【正文】 .............................................. 18 步進(jìn)電機(jī)型號(hào) ........................................................................................ 20 傳動(dòng)部分 ......................................................................................................... 20 4 結(jié)論 .................................................................................................... 22 參考文獻(xiàn) ............................................................................................... 23 致謝 ....................................................................................................... 24 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 ........................................................................ 25 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 ........................................................................... 26 附錄 硬件原理圖 ........................................27 1 緒論 1 1 緒論 課題背景 太陽(yáng)能的特點(diǎn) 能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前世界消耗的主要能源是由吸收太陽(yáng)能的植物經(jīng)億萬(wàn)年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等，這些都屬于不可再生資源。地球上的資源是有限的，礦物質(zhì)燃料在數(shù)量上也是有限的并以不斷增長(zhǎng)的速度在消耗。常規(guī)能源逐漸枯竭，形勢(shì)危機(jī)不容低估，所以尋找和開發(fā)新能源是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。在眾多可再生清潔能源中，太陽(yáng)能就是理想的替代能源。太陽(yáng)每秒鐘放射的能量大約是 16179。 1013 千億噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬(wàn)倍。這就決定了開發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解決常規(guī)能源匱乏 、枯竭的最有效途徑。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽(yáng)能輻射的不均勻，但相對(duì)于其它能源來(lái)說(shuō)，對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)而言太陽(yáng)能具有存在的普遍性，可就地取用。 ③利用的清潔性。 ④利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些 太陽(yáng)能利用已具經(jīng)濟(jì)性。 太陽(yáng)能雖然具有上面所說(shuō)的許多優(yōu)點(diǎn)，并且其中有些優(yōu)點(diǎn)還是它所特有的。其主要有以下缺點(diǎn)： ①?gòu)?qiáng)度弱。也就是說(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的太陽(yáng)能是相當(dāng)少的。即在地球大氣層外每平方米垂直于太陽(yáng)光線 的面積上按收到的太陽(yáng)輻射功率只有 1353 瓦，而垂直投射到地球表面每平方米面積上的太陽(yáng)輻射功率就只有 1353179。 ②太陽(yáng)能的另一個(gè)弱點(diǎn)就是它的不穩(wěn)定性。而在同一個(gè)地點(diǎn)的不同季節(jié)里，冬季的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度顯然又遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上夏季。而在單位水平面上所接收到的太陽(yáng)輻射能，除了與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度本身成正比外，還與太陽(yáng)高度角的正弦成正比，或者說(shuō)與太陽(yáng)輻射的入射角的余弦成正比。 ③間歇牲。這就使大多數(shù)太陽(yáng)能設(shè)備在夜間無(wú)法工作。 太陽(yáng)能利用基本方式 太陽(yáng)輻射能實(shí)際上是地球上最主要的能量源泉。人類直接利用太陽(yáng)能、已有上千年的歷史，其而利用 的途徑主要有以下幾種： ①光熱轉(zhuǎn)換。這種途徑雖最古老，但發(fā)展的最成熟、普及性最廣、工業(yè)化程度很高。較高一些的也只有幾百攝氏度。 ②光電轉(zhuǎn)換。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展起來(lái)的。 ③光化學(xué)轉(zhuǎn)換。它也是利用太陽(yáng)能的一個(gè)途徑。近來(lái)報(bào)道不多。 ④光生物轉(zhuǎn)換。近來(lái)在這方面的研究有所增加，人們期盼出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。以南。10 2kwh／ m2178。 h)；約相當(dāng)于 179。全國(guó)年日照小時(shí)數(shù)在 2020 h 以上。 h／ m2178。各個(gè)地區(qū)全年總輻射量的分布大體上在 930— 2330kW178。 a之間。 課題意義 由于太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。就目前的太陽(yáng)能設(shè)備而言，如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。 提高太陽(yáng)能利用率的途徑通常有跟蹤和聚焦兩種方式。香港大學(xué)建筑系的 KPCheng 和SCMHui 教授研究了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系，理論分析表明對(duì)太陽(yáng)光線運(yùn)動(dòng)的跟蹤與非跟蹤，太陽(yáng)能設(shè)備能量的接收率相差 %，可見精確的跟蹤太陽(yáng)可使太陽(yáng)能設(shè)備的能量利用率大大提高，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。美國(guó) blackace，在 1997 年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器對(duì)太陽(yáng)能的熱接收率提高了 15%。 2020 年 2 月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。2020 年 2 月 ,Acciona 太陽(yáng)能公司建立的被稱為西班牙最大的太陽(yáng)能電站設(shè)施開始投入使用 ,整個(gè)設(shè)施由 400 個(gè)太陽(yáng)跟蹤托盤， 14400 個(gè)電池板組成。在歐美國(guó)家現(xiàn)在有較成熟的主動(dòng)式全方位太陽(yáng)跟蹤技術(shù)及產(chǎn)品。在“六五”和“七五”期間，國(guó)家開始對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)給予支持，促使光伏工業(yè)有了一定發(fā)展。該項(xiàng)目大大刺激了國(guó)內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)建起了幾條光伏電池封裝線， 2020 年的年產(chǎn)量達(dá)到了 20MWP。 主要內(nèi) 容 因光伏電池的輸出特性受外界因素影響較大，如何對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行有效 控制使其能夠工作在最佳的狀態(tài)，有效的利用太陽(yáng)能，從而能夠產(chǎn)生更多的 電能，是一個(gè)非常重要的課題。 ② 研究太陽(yáng)跟蹤 控制系統(tǒng)的相關(guān)資料、技術(shù)要求 。 ④ 設(shè)計(jì)和畫出太陽(yáng)能光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理圖。 