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1、齐齐哈尔大学毕业设计（论文）摘要在太阳能光伏发电领域，为了降低成本，提高太阳能利用率就必须跟踪太阳。利用 廉价的光敏电阻和SPCE061A单片机设计了一种多方向太阳能收集控制系统，实现了大 范围高精度地跟踪太阳。分析了太阳运行规律，在综合分析目前各种太阳能发电系统跟 踪方法特点的基础上，提出了两级跟踪传感器方案。传统一级跟踪传感器可在一定角度 范围内实现高精度跟踪太阳，易出现丢失太阳的情况。为了将跟踪范围扩大，在一级传 感器精定位跟踪的基础上，增加了一级传感器进行粗定位跟踪。当跟踪传感器的中轴线 与太阳光线的夹角很大时，先采用粗定位传感器跟踪太阳，直到中轴线与太阳光线的夹 角在精定位跟踪角度范
2、围内，再采用精定位传感器跟踪太阳，直到传感器跟踪装置的中 轴线正对太阳，这样便实现了高精度、多方向太阳能收集。完成了传感器跟踪系统的硬 件和软件设计，经试验系统的高度角和方位角跟踪范围达到180和270。，跟踪精度可以达到1。两级传感器跟踪装置可用于聚光光伏发电系统、碟式太阳能热发电系统 和塔式太阳能热发电系统，具有结构简单、成本低廉等特点。关键词：太阳能；多方向收集；两级跟踪传感器；光敏元件#AbstractIn the solar application system a solar-tracing device which is simple inexpensive, but with
3、high precision is being sought . The problem of large range tracing is discussed in this thesis. Then a tracing device composed of light sensors and MCU ,SPCE061A is developed The trac ing of the sun and kinds of work ing states of the traci ng-devices are discussed in this thesis. Analyzing the cha
4、racteristics of tracing devices being used in kinds of solar generation systems a tracing device-two level tracing sensors is designedExact orientation tracing can be achieved in the limited angle range with one traditional group of sensors. To enlarge the tracing range, another group of sensors sho
5、uld be added which Can carry out rough orientation tracing. When the included angle between the axis of tracing sensors and sun ray is very large, rough orientation sensors start working until the included angle is in the range of exact orientation tracing. Then exact orientation sensors start worki
6、ng until the axis is parallel with the sun ray. As a result, a large range and high precision tracing are realized by the two level tracing sensors According to the analysis of kinds of functions possessedby the sensor-tracing device hardware and software design has finishe. A simple tracing device
7、is made to make some experiments with the two level tracing sensors the interpretation of which is that the tracing precision Can achieve 1 and the tracing range is 180 in elevation and 270 in azimuth. This two level sensor-tracing device is not only inexpensive but also with simple structure, which
8、 Can be used in concentrical photovoltaic solar energy generation, disk solar energy thermal-generation and tower solar energy thermal-generationKey words： Solar energy A large range tracing； Two level tracing sensors Light sensors齐齐哈尔大学毕业设计（论文）目录摘要IAbstract1J.第1章绪论11.1课题背景及意义11.2多方向太阳能收集研究现状11.3设计主
9、要内容2第2章 总体方案设计 42.1太阳运行规律42.1.1 地球的公转与赤纬角 42.1.2 地球的自转与太阳时 42.2跟踪方案的选择52.2.1 视日运动轨迹跟踪 52.2.2光电跟踪62.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 72.2.4设计跟踪方案72.3系统总体方案设计82.3.1多方向太阳能收集控制系统组成 82.3.2控制系统主要元器件选型8第3章 系统硬件设计 113.1 机械结构设计113.2 光电传感器设计 123.2.1 光电传感器结构设计 123.2.2光电传感器信号处理单元133.3系统电源设计15(1) 伺服模块电路设计 15(2) 角度传感器接口电路 16
