【導(dǎo)讀】高太陽能電池的光―電能量轉(zhuǎn)化率。太陽能電池板在0―180℃內(nèi)自動跟蹤太陽，使入射光垂直照射；該設(shè)計的自動跟蹤系統(tǒng)使用此太陽能電池板供電力工作；續(xù)發(fā)展的需要，包括太陽能在內(nèi)的可再生資源將會越來越受到人們的重視。提高太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)化率。該系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，利用太陽軌道公式。西向回歸控制以及每半年的南北向跟蹤方向的改變控制。大誤差，今后如有機(jī)會再進(jìn)行改進(jìn)。

　　

【正文】 ，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。 （三）本章小結(jié) 本章節(jié)對課題研制的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了具體 的要求，即經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等，此次設(shè)計的研究要以此為方向。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、性價比高、普遍可見的設(shè)備，來提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)成本。本章還簡要的敘述了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成，闡述了各個組成部分的功能和實現(xiàn)方法，并且闡述了太陽能的照射規(guī)律從而為以后的控制方式的設(shè)計提供一個理論基礎(chǔ)。 三、機(jī)械部分的設(shè)計 （一）整體框架的設(shè)計 本設(shè)計中通過東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤達(dá)到使太陽能電池板能夠始終正對太陽照射角，從而達(dá)到提高太陽能利用率的目的，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。同時，此跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計還必須本著造價低廉、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡潔的原則進(jìn)行。機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上要做到結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，選件不能過大臃腫，在同等條件下，盡量選用小型的構(gòu)件。 通過對目前多種太陽能采集裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的收集和對比，再在幾種比較合適的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些修改以更加符合本設(shè)計的要求，最終得到的結(jié)構(gòu)如圖 所示。此結(jié)構(gòu)在東西向和南北向都有很大的轉(zhuǎn)動空間，并且結(jié)構(gòu)簡單，耗材較少，比較適合小型的太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。 如圖 ，本機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基本組成主要有 ：底座、下層平臺、上層平臺、驅(qū)動電機(jī)、減速裝置、電池板固定框架等。 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很大，不能直接帶動機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)做跟蹤太陽的運(yùn)動。因此要選用合適的減速機(jī)構(gòu)來提高扭矩，使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了滿足整個系統(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。這三種減速器的性能比較如表。 這三種減速器各自的特點 如下 : （ 1）蝸輪蝸桿減速器的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高。 （ 2 諧波減速器的諧波傳動是利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運(yùn)動和動力的，體積不大、精度很高，但缺點是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差。輸入轉(zhuǎn)速不能太高。 （ 3 行星減速器其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大。但價格略貴。 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。行星 減速器雖然精度較高，但價格昂貴，也不能滿足本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計初衷。因此在本雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)中，選取渦輪蝸桿減速器是較為合適的。 表 減速器性能比較表 類型 渦輪蝸桿減速器 諧波減速器 行星減速器 體積 中 小 小 剛性 高 中 低 壽命 中 短 長 效率 低 高 高 輸入轉(zhuǎn) 速 3000 以上 2021 以下 2021 以下 在本設(shè)計中具體選用的渦輪蝸桿減速器為 NMRV04O 渦輪蝸桿減速箱，此減速機(jī)的結(jié)構(gòu)小巧而緊湊、外形美觀、體積小，箱體的各個面上都有安裝孔位，可以適應(yīng)各種安裝方式。 NMRV040 技術(shù)參數(shù)： 功 率： ～ 轉(zhuǎn) 矩： ??m～ 2379N??m 傳動比： 5100 或者線位移量 S 與脈沖數(shù) k 成正比 。它的轉(zhuǎn)速 n，或者線速度 v與脈沖頻率 f 成正比。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)境條件的波動而變化 .因而可適用于開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。步進(jìn)電動機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速 。能夠快速反轉(zhuǎn)和制動。它不需要變換可直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計算機(jī)控制。