【文章內(nèi)容簡介】 一個(gè)大圓，叫做時(shí)圈；時(shí)圈交天赤道于 T點(diǎn)；從原點(diǎn) Q 沿天赤道順時(shí)針方向計(jì)量，弧 QT為時(shí)角ω，ω以度、分，秒單位來表示，也可以用時(shí)，分，秒為單位來表示；弧 XT 為赤緯角δ，δ以度、分，秒單位來表示；從天赤道算起，向上為正，向下為負(fù)。當(dāng)天體作周日運(yùn)動(dòng)時(shí)，天體的赤緯δ不隨周日運(yùn)動(dòng)而變化，但天體的時(shí)角ω卻從 0176。均勻地增加到 360176。 相關(guān)角度的計(jì)算 在太陽能的地面應(yīng)用中，絕大部分的采光組件或陣列的安裝形式并非水平，而是以與地平面成一定夾角 的傾斜形式安裝。所以有必要分析傾斜面在特定時(shí)間 及地點(diǎn)下的太陽入射計(jì)算。 ①有關(guān)角的定義 假如太陽能采光組件的傾斜角度和方位角已經(jīng)確定，要計(jì)算入射在采光組件表面上的太陽直射輻射的能量，就必須定義一些角度。 太陽光線入射角θ：太陽光線和采光組件表面法線之間的夾角，稱為太陽光線的入射角。太陽光線可以分為兩個(gè)分量，一個(gè)垂直于采光面，一個(gè)平行與采光面，只有前者的輻射能北采光面所截取。由此可見，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該是入射角θ越小越好，這也就是所說的跟蹤。 太陽高度角α和太陽方位角γ s:從地面某一觀測(cè)點(diǎn)向太陽中心作一條射線 ，該射線在地面上有一投影線，這兩條線的夾角α叫做太陽的高度角。該射線與地面法線的夾角叫太陽天頂角θ z.。其中α +θ z=90176。太陽光線在地面上的投影線與正南方的夾角γ s，為太陽的方位角。并規(guī)定，向西為正，向東為負(fù)。采光組件的方位角γ：采光組件表面法線在地面上有個(gè)投影，此投影線與正南方的夾角為采光組件的方位角。采光組件的傾斜角β：采光組件平面與水平面的夾角稱為采光組件的傾斜角度。以上角度如圖 所示。 圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 ②角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式 采光組件所獲得的太陽輻射量主要取決于太陽入射角 θ，而θ是太陽赤緯角δ、太陽時(shí)角ω、地理緯度φ、采光組件傾斜角β、采光組件方位角γ和的函數(shù)，它們的具體關(guān)系是 : () 其中太陽赤緯角δ可由 Cooper 方程式 ()近似計(jì)算： n：一年中的天數(shù)，如：在春分， n=81，則δ =0。 （ ） ω =(t12)179。15176。 （ ） 時(shí)角計(jì)算公式見式 ()， T 為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，按小時(shí)計(jì)算。地球自轉(zhuǎn)一周為360176。，相應(yīng)的時(shí)間為 24h，每 1h地球自轉(zhuǎn)的角度定義為太陽時(shí)角ω，則 ω＝ 360／ 24＝ 15176。，正午時(shí)角為零．其他時(shí)辰時(shí)角的數(shù)值等于離正午的時(shí)間 (h)乘以 15。上午時(shí)角為負(fù)值，下午時(shí)角為正 值 ，例如，上午 10 時(shí)和下午 2 時(shí)的時(shí)角分別為30176。及 30176。 從式 （ 21） ， （ 22） ， （ 23） 可看出，當(dāng)δ，ω，φ確定后，采光組件傾角β和方位角γ的值決定了直接日射入角θ，因此只要控制采光組件使其傾角和方位角有合適的值，就可以保證太陽光線入射角θ為 0，從而最大限度地收集太陽能。 故我們可以根據(jù)不同地區(qū)的情況 確定一個(gè)合適的太陽能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽能。 跟蹤控 制方式的比較 目前國內(nèi)外跟蹤太陽的方法可以分為三種：①視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤②光電跟蹤③視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。現(xiàn)就這三種跟蹤方案做一個(gè)簡要的介紹 和比較。 視日運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟 蹤 無論是采用時(shí)角坐標(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(cè)的，通過在數(shù)學(xué)上對(duì)太陽軌跡的預(yù)測(cè)可完成對(duì)日跟蹤。 該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平 有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機(jī)械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線與觀測(cè)點(diǎn)的地理南北線要求重合。同時(shí)，西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 還要通過儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點(diǎn)處于地面水平面內(nèi)。 光電跟蹤 把兩塊完全相同的太陽能電池板按照一定的角度連接成“人”字型 ,它們既用作光電轉(zhuǎn)化的電池 ,也起光敏器件的作用。太陽光垂直照射地面時(shí) ,兩塊電池板上得到的太陽光的能流密度完全相等 ,產(chǎn)生的光電流大小相等 ,此時(shí)控制它們方位的電動(dòng)機(jī)不工作。入射太陽 光與地面的夾角改變時(shí) ,如果甲電池板得到太陽光的能流密度大于乙得到的能流密度 ,則甲電池板產(chǎn)生的光電流強(qiáng)度就大于乙電池板的光電流強(qiáng)度 ,利用這一信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) ,使得電池板與太陽光的夾角同光垂直于地面時(shí)完全相同。