太阳光自动跟踪系统研究

青岛科技大学本科毕业设计论文3 1 绪论1.1 课题背景1.1.1 当今世界的能源分析当今世界能源问题已经成为人类需要迫切解决的一个问题 [1] ， 特别是随着石油和煤这两大能源的大量开采和使用。寻找替代能源都已成为世界各国的紧迫任务，就当前形势来看，太阳能是一种取之不尽，用之不绝的绿色能源，世界各国都投入大量的人力，物力，财力争相发展太阳能技术，太阳能大规模利用已经成为 21 世纪人类社会发展进步的重要标志。太阳是离地球最近的一颗巨大而灼热的星球，中心温度高达约 120 万摄氏度，压力高达 3.4 1016 Pa , 在那里时刻进行着核聚变反应，就像一颗颗巨大的氢弹在连续不断地爆炸 , 它所释放的总能量高达 3.83 1020MW， 其中仅有 1/ 2.2 108 到达地球大气层上面。 在这些到达地球的能量中， 30被大气层反射回宇宙空间， 23被大气层吸收，只有 47即 8.2 1010 MW能够到达地球表面。太阳能除去数量巨大之外，还能长期供给，理论计算太阳还能维持数十亿年之久，并且太阳能随处都有，不需开采和运输，没有任何污染的清洁能源。这些都是它的独特之处，不过太阳能也有它的不足，它能量密度很低，只有1W/m2 ，并且受气候影响，这些又给太阳能的利用带来很大困难。1.1.2 太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点[2]第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的 11 亿年中，太阳只消耗了它本身能量的 2，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，可以就地开发利用，不存在运输成本问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废弃物，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用有它的缺点太阳光自动跟踪系统的研究4 第一，能流密度较低，日照较好的地面上 1 平方米的面积所接受的能量只有 1 瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.1.3 我国太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为 50 1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达 335～ 837kJ／cm2 a，中值为 586kJ／ cm2 a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在 4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市， 1961 年至 1970 年的平均值， 年平均日照时间为 3005.7h，相对日照为 68％，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8 ， 太阳总辐射为 816KJ／ cm2 a， 比全国其它省区和同 纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。 例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为 1152.2h， 相对日照为 26％， 年平均晴天为 24.7 天， 阴天达 244.6天，年平均云量高达 8.4 。其它地区的太阳年辐射总量居中。1.2 课题研究的目的和意义本课题研究一种太阳光线自动跟踪系统，使该系统能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率及降低太阳光跟踪成本。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的研究对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义 [5] 。青岛科技大学本科毕业设计论文5 在太阳能利用领域，由于太阳光线的入射方向（方位角和高度角）相对于地球上的某一点位置是不断变化的，为在不同季节不同时间都能最大效率的采集太阳辐射能量，聚光装置必须采用自动跟踪装置随时跟踪太阳。通常聚光比越高对跟踪精度的要求就越高，造价也就越高。因此，从能源利用及经济性等方面综合考虑，低成本的太阳光线跟踪技术具有重要意义。1.3 太阳能利用率的提高太阳能是一种低密度、 间歇性、 空间分布不断变化的能源 [6] ， 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明 [7] 太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差 37.7，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。