any sun, they are shading one of the panels, while the other is receiving full sunlight. Our sensor relies on this difference in light, which results in a large impedance difference across the panels, to drive the motor in the proper direction until again, the mirrors are not seeing any sunlight, at which point both solar panels on the sensor receive equal sunlight and no power difference is seen. After evaluation of the previous direct drive system for the tracker, we designed a belt system that would be easier to maintain in the case of a failure. On one end of the frame is a motor that has the drive pulley attached to its output shaft. The motor rotates the drive belt which then rotates the pulley on the axle. This system is simple and easily disassembled. It is easy to interchange motors as needed for further testing and also allows for optimization of the final gear ratio for response of the tracker. As with any design process there were several setbacks to our progress. The first and foremost was inclement weather which denied us of valuable testing time. Despite the setbacks, we believe this design and prototype to be a very valuable proof-of-principle. During our testing we have eliminated many of the repetitive problems with the motor and wiring so that future work on the project will go more smoothly. We also have achieved our goal of tracking the sun in a …hands-off?