【正文】 n of solar energy , the photovoltaic technology based on the photovoltaic effect has a very bord application prospect. In the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light electricity conversion efficiency. The system is based on singlechip, orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculating azimuth and take the time chip advantage of dualaxis stepper motor driven tracking system, make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, to improve the absorption efficiency of solar energy. At present, the design of a simple formula was only for calculating the data, the eastwest to the point of view will be changed once an hour, the northouth perspective will be changed once a day, and then the MCU to return to control things through the night to determine, as well as every haif a year to track the direction of the northsouth change in control. Because of the time and the current limitations of the knowledge of the author’s , the tracking system to track the point of view is rough , there are many errors , if the opportunity arised the design will be iomproved in the future. Keywords: solar cells Inrradiation angle of sun tracking automatically singlechip Stepping motor 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 一 、 概述 （一） 能源與環(huán)保 隨著時(shí)代的前進(jìn)，人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時(shí)人類社會(huì)的負(fù)擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。目前世界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。 由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬(wàn)噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。這一問(wèn)題己提到全球的議事日程，有關(guān)國(guó)際組織己召開(kāi)多次會(huì)議，限制各國(guó) COZ等溫室氣體的排放量。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關(guān)注。占人們能源消費(fèi)的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。天然氣儲(chǔ)備估計(jì)在 13180~152900兆立方米，年開(kāi)采量維持在 2300兆立方米，將在 57一 65年內(nèi)枯竭 。鈾的年開(kāi)采量目前為每年 6萬(wàn)噸，根據(jù) 1993年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到 21世紀(jì) 30年代中期，核聚變?cè)?2050年前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的希望。新能源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。其中太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在全世界蓬勃發(fā)展，使人們?cè)谀茉次C(jī)的焦慮中，感到不少欣慰。煤炭 ，石油都是古時(shí)候由動(dòng)物或植物存儲(chǔ)下來(lái)的太陽(yáng)能。而相對(duì)于日益枯竭的化石能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能似乎是未來(lái)社會(huì)能源的希望所在。有如下的優(yōu)點(diǎn) : “無(wú)限性” 太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源，可利用能量巨大。其中到達(dá)地球的能量高達(dá) X 1011kW,穿過(guò)大氣層到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能大約為 。太陽(yáng)的壽命至少尚有 40億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)可源源不斷供給地球能源的時(shí)間可以是無(wú)限的。這就決定了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解決常規(guī)能源缺乏、枯竭的最有效途徑。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問(wèn)題提供了美好前景。 可以從兩個(gè)方面看太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性。二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽(yáng)能利用己具經(jīng)濟(jì)性。 （三） 國(guó)內(nèi)外太 陽(yáng)能應(yīng)用的現(xiàn)狀 我國(guó)地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。在我國(guó)廣闊富饒的土地上，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。 我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于 2200h，太陽(yáng)輻射總量高于 50165852MJ/（ m2? a） ,面積約占全國(guó)總面積的 2/3以上。太陽(yáng)能發(fā)電又分為光伏發(fā)電，光化學(xué)發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。