1.4 太阳能利用的国内外发展现状目前，太阳能发电主要分为光热发电和光伏发电。我们通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池 片 ，有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。光伏发电产品主要用于三大方面一是为无电场合提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯等；三太阳光自动跟踪系统的研究6 是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。截至目前，中国并网发电还未开始全面推广，不过， 2008 年北京奥运会部分用电是由太阳能发电提供的。在国外， 以德国为典型案例来看， 2012 年 5 月 26 日这一天， 德国全国光伏电站峰值功率打到 22GW，达到德国全国正午用电负荷的 50，这一纪录打破了之前的记录。德国研究机构国际再生能源经济论坛（ IWR）估计，这相当于 20座核电站的装机容量。 IWR主管 Norber Allnoch 表示“（太阳能的一大优势）往往被人们忽略，那就是太阳能在用电需求最大的时间提供的发电功率也最大。” 太阳能发电的功率曲线恰巧契合某一地区一天的用电负荷钟形曲线，Allnoch 还表示德国可以进一步减少其燃煤燃气电站和核电站的数量。反观国内，截至 2011 年，中国光伏发电累计装机 3.3GW，只有德国的一成半左右， 而这些累计装机中的 75都是西部荒漠电站， 用户端的分布式利用只占到四分之一，而这四分之一还基本上没能并网。德国案例充分说明， 城市对于太阳能光伏发电仍然有着巨大潜力。 据预测，太阳能发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位， 不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到 2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到 30％以上， 而太阳能发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10％以上； 到 2040 年， 可再生能源将占总能耗的 50％以上， 太阳能发电将占总电力的 20％以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80％以上，太阳能发电将占到 60％以上。这些数字足以显示出太阳能的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。1.5 太阳光自动跟踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面， 我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器， 完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。 1998年美国加州成功的研究了 ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年 2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究， 1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统， 1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。青岛科技大学本科毕业设计论文7 目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪（也叫程序跟踪）；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。太阳光自动跟踪系统的研究8 2 太阳运行的规律和控制方案2.1 太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个 23 27′的夹角， 引起了太阳赤纬角在一年中的变化。 冬至时这个角为 -23 27′， 然后逐渐增大， 到春分时变为 0并继续增大； 夏至时赤纬角达到最大的23 27′。并开始减小；到秋分时赤纬角又变为 0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。赤纬角可由 Cooper1969 的近似计算公式求得δ 23 45sin[360 284n/365] 2-1 式中， δ - 赤纬角， n- 年中的第几天。在一天当中，太阳赤纬变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由太阳时角 ω 表示，太阳在正午时为0，每小时变化 15，上午为正，下午为负。