【正文】 ations 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 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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（包括電路原理圖）。 查閱資料記錄。 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)。能源問題關(guān)系到經(jīng) 濟(jì)是否能夠可持續(xù)發(fā)展。能源短缺的形勢(shì)很嚴(yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國(guó)家對(duì)能源問題都很重視。 太陽(yáng)輻射能與煤炭，石油，核能相比較。 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。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。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。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。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。 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。它通過(guò)聚光器而使較大面積的太陽(yáng)光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑”或“焦帶”，并將太陽(yáng)電池置于這種“焦斑”或“焦帶”上，以增加光強(qiáng)，克服太陽(yáng)輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多的電能輸出。它是電池模塊外罩的一部分，電池組件的散熱器位于電池外罩的陰影里 正常跟蹤狀態(tài) ，不被太陽(yáng)光直射，因而便于散熱，使電池的溫度低，效率較高。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工作原理比較簡(jiǎn)單，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽(yáng)光聚焦在一點(diǎn)上，即為點(diǎn)聚焦，其聚光比可以高達(dá)數(shù)百到數(shù)千倍。 圖 蝶式太陽(yáng)能系統(tǒng)發(fā)電裝置 目前碟式發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式和塔式電站中定日鏡的跟蹤方式完全相同，多采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分 的主光軸平行，接收太陽(yáng)能的效果并不理想。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。 1994 年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國(guó)家氣象局計(jì)量站在 1990 年研制了 FST 型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽(yáng)輻射觀測(cè)。其主要缺點(diǎn)是 :跟蹤精度不夠。這種太陽(yáng)能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)。其中的液體 如氟里昂 R 一 12 可以互相流通。 簡(jiǎn)易液壓式跟蹤器的工作原理與以上兩種基本相似 .太陽(yáng)的相對(duì)位置信號(hào)由跟蹤器平板兩側(cè)遮光板下方南北向安裝的溫度傳感器 黑管 所接受。 （ 4）控放式太陽(yáng)跟蹤裝置。電池裝在集熱裝置的上方，前面設(shè)有遮光板，當(dāng)集熱裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)恰好遮住陽(yáng)光，使太陽(yáng)能電池處于陰影區(qū)。當(dāng)集熱裝置轉(zhuǎn)至西邊的極限位置時(shí)，觸動(dòng)極限開關(guān)，切斷控制系統(tǒng)的電源 .第二天，只要將集熱裝置人工轉(zhuǎn)至向東的位置，便可開始新的跟蹤。目前，典型的光電式太陽(yáng)跟蹤裝置有比較控制式和“多元法”兩種。 該跟蹤裝置對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行雙軸跟 蹤，現(xiàn)在單獨(dú)研究對(duì)方位角進(jìn)行跟蹤的工作原理，假設(shè)太陽(yáng)的高度角是不變的，即假設(shè)圓筒是始終在高度方向?qū)?zhǔn)太陽(yáng)的。當(dāng)光敏電阻的阻值較小的時(shí)候，光電阻在太陽(yáng)照射下可能會(huì)很快達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)采集的信號(hào)就失真，不能正確反應(yīng)太陽(yáng)光線的變化情況，會(huì)影響到跟蹤效果，跟蹤精度因此降低。太陽(yáng)光線偏離角度在一個(gè)較大范圍內(nèi)時(shí)，長(zhǎng)圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽(yáng)光線的角度變化。 太陽(yáng)跟蹤裝置除了用作太陽(yáng)能利用裝置以外，還常用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的跟蹤觀察。全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)朝著高精度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，在有限的接受面積上最充分的應(yīng)用太陽(yáng)能，降低裝置的成本 。該跟蹤器采用地平坐標(biāo)系跟蹤方式，主要由水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)以及集熱器臺(tái)架組成。另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪帶動(dòng)絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于改變俯仰軸轉(zhuǎn)角用以改變集熱器的傾斜度，從而跟蹤 太陽(yáng)的高度角，其控制流程為 :步進(jìn)電機(jī)一同步帶輪 傳遞動(dòng)力卜絲杠螺母 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 一絲杠 直線運(yùn)動(dòng) 。接著每間隔一定時(shí)間，自動(dòng)調(diào)整一次集熱器的位置，使其采光面垂直于太陽(yáng)光線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)太陽(yáng)跟蹤。另外，本章節(jié)還 對(duì)幾種太陽(yáng)能發(fā)電裝置進(jìn)行了分析，并且對(duì)目前的各種跟蹤方法的進(jìn)行了分析對(duì)比，從而對(duì)目前的太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)有了一定的了解。