步進(jìn)電動機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī)。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此作常適合于單片機(jī)控制。 按勵磁方式分類，步進(jìn)電動機(jī)可分為 3 大類： （ 1）反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) anv baelelrcutance，簡稱 vR 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電動機(jī)。它的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的 ，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小， .但動態(tài)性能較差。 （ 2）永磁式步進(jìn)電功機(jī) Pemranentmanegt，簡稱 PM 永磁式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的 .轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負(fù)脈沖信號。 （ 3） 混合式步進(jìn)電動機(jī)（ hybird，簡稱 HB） 混合式步進(jìn)電動機(jī)也稱為感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小。 在本設(shè)計中，考慮到驅(qū)動電機(jī)帶動的負(fù)載 較大，故選用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)做為系統(tǒng)驅(qū)動源。本設(shè)計選用的步進(jìn)電機(jī)為 85BYGH350A。 表 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù) 型號 相數(shù) 步進(jìn)角 靜力矩 電流（ I） 重量（ kg） 85BYGH350A 2 176。 （四）本章小結(jié) 本章對系統(tǒng)中的機(jī)械部分的設(shè)計進(jìn)行了闡述，并且對其中的主要部件進(jìn)行了簡介和選型。本機(jī)械結(jié)構(gòu)基本符合第二章中對于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求，結(jié)構(gòu)簡潔、耗材較少。通過兩個減速裝置對電機(jī)驅(qū)動方向的轉(zhuǎn)換，使該裝置東西向能夠進(jìn)行360176。旋轉(zhuǎn)，南北向也有將近 360176。 的轉(zhuǎn)角，有足夠的能動性。同時在本章中對多種減速裝置和多種步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了對比，確定了較適合本系統(tǒng)的渦輪蝸桿減速器和兩相混合式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于本系統(tǒng)。總的來說，通過結(jié)合本設(shè)計中的要求對機(jī)械部件進(jìn)行了設(shè)計選型，所得的設(shè)計結(jié)果有較高的性價比和使用性，比較符合本次的設(shè)計要求。 四、控制部分的設(shè)計 本次設(shè)計的系統(tǒng)需要在東西、南北兩個方向上對太陽光照射角進(jìn)行跟蹤，跟蹤方式可由第一章中提到的太陽照射規(guī)律進(jìn)行設(shè)計。跟蹤系統(tǒng)需要單片機(jī)通過對時間進(jìn)行判斷、比較和提取，再按照不同的時間控制步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板進(jìn)行相應(yīng)的角度改變，其 中時間方面選用一款計時芯片進(jìn)行自動計算，同時需要選用一款步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片來把單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)系起來。 因此在本章中將在精確、實用、高性價比等的要求下，對單片機(jī)、計時芯片以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片進(jìn)行選型，然后利用所選擇的部件連接出控制電路圖，即得到了本次設(shè)計中的控制部分。 （一）控制器 太陽能電池板與蓄電池之間需要控制器進(jìn)行連接，以控制在不同的情況下蓄電池的充放電情況。如夜間、陰雨天等情況下太陽能電池板無法提供電能，此時即需要控制器阻止蓄電池向電池板放電。因此，在本系統(tǒng)中，控制器是必不可少的器件。 這是一個串聯(lián)二極管的系統(tǒng)，如圖 所示。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低輻射期間向光伏方陣放電。 圖 完全匹配系統(tǒng)電路圖 蓄電池充電電壓在蓄電池接收電荷期間是增加的。光伏方陣的工作點如圖 所示。隨著電壓的減少，工作點從 a 點移向 b 點。必須先選好 a 點和 b 點之間的工作電壓范圍，以確保光伏方陣和蓄電池特性的最佳匹配。 這種充電控制系統(tǒng)的問題是，光伏方陣在變化的太陽輻射條件下，其工作曲線是不確定的。采用這種系統(tǒng)設(shè)計，蓄電池只能在太陽高輻照度時達(dá)到滿充電，而在低輻照度時將減少方陣的 工作效率。 圖 光伏方陣供給蓄電池的電流隨蓄電池電壓的變化 這是目前用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最普遍的充電調(diào)節(jié)電路，一般是使用一臺并聯(lián)調(diào)節(jié)器以使充電電流保持恒定，如圖 所示。 調(diào)節(jié)器根據(jù)電壓、電流和溫度來調(diào)節(jié)蓄電池的充電。它是通過并聯(lián)電阻把晶體管連到蓄電池的并聯(lián)電路上實現(xiàn)過充電保護(hù)的。通常調(diào)節(jié)器用固定的電壓門限去控制晶體管開關(guān)的接通和切斷。通過并聯(lián)分流的電能可用于輔助負(fù)載的供電，以充分利用光伏方陣的輸出電能。 圖 并聯(lián)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 如圖 所示，在串聯(lián)調(diào)節(jié)器中，蓄電 池兩端電壓是恒定的，而其電流隨串聯(lián)晶體管調(diào)節(jié)器變化著，這種晶體管調(diào)節(jié)器通常是一個兩階段調(diào)節(jié)器。串聯(lián)晶體管代替了所需的串聯(lián)二極管。 