绪论
21世纪是太阳能时代。在未来的40年中，人类可以实现100%的可再生能源供电。不再需要中东的石油、西伯利亚的天然气以及澳大利亚的铀。实际上，目前在我们家门口就已经获得了未来能源的载体:太阳、风力、水力、地热能，以及来自农田和林地的生物能。根据欧盟报告，2050年全球能源供给分配应当为:40%太阳能，30%生物能，巧%风能，10%水能，5%原油。报告论述了如何达到这种经济、环保、和平并且可持续的能源供给状态。跨国石油公司，比如壳牌、惠普等，已经在向着这种能源供给状态发展。
地球上的万物生长都依赖于太阳的存在，太阳给我们提供了巨大的能量源，地球上大部分的能源归根结蒂也来自于太阳。比如石油、煤炭等化石能源都是过去的动植物通过吸收太阳能不断的生长，后来这些动植物被掩埋在土壤下形成的能源，这其实是太阳能一种形式的转换，并被存储了下来，直到今天被人类开采使用。太阳能开发利用的潜力是相当巨大，据统计，全世界人们一年所使用的能量总和仅仅相当于太阳辐射到地球能量的数万分之一。在化石能源即将枯竭的未来，在未来能源方面，太阳能给人类带来新的生机。
太阳在一天中不断改变位置，这造成太阳能存在着密度低、间歇性的特点，且光照方向和度随时间不断变化。传统太阳能电池板固定在一个角度，不能时刻工作在最大效率处，而采用双轴太阳能跟踪系统的太阳能电池板在功率保持一定的情况下可以提升36% 的发电量，提高太阳能的利用率。
第一章跟踪系统的控制方案
目前光跟踪技术主要是两种方法:1.视日运行轨道跟踪方法。2.光电自动跟
踪方法。
1.1视日运行轨道跟踪
视日运行轨道跟踪技术是一种根据理论计算的太阳运行的轨迹而采取的一
种跟踪技术，根据跟踪的方位它主要分为两种:单轴跟踪和双轴跟踪。
1.1.1单轴跟踪
单轴跟踪分为三种方式:1.倾斜布置东西追踪;2.焦线南北水平布置，东西跟踪;3.焦线东西水平布置，南北跟踪。它们跟踪原理是相同，即电池阵列绕单一轴转动，其转动方向为自东向西或者南北方向，自东向西单轴跟踪方式是跟踪太阳方位角变化，驱动电池阵列转动，使电池阵列方位角与太阳方位角相同。这类跟踪方式结构简单，控制容易，在光照强度大和光照相当稳定的地方实施这类跟踪方式比较适宜。但这类跟踪方式存在一个最大缺点是除了正午这个时刻外在其他时侯不能保持电池阵列接收光辐射面与太阳光线垂直，这样大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大，影响了整个光伏发电的效率。
1.1.2双轴跟踪
双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式:极轴跟踪方式，高度一方位角太阳轨迹跟踪方式。
极轴跟踪方式:是聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴;另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。
高度一方位角太阳轨迹跟踪是一种地平坐标系统跟踪方式，它是当今比较先进的一种跟踪方式，跟踪精度较高。高度一方位角跟踪方式通过计算具体地点和具体时刻的太阳运动轨迹(高度角和方位角表示运行轨迹)，根据光伏电池阵列的具体位置，先沿着垂直轴转动弥补方位角偏差，然后沿水平轴转动弥补高度角偏差，以保证电池阵列与太阳运行轨迹一致。这种方式受天气季节性影响较小属于一种理论计算轨迹程序控制跟踪方式。由于理论计算轨迹与实际运行轨道误差小，因此该跟踪方式跟踪精度较高，这种方式缺点是受跟踪系统机械影响比较大，在系统长期运行或者外力影响造成机械误差后，会造成跟踪偏差变大，影响了跟踪精度。
1.2光电自动跟踪
光电跟踪技术是利用光信号强度的变化转化成电信号大小的变化，这种变化差异作为一种感知输入来控制跟踪装置跟踪太阳的一种技术。目前，光电自动跟踪装置根据传动方式分类有:重力式跟踪装置、电磁式跟踪装置、电动式跟踪装置、压差式跟踪装置和控放式跟踪装置等。光电跟踪是通过光传感元件如光敏电阻、硅光电管等接受太阳光，由于太阳运动，造成太阳光入射角度的变化，这样通过多个相同类型的光传感器敷设到不同方位，使得传感器之间产生偏差信号值，此信号经过放大后，输入到控制系统单元，控制单元计算位置偏差值，然后控制跟踪系统驱动装置调整电池阵列位置保持它与太阳光垂直。这种方式的优点是跟踪精度高，实时跟踪性能好，它反映了实际跟踪情况，受机械偏差影响小。缺点是受天气季节气候影响大，天阴的情况下，光传感元件效果差，极容易产生误差，严重的情况下，会造成驱动装置误动作。