因此有ω 12-T 150 2-2 式中， T-当地时问。图 2-1 地平坐标跟踪系统图Fig. 2-1 The flat earth coordinate tracking system diagram 青岛科技大学本科毕业设计论文9 图 2-2 极轴坐标跟踪系统图Fig.2-2 Polar coordinate tracking system diagram跟踪太阳位置的变化可以使用多种参考坐标系，最为常用的走地平坐标系和极轴坐标系。 如图 2-1 ， 图中 0 点为当地天球的球心， 即观测者和传感器的位置， Z 为天顶， Z′为天底，图 2-2 中的 P 为北天极， P′为南天极。卯酉圈与地平圈相交的东点为 E，西点为 W；子午圈与地平圈相交的南点为 S，北点为 N； G为太阳在天球上的瞬时位置。为了便于观察，将系统简化为两根轴，静止轴为jj ′，运动轴为 dd′，并假定两轴线互相垂直。图 2-1 为地平坐标跟踪系统，水平面为基本面， 坐标为高度角 用圆弧 GG′表示 和方位角 用圆弧 SG′表示 ，在跟踪过程中， 铅垂轴 jj ′相对于地平坐标系为静止状态， 水平轴 dd′则在水平面内绕铅垂轴转动。图 2-2 为极轴坐标跟踪系统，天文赤道面为基本面，坐标为时角 用圆弧 S′ G′表示 和赤纬 用圆弧 GG′表示 ， 跟踪过程中极轴 jj ′相对于极轴坐标系为静止状态，赤纬轴 dd′则在赤道面 或其平行面 内绕极轴转动 [10] 。因为在天球上的所有圆圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾画出的圆。同时由于铅垂线所具体代表的垂线，以及由水准仪所定出的水平线是在几何坐标系中惟一能容易直接观测的参考方向，所以地平参考系一直是实用中必不可少的媒介系统。在实际观测中，最重要的几何坐标系就是以地方天文地平作为基本参考圈的地平坐标系。因此，目前多种太阳能发电装置均采用地平坐标系。太阳光自动跟踪系统的研究10 由以上讨论可知，不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。换算公式如下。1 太阳高度角 HsinHsin δ sin Φ cos δ cosΦ cosω 2-3 2 太阳方位角 AsinA cosδ sin ω /cosH 2-4 式中， Φ 一观测点的地理纬度，赤纬角占和时角出由前面 2-1 ， 2-2 式计算。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。 在应用中， 全球定位系统 GPS可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。2.2 太阳运行轨迹的跟踪方式目前国内外采用的跟踪方式很多，但主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方式，下面就这两种跟踪方式进行分析比较，并提出适合本跟踪系统的跟踪方式。2.2.1 视日运动轨迹跟踪由 2． 1 中介绍可知，太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点太阳的位置，从而完成对日跟踪。视日运动轨迹跟踪依靠计算太阳的准确位置然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。青岛科技大学本科毕业设计论文11 图 2-3 视日轨迹跟踪装置示意图Fig. 2-3 trajectory tracking device, depending on the diagram 如图 2-3 为塔式太阳能热发电站中采用的视日轨迹跟踪装置示意图。从上世纪 80 年代美国的 Solar One 到 2005 年西班牙的 PSIO均采用这种控制方式。该跟踪方式优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定的跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具有很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，该跟踪系统还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，成本较高。根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置分为单轴和双轴两种。（因为大都采用双轴跟踪，故下面主要讲后者。 ）1 ．单轴跟踪单轴跟踪装置一般采用三种方式1 倾斜布置东西跟踪；2 焦线南北水平布置，东西跟踪；3 焦线东西水平布置，南北跟踪。2．双轴跟踪电机及减速装置 2 度角度传感器 1 电机及减速装置 1 角度传感器2 定日镜太阳光自动跟踪系统的研究12 如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式极轴式全跟踪和高度角 - 方位角式全跟踪。