世界光伏產(chǎn)業(yè)從 1999年的 201MW增加到 20xx年的 1100MW。日本通產(chǎn)省 (MITI)第二次新能源分委會(huì)宣布了光伏、風(fēng)能和太陽(yáng)熱利用計(jì)劃 ,20xx年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到 5GW。美國(guó)能源部制定了從 20xx年 1月 1日開(kāi)始的 5年國(guó)家光伏計(jì)劃和2020～ 2030年的長(zhǎng)期規(guī)劃 ,以實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源、環(huán)境、社會(huì)發(fā)展和保持光伏產(chǎn)業(yè)世界領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略目標(biāo)。發(fā)展中國(guó)家的光伏產(chǎn)業(yè)近幾年一直保持世界光伏組件產(chǎn)量的 10%左右。 其中印度近幾年發(fā)展迅速 ,居發(fā)展中國(guó)家領(lǐng)先地位 ,目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約 10MW,累計(jì)安裝量 40～ 50MW。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要方式 , 隨著國(guó)家西部開(kāi)發(fā)政策的推行及光明工程的實(shí)施 , 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)取得了較快發(fā)展。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 能到達(dá)的地區(qū)。 20xx年我國(guó)系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量為 70MW，《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，承諾 20xx年太陽(yáng)能光伏累計(jì)裝機(jī)容量 450MW。 雖然我國(guó)太陽(yáng)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，光伏產(chǎn)業(yè)還處于成長(zhǎng)期。 （ 四 ） 幾種主要的太 陽(yáng)能發(fā)電裝置 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程是：太陽(yáng)輻射熱被定日鏡反射集中后，被塔頂?shù)慕邮掌魑?，接收器上的聚光倍率可超過(guò) 1000倍。其概念設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)如圖 ，整個(gè)系統(tǒng)由 4部分組成 :聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。由于接收器的安裝是固定不變的，為了使一天中所有時(shí)刻的太陽(yáng)輻射都能通過(guò)反射鏡面反射到固定不動(dòng)太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 的接收器上，反射鏡必須設(shè)置跟蹤裝置，跟蹤過(guò)程當(dāng)中要確保定日鏡的反射光線方向保持不變。對(duì)于定日鏡來(lái)說(shuō)，如果入射光線在太陽(yáng)方位角和高度角方向分別偏轉(zhuǎn) ? 角度時(shí)，定日鏡也需要各自在方位角和高度角方向偏轉(zhuǎn) ? /2角度。所以，在太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，塔式電站的控制系統(tǒng)最為復(fù)雜。定日鏡采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié) 合的方式進(jìn)行跟蹤，當(dāng)定日鏡和接收器表面最大距離為 300m時(shí)，其跟蹤誤差為 91m，跟蹤角度精度達(dá)到 19176。 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由聚光電池陣列、架體、方位和仰角驅(qū)動(dòng)器、跟蹤器、控制器組成。聚光電池陣列由若干聚光電池串并聯(lián)構(gòu)成，若干陣列的串并聯(lián)還可構(gòu)成不同規(guī)模的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。它通過(guò)聚光器而使較大面積的太陽(yáng)光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑 ” 或“ 焦帶”，并將太陽(yáng)電池置于 這種“ 焦斑 ” 或 “ 焦帶 ” 上，以增加光強(qiáng)，克服太陽(yáng)輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 的電能輸出。如果聚光倍率增加到幾十倍以上，聚光太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，一般應(yīng)大于20%,且需耐高倍率的太陽(yáng)輻射，特別是在較高溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能要得到保證，故在半導(dǎo)體材料選擇、電池結(jié)構(gòu)和柵線設(shè)計(jì)等方面都要進(jìn)行一些特殊考慮。 太陽(yáng)聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅爾透鏡，它是 利用光在不同介質(zhì)的界面發(fā)生拆射的原理制成的，具有與一般球面透鏡相同的作用。菲涅爾透鏡也是聚光電池模塊的主要部件，具有體積小、重量輕、加工方便、透光率高等特點(diǎn)。它是電池模塊外罩的一部分，電池組件的散熱器位于電池外罩的陰影里 (正常跟蹤狀態(tài) )，不被太陽(yáng)光直射，因而便于散熱，使電池的溫度低，效率較高。跟蹤過(guò)程當(dāng)中就是要確保太陽(yáng)光線與透鏡的中軸線平行。 。 碟式系統(tǒng)也稱盤式系統(tǒng)。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)大體上由 3部分組成 :旋轉(zhuǎn)拋物面太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 反射鏡、接收器和跟蹤裝置。在焦點(diǎn)處放置陽(yáng)光接收器，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力發(fā)電裝置發(fā)電 。 這種系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，作為無(wú)電邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型電源，一般功率為 1025kW，聚光鏡直徑約 1015m。 旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡一般有幾十塊鏡面組構(gòu)而成，用剛結(jié)構(gòu)環(huán)作支撐體，整個(gè)盤鏡通過(guò)太陽(yáng)高度角和方位角齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架上，通過(guò)雙軸跟蹤裝置控制即時(shí)跟蹤太陽(yáng)。