第二章 跟踪控制系统设计
在太阳光的采集过程中，为了能够最大效率地采集太阳光，要求太阳能板始终与太阳保持一个最佳角度，因此必须跟踪太阳。常见的跟踪控制系统，按照被控制量对控制量是否存在着反馈可分为闭环、开环和混合控制方式。
闭环控制能够通过反馈来消除误差，但感光元件在稍长时间段内接收不到太阳光会导致跟踪系统的失效，甚至会引起执行机构的误动作;开环跟踪虽然在任何天气下都可以正常工作，但是在跟踪过程中产生的累积误差自身并不能消除;混合控制方式结合了两者的优点并克服了两者的缺点，能够得到最佳的控制效果。
结束
开始 是否是晴天？ 是否是垂直？ 驱动电机 根据日期时间计算高度角和
方位角
根据高度角和方位角驱动电机
第三章跟踪控制系统硬件电路
3.1控制电路
本文以AT89C52为主控制器，实现了一种混合控制，系统示意图如图1所示。主要电路份为三部分:单片机、键盘显示接日芯片和日历时钟芯片之间的通信电路;以光敏电阻为感光元件的反馈电路;单片机控制步进电机的驱动电路。
3.1.1控制单元AT89C52
控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C52型单片机。AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有4KB的flash可编程可擦除只读存储器，它采用CMOS 工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。AT89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。
3.1.2日历时钟芯片DS1302
DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它具有实时时钟和31字节的静态RAM，采用串行通信，可方便地与单片机接口。DS1302可提供秒、分、时、日、星期、月和年，并带闰年补偿，可采用12h或24h方式计时，采用双电源：主电源和备用电源供电。
3.2传感器
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动机的正反转。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。这里介绍的是将 4 个完全相同的光敏电阻分别置于太阳光接收器的东西南北方向，负责检测这四个方向的光源强度。如果太阳光垂直照射在太阳能电池板板上，东西( 南北) 两个光敏电阻所接收到的太阳强度相同，其阻值完全相同，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，接收光强多的光敏电阻阻值减少，再经过运算放大电路和信号调整芯片输出电压，从而驱动电动机转动，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。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。
光电模块检测的俯视图，其由 5 只光敏电阻组成。正中央一只，旁边四只围成一圈。
第四章跟踪系统机械部分
太阳跟踪装置的载体是太阳能电池板，电池板面积比较大，带动它所需力量较大，考虑到跟踪平台在输入功率较小的情况下带动较大的电池板工作，机械结构又对会聚光线的强度存在影响等因素，跟踪平台机械部件设计一般应满足一下要求：
(1)光伏发电太阳跟踪装置的机械执行机构能够进行大范围的跟踪，其跟踪范围要求大于或等于太阳的运动范围，并要避免极限位置锁死；当跟踪平台在运动载体上运行时，载体的运动不确定，可能朝各个方向行驶，相对于跟踪平台来说，太阳的运动变得更加复杂。所以跟踪平台两个方向的跟踪范围应该设置的较大，以应对可能出现的情况。
(2)光伏发电太阳跟踪装置的机械执行机构还要有较好的防风性。跟踪平台一般用于固定安装的场合，或者安装在中低速运送的载体上（太阳能车、船），实现对太阳能双维大范围自动跟踪。在高速运动的载体上工作，如果遇到很大的逆向风，采用防风性能一般的平台，极有可能导致平台被吹动或者吹翻，无法进行正常运转工作；采用能够自锁的机构，如锅轮传动或者螺旋传动机构，遇到逆风情况，跟踪平台不会被风吹动或者吹翻，保持正常运转。