1 极轴式全跟踪极轴式全跟踪是指聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。2 高度角 - 方位角全跟踪高度角 - 方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上， 如图 2-4 所示， 两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内， 支持机构容易设计。 但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。青岛科技大学本科毕业设计论文13 图 2-4 高度角 - 方位角全跟踪Fig. 2-4 highly horn-all the azimuth Angle tracking 2.2.2 光电跟踪传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统 [11] ，原则上由三大部件组成 位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统框图如图 2-5 所示。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行件。方位轴俯 仰光伏电池阵列太阳光自动跟踪系统的研究14 图 2-5 跟踪系统框图Fig.2-5 Tracking system diagram 下面对 2001 年 应用光学 杂志介绍的一种五象限法太阳跟踪仪做一简单介绍，下图为五象限光电转换器原理。在半径为 R 的大圆内有一个半径为 R/2的小圆，将大圆与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与 X 轴均成45，小圆为第 V 像限。图 2-6 五象限光电转换器原理Fig.2-6 Five quadrant photoelectric commutator principle 在上述 5 象限中为跟踪定位测向象限， V象限为主测象限。 将 5 片面积、 性能、参数相同的光电池安装在所设计的 5 个象限内，当阳光照射到 5 片光电池上时必然产生光电流，光电流强度与光强成正比。为了测量准确， 在光电池前放置可调光学镜筒， 将一个凸透镜放在镜筒前，透镜安放在镜筒的最外沿，如图 2-7 所示。当光线经过透镜照到镜筒底部的 5片光电池上时，调节筒的长度，使光斑正好完全覆盖 5 片光电池。当太阳光与光轴成一角度时， 光线经过透镜照射到 5 片光电池上形成的光斑必然发生偏移，如图 2-8 所示。阴影部分为光线照到的部分，此时有的光电池不能被光斑完全青岛科技大学本科毕业设计论文15 覆盖，因此各光电池产生的光电流不尽相同，将光电流差经过一系列处理后输入到跟踪头，驱动电机动作 , 调节跟踪装置 , 直到 4 个象限光电池输出的图 2-7 镜筒结构Fig.2-7 Mirror tube structur e 图 2-8 光线与光轴不垂直时Fig.2-8 Light and vertical axis not 光电流相等，此时太阳光线与透镜光轴平行，驱动电机无动作。为了使测量跟踪装置更安全、可靠，该装置采用 V 象限主测光电池进行光强测量和判断， 使装置在夜晚停止工作。 将第 V 象限的电压 V1与外来控制电压V2进行比较， 可选择合适的 V1 控制测量跟踪装置的工作状态， 在夜晚时 V2V2，装置正常工作。光电跟踪是国内外常用的跟踪方法，使用光敏管，将两个光敏管分别置于光伏电池阵列平面的两个点上，当太阳光线直射光伏阵列时，若光敏管将光信号转换成电信号后的数值偏差在规定范围内，即两个测试点光强信号的偏差很小，电机不转动。但随着太阳的位置发生变化，光敏管检测到的电信号偏差逐渐增大而超出了规定范围，经放大电路将偏差信号放大，控制跟踪装置产生动作而重新使光伏阵列与太阳光线保持垂直，对准太阳，完成跟踪。太阳光自动跟踪系统的研究16 理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有关系，不可能无限制增长，通常镜筒长度，以取 10-30cm 为宜。系统的位置精度，基本决定于传感器的精度，因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度，光电池只要能捕捉到透镜聚焦的光斑就可以跟踪太阳，且结构设计较为简单。因此光电跟踪具有结构设计方便，跟踪准确度高等优点。但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误操作[12]。除了采用光敏管之外，对于一个由许多块光伏组件组成的光伏阵列，还可以直接利用阵列上两块输出特性相同的光伏组件来代替光敏管，它们既可以用作光电转换的电池，又可以用于光信号的检测。