【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。 機(jī)械設(shè)計(jì)方案如圖 5 所示 。 圖 5 本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 跟蹤方案 設(shè)計(jì) 目前國(guó)內(nèi)外采用的跟蹤太陽(yáng)的方法有，但不外乎三種方式： 一、 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤； 二、 光電跟蹤； 三、 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。 下面就這三種跟蹤方案做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹和比較。 太陽(yáng) 運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽(yáng)運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測(cè)的，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)可完成日 跟蹤。 太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)較為直觀方便，操作性強(qiáng)，但也在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒(méi)有具體公式可用的問(wèn)題。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時(shí)角在日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)中任何時(shí)刻的具體值卻嚴(yán)格已知，同時(shí)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，于是通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)很觀測(cè)者位置之間的關(guān)系。 根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)確定位很跟蹤的高度準(zhǔn)確 性和高可靠性。 在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽(yáng)的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點(diǎn)后。 光電跟蹤 系統(tǒng) 傳統(tǒng)的光電跟蹤器是采用一級(jí)傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)原則上由三大部件組成：位置檢測(cè)器、控制組件、跟蹤頭。其跟蹤系統(tǒng)如圖 6 所示。位置檢測(cè)器主要由性能經(jīng)過(guò)挑選的光敏傳感器組成，如四象光電池、光敏電阻等?？刂平M件主要接受從位置檢 測(cè)器來(lái)的微弱信號(hào)，經(jīng)放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實(shí)為跟蹤裝置的執(zhí)行元件。 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 6 跟蹤系統(tǒng)框圖 下面對(duì) 2020 年《應(yīng)用光學(xué)》雜志介紹的一種五象限法太陽(yáng)跟蹤儀做一簡(jiǎn)單介紹下圖 7 為五象限光電轉(zhuǎn)換器原理。在半徑為 R 的大圓有一個(gè)半徑為 R/2 的小圓，將大圓與小圓之間的圓環(huán)分成四個(gè)象限。每象限的分界線與 X 軸均成 45176。，小圓為第 V 象限。 圖 7 五象限光電轉(zhuǎn)換器原理 在上述 5 象限中為跟蹤定位測(cè)向象限， V 象限為主測(cè)象限。將 5 片面積、性能、參數(shù)相同的光電池安裝在所設(shè)的 5 個(gè)象限內(nèi)，當(dāng)陽(yáng)光照射到 5 片光電池上時(shí)必然產(chǎn)生電流，光電流與光照成正比。 為了測(cè)量準(zhǔn)確，在光電池前放置可調(diào)光學(xué)鏡筒，將一個(gè)凸透鏡放在透鏡前，透鏡安放在鏡筒的最外沿，如圖 8 所示。當(dāng)光線經(jīng)過(guò)透鏡照射到鏡筒底部 5 片光電池上時(shí)，調(diào)節(jié)筒的長(zhǎng)度，使光斑正好完全覆蓋 5 片光電池。 圖 8 鏡筒結(jié)構(gòu) 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 當(dāng)太陽(yáng)與光軸成一角度時(shí)，光線經(jīng)過(guò)透鏡照射到 5 片光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移，如圖 9 所示。陰影部分為光線到的部分，此時(shí)有的光電池不能被光斑完全覆蓋，因此各光電池產(chǎn)生的光電流產(chǎn)生的光電流不盡相同，將光電流差經(jīng)過(guò)一系列處理后輸入到跟蹤頭，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，調(diào)節(jié)跟蹤裝置，直至 4 個(gè)象限光電池輸出 的光電流相等，此時(shí)太陽(yáng)光線與透鏡光軸平行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 為了使測(cè)量跟蹤裝置更安全、可靠、該裝置采用 V 象限主測(cè)光電池進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量和判斷，使裝置在夜晚停止工作。將第 V 象限的電壓 V1 與外來(lái)控制電壓 V2 進(jìn)行比較，可選擇合適的 V1 控制測(cè)量跟蹤裝置的工作狀態(tài)，在夜晚時(shí) V2V1，裝置停止工作；在有太陽(yáng)光時(shí) V1V2，裝置正常工作。 圖 9 光線與光軸垂直時(shí) 理論上，鏡筒越長(zhǎng)，光電池的靈敏度愈高，但是鏡筒長(zhǎng)度和透鏡的參數(shù)也有關(guān)系，不可能無(wú)限制增長(zhǎng)，通常鏡筒長(zhǎng)度，已取 1030cm 為宜。系統(tǒng)的位置精度，基本決定于傳感器的精 度，因此能夠比較容易實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置具有較高的精確度，光電池只要能捕捉到透鏡聚焦的光斑就可以跟蹤太陽(yáng)，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。 