在控制部分的設(shè) 計(jì)中，要考慮到系統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強(qiáng)的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。 目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池基本 都為封裝后的成品，通過(guò)封裝處理的太陽(yáng)能電池就可以應(yīng)對(duì)各種氣候條件，并且耐沖擊，可以適應(yīng)各種應(yīng)用條件，達(dá)到了長(zhǎng)期使用的目的，從而很好的滿足了本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)要求。由于研發(fā)要求系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)緊湊，電機(jī)選取的為小型步進(jìn)電機(jī)，輸出扭矩達(dá)不到轉(zhuǎn)向要求，因此要選用減速機(jī)構(gòu)來(lái)提升輸出扭矩，在本光伏系統(tǒng)中，選取的是小型渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) 。單片機(jī)把各項(xiàng)功能部件都集成在一塊芯片上，因此它的結(jié)構(gòu)緊湊、超小型化、價(jià) 格低廉、易于開發(fā)應(yīng)用。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，在本系統(tǒng)中貯能裝置應(yīng)采用鉛酸蓄電池為宜。一個(gè)好的充電控制器能夠有效地防止蓄電池過(guò)充電和深度放電，并使蓄電池使用達(dá)到最佳狀態(tài)。 控制器可分為并聯(lián)控制器和串聯(lián)控制器兩種，本設(shè)計(jì)中選擇并聯(lián)控制方式。 每年的春分日 3 月 12 日 ，太陽(yáng)從赤道以南到達(dá)赤道 太陽(yáng)的赤緯占 0176。 27′，白晝最長(zhǎng)，這時(shí)候地球北半球天文夏季開始。 27′，黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球 北半球天文冬季開始。 27′ .太陽(yáng)赤緯隨季節(jié)變化，按照Coper 方程， 由式 41 計(jì)算 360 式中， n 為一 年中的天數(shù)，如 :在春分， n 81，則δ 0，自春分日起的第 d天的太陽(yáng)赤緯為 : （ 2）太陽(yáng)角的計(jì)算 如圖 所示，指向太陽(yáng)的向量與天頂 Z 的夾角定義為天頂角，用表示；向量與地平面的夾角定義為太陽(yáng)高度角，用 h 表示；在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角為太陽(yáng)方位角，用表示。負(fù)為日出時(shí)角。同時(shí)，此跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須本著造價(jià)低廉、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的原則進(jìn)行。這三種減速器的性能比較如表。行星 減速器雖然精度較高，但價(jià)格昂貴，也不能滿足本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷。它不需要變換可直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制。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。本機(jī)械結(jié)構(gòu)基本符合第二章中對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、耗材較少。 因此在本章中將在精確、實(shí)用、高性價(jià)比等的要求下，對(duì)單片機(jī)、計(jì)時(shí)芯片以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行選型，然后利用所選擇的部件連接出控制電路圖，即得到了本次設(shè)計(jì)中的控制部分。隨著電壓的減少，工作點(diǎn)從 a 點(diǎn)移向 b 點(diǎn)。通過(guò)并聯(lián)分流的電能可用于輔助負(fù)載的供電，以充分利用光伏方陣的輸出電能。在空閑方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串 行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作 .在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保持內(nèi)部 RAM 的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。 XATL2 :接外部晶體的另一個(gè)引腳。然而要注意的是 :每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 D. /Vpp：內(nèi)部和外部程序貯存器訪問允許端。而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。對(duì)端口鎖存器寫“ 1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。對(duì)端口鎖存器寫“ 1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。 （ 4） 輸入 /輸出引腳 、 A. P0 端口（）： P0 是一個(gè) 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口。另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止 ALE位無(wú)效。當(dāng)震蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 B. GND :接地端。 AT89C15是一種低功耗、高性能的 8 位單片機(jī)，它采用 CMOS 工藝和高密度非易失性存貯器（ NURAM）技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS 一 51 兼容。 圖 光伏方陣供給蓄電池的電流隨蓄電池電壓的變化 這是目前用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最普遍的充電調(diào)節(jié)電路，一般是使用一臺(tái)并聯(lián)調(diào)節(jié)器以使充電電流保持恒定，如圖 所示。 這是一個(gè)串聯(lián)二極管的系統(tǒng)，如圖 所示。同時(shí)在本章中對(duì)多種減速裝置和多種步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，確定了較適合本系統(tǒng)的渦輪蝸桿減速器和兩相混合式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于本系統(tǒng)。 在本設(shè)計(jì)中，考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載 較大，故選用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)做為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)源。