(3)较大的输出功率，工作能耗小于给定值；综合各种传动结构，齿轮传动具有传动比准确、传递扭矩大的优点；以上两种传动比都较大，能在使用功率较小的普通电机的同时传递足够大的动力，比较适合在中低速运动载体上运行的需求；但这两种结构在传动时存在间隙，没有谐波传动跟踪精度高。
(4)结构紧凑，可靠性高；如果系统的结构比较松散，长期逆风工作变形会较大，刚性降低，提高刚性需要加固结构或者使用刚性好的材料，这些都会使成本增加，而且传动部件的性能易受到影响，跟踪装置的寿命及可靠性降低。此外，应尽量简化加工工艺，进一步提高跟踪装置性价比。
4.1机械结构简图
步进电机、轴承和箱体等未画出
4.2机构受力
太阳能电池板面积为100mm ?80mm ，面积较小，所以忽略风力影响，则整个机构受外力为太阳能电池板自身重量10kg ，竖直向下。
太阳能电池板重力产生的转矩
)2/(cos b a mg T +??=θ
θ为太阳能电池板与竖直方向夹角 a 为齿轮4到太阳能电池板距离
b 为太阳能电池板宽度 则最大转矩为
=???=?+?=--22max 10558.91010)2/3040(mg T 5.39M N ?
第五章驱动单元设计
5.1步进电机
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。
永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
（3）电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。
5.2步进电机选择
5.2.1步进电机1选择
太阳能电池板重力产生的最大转矩
=???=?+?=--22max 10558.91010)2/3040(mg T 5.39M N ?
所以步进电机1最小转矩为5.39M N ?，考虑到其他因素步进电机1静力矩略大于太阳能电池板重力产生的最大转矩。
步进电机选用性能较好86BYG 系列永磁两相混合式步进电机，选用森创公司 85BYG250C-SAFRBC-0302两相4线制步进电机，该电机采用整步驱动方式，脉冲移动角度整步方式的1.8度。整步驱动方式在任一时刻只有一相通电，驱动方式的驱动相
序:B B AA BB A A ''''→→→
85BYG250C-SAFRBC-0302结构
5.2.2步进电机2选择
水平方向不受力，对转矩要求较小。所以选择：型号: 46BYG001
相数: 2
电压/V: 12
相电流/A: 0.09
步距角(°): 1.8
步进角误差(%): ±3
每转步数: 200
静态转矩/(N·m): 2×10^(-2)
定位转矩/(N·m): 3.4×10^(-3)
5.3步进电机驱动
5.3.1驱动器驱动
步进电机有专用的驱动器，如SH-20809N,SH-20803N,SH-20504,SH-21006等。85BYG250C-SAFRBC-0302选择使用SH-21006C驱动器驱动。
5.3.2驱动芯片驱动
SGS公司的L297单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或四相单极性步进电机的控制，与两片H桥式驱动芯片L298组合，组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。
L297产生四相驱动信号，用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机，可以采用半步、两相励磁、单相励磁三种工作方式控制步进电机，并且控制电机的片内PWM斩波电路允许三种工作方式的切换。使用L297突出的特点是外部只需时钟、方向和工作方式三个输入信号，同时L297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制及编程的负担。L297具有DIP20和SO20两种封装形式，可用于控制集成桥式驱动电路或分立元件组成的驱动电路。
L297主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出逻辑控制组成，其内部结构图如图所示。
