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1、目 录摘要1第1章概述31.1 太阳能的特点31.2 太阳能跟踪技术现状41.3 本章小结8第2章跟踪系统的设计构想及框架92.1 跟踪系统的设计要求92.2 跟踪系统的组成92.2.1 太阳能采集装置102.2.2 转向机构102.2.3 控制部分112.2.4 贮能装置112.2.5 逆变器112.2.6 控制器112.3 太阳照射规律122.3.1 地球围绕太阳的运行规律122.3.2 太阳高度角和方位角的确定132.4 本章小结16第3章机械部分的设计173.1 整体框架的设计173.2 减速装置的选型183.3 驱动电机的选型193.4 本章小结20第4章控制部分的设计214.1 控
2、制器214.1.1 匹配系统214.1.2 并联调节器234.1.3 串联调节器234.2 单片机的选型244.2.1 结构框图:244.2.2 AT89C51的引脚254.3 计时芯片的选型294.4 步进电机驱动芯片的选型314.5 整体电路图的设计344.6 本章小结34第5章程序部分的设计355.1 流程图设计355.2 程序设计375.3 本章小结41结论与展望42参考文献43致44 / 太阳能跟踪机理及系统设计摘要随着以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将越来越适应可持续发展的需要,包括太阳能在的可再生资源将会越来越受到人们的重视。利用洁净的太能,以半导体光生伏打效应为基础
3、的光伏发电技术有这十分广阔的应用前景。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。该系统是以单片机为核心,利用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算,并利用计时芯片以及步进电机驱动双轴跟踪系统,使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线,从而提高太阳能的吸收效率。目前本设计仅通过简单的计算公式得到的数据,对东西向进行每小时一次的角度改变,南北向进行每天一次的角度改变,再通过单片机的判断进行每晚的东西向回归控制以及每半年的南北向跟踪方向的改变控制。由于时间及作者目前的知识限制,跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪,有较大误差,今后如有机会再进行改进。关键字：太阳
4、能电池,太阳照射角,自动跟踪,单片机,步进电机AbstractWith the conventinuous consumption of resources , the conventional enenrgy-based energt strcucture has not already more and more adapt to the needs for sustainable development,sppeing-up the development of and utilization of solar energy , the photovoltaic technology b
5、ased 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 single-chip, orbit the sun elevation angle formula using the sun
6、 and calculating azimuth and take the time chip advantage of dual-axis 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
7、data, the east-west to the point of view will be changed once an hour, the north-outh 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 north-south change in control. Because
8、 of the time and the current limitations of the knowledge of the authors , 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 sin
9、gle-chip Stepping motor第1章 概述1.1 太阳能的特点太阳是一个巨大的能源,万物生长都要依靠太阳,地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭,石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一,因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于日益枯竭的化石能源来说,太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳辐射能与煤炭,石油,核能相比较。有如下的优点:1.储量的无限性太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75 X 1021 kW,极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 X
10、1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1X1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中,到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7 X 1013kW,相当于目前全世界一年消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年,相对于人类历史来说,太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性,太阳能具有储量的无限性,取之不尽,用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。2.存在的普遍性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说,太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可
11、就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。3.利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样,其开发利用时几乎不产生任何污染,加之其储量的无限性,是人类理想的替代能源。4.利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽,用之不竭,而且在接收太阳能时不征收任何税,可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下,有些太阳能利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破,太阳能利用的经济性将会更明显。1.2 太阳能跟踪技术现状现阶段国外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置,
12、东西跟踪；焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪,工作原理基本相似。图1.1 单轴焦线东西水平布置南北跟踪 图1.1是第3种跟踪方式的原理,跟踪系统的转轴东西向布置,根据事先计算的太阳方位的变化,太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式,一天之中只有正午时刻太与柱形抛物面的母线相垂直,此时太阳能接收率最大;而在早上或下午太线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单,但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行,接收太阳能的效果并不理想。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图1.6
13、所示,太阳能设备的能量转换部分的一轴指向天球北极,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。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转,其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化,通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂,但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支承装置的设计比较困难。图1.2 极轴式跟踪高度角-方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪,其原理如图1.7所示。太阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面,另一根轴与方位轴垂直,称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换
14、部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角,绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角,从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高,而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面,支承结构的设计比较容易。图1.3 高度-方位角式全跟踪不论是单轴跟踪或双轴跟踪,太阳跟踪装置可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种。现就地平坐标系跟踪方法的应用对太阳能跟踪系统进一步做一下分析国家太阳能检测中心开发了一套太阳集热器性能测试系统,其中就包括了太阳跟踪器。该中心在集热器性能测试试验中,要求集热
15、器采光面始终垂直太线,入射角偏差不超过5,因此需要对太阳进行实时跟踪。该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式,主要由水平回转转台、垂直回转转台、两台步进电机以及集热器台架组成。集热器固定在台架平面上;水平转台相当于集热器的方位轴,由一台步进电机驱动,绕垂直于当地水平面的轴旋转,用以跟踪太阳的方位角,其控制流程为:步进电机一谐波减速器一水平回转转台。减速器的传动比为1:120,电机转动120时水平转台相应转动1,以步进电机0.360 的步距角计算,当水平转台转动1时,步进电机发出120/0.36个脉冲,山此可以计算集热器方位角为a时步进电机发出的脉冲数为120a/0.36个;另一台步进电机驱动同步带轮带动丝杠螺母旋转,使丝杠进行直线运动,相当于改变俯仰轴转角用以改变集热器的倾斜度,从而跟踪太阳的高度角,其控制流程为:步进电机一同步带轮传递动力卜丝杠螺母一丝杠。同步带轮与丝杠的传动比为2:1,当步进电机转动1圈即360时丝杠螺母转动半圈,丝杠相应走过3rn们n,由此通过集热器台架的倾角变化计算出丝杠直线运动的距离,再经过传动比换算出步进电机应转动的角度,根据0.36的步距角就可以算出相应的脉冲数。试验主程