圖 串聯(lián)調(diào)節(jié)系統(tǒng) （二）單片機(jī)的選型 在本控制中的單片機(jī)部件選擇 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51型單片機(jī)。 AT89C15是一種低功耗、高性能的 8 位單片機(jī)，它采用 CMOS 工藝和高密度非易失性存貯器（ NURAM）技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS 一 51 兼容。 AT89C51 是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價格合理的單片機(jī)，可以很好的滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。 : AT89C15 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。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 16 位定時器 /計數(shù)器 （ 7） 6 個中斷源 （ 8）可編程全雙工串行通道 （ 9）片內(nèi)時鐘震蕩器 AT89C15 是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，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。在空閑方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定時器 /計數(shù)器、串 行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作 .在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保持內(nèi)部 RAM 的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。 的引腳 AT89C51 引腳采用雙列直插式封裝 DIP 或方形封裝。雙列直插式封裝的如圖 所示，共有 40 個引腳，下面將對這些引腳進(jìn)行說明。 （ 1 主 電 源引腳 A. Vcc: 電源端。 B. GND :接地端。 （ 2）外接晶體引腳 XATL1 和 XATL2 XATL1:接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端 。當(dāng)采用外部振蕩信號源時，該引腳接收外部振蕩源的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XATL2 :接外部晶體的另一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩信號源時，此引腳應(yīng)懸浮不連接。 （ 3 控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST、 AlE/、 /Vpp A. RST: 復(fù)位輸入端。當(dāng)震蕩器運(yùn)行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 B. AlE/：當(dāng)訪問外部存貯器時， ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低 8 位。即使不訪問外部存貯器， ALE 端仍以不變 的頻率 此頻率為震蕩器頻率的 1/6 周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是 :每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，將跳過一個 ALE 脈沖。 在對 Flash 存貯器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 。 如果需要的話，通過對在專用寄存器 FSR 區(qū)的 8EH 單元的 D0 位置數(shù)，可禁止 ALE 操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條 MOVX 或 MOVC 指令期間， ALE 才一會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，該設(shè)定禁止 ALE位無效。 C . :外部程序存貯器的讀選通信號。當(dāng) AT89C51 由外部程序貯存器取指令（或常數(shù)）時每個機(jī)器周期兩次 有效（即輸出 2 個脈沖）。但在此期間時，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。 D. /Vpp：內(nèi)部和外部程序貯存器訪問允許端。要使 CPU 只訪問外部程序存貯器（地址為 0000H 一 FFFFH），則端必須保持低電平（接到 GND 端）。然而要注意的是，如果保密位 LB1 被編程，復(fù)位時在內(nèi)部會鎖存端的狀態(tài) .當(dāng)端保持高電平 接 Vcc 端 時，則 CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序貯存器中的程序。 在對 Flash 存貯器編程期間，該引腳也用于施加編程語序電源。 （ 4） 輸入 /輸出引腳 、 A. P0 端口（）： P0 是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8 位 TTL 輸入，對端口鎖存器寫“ 1”時，又可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部程序和數(shù)據(jù)時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址 低 8 位 /數(shù)據(jù)總線，在訪問 期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。 在對 Flash 編程時， P0 端口接收指令字節(jié) 。而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。 B. Pl 端口（ ） P1 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。P1 的輸出可驅(qū)動〔吸收或輸出電流方式 4 個 TTL 輸入。對端口鎖存器寫“ 1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 C. P2 端口（） :PZ 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 1/0 端口。 P2 的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端口鎖存器寫“ 1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。 P2 作輸入口使