L297另一重要组成是PWM斩波器控制相绕组电流，实现恒流斩波控制，以获得良好的转矩-频率特性。每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器以及外接采样电阻组成(见图2)内部设有一公共振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，脉冲频率是由外接的RC网络决定，当时振荡器脉冲使触发器置“1”，电机绕组相电流上升，采样电阻RS的电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡器脉冲的到来。这样，触发器输出是恒频的PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电流峰值由Vref决定。
CONTROL信号用以选择斩波信号控制。当它为低电平时，斩波信号作用于两个禁止信号，高电平时，斩波信号作用于A、B、C、D信号。前者适用于单极性工作方式，而对于双极性工作方式的电机，这两种控制方式都可以采用。利用L297的SYNC
引脚可实现多个L297同步工作，其连接方式如图3所示，只将RC网络接于一芯片上，而其余芯片的OSC引脚均接地，这样可避免接地杂波的引入问题。
SGS公司的L298芯片是一种高电压、大电流双H桥功率集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等感性负载。它具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三极管的射级是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。采用L297和L298实现的步进电机驱动电路见图4，该电路为固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动方式，适用两相双极性步进电机，最高电压46V，每相电流可达2A。用两片L298和一片297配合使用，可驱动更大功率的两相步进电机。
L297和L298的步进电机驱动电路图
软件设计当程序进入到非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如对CPU的RST指令对应的字节码为0FFH，如果不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行1条RST指令，从而达到系统复位的目的。
第六章总结
本文在参考前人工作成果的基础上，提出了一种对太阳能进行自动记忆跟踪控制的方法。本系统是以AT89C52单片机为控制核心的自动控制系统，利用光电跟踪和记忆跟踪相结合的方法跟踪太阳光，使得太阳能电池板的发电效率得以较大提高。本人主要作了以下的研究工作：
(1)详细研究和比较了目前国内外常用的几种太阳能跟踪控制方法的优缺点，选择了以宏晶单片机为控制系统的核心。分析了光电跟踪、程控跟踪等跟踪的优缺点。经过对比分析研究，最终采用了光电跟踪与记忆跟踪模式相结合的方法，使得系统的跟踪更加完善。在光线较好时，采用光电跟踪模式；当光线被云彩遮挡或阴雨天时，采用记忆跟踪模式；两种模式可以自动切换以保证跟踪的精度。
(2)在比较各种型号的单片机及本系统的具体要求，本着节约成本的原则，最终选择了ATMEL公司的AT89C52单片机作为控制核心。选用5个光敏电阻作为光电检测装置，放置于东、南、西、北四个方向和中间上，分别用于检测各个方向的光线强度。五个光敏电阻处于一个屏蔽管里且相互隔离，以实现对太阳位置的精确判定。
(3)本系统在工作过程中不需要经纬度信息支持，只需要在安装伊始校正跟踪装置即可。当然系统的工作需要高精度的时钟信号，本文采用了DS1302高精度时钟芯片，若时钟有了偏差，可通过按键手动调整即可。
(4)选用了两个细分驱动器来分别控制两个方位的步进电机，细分驱动器既可以使得步距角更小亦可使得步进电机获得合适的驱动能力。从而使CPU的控制更加容易实现，电路更加简单。
(5)低压检测处理，可以保证系统在电压过低或断电一段时间后，电源又恢复正常供电状态时，系统可以进行快速调整，以保证供电恢复时跟踪系统可以在很短的时间对准太阳光线。
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
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
