【正文】 外，還江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 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。其中具有獨特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。 歐盟自 2020 年開始實施了一項名為 SOLTHERM 的項目，目標是推動歐洲太陽能集熱 器安裝數(shù)量每年增加 200 萬㎡，到 2020 年累計達到 1500 萬㎡；美國規(guī)劃到 2020 年安裝 100 萬套屋頂光伏計劃、安裝機容量 300 萬千瓦；日本提出到 2020 年安裝光伏發(fā)電 760 千瓦；德國已實施 10 萬屋頂計劃，安裝光伏發(fā)電容量 30 萬千瓦，今后還將不斷擴大 。再通過 充放電控制器 對蓄電池進行充電，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，而負載是交流負載時，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)分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)： 一 、獨立光 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，單片機及其外圍電路，步進電機以及驅(qū)動電路。馬達 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 2 安裝在支架上面，馬達 2 的輸出軸連接在接收器上。受到了較好的保護，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，提高了裝置的壽命。 機構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達 1 固定在支架上，馬達 1 的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1 與大齒輪合。 太陽 運動軌跡跟蹤 不論是采用極軸坐標系統(tǒng)還是地平坐標系統(tǒng)，太陽運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 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阻值發(fā)生變化的原理，將兩個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 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)采用水平方位步進電機和俯仰方向步進電機來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實時精確追蹤太陽的位置。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強較多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同，稱為光敏電阻比較法，其優(yōu)點在于控制較精確電路比較容易實現(xiàn)。運算放大器 U2A 的作用是一個電壓跟隨器，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，驅(qū)動電路 1 和驅(qū)動電路 2 都不導(dǎo)通，電動機停止轉(zhuǎn)動，此時水平方向達到最佳入射角。 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 16 位定時器 /計數(shù)器 圖 19 單片機的引腳 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 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:接外部晶體的一個引腳。 /輸出引腳 ~、 ~、 ~、 ~. (1) P0 端口（ ~）： P0 口為一個 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， 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。 按勵磁方式分類，步進電機 可分為 3 大類： （ 一 ）反應(yīng)式步進電機可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。 （ 三 ）混合式步進電 機：合式步進電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，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電動機。 三、 響應(yīng)頻率 在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，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，兩個光敏電阻接收到的光照強度相同，所以它們的阻值完全相同，此時電動機不轉(zhuǎn)動。 三、 控制單元 根據(jù)前一級送出的觸發(fā)信號，控制電動機的工作狀態(tài)。四運放 LM124 的輸出 A A2 輸出的電壓相同，單片機收到的信號差為零，所以單片機不控制電動機轉(zhuǎn)動。回到原位時，限位開關(guān)斷開，電機停轉(zhuǎn)。 本系統(tǒng)利用軟件和硬件相結(jié)合的原理， 該系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏板的自動追日目的，當光源的方向改變時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié) 光伏板的方向，讓光線隨時垂直照射光伏板，從而最大效率的進行光電轉(zhuǎn)換。 小型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對于我們這個能源消耗大國來說，有著很強的現(xiàn)實意義，而在美國、德國等國家都已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電 [6]，將自動跟蹤系統(tǒng)運用到太陽能并網(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)的實現(xiàn)技術(shù)要求較高，而且課題研究的實踐倉促，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)沒有報警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不會做出報警動作，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)計的功能。希望有跟多的人參與到這項 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。 為了解決能源危機，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。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；通過兩個電動機實現(xiàn)上述裝置的上下運動和水平周轉(zhuǎn)運動；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工作以實現(xiàn)對太陽的跟蹤。本系統(tǒng)是基于單片機的自動控制系統(tǒng)，采用光電檢測追蹤模式，配合機械裝置系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的追蹤精度。不論哪種情況，電機運動的方向和太陽運動的方向總是一致的。當太陽的水平或垂直位置發(fā)生偏移時， R R2 或 R R4 四個光電中必有一個受陽光照射，這樣可確認太陽運行的方向了。 二、 采用非倒向放大接法 有由運算放大器及其外圍電阻成線性 放大單元。此時， U/D+， FREE+在高電平起作用。 運行環(huán)境：溫度 1540176。 五、 運行矩頻特 性 在負載慣量不變時，運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運行矩頻特性。 步進電機的主要特性 一、 步距角 步距角指每給一個電脈沖信號電機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度，步進電機的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機的相數(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 電源再次進行濾波，以得到干凈的電源。電源功率必須能滿足整個系統(tǒng)的需要。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 （ 2） P1 端口（ ~）： P1 口是一個內(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)振蕩器和時鐘電路 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 圖 18 AT89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 是靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，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，即空閑方式和掉點方式。全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 在實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的同時要實現(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，當太陽的移動角度大于一定值時，控制電機 M1 轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)光伏板豎直方向的角度改變，控制電機 M2 轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)光伏板水平方向的角度轉(zhuǎn)變。 光電模擬電路設(shè)計 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，單片機根據(jù)采集來的信號進行分析比較，得出結(jié)果最終控制步進電機的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向來達到太陽能電池面板始終垂直于入射光線，從而達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 )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 平面上沿逆時針方向旋轉(zhuǎn) 1? 度，然后在豎直平面上沿逆時針方向旋轉(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，當太陽光線確定時，適當調(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 當太陽與光軸成一角度時，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 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?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)確定位很跟蹤的高度準確 性和高可靠性。小齒輪 2 帶動齒圈和太陽能板轉(zhuǎn)