【文章內(nèi)容簡介】 產(chǎn)和出口上也取得了一定的進(jìn)步。 1999 年，美國太陽能發(fā)電排在全球前三名，僅次于德國和日本。為了使太陽能的發(fā)電取得更多的收益，美國出臺(tái)了相關(guān)的政策， 加強(qiáng)了硬件設(shè)備的科學(xué)研發(fā)，大大增強(qiáng)了設(shè)備的太陽能利用率，太陽能收益也逐年增長 [3]。太陽能 在新資源開發(fā)中有著 相當(dāng) 大 的優(yōu)勢(shì)，據(jù)美國 科學(xué)家對(duì)太陽能開發(fā)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在 40 年后，核能和太陽能分別占前兩位。 因此未來的社會(huì) ， 太陽能將成為我們生活中必不可少的能源，為此我們要普及太陽能利用知識(shí)對(duì)太陽能的發(fā)展引起重視 [4]。 太陽能 發(fā)電是 對(duì)太陽能開發(fā)的重要形式 ， 各個(gè)地區(qū) 開發(fā) 利用太陽能政策的提出，和“光明 ”工程的落實(shí) ， 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)獲得了很快的 發(fā)展 。在我 國遼闊的土地上，有著非常 豐富 的太陽能源。各地地區(qū)太陽照 射 能 量 約 為 ? 2/J m a? ，平均 值為? 2/J m a? 。我國太陽能 資源豐富的 地區(qū)，年日照時(shí)數(shù) 約為 1999 h，太陽照 射總量 大約為 ? 2/J m a? [5]。 我國在太陽能光伏發(fā)電方面的建設(shè)也有所成效，相對(duì)大一些的有西藏 雙湖 100KW 發(fā)電站， 新疆北塔山牧場作為我國當(dāng)前最大的新疆發(fā)電站每年可以發(fā)電 200KW[6]。 總之，大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)， 提高太陽能利用率 是 節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。 雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)還處于成長期 ，我們還應(yīng)該向發(fā)達(dá)國家引進(jìn)最新的技術(shù) [7]。 在不久的將來 隨著 科學(xué) 技術(shù)的進(jìn)步， 提高太陽能利用率的系統(tǒng) 成本會(huì)越來越低，性能會(huì)越來越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來越寬廣 [8]。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 太陽入射角光電檢測(cè) 跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下三 種 檢測(cè) 方式： 單軸檢測(cè)跟蹤、雙軸檢測(cè)跟蹤、高度角 —方位 角光電檢測(cè)跟蹤。 單軸 檢測(cè) 追 蹤 單軸檢測(cè)追 蹤 ： 一般分為非水平放置、 水平放置東西追蹤和水平放置的南北追蹤，3種追蹤方式。 3個(gè)形式都為單軸的檢測(cè)跟蹤，他們的原理差不多。 單軸檢測(cè)裝置的軸線西東方向放置，考慮到太陽角度發(fā)生的改變，發(fā)電裝置的光電檢測(cè)部分隨軸線做上下的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)追蹤太陽光線。如果用此方案追蹤太陽光，太陽能利用率不會(huì)特別高，因?yàn)樵谌熘袃H有 12點(diǎn)的時(shí)候，太陽光線和追蹤裝置的軸線是相互垂直的，這個(gè)時(shí)間段 裝置的利用率是最高的；但是在上午或者晚上太陽全是斜著照射。單軸檢測(cè)追蹤的特點(diǎn)是裝置簡潔，但 是接受太陽能的平面不能始終和太陽光線垂直，因此現(xiàn)實(shí)生活中利用率不會(huì)很高 [9]。 雙軸 檢測(cè) 追 蹤 雙軸檢測(cè) 追 蹤 分為兩個(gè)形式：高度 方位式追蹤和軸線追蹤。發(fā)電裝置的一個(gè)軸線和地球水平線垂直，所以叫做極軸；第二個(gè)軸線和這個(gè)軸相垂直，所以叫做赤軸。 發(fā)電裝置 正常 檢測(cè)時(shí)繞著極軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢和地球轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢同向且大小相等，方向不同從而追蹤其方位角，一般情況下是隨著月份和天氣的改變做出調(diào)整，對(duì)太陽光更好的進(jìn)行雙軸檢測(cè)，此追蹤方式比較簡單，只是設(shè)備的軸線 承重性能需要加強(qiáng)。 