【正文】 the absorption efficiency of solar energy. At present, the design of a simple formula was only for calculating the data, the eastwest to the point of view will be changed once an hour, the northouth perspective will be changed once a day, and then the MCU to return to control things through the night to determine, as well as every haif a year to track the direction of the northsouth change in control. Because of the time and the current limitations of the knowledge of the author’s , the tracking system to track the point of view is rough , there are many errors , if the opportunity arised the design will be iomproved in the future. Keywords: solar cells Inrradiation angle of sun tracking automatically singlechip Stepping motor 3 一 、 概述 （一） 能源與環(huán)保 隨著時(shí)代的前進(jìn)，人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時(shí)人類社會(huì)的負(fù)擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。 本設(shè)計(jì)嘗試設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光照射角度的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以提高太陽(yáng)能 電池的光 電轉(zhuǎn)化率。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（包括電路原理圖）。太原理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）： 要求設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)以調(diào)整太陽(yáng)能電池板光照攝射角度的系統(tǒng)，以提高太陽(yáng)能電池的光 — 電能量轉(zhuǎn)化率。 查閱資料記錄。利用潔凈的太陽(yáng)光能，以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)有這十分廣闊的應(yīng)用前景。 由于時(shí)間及作者目前的知識(shí)限制，跟蹤系統(tǒng) 只是 進(jìn)行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機(jī)會(huì)再進(jìn)行改進(jìn)。正是由于上述原因，世界能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)在如下方面： 世界上大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)近 10 年內(nèi)化石燃料 (煤、石油與天然氣等 )能量消耗增加了近 20倍，預(yù) 計(jì)今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲(chǔ)量只能用到 2050年，天然氣也只能延續(xù)到 2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。能源問(wèn)題關(guān)系到經(jīng) 濟(jì)是否能夠可持續(xù)發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料顯示 :石油儲(chǔ)量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為 1180一 1510億噸，以 1995年世界石油的年開(kāi)采量 32億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在 2050年左右宣告枯竭 。能源短缺的形勢(shì)很?chē)?yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國(guó)家對(duì)能源問(wèn)題都很重視。 （二） 太陽(yáng)能的特點(diǎn) 太陽(yáng)是一個(gè)巨大的能源，萬(wàn)物生長(zhǎng)都要依靠太陽(yáng)，地球上絕大部分能源歸根究底是來(lái)自太陽(yáng)的。 太陽(yáng)輻射能與煤炭，石油，核能相比較。在到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為 X 1013kW，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬(wàn)五千多倍。 雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽(yáng)能輻射的不均勻但相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕 大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在 5 接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用 。我國(guó)的國(guó)土跨度從南至北，自西至東，距離都在 5000km以上，總面積達(dá) 960萬(wàn)平方公里，占世界陸地總面積的 7%,居世界第三位。 太陽(yáng)能應(yīng)用包括太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用。目前以 %的年平均增長(zhǎng)率高速發(fā)展，位于世界能源發(fā)電市場(chǎng)增長(zhǎng)率的首位。按照預(yù)計(jì)的發(fā)展速度 ,2021 年美國(guó)光伏銷(xiāo)售達(dá)到 。因此 ,到 2021年世界光伏系統(tǒng)累計(jì)安裝容量將達(dá)到 14～ 15GW。近來(lái)一些幾瓦到幾百 瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽(yáng)能交通警示燈，高速公路上的太陽(yáng)能廣告牌，太陽(yáng)能路燈等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏系統(tǒng)的成本會(huì)越來(lái)越低，性能會(huì)越來(lái)越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越寬廣。 圖 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 塔式太陽(yáng)能發(fā)電站的聚光子系統(tǒng)是大量按一定排列方式布置的平面反 射鏡陣列群 .它們按四個(gè)象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一個(gè)巨大的鏡場(chǎng)。 在塔式系統(tǒng)中，各個(gè)定日鏡相對(duì)于中心塔有著不同的朝向和距離，因此，每個(gè)定日鏡的跟蹤都要進(jìn)行單獨(dú)的兩維控制，且各個(gè)定日鏡的控制各不相同。 。 