10、(3) 风速传感器接口电路 16(4) 通信模块电路设计 17第4章 系统软件设计 182.1 主程序设计184.2键盘消抖19iii齐齐哈尔大学毕业设计（论文）4.3模拟量采集软件设计194.4 电机控制程序设计20第5章系统调试222.1.1 主要硬件的调试225.1.1太阳位置传感器的调试 222. 输入显示模块的调试 223. 电机驱动器的调试 235.2整体调试231. 人工模拟太阳调试 235.2.2室外测试24结论25参考文献26附录27致谢27#齐齐哈尔大学毕业设计（论文）第1章绪论2.3.1 课题背景及意义能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去 200多年，建立在煤炭、石油
11、、天然 气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，大规模使用化石 燃料所带来的严重后果严重阻碍了人们物质生活和精神生活的提高。资源日益枯竭，环 境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。 因此，人类必须寻求一种新的、安全、清洁、可靠的可持续能源系统。我国经济正处在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护 要求的严峻挑战。我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续能源系统最主要的政 策措施是：加强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；坚持节 能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元发展；依靠科技进步
12、，开发利用 新能源和可再生能源等。面临这样一个能源发展的形势，我国鼓励开发风能、太阳能、生物质能等可再生能 源。其中，太阳能因具有储量的无限性、普遍性、清洁性、经济性得到了大力发展，尤 以太阳能发电发展最快。目前，塔式发电、碟式发电、光伏发电等是太阳能发电的主要 方式，但利用率不高。如何最大限度的提高太阳能利用率，仍是国内外学者研究的热点。 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 在国内，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，存在余弦效应的影响，无法保 证太阳光的垂直照射，光伏电池
13、不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。太阳能 的多方向收集为解决这一问题提供了可能，不管是哪一种发电方式，要提高太阳能利用 率就要多方向收集，即跟踪太阳位置，理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接 收率相差37. 7%2。精确的跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高，进而提高了太阳 能发电系统的太阳能利用率，降低了太阳能发电成本，拓宽了太阳能的利用领域。2.3.1 多方向太阳能收集研究现状1994年在德国北部，采用了单轴太阳能跟踪装置的太阳能厨房投入使用。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础， 通过日照温度的变化实现了单轴被动式 太阳跟踪3。单轴太阳能跟踪装置结构简单，制作费用
14、低，太阳能接收效率比固定式装置有较大提高。美国Blaekaee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，接收器的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功研究了 ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板安装有集中阳光的透镜，这样可以 使小块的太阳能面板收集更多的能量，使接收率进一步提高。由于单轴跟踪不能对太阳的南北方向的倾角变化进行自动跟踪，一般只能实现东西方向的太阳跟踪。因此太阳 能接收率相对来说仍较低。随着控制技术的不断发展与控制成本的不断降低，实现对太阳方位角和高度角的精 确跟踪的二轴跟踪技术已成为研究与运用的热点。研究发现，双轴跟踪收集效率比单轴
15、 跟踪收集和固定方式提高 510%和50%。F.R.Rubio提出了一种应用新的控制策略即复 合跟踪系统的双轴太阳跟踪器，包括建立在太阳运动模型上的动态反馈控制器和开环跟 踪策略，使跟踪系统无需准确的安装跟踪器和校准便能高精度的跟踪太阳。在高倍聚光 发电系统方面，AMONIX公司通过GPS卫星定位系统和光敏定向系统开发的高效率聚 光太阳能电池发电（IHCPV）确保双轴液压自动跟踪系统的聚光精度最大不超过0.5o,从而使系统的光电转换总效率高达18%，高于目前平板型硅太阳电池发电系统的光电转换 总效率。获取当地地理位置（包括纬度和经度）信息和时间计算太阳位置，并在方位角 和高度角输出轴上连接位置编码器，实现开环控制法则。国内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，国家气象局计 量站在1990年研制了 FST型全自动太阳跟踪器，具有全自动、全天候、跟踪精度高等 优点，充分保证了太阳辐射观测的需要，大大减轻了观测人员的劳动强度。该跟踪器采 用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的设计弥补了赤道架型太阳跟踪器的缺点。由中国科学院电工研究所、北京科诺伟业科技有限公司联合研制的单、双轴跟踪并网光伏 发电系统以及大型高压并网光伏