高度角 方位角式光電 檢測(cè) 追 蹤 高度角 方位角式光電檢測(cè) 追 蹤 也叫做坐標(biāo)系雙軸追蹤。太陽能光伏發(fā)電設(shè)備的方為軸線和地表垂直， 另外一 個(gè)軸線和方位軸相垂直，叫做 俯仰 軸。當(dāng)太陽能光伏發(fā)電裝置隨著 太陽的運(yùn)行規(guī)律圍繞方位軸旋轉(zhuǎn)并隨其變化，同時(shí)發(fā)電裝置的傾斜角隨著俯仰軸做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此太陽能發(fā)電設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換部分所在平面的主軸線始終和太 陽光線保持平行。高度角 方位角式光電檢測(cè)追蹤方式的特點(diǎn)是追蹤靈敏度高，而且太陽能發(fā)電裝置的光電轉(zhuǎn)換部分的承重始終在 主軸線的平面里，因此機(jī)械部分的設(shè)計(jì)不是特別復(fù)雜 [10]。 課題研究的目的和意義 本課題靈感來源于向日葵，當(dāng)太陽光線發(fā)生變化時(shí)向日葵可以隨著光線轉(zhuǎn)動(dòng)，提高齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 了光合作用的效率。因此課題研究的主要目的是設(shè)計(jì)出一種基于光電傳感器的太陽光線自動(dòng)跟蹤檢測(cè)裝置，該裝置能自動(dòng)跟蹤太陽光線的運(yùn)動(dòng)，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，使接受到的太陽能始終保持最大化，從而提高設(shè)備對(duì)太陽能的利用率。 本次課題研究的意義：解決了當(dāng)下大部分太陽能發(fā)電裝置對(duì)太陽能應(yīng)用率不高的問題，使太陽能接受裝置可以對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化的光源進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。為太陽能的利用提出了更有效的方式方法，對(duì)于現(xiàn)階段的能源危機(jī)提供了 一定的幫助。 論文的 結(jié)構(gòu) 第一章 ， 緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國內(nèi)外太陽能的利用現(xiàn)狀、太陽追蹤方式的發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章 ，主要是對(duì)太陽光入射角光電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)最佳的跟蹤檢測(cè)方案 。 第三章 ， 主要是 系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì) ，其中 包括 直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電壓比較器、三端穩(wěn)壓器等各個(gè)模塊的選取和優(yōu)點(diǎn) 。 第四章 ， 主要是 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì) ，其中 包括 proteus 軟件 的介紹和 每一步的仿真 過程 。 第五章，主要是仿真和調(diào)試，其中包括仿真最后的結(jié)果和對(duì)軟件、硬件的調(diào)試。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 太陽 光電檢測(cè)系統(tǒng)的 整 體設(shè)計(jì) 光電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)研制的出發(fā)點(diǎn)是更加有效的利用太陽能。對(duì)太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉(zhuǎn)化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池板把太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)太陽能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的時(shí)候，由于太陽的位置是隨著時(shí)間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時(shí)段有效的吸收太陽能，在其他時(shí)段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系 統(tǒng)對(duì)太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是可行和有效的。