太阳光垂直照射光伏阵列平面时，两块电池组件上得到太阳光的能流密度完全相同，因而产生的电流输出也相同，此时控制方位的电机不转动。当太阳位置发生变化时，如果两块光伏电池组件的输出电流超出规定范围，则利用偏差信号驱动电机转动，使阵列重新对准太阳，完成跟踪。其优点是电路结构更加简单，省去了光敏管，且跟踪准确度比较高，但仍然存在由天气原因导致的无法跟踪问题。2.2.3 视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合视日运动跟踪和光电跟踪都存在一定的局限性。对于视日运动跟踪，主要是在开始运行之前需要精确定位，太阳角度计算时容易产生误差，且产生误差后不能自动进行调整等，因此需要定期人为调整跟踪装置。而光电跟踪经常由于天气问题，出现不跟踪或错误跟踪的情况，特别在多云的天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运动，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。本文提出的将视日运动跟踪和光电跟踪相结合方案是指，在视日轨迹跟踪中采用简化的太阳位置算法对太阳光线进行粗略跟踪，当粗略跟踪结果满足精度跟踪要求，即光电传感器能捕捉到正常工作所需的太阳光线时，则采用光电传感器进行精确定位。由于视日轨迹粗跟踪采用了简化的数学算法，因此可以采用成本较低的控制器替代昂贵的控制器。视日轨迹跟踪可以克服单一光电传感器跟踪存在的跟踪范围窄、粗跟踪不稳定等问题，而光电传感器跟踪则避免了视日轨迹跟踪中的误差累积和需要定时修正的问题。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。因此，本文采用两种跟踪方式相结合的方法，同时将光电跟青岛科技大学本科毕业设计论文17 踪方式作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为补充，这样一方面可以发挥光电跟踪的优势，使跟踪更加准确另一方面可以在阴天等特殊天气环境下继续跟踪太阳。2.3 本章小结本章通过对太阳运动规律的分析给出太阳高度角和方位角的计算方法；介绍了视日运动轨迹跟踪的单轴和双轴跟踪，分别介绍并比较了视日运动轨迹跟踪和光电跟踪方式的利弊，最后选择视日运动跟踪和光电跟踪相结合的控制方法。太阳光自动跟踪系统的研究18 3 控制系统总体设计3.1 控制系统所要实现的功能分析太阳自动跟踪装置控制系统需要实现的功能就是通过发出控制信号对跟踪系统机械执行机构的角度进行精确控制，实现对太阳运行轨迹的跟踪。并要求整个系统能够自动处理各种因天气状况引起的误判断， 能够全天候的自动运行，结构简单可靠，由于系统对控制对象移动速度要求不高，只要求位置角度的精确控制，因此用步进电机作为控制部件。若单独采用视日运动跟踪方法，根据 2.1 介绍的太阳跟踪方法和太阳运行轨迹的算法，可根据当地的纬度、时间、日期就计算出某一时刻的太阳高度角和方位角。通过控制系统可完成对太阳高度角和方位角的跟踪。但是利用太阳运行轨迹算法计算时，会有计算误差，并且机械执行机构在运行、安装时也会产生系统误差，因此如果单独采用视日运动轨迹跟踪方法并不能实现系统对太阳运行轨迹的精确跟踪。若在系统运行中发生断电等异常情况后，再次工作时会产生跟踪混乱。 若单独采用光电跟踪， 由于系统易受外界干扰也不能保证系统对太阳运行轨迹的精确跟踪。在 2.2.3 节中提出的视日运动跟踪和光电跟踪相结合的工作方式，有效的弥补了单独采用一种方法进行跟踪的缺陷。本文采用光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日跟踪方式作为辅助方式的方法进行跟踪。在光线较强时，采用光强检测电路检测光线偏差进行光电跟踪， 若遇到乌云长时间遮挡等天气情况时，系统自动转为视日运动跟踪方式。这样既提高了系统的跟踪准确度又提高了系统的可靠性，能够保证系统全自动准确的跟踪太阳运行轨迹。系统具有自动复位的功能，在日落后能够自动控制机械执行机构回复到基准位置，并且停止转动，在第二天日出时刻自动从跟踪初始位置，进行新一天的跟踪。3.2 控制系统的工作过程在一天中阳光充沛的时段里，系统采用光电跟踪方式，当太阳光照射到传感器上时， 把太阳能电池板和太阳位置偏差给出的传感信号， 经过前置放大器、电压跟随器后保存到控制器中，由控制器按照预先设定的程序进行一定的处理青岛科技大学本科毕业设计论文19 后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而转动，从而达到跟踪的目的。若遇到天气突变，程序自动转为视日跟踪。这两种跟踪方式都进行方位角和高度角两个角度的精确调节。下面以青科大自动化学院楼楼顶为例来具体介绍本控制系统的工作原理。首先，可以设置一个定时器，控制视日轨迹跟踪系统工作的时间，比如早晨 6 00。 此时， 视日轨迹粗跟踪开始， 由控制器根据外部时钟提供的日期和时间以及当地地理经纬度，计算出太阳的粗略位置，编码器不断检测聚光器的当前位置，根据两者的偏差驱动聚光器向目标位置运动。