收稿日期:2002-01-07 作者简介:孙迎光(1947-),男,硕士学位,总工程师。 自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术 孙迎光 (山东省军工电脑工程公司,山东济南250100) 摘 要:详细阐述了已研制成功的精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的组成,包括结构、部件、配套设备等,同时介绍了系统的主要技术,分析了该技术的先进性及其带来的经济效益。关键词:自动跟踪;聚焦式;太阳能光伏发电;系统 中图分类号:TP23;T M914.4+2 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2002)03-0007-04 Automatic tracking focusing photovoltaic generation technology SUN Ying 2guang (Shandong Provincial M ilitary Industry C om puter Engineering C o.Jinan ,250100,China ) Abstract :This article elaborates the com position of automatic tracking focusing photov oltaic generation system ,such as struc 2ture ,com ponents ,and corollary equipment.I t als o introduced the major technique ,analyzed technique progress and its eco 2nomic benefit. K ey w ords :automatic tracking ;focusing ;photov oltaic generation ;system 精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统,其单机发电能力为0.3～1.5kW ,将单机组成阵列可构成大功率的发电系统。采用聚光太阳电池的好处是光电转换效率高,并且价格低(聚光太阳电池转换效率为18%～30%,比普通太阳电池高的多,1cm 2的聚光电池在标准光强下聚光度为400～600倍聚光后,输出功率达6～10W 以上,而同等面积的平板式太阳电池输出功率仅12～14mW )。普通平板式太阳电池的造价为45～65元/W ,而聚光太阳电池的造价要低得多,并且,同功率的精确跟踪光伏发电系统比固定型光伏发电系统每天多发电50%。由于聚光电池的受光面只有同功率的普通光电池几百分之一,因此可以大大节约单晶硅的用量,即同面积的单晶硅片若制成聚光电池,发电量将提高数百倍。 1 精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电 系统组成 系统由聚光电池阵列、架体、方位和仰角驱动器、跟踪器、控制器组成,如图1。1.1 聚光电池阵列 聚光电池阵列(见图1中的序号3) 由若干聚 1-光源跟踪探测器;2-亮度传感器;3-光电池阵列;4-光电池阵列支架;5-防尘罩;6-垂直旋转轴瓦;7-垂直驱动涡杆;8-垂直驱动齿轮减速电机;9-垂直驱动涡杆;10-光电池阵列横担支架;11-光电池阵列横担;12-平面推力轴承;13-水平旋转轴;14-水平驱动涡轮; 15-水平驱动涡杆;16-水平驱动齿轮减速电机;17-水平驱动减速箱体;18-整体支撑立柱;19-控制箱 图1 精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的组成 光电池串并联构成,若干阵列的串并联还可构成不同规模的聚光发电系统。聚光电池、散热器和费涅尔透镜固定在阵列支架上,阵列支架既要求十分平整,支架上的聚光电池保持在同一平面和
基于L M L C控制的太阳能自动跟踪系统 集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]
基于L M P L C控制的太阳能自动跟踪系统 2011年08月24日 10:25 本站整理作者：网络 关键字： 摘要为了更好的利用太阳能，自动越来越多的应用于太阳能行业中。基于可编程逻辑控制器(PLC)的太阳能电池板自动跟踪系统，包括硬件和软件两部分，其中硬件包括PLC输入输出端口、信号处理单元、驱动部分;软件包括PLC的控制和监控程序两部分。太阳能电池板自动跟踪系统使光伏电池板能实时跟踪太阳关照，从而最大限度的获得太阳能，有效地提高太阳能的利用率和光伏发电系统的效率，降低了光伏并网发电成本，具有理论研究意义和应用推广价值。 