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確 ,電路也比較簡單 。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié) 合 在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度傳感器。當(dāng)跟蹤裝置開始運(yùn)行時(shí)，用兩片高精度傳感器初始定位。在運(yùn)行當(dāng)中，以程序控制為主，傳感器瞬時(shí)測(cè)量作反饋，對(duì)程序進(jìn)行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤 控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，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。但一計(jì)算過程十分復(fù)雜，高精度傳感器成本也很高，對(duì)于需要降低成本的小型太陽能利用裝置來講，該種跟蹤方式并不十分適用。 系統(tǒng)工作原理圖 本系統(tǒng)主要由傳感器，單片機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)裝置等組成，系統(tǒng)工作原理圖如圖 。 圖 電源電路 C8051F 020 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 水平方向電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 垂直方向電機(jī) 光電池板 信號(hào)采集處理電路 行程開關(guān) 外部時(shí)鐘電路 3 太陽跟蹤及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 太陽跟蹤及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)方案 太陽跟蹤與驅(qū)動(dòng)控制器以單片機(jī) C8051F020 為核心建立應(yīng)用系 統(tǒng)。光電傳感器輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過調(diào)理輸入到 AD,為跟蹤提供依據(jù)。當(dāng)跟蹤裝置轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，為了保護(hù)設(shè)備同時(shí)為第二天跟蹤做好準(zhǔn)備和避免電纜纏繞，需返回初始位置?？梢圆捎孟尬婚_關(guān)來復(fù)位，當(dāng)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，限位開關(guān)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送個(gè)脈沖，單片機(jī)響應(yīng)此操作，進(jìn)行中斷處理，跟蹤裝置歸位 。 傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)采集 處理 電路 傳感器主要是由 4 片性能參數(shù)一致的光電池組成，其 中兩個(gè)在東西方向成“人”字形，檢測(cè)東西方向光線變化，即調(diào)整方位角，另兩個(gè)在南北方向成“人”字形，檢測(cè)南北方向光線變化，即調(diào)整俯仰角 。 由于光電 池的信號(hào)可能比較微弱或信號(hào)差比較小，故先經(jīng)運(yùn)算放大后輸入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。信號(hào)采集處理電路如圖 。東西或南北兩 塊光電池的電壓接入 U U0。 321411U 5 AL M 3 2 4R3R1R2RfV5U1U2 圖 信號(hào)采集電路 為了精確測(cè)量數(shù)十 mA 范圍的光電池電流，運(yùn)算放大器的偏置電流應(yīng)該不大于數(shù)毫安。本文中選用 LM324,它的偏置電流是 nA 數(shù)量級(jí)， LM324 是一種 4集成運(yùn)算放大器，由于價(jià)廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號(hào)放大處理之中。 光電轉(zhuǎn)換電路可以使用集成運(yùn)算放大器。圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)放采用 LM324，在圖中 所示條件下， 令 Rf=R3， R1=R2，則電路放大倍數(shù) 如式（ ）所示 放大倍數(shù) =Rf/R1 （ ） 其中若取 R1=R2=100K， R3=Rf=1M，則電路放大倍數(shù)為 10。 光電池的特性參數(shù)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 光電池的主要功能是在不加偏置的情況下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用途光電池可分為太陽能光電池和測(cè)量光電池兩大類。太陽能光電池主要用作電源，由 干它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、能直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，因而不僅成為航天工業(yè)的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用干人們的日常生活中。測(cè)量光電池的生要功能是作為光電探測(cè)用，對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長，它被廣泛地應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中。 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。