【正文】 空間位置的變化自東向西跟蹤集熱，直到日落西山。整個(gè)裝置的重心低于樞軸，以防容器完全翻轉(zhuǎn)。帶動(dòng)鏡面跟蹤太陽(yáng) .當(dāng)鏡面對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號(hào) .這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當(dāng)太陽(yáng)剛升起 35 分鐘后，鏡面即跟蹤對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。在美國(guó)加州建成的 10MW 太陽(yáng) 1 號(hào)塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計(jì) 28 萬(wàn)平方米的范圍內(nèi)分散著 1818 塊反射鏡。雙軸跟蹤器的主要結(jié)構(gòu)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每小時(shí)15 度的恒速繞日軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)的赤經(jīng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每天以巧分的恒速繞季軸旋轉(zhuǎn)，以跟蹤太陽(yáng)的赤緯運(yùn)動(dòng)。 1994 年在德國(guó)北部，太陽(yáng)能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置 1321。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過(guò)極軸軸線，極軸 支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。也可用于較大的用電戶，把數(shù)臺(tái)至十?dāng)?shù)臺(tái)裝置并聯(lián)起來(lái)，組成小型太陽(yáng)能熱發(fā)電站。在一般情況下跟蹤精度越高其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，造價(jià)就越高，甚至造價(jià)高于光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電池的總造價(jià)。 太陽(yáng)聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅爾透鏡，它是利用光在不同介質(zhì)的界面發(fā)生拆射的原理制成的，具有與一般球面透鏡相同的作用。 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由聚光電池陣列、架體、方位和仰角驅(qū)動(dòng)器、跟蹤器、控制器組成。 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)。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。按照預(yù)計(jì)的發(fā)展速度 ,2021 年美國(guó)光伏銷售達(dá)到 。 太陽(yáng)能應(yīng)用包括太陽(yáng)能發(fā) 電和太陽(yáng)能熱利用。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用 。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。 （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。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 。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。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。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文 (含中英文翻譯資料 ) 太原理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 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。 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。 由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬(wàn)噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。天然氣儲(chǔ)備估計(jì)在 13180~152900 兆立方米，年開(kāi)采量維持在 2300兆立方米，將在 57 一 65 年內(nèi)枯竭 。煤炭 ，石油都是古時(shí)候由動(dòng)物或植物存儲(chǔ)下來(lái)的太陽(yáng)能。太陽(yáng)的壽命至少尚有 40 億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)可源源不斷供給地球能源的時(shí)間可以是無(wú)限的。二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽(yáng)能利用己具經(jīng)濟(jì)性。太陽(yáng)能發(fā)電又分為光伏發(fā)電，光化學(xué)發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。發(fā)展中國(guó)家的光伏產(chǎn)業(yè)近幾年一直保持世界光伏組件產(chǎn)量的 10%左右。 2021 年我國(guó)系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量為 70MW，《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，承諾 2021 年太陽(yáng)能光伏累計(jì)裝機(jī)容量 450MW。由于接收器的安裝是固定不 變的，為了使一天中所有時(shí)刻的太陽(yáng)輻射都能通過(guò)反射鏡面反射到固定不動(dòng)的接收器上，反射鏡必須設(shè)置跟蹤裝置，跟蹤過(guò)程當(dāng)中要確保定日鏡的反射光線方向保持不變。如圖 所示。特點(diǎn)是直徑很大的菲涅爾透鏡可以做的很薄，與球面透鏡相比可大大減輕透鏡的重量。 碟式系統(tǒng)也稱盤式系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡一般有幾十塊鏡面組構(gòu)而成，用剛結(jié)構(gòu)環(huán)作支撐體，整個(gè)盤鏡通過(guò)太陽(yáng)高度角和方位角齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架上，通過(guò)雙軸跟蹤裝置控制即時(shí)跟蹤太陽(yáng)。 圖 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤） 圖 是第 3 種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸 或焦線 東西向布置，根據(jù)事先計(jì)算的太陽(yáng)方位的變化，太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。 