1 引言 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，能显着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。 从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。 2 系统硬件设计 本系统是以PLC主控单元的视日运动轨迹控制(程序控制)双轴自动跟踪系统，视日运动轨迹跟踪就是利用PLC控制单元相应的公式和算法，计算出太阳的实时位置：太阳方位角和太阳高度角，然后发出指令给执行机构，从而驱动太阳能跟踪装，以达到对太阳实时跟踪的目的。 太阳在天空中的位置可以由太阳高度角和太阳方位角来确定。太阳高度角又称太阳高度、太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面得之间的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位，是指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可以近似看作是树立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方向的夹角。太阳方位角和高度角的实时数值可以通过地理经纬度、时区参数利用公式计算出来。 主控单元是太阳能跟踪系统的核心部件，系统选用结构紧凑。配置灵活、指令丰富的和利时LM PLC。选用的配置包括LM 3108CPU模块和LM 3310扩展模块。LM3108集成为数字量24DI和16DO，能满足要求，通讯集成有RS232和RS485两个通讯接口，RS232用于与上位文本显示器通讯，RS485可用于组网使用。LM 3310为四通AI模块，可用于采集风速等保护数据。配合和利时HD2400L文本显示器使用，能够监视运行状态、改变参数设置，以达到控制目的。 本文所设计跟踪调整装置其结构如下图所示：它主要由底座、立轴、横轴、两台旋转电机、传动齿轮等组成。其中旋转电机1驱动横轴，支撑太阳能电池板绕横轴运动，跟踪高度角运行。旋转电机2驱动水平轴，以跟踪方位角变化。 在一天的整个过程中，跟踪器能够获得最优的高度角和方位角，电池板能够接收到最大太阳日辐射量。系统用一套公式由PLC计算出实际时刻太阳所在的高度角和方位角，根据实时太阳高度角
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
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
聚光型太阳灶 标准编号：NY 219—92适用范围：不限所属省： 发文单位：国家质量技术监督局颁布日期：1993-01-14实施时间：1993-06-01 分类：综合标准;农村能源;分类代码：D0401 NY 219—92 1 主题内容与适用范围 本标准规定了聚光型太阳灶的产品分类、技术要求、试验方法和检验规则。 本标准适用于锅圈基本水平的旋转抛物面和菲涅尔反射面聚光型太阳灶。 2 引用标准 GB 191包装储运指示标志 GB 2705涂料产品分类、命名和型号 Q/ZB 74焊接通用技术条件 SG 23日用铝锅 JB 2759机电产品包装通用技术条件 3 术语 3.1 聚光型太阳灶 聚光型太阳灶（以下简称太阳灶）是一种利用灶面反光汇聚太阳直射辐射能进行炊事工作的装置。一般由灶面、锅架、灶架及跟踪调节机构等部分组成。 3.2 灶面 太阳灶收集并汇聚太阳直射辐射能的部件。 3.3 主光轴 联接灶面原点和焦点的直线。 3.4 使用焦距 当太阳灶主光轴与太阳光线平行时，锅圈中心至锅圈在灶面上的投影中心（原点）之间的距离。 3.5 采光面积（A0） 当太阳灶主光轴平行于阳光时灶面的投影面积。 3.6 操作高度（H） 使用太阳灶时锅圈中心到地平面的距离。 3.7 操作距离（L） 使用太阳灶时，锅圈中心到灶面后边缘的水平距离。 3.8 使用高度角 太阳灶在使用时可利用的太阳高度角。 3.9 煮水热效率（η）
