【文章內容簡介】 漠安裝光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，每 年可以發(fā)電 10 萬億千瓦以上，相當于目前全國用電量的 5倍多。 我國由建設部制定的《建筑節(jié)能“九五”計劃和 2020 年規(guī)則》中已將太陽 xx 大學學士學位論文 3 能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項目。目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速，1997 年銷售面積近 300 萬平方米，數量居世界首位。全國從事太陽能熱水器研制、生產、銷售和安裝的企業(yè)達 1000 余家，年產值 20 億元。根據我國 1996～2020 年太陽能光電 PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計劃，在 2020 年和 2020 年的太陽能光電總容量將分別達到 萬千瓦和 30 萬瓦。在聯網陽光電站建設方面，計劃2020 年前建成 5 座 MW 級陽光電站。由國家投資 1700 萬元修建的西藏第三座太陽能電站 —— 安多光伏電站，總裝機容量 100 千瓦，于 1998 年 12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站?？傊?，大力發(fā)展太陽能利用技術，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑 [1]。 太陽追蹤系統(tǒng)的國內外研究現狀 太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術。然而它也存在缺點，如能量密度低，不易收集，不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化等，使太陽能的利用有著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變 化的問題，由此對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，無法保證太陽光的垂直照射，不能充分利用太陽能資源，使其發(fā)電效率低下。據實驗得知，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動追蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽能利用中，有必要進行太陽追蹤 [2]。 目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據視日運動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。 目前，國內常用的光電追 蹤有重力式、電磁式和電動式。這些光電追蹤裝置利用光敏傳感器，如硅光電管進行太陽光的檢測。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板。通過調整遮光板的位置使遮光板對準太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；當太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經放大電路放大，由伺服機構調整角度使追蹤裝置對準太陽完成追蹤。光電追蹤靈敏度高，結構設計較為簡單；但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照射到硅光電管上，導致追蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執(zhí)行機構的誤動 [3]。 視日運動軌跡系統(tǒng)根據追蹤系統(tǒng)的軸數，可分為單軸和雙軸兩種。 單軸追蹤一般采用： ； ，東西追蹤； ，南北追蹤。這三種方式都是單軸轉動的南北向或東西向追蹤，工作原理基本相似。第 3 種追蹤方式的原理，追蹤系統(tǒng)的轉軸 (或焦線 )東西向布置，根據事先計算的太陽赤緯角的變化，柱形拋物面反射鏡繞轉軸作俯仰轉動追蹤太陽。采用這種追蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時熱流最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸追蹤 xx 大學學士學位論文 4 的優(yōu)點是結構簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想 [4]。 如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠追蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全追蹤即雙軸就是根據這樣的要求而設計的。雙軸追蹤又可以分為兩種方式：極軸式全追蹤和高度角方位角式全追蹤。 