【正文】 外，還江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 有儲能技術(shù)。 課題研究的目的 與 意義 本課題研究一種基于光電傳感器 的太陽光線自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運(yùn)動，保證太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。其中具有獨(dú)特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。 歐盟自 2020 年開始實(shí)施了一項(xiàng)名為 SOLTHERM 的項(xiàng)目，目標(biāo)是推動歐洲太陽能集熱 器安裝數(shù)量每年增加 200 萬㎡，到 2020 年累計(jì)達(dá)到 1500 萬㎡；美國規(guī)劃到 2020 年安裝 100 萬套屋頂光伏計(jì)劃、安裝機(jī)容量 300 萬千瓦；日本提出到 2020 年安裝光伏發(fā)電 760 千瓦；德國已實(shí)施 10 萬屋頂計(jì)劃，安裝光伏發(fā)電容量 30 萬千瓦，今后還將不斷擴(kuò)大 。再通過 充放電控制器 對蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。太陽能電池一般為硅電池，分為 單晶硅太陽能電池 ，多晶硅太陽能電池和 非晶硅太陽能電池 三種。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)： 一 、獨(dú)立光 伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。176。 論文的研究內(nèi)容 本文所介紹的太陽能跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。 第四章，自動追蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)及其外圍電路，步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動電路。馬達(dá) 1 固定在轉(zhuǎn)架上，轉(zhuǎn)動架以及制假固定安裝在主軸上，接收器、馬達(dá) 2 安裝在支架上面，馬達(dá) 2 的輸出軸連接在接收器上。受到了較好的保護(hù)，提高了傳動裝置的壽命。傳動裝置在傳動箱內(nèi)，受到了較好的保護(hù)，提高了裝置的壽命。 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達(dá) 1 固定在支架上，馬達(dá) 1 的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1 與大齒輪合。 太陽 運(yùn)動軌跡跟蹤 不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測的，通過數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測可完成日 跟蹤。 光電跟蹤 系統(tǒng) 傳統(tǒng)的光電跟蹤器是采用一級傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)原則上由三大部件組成：位置檢測器、控制組件、跟蹤頭。 圖 7 五象限光電轉(zhuǎn)換器原理 在上述 5 象限中為跟蹤定位測向象限， V 象限為主測象限。 圖 9 光線與光軸垂直時(shí) 理論上，鏡筒越長，光電池的靈敏度愈高，但是鏡筒長度和透鏡的參數(shù)也有關(guān)系，不可能無限制增長，通常鏡筒長度，已取 1030cm 為宜。 如果兩者結(jié)合，各取其長處，可以獲得角滿意的跟蹤結(jié)果。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。 豎直方向轉(zhuǎn)動示意圖如圖 12 所示： 圖 12 太陽能蓄電自動跟蹤器豎直方向旋轉(zhuǎn)示意圖 太陽能光伏板固定在 A 板上，電機(jī) M1 驅(qū)動渦桿轉(zhuǎn)動，渦桿的位置固定，只允許繞 z 軸轉(zhuǎn)動，在 xy 平面內(nèi)不發(fā)生位置移動。 ，其平面包含的朝向范圍廣泛，在地面上，無論太陽光的入射方向如何，與之垂直的面基本都在此作品光伏板所能變化得到的面的范圍內(nèi) [7]。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽的位置。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)較多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻比較法，其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確電路比較容易實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器 U2A 的作用是一個(gè)電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，保持采樣信號的穩(wěn)定。當(dāng)左右光電池?zé)o電壓差即光源在水平方向已垂直入射光伏板時(shí)，驅(qū)動電路 1 和驅(qū)動電路 2 都不導(dǎo)通，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時(shí)水平方向達(dá)到最佳入射角。 一、 結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 的結(jié)構(gòu)框圖如 圖 18，它具有如下的主要特征： 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 圖 19 單片機(jī)的引腳 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1．主電源引腳 （ 1） VCC：電源端； （ 2） GND:接地端； 2．外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 (1) XTAL1:接外部晶體的一個(gè)引腳。 /輸出引腳 ~、 ~、 ~、 ~. (1) P0 端口（ ~）： P0 口為一個(gè) 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 外圍設(shè)備 電源管理部分電路。它是初級 220V,50hz/60hz,次級既可以是單路輸出，也可以雙路輸出。 按勵(lì)磁方式分類，步進(jìn)電機(jī) 可分為 3 大類： （ 一 ）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動都很大。 （ 三 ）混合式步進(jìn)電 機(jī)：合式步進(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動機(jī)。 三、 響應(yīng)頻率 在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 重量 Kg,12)絕緣電阻 20。用戶可根據(jù)需要采用共陽極接法、共陰極接法或差分輸入法接法。如果太陽光垂直光照 射太陽能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同，所以它們的阻值完全相同，此時(shí)電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。 三、 控制單元 根據(jù)前一級送出的觸發(fā)信號，控制電動機(jī)的工作狀態(tài)。四運(yùn)放 LM124 的輸出 A A2 輸出的電壓相同，單片機(jī)收到的信號差為零，所以單片機(jī)不控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動?；氐皆粫r(shí)，限位開關(guān)斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 本系統(tǒng)利用軟件和硬件相結(jié)合的原理， 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏板的自動追日目的，當(dāng)光源的方向改變時(shí)，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié) 光伏板的方向，讓光線隨時(shí)垂直照射光伏板，從而最大效率的進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。 