太阳灶锅具内的水从某一初始温度升高到某一终止温度的全过程中所得的总热量与该过程中垂直投射到采光面积上的累积太阳直射辐照量之比。 3.10 额定功率（P） 在规定的工况下，太阳灶锅具内的水在单位时间内所获得的热量。 4 产品分类 4.1 标记 4.1.1 太阳灶产品标记由技术特性和改进顺序号两部分组成，采用大写拉丁字母和阿拉伯数字表示。 4.1.2 技术特性部分的符号及意义 4.1.2.1 第一个字母用P表示旋转抛物面太阳灶或用F 表示菲涅尔反射面太阳灶。 4.1.2.2 第二个字母表示壳体材料，一般采用汉语拼音第一个字母，如有重复或遇I、O、X字母，可采用第二个字母。常用的壳体材料标注见表1。 表 1 4.1.2.3 第三个字母表示太阳灶的结构特点见表2。 表 2 注：自动跟踪仅标注Z，手动跟踪不做标注。 4.1.2.4 太阳灶的采光面积用阿拉伯数字表示，保留小数点后一位数字。单位采用m2。 4.1.3 改进序号部分依次采用阿拉伯数字表示，与技术特性部分之间用短划“-”加以分隔。 4.1.4 标记示例
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
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
太阳能光电工程学院 《太阳能利用技术》 课程设计报告书 题目：太阳灶应用技术现状与展望 姓名：王海涛 专业：光伏材料加工与应用技术 班级：助考2班 准考证号：014409300667 设计成绩： 指导教师：王定友
摘要 本设计主要阐述了太阳灶的使用和结构设计要尽量简单，易于制作，价格低廉，与农村用的常规能源灶相比具有竞争性。参数的选择要尽量便于使用和操作。在完成对太阳灶灶面的合理设计之后，就要考虑直接影响着太阳灶性能的灶壳制作工艺了。后面也重要的说明了检测、使用和维护还有很好的发展前景。 关键词关键词一：太阳灶关键词二：制作工艺关键词三：发展前景
目录 绪言 (3) 1.科研发展 (4) 2.结构设计 (5) 3.测试方法 (5) 4.前景 (5) 参考文献7
绪言 太阳灶是利用太阳辐射能烹饪食物的一种器具。它对于广大的农村，特别是那些缺乏燃料，而日照较好好的地区，有着重要的现实意义。近年来，我国太阳灶发展很快，对缓解农村能源紧缺状况起了积极的作用。太阳灶的经济效益和使用地区、生活习惯，和常规能源的价格等因素有关。一般来说，在日照交好的地区正常使用情况下，每年每台太阳灶可节约柴草1000kg，年利用率在30%~50%。按节约柴草来估算，大约两年就可收回投资，还能节省大量劳动力，有利于改善生活条件，保护植被和生态平衡。 我国太阳灶的研究及推广已经历了二十个年头，从分散的探索性实验到全国性有组织的联合攻关，深如系统的研究；从试制到组织工厂化批量生产，规模推广，从国家无偿投放，补贴推广，到半商品化，商品化销售，无论从设计理论，材料工艺，技术标准，还是工业化生产，推广销售及售后服务，太阳灶的技术和应用都有了长足的发展，取得了可喜的成绩，引起国内外关注。目前，全国太阳灶的保有量已经达到30多万台，是世界上推广应用最多的国家，取得了明显的社会效益和经济效益。
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
绪论 21世纪是太阳能时代。在未来的40年中，人类可以实现100%的可再生能源供电。不再需要中东的石油、西伯利亚的天然气以及澳大利亚的铀。实际上，目前在我们家门口就已经获得了未来能源的载体:太阳、风力、水力、地热能，以及来自农田和林地的生物能。根据欧盟报告，2050年全球能源供给分配应当为:40%太阳能，30%生物能，巧%风能，10%水能，5%原油。报告论述了如何达到这种经济、环保、和平并且可持续的能源供给状态。跨国石油公司，比如壳牌、惠普等，已经在向着这种能源供给状态发展。 地球上的万物生长都依赖于太阳的存在，太阳给我们提供了巨大的能量源，地球上大部分的能源归根结蒂也来自于太阳。比如石油、煤炭等化石能源都是过去的动植物通过吸收太阳能不断的生长，后来这些动植物被掩埋在土壤下形成的能源，这其实是太阳能一种形式的转换，并被存储了下来，直到今天被人类开采使用。太阳能开发利用的潜力是相当巨大，据统计，全世界人们一年所使用的能量总和仅仅相当于太阳辐射到地球能量的数万分之一。在化石能源即将枯竭的未来，在未来能源方面，太阳能给人类带来新的生机。 太阳在一天中不断改变位置，这造成太阳能存在着密度低、间歇性的特点，且光照方向和度随时间不断变化。传统太阳能电池板固定在一个角度，不能时刻工作在最大效率处，而采用双轴太阳能跟踪系统的太阳能电池板在功率保持一定的情况下可以提升36% 的发电量，提高太阳能的利用率。