本課題中采用的是 機(jī)電一體裝置，采用兩個(gè) 直流減速 電機(jī)雙維錯(cuò)位放置，通過控制板驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，達(dá)到將平臺(tái)最終對(duì)準(zhǔn)太陽的目的 ，從而提高吸收效率。 本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。根據(jù)本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應(yīng)該選用常用而且性價(jià)比與可靠性較高的構(gòu)件，充分考慮其經(jīng)濟(jì)性 。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要使系統(tǒng)機(jī)構(gòu)盡量簡潔，避免過于復(fù)雜和昂貴，要便于安裝和維護(hù)。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。 太陽照射 規(guī)律 地球圍繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 大家都知道，太陽每天圍繞南北極的軸線自東向西旋轉(zhuǎn)一圈。自轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)白天和黑夜，一整天可以看成是 24個(gè)小時(shí)，因此地球平均 1個(gè)小時(shí)要轉(zhuǎn)動(dòng) 15度 [11]。 地球在自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還要圍繞太陽在一個(gè)近似橢圓的軌跡上進(jìn)行公轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)一次的時(shí)間是 1年。地球自身旋轉(zhuǎn)的軸線與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡平面的垂直方向的 相交的 角度約為 176。2327′ ，而且自身旋轉(zhuǎn)的方向不會(huì)隨著公轉(zhuǎn)的改變而發(fā)生變化，且它會(huì)一直朝 向地球的 N極。所以我們的地球 在 自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn) 時(shí)在軌道的位置也不盡相同，因此太陽光線照射到地球的各個(gè)角落的角度也就不一樣了，這就產(chǎn)生了每個(gè)季節(jié)的氣候條件都不同的現(xiàn)象。 如果我們?cè)诘厍虻谋卑朊娉鞘校@樣就可以考察到太陽在宇宙空間的運(yùn)行規(guī)律。 每年的 三月十二號(hào)是這一年的春分之日 ， 太陽開始自南向 北逐漸向地球的軸線靠近，即 176。0?? ，我們?cè)诋?dāng)?shù)氐目疾禳c(diǎn)發(fā)現(xiàn)四季中的春天已經(jīng)來了 [12]。在太陽自轉(zhuǎn)過程中，太陽從東邊升起而在西邊落下，此時(shí)白天和黑天是一樣長的。 太陽在 12點(diǎn)時(shí)的角度約為齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 176。90 ?? ，其中 ? 可以看做我們考察點(diǎn)得地球緯度。在過了三月十二號(hào)之后，太陽在 12點(diǎn)時(shí)的角度約為 176。90 ?? ，在這之后太陽 的落下點(diǎn)慢慢往北邊移動(dòng)，黑天的時(shí)間開始縮短，相反白天的持續(xù)時(shí)間越來越長，在中午時(shí)太陽的 176。90 ?? 角度慢慢變大。 每年的六月二號(hào)是這一年的夏天來到之日，在中午 12點(diǎn)其高度角是這一年中最大的，白天的持續(xù)時(shí)間最長，與此同時(shí)夏天來臨了。在六月 二號(hào)之后，太陽中午高度慢慢變小，而且白天的時(shí)間變短。 每年的九月二十三號(hào)是這一年的秋天來臨之日。 這時(shí)太陽一般都在正東方向升起在西面下落，此時(shí)白天和黑天持續(xù)的時(shí)間相等，證明北半球的秋天慢慢來了。二十三號(hào)之后，每天太陽升起和降落的地點(diǎn)逐漸向南邊偏移。白天持續(xù) 時(shí)間 變小 ， 黑天時(shí)間變長，中午 12點(diǎn)其高度慢慢變小。 每年的十二月二號(hào)是這一年的冬天來臨之日。在中午 12點(diǎn)時(shí)高度趨近最小值，此時(shí)白天的持續(xù)時(shí)間最短，相反黑天最長，說明了寒冷的冬天就要到了。