小型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對于我們這個(gè)能源消耗大國來說，有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，而在美國、德國等國家都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電 [6]，將自動跟蹤系統(tǒng)運(yùn)用到太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將會大大提高太陽能利用率。 由于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求較高，而且課題研究的實(shí)踐倉促，以及本人的能力有限，因此還有很多地方存在著不足之處： （ 1）在功能上需要更加完善 :本系統(tǒng)沒有報(bào)警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不會做出報(bào)警動作，這樣也會影響系統(tǒng)的追蹤質(zhì)量，而且對氣候、緯度等狀況不太了解，影響設(shè)計(jì)的功能。希望有跟多的人參與到這項(xiàng) 研究來，性能好、精確度高、低沉本的太陽自動追蹤系統(tǒng)是我們的目標(biāo)。 為了解決能源危機(jī)，太陽自動追蹤系統(tǒng)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個(gè)參數(shù)；原理、電路、技術(shù)、設(shè)備都很復(fù)雜，非專業(yè)人士不能夠 隨便操作。在太陽能光伏板的背面中心設(shè)置有太陽能光伏板支撐架，與上豎轉(zhuǎn)軸相連接；通過兩個(gè)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)上述裝置的上下運(yùn)動和水平周轉(zhuǎn)運(yùn)動；太陽能光伏板上設(shè) 置有感光裝置，通過控制電路來控制電動機(jī)工作以實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的自動控制系統(tǒng)，采用光電檢測追蹤模式，配合機(jī)械裝置系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的追蹤精度。不論哪種情況，電機(jī)運(yùn)動的方向和太陽運(yùn)動的方向總是一致的。當(dāng)太陽的水平或垂直位置發(fā)生偏移時(shí)， R R2 或 R R4 四個(gè)光電中必有一個(gè)受陽光照射，這樣可確認(rèn)太陽運(yùn)行的方向了。 二、 采用非倒向放大接法 有由運(yùn)算放大器及其外圍電阻成線性 放大單元。此時(shí)， U/D+， FREE+在高電平起作用。 運(yùn)行環(huán)境：溫度 1540176。 五、 運(yùn)行矩頻特 性 在負(fù)載慣量不變時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性。 步進(jìn)電機(jī)的主要特性 一、 步距角 步距角指每給一個(gè)電脈沖信號電機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度，步進(jìn)電機(jī)的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機(jī)的相數(shù)所決定。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。在輸出端接上 104 瓷片電容，對輸出的 +5V 電源再次進(jìn)行濾波，以得到干凈的電源。電源功率必須能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需要。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 （ 2） P1 端口（ ~）： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 18 AT89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 是靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件選擇的省電方式，即空閑方式和掉點(diǎn)方式。全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 在實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的同時(shí)要實(shí)現(xiàn) A/D 的轉(zhuǎn)換。電路采樣此四片小型光電池輸出的電壓，以確定太陽的移動方向，當(dāng)太陽的移動角度大于一定值時(shí)，控制電機(jī) M1 轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)光伏板豎直方向的角度改變，控制電機(jī) M2 轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)光伏板水平方向的角度轉(zhuǎn)變。 光電模擬電路設(shè)計(jì) 一、 下圖 16 中光電轉(zhuǎn)換電路是其中的一組，另一組電路于此相同。 光電轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器接收太陽光，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，單片機(jī)根據(jù)采集來的信號進(jìn)行分析比較，得出結(jié)果最終控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向來達(dá)到太陽能電池面板始終垂直于入射光線，從而達(dá)到最高效率的利用太陽能。 如圖 14 所 圖 14 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 任意時(shí)刻太陽的位置可以用太陽視位置精確表示。 經(jīng)測量，此作品的太陽能光伏板在水平方向上角度變化范圍是 0176。 圖 10 三維坐標(biāo)中的線面圖 直線的方向向量為 ： ),( cbam? （ ） 該直線與水平面的夾角： )a rc ta n( 2211 ba c??? （ ） 平面法向量： ),( CBAn ? （ ） 該向量與水平面的夾角： 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) )a rc ta n( 2221 BA C??? （ ） 過已知直線做豎直面 1? ： 0)()( 00 ????? yyxxab （ ） 過 n 做豎直面 2? ： 0??? yxAB （ ） 將平面 0???? DCzByAx 在 xy 平面上沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 1? 度，然后在豎直平面上沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 2? 度，就可以使 n 和直線 c zzb yya xx 000 ????? 平行，即平面和直線垂直，其中 1? 是豎直面 1? 和豎直面 2? 的夾角， 2? 是 21? 和 11? 的夾角 ，即： )a rc t a n()a rc t a n(1 ABab ??? （ ） )a rc t a n()a rc t a n( 22222 ba cBA C ????? （ ） 根據(jù)以上推理，當(dāng)太陽光線確定時(shí)，適當(dāng)調(diào)整太陽能光伏板的水平方向朝向和豎 直方向朝向，一定能把太陽能光伏板調(diào)整到一個(gè)與太陽光線垂直的方向 。 這種跟蹤方案精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。 視日運(yùn)動軌跡 跟蹤和光電 跟蹤相結(jié)合 由上述結(jié)論可知，開環(huán)的程序跟蹤存在很多局限性，主要是在開始運(yùn)行前需要精確 定位，出現(xiàn)誤差后不能自動調(diào)整等。 圖 8 鏡筒結(jié)構(gòu) 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 當(dāng)太陽與光軸成一角度時(shí)，光線經(jīng)過透鏡照射到 5 片光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移，如圖 9 所示。 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 6 跟蹤系統(tǒng)框圖 下面對 2020 年《應(yīng)用光學(xué)》雜志介紹的一種五象限法太陽跟蹤儀做一簡單介紹下圖 7 為五象限光電轉(zhuǎn)換器原理。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來確定即時(shí)的太陽位置，以保證系統(tǒng)確定位很跟蹤的高度準(zhǔn)確 性和高可靠性。小齒輪 2 帶動齒圈和太陽能板轉(zhuǎn)