第一章跟踪系统的控制方案 目前光跟踪技术主要是两种方法:1.视日运行轨道跟踪方法。2.光电自动跟 踪方法。 1.1视日运行轨道跟踪 视日运行轨道跟踪技术是一种根据理论计算的太阳运行的轨迹而采取的一 种跟踪技术，根据跟踪的方位它主要分为两种:单轴跟踪和双轴跟踪。 1.1.1单轴跟踪 单轴跟踪分为三种方式:1.倾斜布置东西追踪;2.焦线南北水平布置，东西跟踪;3.焦线东西水平布置，南北跟踪。它们跟踪原理是相同，即电池阵列绕单一轴转动，其转动方向为自东向西或者南北方向，自东向西单轴跟踪方式是跟踪太阳方位角变化，驱动电池阵列转动，使电池阵列方位角与太阳方位角相同。这类跟踪方式结构简单，控制容易，在光照强度大和光照相当稳定的地方实施这类跟踪方式比较适宜。但这类跟踪方式存在一个最大缺点是除了正午这个时刻外在其他时侯不能保持电池阵列接收光辐射面与太阳光线垂直，这样大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大，影响了整个光伏发电的效率。 1.1.2双轴跟踪 双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式:极轴跟踪方式，高度一方位角太阳轨迹跟踪方式。 极轴跟踪方式:是聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴;另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。 高度一方位角太阳轨迹跟踪是一种地平坐标系统跟踪方式，它是当今比较先进的一种跟踪方式，跟踪精度较高。高度一方位角跟踪方式通过计算具体地点和具体时刻的太阳运动轨迹(高度角和方位角表示运行轨迹)，根据光伏电池阵列的具体位置，先沿着垂直轴转动弥补方位角偏差，然后沿水平轴转动弥补高度角偏差，以保证电池阵列与太阳运行轨迹一致。这种方式受天气季节性影响较小属于一种理论计算轨迹程序控制跟踪方式。由于理论计算轨迹与实际运行轨道误差小，因此该跟踪方式跟踪精度较高，这种方式缺点是受跟踪系统机械影响比较大，在系统长期运行或者外力影响造成机械误差后，会造成跟踪偏差变大，影响了跟踪精度。
本科生毕业论文 题目太阳能自动跟踪装置控制系统设计 系别机械交通学院 班级机制 122 姓名李鹏万 学号 123731214 答辩时间 2016年5月 新疆农业大学机械交通学院
目录 摘要：太阳能作为一种新型清洁能源，受到了世界各国的广泛重视。现阶段影响太阳能普及的主要原因是太阳能电池的成木较高而光电转化效率却较低。因此，如何提高太阳能利用效率是太阳能行业发展的关键问题。在国内，大多数太阳能电池阵列都是固定安装的，无法保证太阳光实时垂直照射，导致太阳能资源不能得到充分利用。自动太阳跟踪控制系统在跟踪太阳旋转的情况下可接收到更多的太阳辐射能量，从而提高太阳能电池板的输出功率，该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用。 0 1 设计研究背景及意义 (2) 2 主要研究内容 (2) 2.1 系统的设计目标 (2) 2.2 设计的主要内容 (2) 3 系统的总体设计 (3) 3.1 太阳自动跟踪方式的确定 (3) 3.2 本设计的设计思想 (3) 4 太阳能充电控制器的设计 (4) 4.1 太阳能电池的选型 (4) 4.2 蓄电池的选型 (6) 4.2.1 铅酸蓄电池基本概念 (6) 4.2.2 本系统蓄电池的选型 (7) 4.3 太阳能充电控制器的设计 (8) 4.3.1 UC3906芯片的介绍 (8) 4.3.2 BUCK电路的设计 (8) 4.4 充电控制器外围电路设计 (10) 5 跟踪系统传感器检测装置的设计 (12) 5.1 阴天检测装置的设计 (12) 5.2 白天黑夜检测装置 (14) 5.3 太阳位置传感器的介绍 (14) 5.3.1 传感器检测部分的设计 (14) 5.3.2 光敏二极管的介绍 (16) 5.3.3 LM324芯片的介绍 (16) 6 视日运动轨迹模块设计 (17) 6.1 太阳赤纬角的计算 (17) 6.2 太阳高度角的计算 (17) 6.3 太阳方位角的计算 (18) 6.4 日出日落时间计算 (18) 7 执行器件的选型 (18) 7.1 步进电机的选型 (18) 7.2 步进电机驱动器的选型 (19) 7.3 执行器件的连接方式 (20) 8 控制系统的设计 (21) 8.1 单片机电源模块的设计 (22) 8.2 驱动器电源模块的设计 (22)
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