圖 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 聚光太陽(yáng)電池是降低太陽(yáng)電池利用總成本的一種措施 。這時(shí)普通晶體硅太陽(yáng)電池已無(wú)法承受，必須選用專門(mén)的材料和電池結(jié)構(gòu)制造聚光太陽(yáng)電池。菲涅爾透鏡一方面對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，另一方面對(duì)電池組件也起保護(hù)作用。 但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏電池上的光斑能量很強(qiáng)，因此聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是精確跟蹤太陽(yáng)，其聚光比越大跟蹤精度要求就越高，聚光比為400時(shí)跟蹤精度要求小于 176。主要特征是采用盤(pán) 狀拋物面鏡聚光集熱器，其結(jié)構(gòu)從外形上看類似于大型拋物面雷達(dá)天線?；蛟诮裹c(diǎn)處直接放置發(fā)動(dòng)機(jī)組發(fā)電，如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組構(gòu)成的碟式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電裝置，技術(shù)上更為先進(jìn)。由于接收器安裝在碟式反射鏡的焦點(diǎn)上，那么只要碟式反射鏡的中軸線跟太陽(yáng)光線平行，便能保證碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率為最大。 （ 五 ） 太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種 。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽(yáng)光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)太陽(yáng)能接收率最大 。極軸式全跟蹤原理如圖 ，太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱 為極軸 ； 另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。 1998年美國(guó)加州成功的研究了八 JM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的涅耳透鏡，這樣可 以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一步提 跟蹤裝置，該裝置通過(guò)大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽(yáng)能接收器可從東到西跟蹤太陽(yáng)，這個(gè)方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽(yáng)能收集器可以從東到西跟蹤太陽(yáng)，以提高夏季能量的獲取率。 近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開(kāi)展了這方面的研究。 （ 1） 時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤裝置是一種被動(dòng)式的跟蹤裝置，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法。為了完成這兩個(gè)方向上的跟蹤，機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用子午坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。 （ 2） 程序控制式太陽(yáng)跟蹤裝置是與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計(jì)誤差 ，并且自身不能消除。當(dāng)太陽(yáng)偏移時(shí)，兩根空氣管受太陽(yáng)的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號(hào)，用壓力為。 重力差式跟蹤器是 1799年美國(guó)公布的一項(xiàng)專利。否則一個(gè)容器接收的輻射能便較另一個(gè)容器多，從而導(dǎo)致液體蒸發(fā)上的差異， 使容器內(nèi)的壓力不同，于是液體便流向壓力低的容器。因?yàn)槿章浜罂諝庾兝洌⑶胰萜鲀?nèi)液體冷卻速度預(yù)先己經(jīng)調(diào)整，東面容器比西面容器冷卻得快，其內(nèi)壓力下降也快，于是東邊變重，使整個(gè)裝置向東傾斜，以待日出。當(dāng)太陽(yáng)正對(duì)跟蹤器平板時(shí)，兩黑管的受熱面積 (投影面 )相等，黑管保持同樣的受熱狀態(tài)，液壓缸活塞的兩側(cè)受力處于平衡狀態(tài)，跟蹤器平板靜止不動(dòng)。 這種跟蹤器在實(shí)際中應(yīng)用很廣，其主要的優(yōu)點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械式，不需電子控制部分及外接電源。這種把原動(dòng)力與控制部件分離的方法，可以簡(jiǎn)化控制裝置的結(jié)構(gòu)，減少能量消耗 (面板的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能來(lái)源于偏重的勢(shì)能 )，為不用外接電源創(chuàng)造了條件。彈簧則由電磁鐵控制。信號(hào)經(jīng)放大，使高靈敏的繼電器動(dòng)作，并通過(guò)執(zhí)行繼電器控制電磁鐵吸合，于是制動(dòng)裝置松開(kāi)，集熱裝置向西旋轉(zhuǎn)，直至對(duì)準(zhǔn)陽(yáng)光。當(dāng)太陽(yáng)重新出現(xiàn)時(shí)，集熱裝置必須作大角度的旋轉(zhuǎn)才能跟上太陽(yáng)。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)跟蹤，成本低廉，不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。光電式太陽(yáng)跟蹤裝置使用光敏傳感器來(lái)測(cè)定入射太陽(yáng)光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過(guò)一個(gè)閉值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太陽(yáng)光線與集熱裝置光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，在圓筒外部，東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置 4只光電阻 。其中一對(duì)光電阻 (PS， P7)東西對(duì)稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度 。當(dāng)太陽(yáng)光偏離垂直方向一個(gè)較小的角度時(shí) (Pl， P3)這一對(duì)光電阻可能受環(huán)境散射光的影響，不會(huì)反應(yīng)出太陽(yáng)光線的變化 。高度角的跟蹤基本原理及工作方式雷同。其次要設(shè)計(jì)長(zhǎng)度合適的圓筒。短圓筒允許太陽(yáng)光偏離角度的范圍為 B，如圖 所示，即太陽(yáng)光線的偏離角度在 B的范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差?！岸嘣ā碧?yáng)跟蹤裝置的傳感器結(jié)構(gòu)如圖 。