同时传感器不断检测光强，若光强满足精确跟踪阈值，则退出粗跟踪，进入传感器精确跟踪。跟踪过程中主控制器不断与上位机通信将当前跟踪信息发送给监控装置记录实验数据。系统组成如下图 3.1 所示。图 3.1 控制系统结构组成Fig. 3.1 control system structure 太阳光自动跟踪系统的研究20 3.3 系统硬件结构设计系统的整体结构如图图 3.2 太阳光自动跟踪系统结构示意图Fig. 3.2 sunlight to be automatic tracking system structure schematic drawing 整个系统硬件设计分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统的硬件设计两大部分。硬件框图如下青岛科技大学本科毕业设计论文21 图 3.3 系统硬件框图Figure 3.3 diagram of the system hardware各硬件所实现的主要功能如下太阳方位和光强检测传感器分别用于检测太阳的方位信息和光强信息；太阳方位和光强检测电路分别用于实现光电检测信号的 I/V 转换和电压放大； A/D 转换器主要用作光电检测输出信号的模拟量输入通道；外部时钟用于向计算机提供准确的年、月、日、时、分、秒等时间信息；计算机用于控制 A/D 转换器进行光电检测信号的采集，并实现对步进电机的运动控制；高度角和方位角电机分别用于带动太阳能电池板进行俯仰运动和水平旋转运动；太阳能电池板主要将太阳能转换为电能并输送给充放电控制器；太阳光自动跟踪系统的研究22 充放电控制器主要对蓄电池组进行充放电控制以及直流电能的输出；逆变器和 DC/DC 变换器分别将充放电控制器输出的直流电转换为交流电和其他幅值的直流电，供相应的负载使用。3.4 核心控制器件的选取本课题研究的太阳自动跟踪系统为计算机控制系统，该系统中计算机主要是用来控制跟踪执行机构带动太阳能电池板转动的。计算机根据太阳方位检测模块和光强检测模块检测到的太阳方位信号和光强信号，并结合太阳运动轨迹跟踪模块计算出的太阳高度角和方位角的理论值，实现对跟踪执行机构中两个步进电机的控制，进而实现对太阳的跟踪。该系统需要的工作速度不是很高，且数据处理量不大，因此结合设计成本及设计要求，本系统决定采用常见的MCS-51 系列单片机作为控制核心。3.4.1 单片机的选取本系统设计采用 ATMEL 公司的 AT89C51 作为微处理器。 AT89C51 是一种低电压、高性能的 8 位微处理器，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚完全兼容，其单片集成度高、处理能力强，与以往惯用的 8031CPU 外加 EPROM 为核心的单片机系统相比，在硬件上具有更加简单、方便的优点 [13] 。 AT89C51 单片机的主要特点如下片内含有 4K 字节的 Flash 存储器，地址为 0000H 0FFFH； 128 字节的内部 RAM； 5 个中断源， 2 个 16 位定时 / 计数器， 4 个 8 位 I/O 口；可编程串行通道；工作频率为 0～ 24MHz；可电擦写 1000 次，数据可保留 10 年；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。因此， AT89C51 是一种功能强、灵活性高、价格合理的单片机，可很方便地应用于本控制系统中，且完全能够满足系统的工作要求。 AT89C51 芯片是用CHMOS 工艺制造，功耗低；青岛科技大学本科毕业设计论文23 I/O 口有较大的带负载能力，拉出电流可达 25mA，可简化外围电路；执行速度较高；且具有程序加密性好、价位低廉等优点。图 3.4 是 AT89C51 的引脚结构图，共有 40 个引脚。有双列直插封装 DIP 方式和方形封装方式。图 3.4 AT89C51 的引脚结构图Fig. 3.4 AT89C51 of pins structure 3.4.2 单片机的外围接口设计在太阳自动跟踪系统中， AT89C51单片机是整个系统的控制核心， 起着协调太阳方位检测、光强检测、数据采集、外部时钟以及驱动控制等各模块工作的作用，使系统稳定运行。系统设计中 AT89C51 外围端口的分配情况如表 3-1 所示。表 3-1 中， P0.0～ P0.2 为单片机与外部时钟 DS1302 的通信控制端口， 通过 DS1302 为单片机提供实时时间信息。 P2.0～ P2.7 为 A/D 转换器数据线 D0～D7，用于将 A/D 转换后的太阳方位和光强检测电路的输出信号输入到表 3-1 单片机端口分配表Tab. 3-1 Microcontroller port distribution list 太阳光自动跟踪系统的研究24 端口号 功能描述P0.0 ～ P0.2 外部时钟，连接 DS1302 P2.0 ～ P2.7 A/D 转换器数据线 D0～ D7（ P0.0 为最低位）P2.0 ～ P2.2 A/D 转换器地址信号（ P0.2 为最高位）P0.7/P3.6/P3.7 A/D 转换器控制信号P1.0 A/D 转换器结束标志P1.1 ～ P1.2 方位角步进电机控制信号（脉冲、方向）P1.3 ～ P1.4 高度角步进电机控制信号（脉冲、方向）ALE 6 分频脉冲输出单片机中。 