極軸式全追蹤原理：聚光鏡的一軸指向天球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉，其轉速的設定與地球自轉角速度大小相同方向相反用以追蹤太陽的視日運動；反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉動是為了適應赤緯角 的變化，通常根據季節(jié)的變化定期調整。這種追蹤方式并不復雜，但在結構上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設計比較困難 [5]。 高度角和方位角式太陽追蹤方法又稱為地平坐標系雙軸追蹤。集熱器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。工作時集熱器根據太陽的視日運動繞方位軸轉動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變集熱器的傾斜角，從而使反射鏡面的主光軸始終與太陽光線平行。這種追蹤系統(tǒng)的特點是追蹤精度高，而且集熱器裝置的重量保持在垂直軸所在的平面內，支承結構的設計比較容易。集熱器采光面上直接日射入射角 θ由太陽赤緯角δ、太陽時角ω、集熱器傾角β、集熱器方位角。 課題研究的目的及意義 太陽追蹤系統(tǒng)是利用太陽能不可缺少的重要組成部分，而完善太陽追蹤裝置是充分利用太陽能和環(huán)境保護必不可少的重要組成部分。另外，計算機在自動化技術中發(fā)揮著極其重要的作用。而單片機在一塊芯片上集成了 CPU、 ROM、 RAM、I/O 接口、定時器、計數器等，使其具備了一臺微型計算機的特征。但單片機的應用領域有別于通用計算機，其主要應用于控制領域。本課題在前人研究的基礎上設計出一套以單片機為控制核心的太陽自動追蹤控制系統(tǒng)，能夠隨著太陽光照射方 向的變化而使太陽能板始終與太陽光線垂直。具體要求為結構簡單、成低，不但能在晴天時正常追蹤太陽，當突然出現陰天時也能自動追蹤，這樣就提高了追蹤的精度。 基于當今世界能源問題和環(huán)境保護問題已成為全球的一個“人類面臨的最大威脅”的嚴重問題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，而進行太陽追蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究，這對我們面臨的能源問題有重大的意義。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義。 論文的研究內容 本文所研究的太陽自動追蹤器是以單片機為控制核心 的自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是通過硬件、軟件、機械裝置三部分共同作用的結果，因此本論文的研究內容如下。 xx 大學學士學位論文 5 。 ：本系統(tǒng)需要控制兩個電動機的正反轉，當單片機接收到由光電檢測電路發(fā)出的信號之后進行判斷，然后控制電動機的轉動。 ：這部分電路要實現的功能是通過光敏元件來判斷太陽的朝向，將光信號轉換為電信號，傳送給單片機。 ：由于系統(tǒng)中要進行時間的控制，因此需要使用時鐘電路，電路中選擇串行時鐘芯片 DS1302。 的設計：采用 MAX7219 芯片來驅動 8 位 LED 顯示器，用來顯示時間。 ：復位電路及振蕩電路 (固定接法 )、按鍵電路。 。 xx 大學學士學位論文 6 第 2章 控制芯片及其傳感器介紹 太陽角度追蹤模式的數學模型 太陽角度追蹤模式是基于太陽高度角和太陽方位角的計算而進行追蹤的，下面介紹一下太陽高度角和太陽方位角的計算公式以及公式中所用到的參數。 首先了解一下太陽高度角和太陽方位角的概念。太陽高度角：太陽高度角指從太陽中心直射到當地的光線與當地水平面的夾角，其值在 0176。到 90176。之間變化，日出日落時為零太陽在正天頂時為 90176。 太陽方位角：太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向為零，由南向東為負，由南向西為正，如太陽在正東方，方位角為 90176。，在正西方時方位角為 90176。 要計算太陽高度角和方位角必須了解一些重要的參數的含義和表達式，下面介紹下各個參數 :左大康利用 Flourier 分析給出赤緯與日期的經驗關系，設一年 365 天對應區(qū)間為 [0，π ]，取日角 3651 d2 nn ）（?? ? ， dn 為年度日序， 1月 1 日取為 1， 12月 31 日就為 365，則可用如下級數式計算弧度表示的緯度： n n n n n n 3s i n0 0 1 5 1 o s0 0 2 6 8 i n0 0 0 8 9 2c o s0 0 6 7 9 . 0 7 2 0 7 5 s ic o s3 9 9 5 1 0 6 8 9 ??? ???? ?? ????? 赤緯δ的角度表示為： 3 6 5 ) d2 8 4(3 6 0s n???? 太陽時角ω可用下述方法進行計算： ω =真太陽時（小時） 15180 式中ω單位為度， 15 表示每小時相當于 15176。時角。 