例如，當(dāng)光照在左邊第 1個(gè)光敏電阻上時(shí)電機(jī)帶動(dòng)定位裝置向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)一定角度，光從左邊第 1個(gè)光敏電阻離開(kāi)并照在左邊第 2個(gè)光敏電阻上，電機(jī)帶動(dòng)定位裝置又向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，這時(shí)光照在正中央的光敏電阻上，光垂直照在定位裝置上，電機(jī)停轉(zhuǎn) .這種跟蹤裝置通過(guò) 在半球狀傳感器上設(shè)置多個(gè)光敏電阻，提高了對(duì)太陽(yáng)定位的速度，避免了為尋找太陽(yáng)方位傳感器的重復(fù)擺動(dòng)，但是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且由于每?jī)蓚€(gè)光敏電阻的間隔造成其不能連續(xù)監(jiān)測(cè)和跟蹤太陽(yáng)位置的變化，跟蹤精度有限。這些裝置靠互相垂直的兩條軸旋轉(zhuǎn)跟蹤天體，最常用的兩軸裝置有地平式和赤道式兩種。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研，因此最應(yīng)保證的是機(jī)構(gòu)的精 19 度，其造價(jià)相對(duì)也比較昂貴。裝置由光敏探頭檢測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)，通過(guò)跟蹤控制器，采用模擬壓差比較原理進(jìn)行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)。該中心在集熱器性能測(cè)試試驗(yàn)中，要求集熱器采光面始終垂直太陽(yáng)光線，入射角偏差不超過(guò) 5176。水平轉(zhuǎn)臺(tái)相當(dāng)于集熱器的方位軸，由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞垂直于當(dāng)?shù)厮矫娴妮S旋轉(zhuǎn)，用以跟蹤太陽(yáng)的方位角，其控制流程為 :步進(jìn)電機(jī)一諧波減速器 (降速增矩、角度細(xì) 分 )一水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)。 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出120176。 時(shí)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，絲杠相應(yīng)走過(guò) 3rn們 n，由此通過(guò)集熱器臺(tái)架的傾角變化計(jì)算出絲杠直線運(yùn)動(dòng)的距離，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)比換算出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù) 176。每當(dāng)試驗(yàn)時(shí)，跟蹤器在跟蹤太陽(yáng)前先得讓方位軸和俯仰軸自動(dòng)回零 。 其中，2軸為俯仰軸， X軸為方位軸。用正系數(shù)校正理論值存入控制程序，可以提高跟蹤精度。 子程序開(kāi)始 計(jì)算太陽(yáng)當(dāng)前位置 跟蹤器當(dāng)前位置是否為零點(diǎn) ？ 自動(dòng)調(diào)整跟蹤對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng) 跟蹤器自動(dòng)快速指向太陽(yáng) 是否已對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng) ？ 子程 序結(jié)束 圖 自動(dòng)跟蹤子程序 Y Y N N 23 二 、 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想及框架 （一）跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)研制的出發(fā)點(diǎn)是更加有效的利用 太陽(yáng)能。 本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠。 系統(tǒng) 組成 如圖 。不能滿足本系統(tǒng)經(jīng)久耐用的研發(fā)要求。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械部件的選取必須滿足性能可靠、價(jià)格低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的研發(fā)要求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，此種電機(jī)性能可靠，對(duì)于角度量轉(zhuǎn)向控制精確。電池板固定架用來(lái)對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行固定，要求設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定。 在本系統(tǒng)中，考慮選用的控制核心為單片機(jī)。 本系統(tǒng)的制造目的是對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集，并加以利用，因此需要將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，用于其他耗電場(chǎng)合 .蓄電池組是本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的貯能裝置，它的作用是將太陽(yáng)能電池方陣從太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來(lái)，以供應(yīng)用。比對(duì)兩種蓄電池的特點(diǎn)，鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，原材料易得，維護(hù)方便，原材料豐富，但體積較大。 逆變器是將直流電變換為交流電的電力變換裝置，逆變器技術(shù)在電力電子技術(shù)中已經(jīng)較為成熟。 為了最大限度地利用蓄電池的性能和延長(zhǎng)使用壽命，必須對(duì)它的充電條件加以規(guī)定和控制。一般而言，蓄電池充電方法有三種 ：恒流充電、恒壓充電和恒功率充電，每種方法具有不同的電壓和電流充電特性 。但采用脈沖寬度調(diào)制型控制器，往往包含最大功率的跟蹤功能，只能用 MOS晶體管作為開(kāi)關(guān)器件。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24h，所以地球每個(gè)小時(shí)自轉(zhuǎn) 15176。 27 的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其 自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。 )，地球北半球的天文春季開(kāi)始。春分過(guò)后，太陽(yáng)的生落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長(zhǎng)，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽(yáng)的高度逐日增加。白晝最長(zhǎng)，這時(shí)候地球北半球天文夏季開(kāi)始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)多出于正東而沒(méi)于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。 27180。在一年中，太陽(yáng)赤緯每天都在變化，但不超過(guò)士 23176。 27180。太陽(yáng)的時(shí)角用 ? 表示，它定義為 :在正午時(shí) ? =0，每隔一個(gè)小時(shí)增加 151