P0.7 和 P3.6 的与非逻辑输出用于控制 ADC0809 的 START 和ALE 端，当单片机完成一次向外写数据过程， START 和 ALE 获得一个正脉冲，启动 A/D 转换，并且通过写数据使得 A/D 转换器获取 P2.2～ P2.0 上的地址信号。 直到 A/D 转换完毕， A/D 转换器的 EOC 端输出上升沿， 单片机通过 Pl.0 获取此上升沿， 启动向外部写数据过程， P0.7 和 P3.7 的与非逻辑输出控制ADC0809 的 OE 端，当单片机启动写操作时， OE 获得正脉冲，将数据送到数据线 P2.7～ P2.0 上， 供单片机读取并处理。 这样就完成一次 A/D 数据采集过程，并且可通过单片机内部程序控制 A/D 转换器对各路输入信号依次采样，这样就可完成多路模拟信号的数据采集。 Pl.1 ～ Pl.4 为两个步进电机的控制信号输出端，包括脉冲信号、方向信号及模式信号。其中，高度角和方位角步进电机分别为带动太阳能电池板做俯仰运动和水平旋转运动的步进电机。3.4.3 单片机对步进电机的驱动控制计算机控制模块主要是对步进电机进行运动控制。由于太阳自动跟踪系统要实现跟踪执行机构位置角度的精确控制，并且对跟踪执行机构的移动速度要求不高，因此本系统采用步进电机作为跟踪执行部件。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方法。 本控制系统采用串行控制方法， 采用串行控制时单片机与步进电机驱动器之间只有两条控制线， 一条用来发送时钟脉冲串， 另一条用来发送方向电平信号。相应的驱动控制框图如图 3.5 所示。青岛科技大学本科毕业设计论文25 图 3.5 步进电机的驱动控制框图Fig. 3.5 Stepping motor driver control diagram 单片机输出的脉冲和方向电平信号都被送入步进电机驱动器的环形分配器的输入端，由环形分配器来完成电动机各相励磁的分配及顺序转换。由于单片机和驱动器之间只有两条控制线，系统构成简单。系统从脉冲控制线按电动机旋转速度的要求发出相应周期间隔的脉冲，即可使电动机旋转。当需要电动机恒转速运行时，就发出恒定周期的脉冲串；当需要加减速运行时，就发出周期递减或周期递增的脉冲串；当需要锁定状态时，只要停止发脉冲串就可以了。由此可以方便的对电动机转速进行控制。方向电平控制线可实现对电动机方向的控制，为低电平“ 0”时，环形分配器按正方向进行脉冲分配，电动机正向旋转； 而为高电平 “ 1” 时， 环形分配器按反方向进行脉冲分配， 电动机反向旋转。这样就可以方便地对两个步进电机进行运动控制，进而实现太阳自动跟踪。3.5 太阳方位检测模块3.5.1 太阳方位检测传感器在光电跟踪中，通常将若干个光电特性相近的某种光敏器件（如光电二极管、光敏电阻、硅光电池等）以一定的位置关系对称放置，并与相应的运放电路相连，构成太阳方位检测传感器。这种传感器利用光敏器件在光照下产生的光电流与光照面积和光照强度成正比，且随着太阳方位变化而改变的原理，间接地确定太阳的偏转方向，进行太阳跟踪。在实际应用中，这种形式的太阳方位检测传感器中的各光敏器件的光电转换效率往往不一致，导致检测误差比较大，很难保证光电跟踪的准确性。为提高光电跟踪的准确性和稳定性，本系统采用一种光电集成器件四象限光电探测器作为太阳方位检测传感器。四象限光电探测器是一种灵敏度很太阳光自动跟踪系统的研究26 高的光电探测器件，由四个光电一致性较好的、相互独立的探测器封装而成，每个探测器又由光敏器件构成。四象限光电探测器是基于四象限定位法进行光电探测的，它的每个探测器分别对应直角坐标系的一个象限，相应的四象限定位原理如图 3.6 所示。太阳直射光线通过图 3.7 所示的通光筒在四象限探测器的圆形光敏面上形成入射光斑，当太阳垂直入射时，光斑在四个象限 A、 B、 C、D 上的分布面积相等，相应地四个象限上探测器输出的光电信号幅值相等；当太阳移动时，光斑在四个象限上的分布发生变化，四个象限上探测器输出的光电信号幅值也相应变化。根据光斑在各象限上能量分布的比例，能够计算出入射光斑的中心位置，从而确定太阳的空间方位，以便跟踪太阳的方位变化。图 3.6 四象限定位原理图Fig. 3.6 Four quadrant positioning principle diagram 青岛科技大学本科毕业设计论文27 图 3.7 通光筒Fig.3.7 The optical tube 用于计算光斑在四象限光电探测器上位置偏移的方法中，比较经典的是四象限加减算法 [14-15] ，计算公式如式（ 3-1 ）和 （ 3-2 ）所示CBDAX SSSSE 3-1 DBAy SScSSE 3-2 其中， SA、 SB、 SC、 SD分别代表光斑在四象限光电探测器四个象限上的分布面积。 Ex 和 Ey