但當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)云遮后或早晨太陽(yáng)剛升起時(shí)，太陽(yáng)光線與透鏡光軸的夾角超過(guò)一定的角度范圍，由于鏡筒結(jié)構(gòu)的限制，透鏡聚焦的光斑無(wú)法被光電池捕捉到這時(shí)跟蹤裝置編無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。因而該種跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結(jié)構(gòu)有關(guān)。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡 跟蹤和光電 跟蹤相結(jié)合 由上述結(jié)論可知，開(kāi)環(huán)的程序跟蹤存在很多局限性，主要是在開(kāi)始運(yùn)行前需要精確 定位，出現(xiàn)誤差后不能自動(dòng)調(diào)整等。因此使用程序跟蹤方法時(shí)，需要定期的人為調(diào)整跟蹤裝置的方向。而傳感器跟蹤也存在響應(yīng)慢、精度差、穩(wěn)定性差、某些情況下出現(xiàn)錯(cuò)誤跟蹤等缺點(diǎn)。特別是多云天氣會(huì)試圖跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn)，電機(jī)往復(fù)運(yùn)行，造成了能源的浪費(fèi)和部件的額外磨損。 如果兩者結(jié)合，各取其長(zhǎng)處，可以獲得角滿意的跟蹤結(jié)果。在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 上加兩個(gè)高精度角度傳感器。當(dāng)跟蹤裝置開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，用兩片高精度角度傳感器初設(shè)定位，在運(yùn)行中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時(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。 這種跟蹤方案精度高，工作過(guò)程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽(yáng)能發(fā)電裝置。但計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，高精度角度傳感器成本也很高。對(duì)于需要降低成本的小型太陽(yáng)能利用裝置來(lái)講，這種跟蹤方式并不十分適用。 本設(shè)計(jì)的跟蹤方案 本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏阻 或太陽(yáng)能電池板 。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光于方向電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻光強(qiáng)比較法江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 轉(zhuǎn)動(dòng)原理 歐幾里得平面幾何 根據(jù)歐幾里得平面幾何知識(shí)推理發(fā)現(xiàn)，在三維空間中，假設(shè)有一條確定的直線和一個(gè)確定的平面，如果對(duì)平面進(jìn)行一定的旋轉(zhuǎn)，使 得直線和平面垂直，那么平面的旋轉(zhuǎn)可以分解為水平方向的旋轉(zhuǎn)和垂直方向的旋轉(zhuǎn)的疊加，證明方法是作平面的垂線，旋轉(zhuǎn)垂線使得該垂線和原先確定的直線平行 。 假設(shè)有確定的直線 l ，其方程為 czzb yyaxx 000 ????? ，平面 ? 的方程為0???? DCzByAx ，設(shè)平面 xy 為水平面，則與平面 xy 垂直的平面都是豎直面，如圖 10 所示。 圖 10 三維坐標(biāo)中的線面圖 直線的方向向量為 ： ),( cbam? （ ） 該直線與水平面的夾角： )a rc ta n( 2211 ba c??? （ ） 平面法向量： ),( CBAn ? （ ） 該向量與水平面的夾角： 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) )a rc ta n( 2221 BA C??? （ ） 過(guò)已知直線做豎直面 1? ： 0)()( 00 ????? yyxxab （ ） 過(guò) n 做豎直面 2? ： 0??? yxAB （ ） 將平面 0???? DCzByAx 在 xy 平面上沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 1? 度，然后在豎直平面上沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 2? 度，就可以使 n 和直線 c zzb yya xx 000 ????? 平行，即平面和直線垂直，其中 1? 是豎直面 1? 和豎直面 2? 的夾角， 2? 是 21? 和 11? 的夾角 ，即： )a rc t a n()a rc t a n(1 ABab ??? （ ） )a rc t a n()a rc t a n( 22222 ba cBA C ????? （ ） 根據(jù)以上推理，當(dāng)太陽(yáng)光線確定時(shí)，適當(dāng)調(diào)整太陽(yáng)能光伏板的水平方向朝向和豎 直方向朝向，一定能把太陽(yáng)能光伏板調(diào)整到一個(gè)與太陽(yáng)光線垂直的方向 。 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤小車(chē)的兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)控制水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子和控制豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的渦桿，水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的示意圖 如圖 11 所示： 圖 11 太陽(yáng)能蓄電自動(dòng)跟蹤器水平旋轉(zhuǎn)示意圖 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器小車(chē)由一個(gè)固定的支撐點(diǎn)（點(diǎn) P）和一個(gè)輪子支撐起來(lái)。滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī) M2 驅(qū)動(dòng)）時(shí)，以點(diǎn) P 為圓心，帶動(dòng)整個(gè)裝置繞 P 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖二可知，此時(shí)滾輪在 水平面 xy 上經(jīng)過(guò)的軌跡是一個(gè)以支撐點(diǎn) P 為圓心的圓。 豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖如圖 12 所示： 圖 12 太陽(yáng)能蓄電自動(dòng)跟蹤器豎直方向旋轉(zhuǎn)示意圖 太陽(yáng)能光伏板固定在 A 板上，電機(jī) M1 驅(qū)動(dòng)渦桿轉(zhuǎn)動(dòng)，渦桿的位置固定，只允許繞 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在 xy 平面內(nèi)不發(fā)生位置移動(dòng)。渦桿上套有一個(gè)升降平臺(tái)（升降平臺(tái)連接太陽(yáng)能光伏板A 板的一端，并與之固定），升降平臺(tái)因與 A 板一端相連而不能進(jìn)行水平方向上的旋轉(zhuǎn)。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，升降平臺(tái)只能進(jìn)行上下移動(dòng)，即升降平臺(tái)上任意一點(diǎn)只有 z 的坐標(biāo)值會(huì)變化。 升降平臺(tái)帶動(dòng) A 板一端在豎直方向上下移動(dòng)，而 A 板另一端架在高度不變的平行板 B 的平面上，可以在 B 平面上滑動(dòng) ， 使得 A 板與 B 板的夾角 Q 發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板平面（ A 板）在豎直方向上角度的變化 。 經(jīng)測(cè)量，此作品的太陽(yáng)能光伏板在水平方向上角度變化范圍是 0176。 ～ 360176。 ，豎直方向上角變化范圍是 176。 ～ 176。 ，其平面包含的朝向范圍廣泛，在地面上，無(wú)論太陽(yáng)光的入射方向如何，與之垂直的面基本都在此作品光伏板所能變化得到的面的范圍內(nèi) [7]。 實(shí)物圖如 圖 13 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 13 太陽(yáng)能蓄電自動(dòng)跟蹤器實(shí)物圖 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 四 章 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本體統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、 89C51 系列單片機(jī)以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽(yáng)能電池板有兩個(gè)自由度，控制機(jī)構(gòu)將分別對(duì)水平方向和垂直方向進(jìn)行調(diào)整。單片機(jī)加電復(fù)位后，垂直方向?qū)⑻幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)，單片機(jī)將對(duì)采樣進(jìn)行的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，電壓有增大和減小兩 種可能，如電壓增大，則讓電池板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦電壓減小，單片機(jī)將立即發(fā)出信號(hào)，讓點(diǎn)擊反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。 如圖 14 所 圖 14 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 任意時(shí)刻太陽(yáng)的位置可以用太陽(yáng)視位置精確表示。太陽(yáng)視位置用太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽(yáng)高度角指從太陽(yáng)中 心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線在地平面上的 投影 與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來(lái)追蹤太陽(yáng)的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽(yáng)的位置。 圖 15 跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 位機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn) 電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器， 單片機(jī) 接收上位機(jī)送來(lái)的數(shù)江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水 平方位的調(diào)整，俯仰方向的調(diào)整，太陽(yáng)的跟蹤及 手動(dòng)校準(zhǔn)等功能。 如圖 15 所示。 光電轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器接收太陽(yáng)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析比較，得出結(jié)果最終控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向來(lái)達(dá)到太陽(yáng)能電池面板始終垂直于入射光線，從而達(dá)到最高效率的利用太陽(yáng)能。 一、光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光線垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng) 機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接