圖 式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)裝置。但是這種跟蹤方式算法復(fù)雜，成本高，太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 對(duì)于小型碟式發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以考慮使用高精度傳感器跟蹤裝置來(lái)降低成本。 (1)單軸跟蹤一般采用 ： 傾斜布置東西跟蹤 ； 焦線南北水平布置，東西跟蹤 ； 焦線東西水平布置，南北跟蹤。 圖 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤） 圖 3種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸 (或 焦線 )東西向布置，根據(jù)事先計(jì)算的太陽(yáng)方位的變化 ， 太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。而在早上或下午太陽(yáng)光線都是斜射。 (2)雙軸跟蹤又可以分為兩種方式 :極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。工作時(shí)太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面繞極軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽(yáng)方位角 :反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)是為了適應(yīng)太陽(yáng)高度角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。 圖 極軸式跟蹤 高度 角 方位角式太陽(yáng)跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖 。工作時(shí) 太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分根據(jù)太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的傾斜角，從而使能量轉(zhuǎn)換部分所在平面的主光軸始終與太陽(yáng)光線平行。 圖 高度 方位角式全跟蹤 目前 ， 國(guó)外對(duì)于太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置 (或稱為太陽(yáng)跟蹤器 )的研究有，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，而南北太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 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%。 20xx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。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過(guò)日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤。 1929 年推出了太陽(yáng)灶 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 。 不論是 單 軸跟蹤或 雙軸跟蹤，太陽(yáng)跟蹤裝置可分為 ： 時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤裝置幾種。根據(jù)太陽(yáng)在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽(yáng)光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽(yáng)光接收器根據(jù)太陽(yáng)的位置而相應(yīng)變動(dòng)。這 樣反射器就能全年和入射陽(yáng)光相垂直，達(dá)到跟蹤太陽(yáng)的目的。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡(jiǎn)單。太陽(yáng)的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對(duì)這種屬于被動(dòng)式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開(kāi)始工作時(shí)調(diào)整角度以對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進(jìn)行校正。首先利用一套公式通過(guò)計(jì)算機(jī)算出在給定時(shí)間的太陽(yáng)的位置，再計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置 ，最后通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 裝置達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。首先計(jì)算出太陽(yáng)的位置，然后求出每個(gè)反射鏡要求的位置，再通過(guò)固定在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 (高度角和方位角跟蹤軸 )上的 13位增量式編碼器得到反射鏡的實(shí)際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實(shí)際上所處的位置進(jìn)行比較，偏差信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng) 機(jī)，使反射裝置對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤 I38)。 （ 3） 壓差式太陽(yáng)跟蹤裝置 .武漢市電子產(chǎn)品研究所，參考國(guó)外單軸跟蹤太陽(yáng)時(shí)角的熱水器，研制了一種壓差式單軸太陽(yáng)跟蹤器，現(xiàn)己用在太陽(yáng)能熱水器上。為了取得太陽(yáng)的偏移信號(hào)，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器。 .IMPa的自來(lái)水作為跟蹤動(dòng)力 (若無(wú)自來(lái)水，可裝一只容積為 ZL的壓力水箱 )。 與此相類似的太陽(yáng)跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。跟蹤器是裝在太陽(yáng)能利用裝置樞軸兩側(cè)的一對(duì)裝有低沸點(diǎn)液體的密閉容器。在容器的適當(dāng)位置裝有太陽(yáng)能擋板，只有在裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)輻射能才可等量地照射到兩個(gè)容器上。液體多