圖 極軸式跟蹤 高度角 方位角式太陽(yáng)跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖 所示。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過(guò)日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤。這樣反射器就能全年和入射陽(yáng)光相垂直，達(dá)到跟蹤太陽(yáng)的目的。首先計(jì)算出太陽(yáng)的位置，然后求出每個(gè)反射鏡要求的位置，再通過(guò)固定在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 高度角和方位角跟蹤軸 上的 13 位增量式編碼器得 到反射鏡的實(shí)際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實(shí)際上所處的位置進(jìn)行比較，偏差信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng) 的支流電機(jī)，使反射裝置對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤 I38 。 與此相類似的太陽(yáng)跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。這種太陽(yáng)跟蹤器在夜間能自動(dòng)返回原來(lái)的位置。第二天早上日出東方，曬熱右側(cè)黑管，液壓缸帶動(dòng)跟蹤器迅速做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)集熱。重力的控放由彈簧通過(guò)制動(dòng)裝置和杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。因多云天氣太陽(yáng)被云層遮擋的時(shí) aJ 較長(zhǎng)，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動(dòng)作。 （ 5）光電式太陽(yáng)跟蹤 裝置。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別布置 4 只光電阻 。當(dāng)太陽(yáng)光偏離了一個(gè)較大的角度時(shí) 陰雨天或者烏云過(guò)后 ，筒內(nèi)的傳感器可能接收不到太陽(yáng)光，筒外的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開(kāi)始工作。假設(shè)圓筒內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻同時(shí)直接受到太陽(yáng)光照射的情況下，長(zhǎng)圓筒允許太陽(yáng)光偏離角度的范圍為 A，如圖 所示，即太陽(yáng)光線的偏離角度在 A 的范圍內(nèi)，長(zhǎng)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)定位裝置由 6 個(gè)單方向定位裝置構(gòu)成，并且它們共用正中央的光敏電阻。另一類是定日式，它將太陽(yáng)光反射到所設(shè)計(jì)的固定方向，太陽(yáng)作周日視運(yùn)動(dòng)，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運(yùn)動(dòng)，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽(yáng)赤緯相同，實(shí)現(xiàn)跟蹤。 （ 7）地平坐標(biāo)系跟蹤方法的應(yīng)用 國(guó)家太陽(yáng)能檢測(cè)中心開(kāi)發(fā)了一套太陽(yáng)集熱器性能測(cè)試系統(tǒng)，其中就包括了太陽(yáng)跟蹤器。以步進(jìn)電機(jī) 的步距角計(jì)算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。該裝置是檢測(cè)中心作試驗(yàn)用的，試驗(yàn)主程序流程如圖 所示。校正可以選擇任一天中的幾個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)行，得到一組高度角和方位角的校正系數(shù)，取其平均值。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行即時(shí)跟蹤，使太陽(yáng)能接收裝置能夠始終正對(duì)太陽(yáng)，從而提高吸收效率。 但是太陽(yáng)能電池本身容易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在大氣的環(huán)境 中，光電轉(zhuǎn)化的效率就會(huì)由于環(huán)境潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，最后以至于破碎失效。 在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成中，底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動(dòng)。在本系統(tǒng)中使用的時(shí)間芯片是 8563，用來(lái)進(jìn)行時(shí)間的控制。 在本光伏發(fā)電系統(tǒng)中考慮使用的蓄電池可以選用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池。通過(guò)逆變器產(chǎn)生的交流電，就可以廣泛應(yīng)用于普通的交流用電器。所用開(kāi)關(guān)器件，可以是繼電器，也可是 MOS 晶體管。 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。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。 秋分過(guò)后，太陽(yáng)的生落點(diǎn)逐日移向南方，白晝時(shí)間縮短，黑夜時(shí)間增長(zhǎng)，正午時(shí)候太陽(yáng)的高度逐日降低。夏天最大變化到夏至日的+23176。 2）太陽(yáng)方位角 太陽(yáng)方位角按下式計(jì)算， cos 也可用下式計(jì)算， sin 根據(jù)地里緯度，太陽(yáng)赤緯以及觀測(cè)時(shí)間，利用式 或者式 中的任意一個(gè)可以求出任何地區(qū)，任何季節(jié)某一時(shí)刻的太陽(yáng)方位角。并且研究了系統(tǒng)組成部分的構(gòu)成，材料盡量選取經(jīng)久耐用、技術(shù)成熟、性價(jià)比高、普遍可見(jiàn)的設(shè)備，來(lái)提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)成本。 圖 跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu) （二）減速裝置的選型 在本光伏發(fā)電系統(tǒng)的研制中，要求結(jié)構(gòu)緊湊，因此要選用的電機(jī)體積不能太大，由于結(jié)構(gòu)的限制，電機(jī)的功率和扭矩也不會(huì)很大，不能直接帶動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)做跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)。 （ 3 行星減速器其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化 .因而可適用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小， .但動(dòng)態(tài)性能較差。本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)為 85BYGH350A?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)結(jié)合本設(shè)計(jì)中的要求對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型，所得的設(shè)計(jì)結(jié)果有較高的性價(jià)比和使用性，比較符合本次的設(shè)計(jì)要求。該二極管常用硅 PN 結(jié)或肖特基二極管，以阻止蓄電池在太陽(yáng)低輻射期間向光伏方陣放電。 調(diào)節(jié)器根據(jù)電壓、電流和溫度來(lái)調(diào)節(jié)蓄電池的充電。 AT89C51 是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可以很好的滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 （ 2）外接晶體引腳 XATL1 和 XATL2 XATL1:接外部晶體的一個(gè)引腳。 B. AlE/：當(dāng)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低 8 位。 C . :外部程序存貯器的讀選通信號(hào)。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 位 TTL 輸入，對(duì)端口鎖存器寫“ 1”時(shí)，又可作為高阻抗輸入端用。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2 的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。 在對(duì) Flash 編程時(shí)， P0 端口接收指令字節(jié) 。但在此期間時(shí)，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。當(dāng)采用外部振蕩信號(hào)源時(shí)，該引腳接收外部振蕩源的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。它具有如下的主要特征 : （ 1） 4KB 可改編程序的 Flash 存貯器 可擦寫 100 次 （ 2）全靜態(tài)工作頻率： 0Hz 一 24MHz （ 3）三級(jí)程序存貯器 （ 4） 128 字節(jié)內(nèi)部 RMA （ 5） 32 條可編程 I/O 線 （ 6） 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 7） 6 個(gè)中斷源 （ 8）可編程全雙工串行通道 （ 9）片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器 AT89C15 是用靜態(tài)邏輯來(lái)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，即空閑方式和掉電方式。通常調(diào)節(jié)器用固定的電壓門限去控制晶體管開(kāi)關(guān)的接通和切斷。光伏方陣的工作點(diǎn)如圖 所示。跟蹤系統(tǒng)需要單片機(jī)通過(guò)對(duì)時(shí)間進(jìn)行判斷、比較和提取，再按照不同的時(shí)間控制步進(jìn)電機(jī)使太陽(yáng)能電池板進(jìn)行相應(yīng)的角度改變，其 中時(shí)間方面選用一款計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)需要選用一款步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)把單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)系起來(lái)。 （四）本章小結(jié) 本章對(duì)系統(tǒng)中的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并且對(duì)其中的主要部件進(jìn)行了簡(jiǎn)介和選型。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好。能夠快速反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。 本系統(tǒng)由于起停比較頻繁，沖擊較大，因此不適合選用諧波減速器。為了滿足整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的要求，在本機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中可以選用的減速器有以下三種 :渦輪蝸桿減速器、諧波減速器和行星減速器。 三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì) （一）整體框架的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中通過(guò)東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤達(dá)到使太陽(yáng)能電池板能夠始終正對(duì)太陽(yáng)照射角，從而達(dá)到提高太陽(yáng)能利用率的目的，因此轉(zhuǎn)向部分首先需要滿足能夠進(jìn)行東西向和南北向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。若不考慮地表曲率及大氣折射的 影響，根據(jù)式 ，可得出日出日沒(méi)時(shí)角表達(dá)式 cos tantan 式中 日出或日沒(méi)時(shí)角，以 度表示，正為日沒(méi)時(shí)角 。冬季最小變化到冬至日的 23176。23176。 +23176。 假設(shè)觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對(duì)太陽(yáng)在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)情況做如下描述。此外，控制蓄電池的充電過(guò)程往往是通過(guò)控制蓄電池的端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充 電控制器又稱為電壓調(diào)節(jié)器。無(wú)論太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是大還是小，是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，充電控制器都必不可少。堿性蓄電池維護(hù)容易，壽命較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易損壞，但價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜。單片機(jī)將中央處理器、存儲(chǔ)器、