所謂光生伏特效應(yīng)就是在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件， 具有較大面積的結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)半導(dǎo)體的材料不同，光電池可分為硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。 光電池的開路電壓是指當(dāng)光電池外接電阻為無窮大時(shí)，該電阻上所測(cè)得的電壓即為開路電壓。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。短路電流是指把光電池結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，該電流稱為光電池的輸出短路電流，其大小與光強(qiáng)成正比。光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi) 有較高的靈敏度，峰值波長在附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm~1100nm，峰值波長在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 光電池的型號(hào) 根據(jù)硅光電池的特點(diǎn)和工作的需要程度，本文選用 2CR43 硅光電池 。 2CR43光電池：面積 10179。 10mm2。開路電壓≥ 550mv。短路電流≥ 23mA；輸出電流≥ ；轉(zhuǎn)換效率 1012%。 跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī) C8051F020 的簡介 C8051F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU芯片，具有 64個(gè) 數(shù)字 I/O 引腳。下面列出了一些主要特性： ①高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS）。 ②全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；片內(nèi)看門狗定時(shí)器。 ③真正 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開關(guān)。 ④真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8通道模擬多路開關(guān)。 ⑤兩個(gè) 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。 ⑥ 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器。 ⑦ 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 ⑧可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口。 ⑨硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、 SMBus/I2C和兩個(gè) UART 串行接口。 ⑩ 5 個(gè)通用的 16位定時(shí)器；具有 5個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列。 電源電路 電源模塊需要向 C8051F020 供 3V,為 LM324 和 TA8435H 的邏輯電壓供 5V,還要為 TA8435H 的功率電壓提供 24V，以及為 A/D 轉(zhuǎn)化提供 的基準(zhǔn)電壓。電源模塊電路圖見圖 。 利用 78M05 將外部輸入的 12V 變換成 5V,同時(shí) AS1117 將 5V 變?yōu)?。選 用 MC1403,為 AD 轉(zhuǎn)化提供基準(zhǔn)電壓（也可以利用 C8051F020 片上自帶的內(nèi) 部基準(zhǔn)）采用芯片 MAX618EEE 將 12V 的輸入提升到 24V。 IN O U TG N D112233U1M C 78M 05 A C TV I N V O U TG N D112233U4A S 111 7+ C 1C610 0uF 3uFV I N 12C 1 6+ C 52 + C 3C 3 0+ C 51 uF16 V10 0uF 10 uF uFV5L134 uHV I N 12G N D1G N D8G N D9G N D12VL11S H D N5IN10LX2LX3LX4FB7C O M P6P G N D13P G N D14P G N D15G N D16U2M A X 6 18E E EC8C 1 1D2+ C out 1C p 1C 5 3R745 0KR830 KV 2 433 uF47 pFC c om p 7uF86 uF1u F uF1 2W41 2W3 圖 電源電路 MAX618 芯片輸出電壓的大小由 R7 和 R8 的阻值決定。三者之間符合如下關(guān)系： VOUT=VFB(1+R7/R8),其中 VFB 般為 。電感值最佳值的選取應(yīng)符合式L=VOUT/7179。10 5。經(jīng)計(jì)算選取 R7=450K， R8=30K,L=34uH。 外部時(shí)鐘電路 由于光電跟蹤控制系統(tǒng)存在一定的缺陷，例如早上陰天的話不能夠跟蹤到太陽光，會(huì)造成 跟蹤系統(tǒng)在跟蹤式觸碰行程開關(guān)，造成強(qiáng)制歸位，引起誤操作。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 故在系統(tǒng)中加入一個(gè)外部時(shí)鐘電路，使系統(tǒng)能夠識(shí)別時(shí)間。在一定時(shí)間內(nèi)太陽 只會(huì) 出現(xiàn) 在某一角度范圍內(nèi)，故跟蹤控制系統(tǒng)只要在這一范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤即可。 我們選擇 DALLAS 公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時(shí)序控制，且具有寫保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，