冬至之后，太陽中午的高度慢慢變大，白天持續(xù)的時(shí)間變長， 太陽每天的升起和下 落點(diǎn)又逐漸接近正西和正東，一直到春分之日又開始循環(huán) [32]。 太陽 方位角 和 高度 角的確定 太陽照射在赤道平面上的夾角交角即為太陽的赤緯角，用 ? 表示。一年里 ，太陽赤緯 角度每天都發(fā)生變化，但不會(huì)大于 176。2327? ′ 。夏天最大 的角度變化為 夏至 值 日的176。2327? ′ ； 冬季最小 的角度變化為 冬至 之 日的 176。2327? ′ 。 季節(jié)改變的同時(shí) 太陽赤緯 也隨之改變 ， 根據(jù) Coper公式得到 ： 2842 3 .4 5 si n ( 3 6 0 )365 n? ??? (21) 式中 n是每年里有多少天 ， 例 如 ： 在春分 之時(shí) ， 81n? 得到 =0? ，從春分那天開始 第d天的太陽赤緯 角度 為 ： sin 365d?? ? (22) 太陽角的計(jì)算 ： 如圖 21所示，指向太陽的 光線相平行的 S和 天頂 Z的夾角被叫做 天頂角， 符號(hào)為 Z? ；太陽光線 S與地平面的夾角被叫做 太陽高度角， 符號(hào)為 h； 太陽光線 S在地面上的投像線和 南北方向線之間的夾角 被叫做方位角 ， 符號(hào)為 ? 。太陽的時(shí)角用 ? 表示，它 可以這樣表示：在中 午 0?? ，每隔一個(gè)小時(shí) 增加十五度，早 上是正的，下午是負(fù) 的 。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 21 太陽角的定義 （ 1） 太陽 的 高度角 其高度角的函數(shù)式如下： si nh si n si n c os c os c os? ? ? ? ??? (23) 式中， ? 是地球的緯度； ? 是太陽的赤緯； ? 是太陽的時(shí)角。 中午十二點(diǎn) ， 0?? ，cos 1?? ， 由 (23)可以得到： si nh si n si n c os c os c os( )? ? ? ? ? ?? ? ? ? 由 c os( ) sin[ 90 ( ) ]? ? ? ?? ? ? ?可得出： s inh s in[90 ( )]??? ? ? (24) 中午十二點(diǎn) ， 如果其方向在赤道的南邊， ? ? s inh s in[90 ( )]??? ? ?可 以得到 ， 90h ??? ? ? (25) 若再中午十二點(diǎn)時(shí)太陽正對(duì)遲到中心，由 ??? 可以得到 h=90176。 （ 2） 太陽 的 方位角 方位角度的函數(shù)式如下： s in h s in s inc o s c o s h c o s??? ??? (26) 或者這樣表示： cos sinsin cosh??? ? (27) 根據(jù)地里緯度，太陽赤緯以及觀測(cè)時(shí)間，根據(jù) 式 (26)和 (27)其中的任何一個(gè)可以求出任何地區(qū)，任何季節(jié)某個(gè)時(shí)間段 的太陽方位角。 利用太陽 方位角 和高度角的數(shù)學(xué)計(jì)算公式 ，就可以在固定 的 緯度，固定 的時(shí)段計(jì)算出太陽在這個(gè)條件下的位置。所以能夠控制將 光伏 發(fā)電裝置始終正對(duì)著 太陽 的 位置 ，同時(shí)對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)追蹤 ， 進(jìn)而 提高 了裝置的光電轉(zhuǎn)換 效率。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 太陽光檢測(cè)跟蹤裝置的比 較和 選擇 目前，國外 諸多科學(xué)家對(duì)太陽光自動(dòng)追蹤設(shè)備都有所研究，美國的一個(gè)科學(xué)家叫做Blackae，他于 2021年研究出了一種單軸檢測(cè)追蹤裝置，并且成功實(shí)現(xiàn)了由東向西的自動(dòng)追蹤，南北的方向可以由操作 人員改變，此裝置使得太陽能得利用率增長了 15個(gè)百分點(diǎn)。第二年于美國達(dá)拉斯研究所順利研發(fā)出了雙軸追蹤裝置，并且在接受板上安裝了有聚光效果的鏡片，這樣 就可以聚集 更多的能量，從而提高了光電轉(zhuǎn)化利用率 [13]。 Godman 也研發(fā)了一套追蹤設(shè)備，它可以經(jīng)過軸線做一個(gè)大的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠完 成由東向西的追蹤太陽光線，它的軸線運(yùn)行長度非常的大，其裝置的表面 由許多接受器構(gòu)成，這樣能夠大量增加夏天光電轉(zhuǎn)換的利用率 [14]。 1999年 3月德國一所高校研發(fā)了一