2 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì) 5 2 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì) 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系 地球每天圍繞通過(guò)它本身南極和北極的一個(gè)假想軸 —— 地軸自西向東自傳一周，每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24 時(shí)，所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn) 15 度。地球圍繞太陽(yáng)在一個(gè)橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一周為一個(gè)太陽(yáng)年、它等于 365 天 5小時(shí) 48 分。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌 道面 (黃道面 )的法線傾斜成 度的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極，這也是太陽(yáng)赤緯角的最大值。在北半球，春分大約是 3 月 21 日、夏至是 6 月 22 日，秋分是 9 月 23 日，而冬至是 12月 21 日。 在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不可避免地都會(huì)涉及到地球和太陽(yáng)的位置關(guān)系 ，如太陽(yáng)高度角、方位角等問(wèn)題 。通過(guò)天頂和太陽(yáng)（任一天體） X作一大圓，叫做地平經(jīng)圈；地平交地平面于 M點(diǎn)；從原點(diǎn) S沿地平圈順時(shí)針方向計(jì)量，弧 SM為方位角γ s(地平經(jīng)度 )；弧 XM為高度角α（地平緯度），向上為正，向下為負(fù)。顯然 Z=90176。 圖 圖 ②時(shí)角坐標(biāo)系 以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)附近的交點(diǎn)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 為原點(diǎn)的 坐標(biāo)系為時(shí)角坐標(biāo)系或第一赤道坐標(biāo)系，如圖 所示。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。 相關(guān)角度的計(jì)算 在太陽(yáng)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。 ①有關(guān)角的定義 假如太陽(yáng)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(yáng)直射輻射的能量，就必須定義一些角度。太陽(yáng)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。 太陽(yáng)高度角α和太陽(yáng)方位角γ s:從地面某一觀測(cè)點(diǎn)向太陽(yáng)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(yáng)的高度角。其中α +θ z=90176。并規(guī)定，向西為正，向東為負(fù)。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。 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(yáng)輻射量主要取決于太陽(yáng)入射角 θ，而θ是太陽(yáng)赤緯角δ、太陽(yáng)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(yáng)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。15176。地球自轉(zhuǎn)一周為360176。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。及 30176。 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(yáng)能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽(yáng)能?，F(xiàn)就這三種跟蹤方案做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹 和比較。 該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過(guò)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。工程生產(chǎn)中必須要求機(jī)械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。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(guò)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)。太陽(yáng)光垂直照射地面時(shí) ,兩塊電池板上得到的太陽(yáng)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。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確 ,電路也比較簡(jiǎn)單 。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。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。但一計(jì)算過(guò)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(yáng)能利用裝置來(lái)講，該種跟蹤方式并不十分適用。 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(yáng)跟蹤及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 太陽(yáng)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(yáng)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)。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。 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 。信號(hào)采集處理電路如圖 。 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。 光電轉(zhuǎn)換電路可以使用集成運(yùn)算放大器。 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)。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，由 干它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、能直接將太陽(yáng)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。 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。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱為太陽(yáng)能電池。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。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。光電池的光譜特性決定于材料。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm~1100nm，峰值波長(zhǎng)在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 2CR43光電池：面積 10179。開路電壓≥ 550mv。 跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī) C8051F020 的簡(jiǎn)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。 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。 ④真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8通道模擬多路開關(guān)。 ⑥ 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器。 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。 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。電源模塊電路圖見圖 。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。三者之間符合如下關(guān)系： VOUT=VFB(1+R7/R8),其中 VFB 般為 。10 5。 外部時(shí)