時差：太陽在黃道上的運動不是均勻的，時快時慢，因此，真太陽日的長短也就各不相同，但人們的實 際生活需要一種均勻不變的時間單位，這就需要尋找一個假想的太陽，它以均勻的速度在運行，這個假想的太陽就稱為平太陽，其周日的持續(xù)時間稱平太陽日，由此而來的小時稱為平太陽時 [6]。 真太陽時 =地方平時 +時差 =北京時 +經度訂正 +時差 =北京時 +（當地經度 120） 4247。 60+時差時差（弧度） 通過上面太陽高度角及太陽方位角概念和有關公式的介紹，我們了解到，只要經度、緯度、時間確定了，那么就能通過以上的公式計算出相應的太陽高度角和方位角的值，而這個值是唯一的。 單片機的介紹 所謂單片機，全稱是單片微型計算機，又稱微 控制器。它是在一塊塊半導 xx 大學學士學位論文 7 體芯片上，集成了 CPU， ROM， RAM， I/O 接口、定時器 /計數器、中斷系統(tǒng)等功能部件，構成了一臺完整的數字電子計算機。目前單片機己成功地運用在智能儀表、機電設備、過程控制、數據處理、自動檢測和家用電器等各個方面。 單片機在控制領域中，有如下幾個特點： 、成本低、易于產品化，能方便地組裝成各種智能式控制設備及各種智能儀器儀表。 ，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳的性能價格比。 ，適應溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠 地工作，這是其它機種無法比擬的。 ，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 由于單片機具有體積小、低功耗、可靠性高、控制功能強等優(yōu)點，因此廣泛的應用于國民經濟的各個領域，對各行各業(yè)的技術改造和產品更新換代起到了重要的推動作用。 單片機的應用范圍很廣，大致可分為以下幾個方面： ：電機控制、工業(yè)機器人、智能傳感器等。 ：智能儀器、醫(yī)療器械、色譜儀、示波器。 ：電子玩具、高級游戲機、錄像機，激光唱機。 ：調制解調器、智能線路運 行控制、程控交換技術。 ：導彈控制、智能武器裝置、航天飛機導航系統(tǒng)。 ：磁帶機、打印機、溫氏硬盤驅動器。 ：點火控制、變速器控制、防滑剎車、排氣控制。 AT89C51 單片機的特性 AT89C51 的主要性能 1. 4KB 可改寫程序 Flash 存儲器 2. 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 3. 3 級程序存儲器保密 4. 128 8 字節(jié)內部 RAM 5. 32 條可編程 I/O 線 6. 2 個 16 位定時器 /計數器 7. 5 個中斷源 8. 可編程串行通道 另外， AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式 —— 空閑方式 (Idle Mode)和掉電方式 (Power Down Mode)。在空閑方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定時器 /計數器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，故只保存片內 RAM 中的內容，直到下一次硬件復位為 xx 大學學士學位論文 8 止。圖 21是 AT89C51 的引腳結構圖，共有 40個引腳。有雙列直插封裝 (DIP)方式和方形封裝方式。 圖 21 AT89C51 AT89C51 單片機的外部接口 在太陽自動追蹤系統(tǒng)中， AT89C51 單片機是整個系統(tǒng)的核心部分，起著協(xié)調各部分工作的作用，使系統(tǒng)運行協(xié)調，穩(wěn)定性好。下面對 AT89C51 的各外部接口分別進行簡單的介紹： 1．光電檢測電路 光電檢測電路在整個系統(tǒng)中包括三部分，三部分都是選擇光敏二極管作為光電傳感器，一是光電追蹤模式下的光電檢測裝置，在此裝置中，當光敏二極管受到光照時導通，不受光照時截止，由光敏二極管的導通和截止向單片機發(fā)出信號，作為輸入信號；二是為了判斷晝夜作了一個檢測電路，它接到了外部中斷INT0 上，當黑夜時，在此檢測電路的控制下單片機引腳 INT0 會檢測到低電位，這樣就使系統(tǒng)啟用中斷服務程序，進入等待狀態(tài)。三是為了判斷晴天還是陰天作的檢測電路，是通過查詢 引腳的高低電位來判斷陰天還是晴天的。 2．單片機控制電路 在控制電路中，用繼電器作控制，用 4個繼電器控制兩個電動機的正反轉。 3． 外部時鐘電路本系統(tǒng)中需要進行時間的控制，因此需要連接外部時鐘電路，選擇串行時鐘芯片 DS1302 作為外部時鐘電路的核心。 4．顯示電路 顯示電路用來顯示時間，選擇 MAX7219 來驅動 8 位 LED 顯示器， 8位 LED顯示器分別顯示月、日、時、分。 5．輔助電路 輔助電路包括復位電路、振蕩電路（選擇的比較常用的固定接 xx 大學學士學位論文 9 法）、按鍵電路（用來調整時間）。 下面將對各部分電路的設計方法作詳細的介紹，包括電路中元件的選擇，電路的連接，以及每部分電路所實現的功能。設計中單片機端口分