它的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的 ，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的轉(zhuǎn)速 n，或者線速度 v與脈沖頻率 f 成正比。輸入轉(zhuǎn)速不能太高。 如圖 ，本機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基本組成主要有 ：底座、下層平臺(tái)、上層平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速裝置、電池板固定框架等。 （三）本章小結(jié) 本章節(jié)對(duì)課題研制的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了具體 的要求，即經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等，此次設(shè)計(jì)的研究要以此為方向。 正午時(shí) ， 0， cos 1， 式可以簡(jiǎn)化為： sinh sinsin+coscos cos 因?yàn)椋?cos（ ） sin[90 士（ ） ]，所以 sinh sin[90 土（ ） ] （ ） 正午時(shí)，若太陽(yáng)在天頂以南，即 ，取 sinh sin[90 一（ ） ] 從而有， h 90+ （ ） 在南北回歸線內(nèi)，有時(shí)正午時(shí)太陽(yáng)正對(duì)天頂，則 有 ，從而 h 90176。 27′的范圍。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥? 。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面 黃道面 法線傾斜成 23176。針對(duì)不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以選用不同的充電控制器，主要考慮的因素是要盡可能的可靠、控制精度高及低成本。 逆變器與正變換正好相反，它使用具有開關(guān)特性的全控功率器件，通過(guò)一定的控制邏輯，由主控制電路周期性的對(duì)功率器件發(fā)出開關(guān)控制信號(hào)，再經(jīng)變壓器耦合升（降）壓、整形濾波就可得到 交流電。當(dāng)太陽(yáng)能電池方陣不發(fā)電或電動(dòng)勢(shì)小于蓄電池電勢(shì)時(shí)，由于阻塞二極 管的作用，蓄電池不會(huì)通過(guò)太陽(yáng)能電池方陣放電。 由于太陽(yáng)的位置角度和時(shí)間有關(guān)，要對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效讀取，必須選取計(jì)時(shí)芯片完成此功能。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的構(gòu)成設(shè)想基于簡(jiǎn)單易安裝的要求，主要由底座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)構(gòu)、電池板固 定框架等構(gòu)成。在本系統(tǒng)的研發(fā)中，太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能采集裝置的首選部件。對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的時(shí)候，由于太陽(yáng)的位置是隨著時(shí)間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽(yáng)能接收裝置，此 裝置的位置無(wú)法隨太陽(yáng)改變，只能在固定時(shí)段有效的吸收太陽(yáng)能，在其他時(shí)段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽(yáng)能的吸收效率提高，采用太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是可行和有效的。校正采用手動(dòng)操作，使跟蹤臺(tái)的兩個(gè)軸帶動(dòng)集熱器轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)不斷觀察日暑的影子，當(dāng)影子剛好聚為一點(diǎn)時(shí)為最佳，記錄下從原點(diǎn)到該點(diǎn)兩軸的步進(jìn)電機(jī)各自走過(guò)的實(shí)際脈沖數(shù)，然后依據(jù)算法計(jì)算兩 軸的步進(jìn)電機(jī)從原點(diǎn)到該點(diǎn)的理論脈沖數(shù)，根據(jù)實(shí)際脈沖數(shù)與理論脈沖數(shù)之差，可算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。跟蹤器的結(jié)構(gòu)示意見圖 。時(shí)水平轉(zhuǎn)臺(tái)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電電壓，充電電流，跟蹤光 強(qiáng)、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集、處理、顯示和打印，根據(jù)各模擬量的瞬時(shí)值，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)，報(bào)警控制，蓄電池的充電、放電和分級(jí)控制等功能，對(duì)設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。這些跟蹤器主要分為兩類 :一類是望遠(yuǎn)式，它接受太陽(yáng)的垂直入射 。單方向定位裝置由 5 個(gè)光敏電阻按一定的排列方式鑲嵌在半圓柱體上，如圖 所示。隨著圓筒的增長(zhǎng)，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻同時(shí)接受太陽(yáng)光照的太陽(yáng)光偏離角度的范圍會(huì)變小 。該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制單元開始工作，控制自動(dòng)跟蹤 器調(diào)整太陽(yáng)光接收裝置的角度，直到太陽(yáng)光接收裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。另一對(duì)光電阻 PZ， P4 南北對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來(lái)粗略檢測(cè)太陽(yáng)的視高度即高度角 。雖然采用多諧振動(dòng)器，仍然存在著跟蹤過(guò)度的情況。為了保證跟蹤系統(tǒng)在多云大氣下也能可靠地工作，光電控制線路中還增加了一組多諧振蕩器。工作原理是 :由于在集熱裝置的西側(cè)裝有配重塊，在重力的作用下，集熱裝置便會(huì)繞主軸自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)。由于兩黑管的受熱情況不同，產(chǎn)生壓力差，左側(cè)黑管所接液壓缸一側(cè)的壓力增大，推動(dòng)活塞上移，帶動(dòng)跟蹤器平板繞中間支點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使跟蹤器平板隨太陽(yáng)在