太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计

太原理工大学

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目： 太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 要求设计能够自动跟踪太阳以调整太阳能电池板光照摄射角度的系统，以提高太阳能电池的光—电能量转化率。 1、太阳能电池板在0—180℃内自动跟踪太阳，使入射光垂直照射； 2、根据季节变化太阳能电池板可调整维度； 3、该设计的自动跟踪系统使用此太阳能电池板供电力工作； 4、使用该系统后应使用太阳能电池板提高效率≥5% ； 5、此设计系统能够长期室外运行。 第1页

毕业设计（论文）主要内容： 1、调查了解目前太阳能电池板的使用情况、测试垂直照射和不垂直照射的工作效率； 2、查阅资料，掌握MCS—51单片机、控制电机及相关电路的工作原理及应用方法； 3、按本任务书要求完成设计 第2页

毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 1、实习报告。 2、查阅资料记录。 3、毕业设计说明书（包括电路原理图）。 4、设计程序、图纸的电子文档。 第3页

主要参考文献（资料）： 1、《单片机原理》教材 2、《控制电机》教材 3、《传感器原理及检测技术》教材> 4、《模拟电子技术》教材 5、太阳能电池的有关资料（自己检索） 6、相关的地理、天文资料（自己检索） 专业班级 自动化2005级05班 学生 要求设计(论文)工作起止日期 指导教师签字 2009年2月16日—2009年6月20日 日期 日期 日期 第4页 教研室主任审查签字 系主任批 准签字 目 录

摘要 ........................................................................................................................................ - 1 - 一、概述 ................................................................................................................................. - 3 -

（一）能源与环保 ............................................................................................................ - 3 -

1.能源短缺................................................................................................................ - 3 - 2.环境污染................................................................................................................ - 3 - 3.温室效应................................................................................................................ - 3 - （二）太阳能的特点......................................................................................................... - 4 - （三）国内外太阳能应用的现状 ....................................................................................... - 5 - （四）几种主要的太阳能发电装置.................................................................................... - 6 -

1.塔式太阳能发电系统 .............................................................................................. - 6 -

2.聚光光伏发电系统.................................................................................................. - 7 - 3.碟式太阳能发电系统 .............................................................................................. - 8 - （五）太阳能跟踪技术现状 .............................................................................................- 10 - （八）本章小结...............................................................................................................- 22 - 二、跟踪系统的设计构想及框架 .............................................................................................- 23 -

（一）跟踪系统的设计要求 .............................................................................................- 23 - （二）跟踪系统的组成 ....................................................................................................- 23 -

1.太阳能采集装置 ....................................................................................................- 24 - 2.转向机构...............................................................................................................- 24 - 3.控制部分...............................................................................................................- 25 - 4.贮能装置...............................................................................................................- 25 - 5.逆变器 ..................................................................................................................- 25 - 6.控制器 ..................................................................................................................- 26 - （三） 太阳照射规律 ......................................................................................................- 26 - 1.地球围绕太阳的运行规律 ......................................................................................- 26 - 2.太阳高度角和方位角的确定...................................................................................- 27 - （三）本章小结...............................................................................................................- 30 - 三、机械部分的设计...............................................................................................................- 31 -

（一）整体框架的设计 ....................................................................................................- 31 - （二）减速装置的选型 ....................................................................................................- 32 - （三）驱动电机的选型 ....................................................................................................- 33 - （四）本章小结...............................................................................................................- 34 - 四、控制部分的设计...............................................................................................................- 36 -

（一）控制器 ..................................................................................................................- 36 -

1.匹配系统...............................................................................................................- 36 -

2.并联调节器 ...........................................................................................................- 38 - 3.串联调节器 ...........................................................................................................- 39 - （二）单片机的选型........................................................................................................- 40 -

1.结构框图: .............................................................................................................- 40 - 2.AT89C51的引脚 .....................................................................................................- 41 - （三）计时芯片的选型 ....................................................................................................- 45 -

I

（四）步进电机驱动芯片的选型 ......................................................................................- 47 - （五）整体电路图的设计.................................................................................................- 50 - （六）本章小结...............................................................................................................- 50 - 五 程序部分的设计 ................................................................................................................- 51 -

（一）流程图设计 ...........................................................................................................- 51 -

（二）程序设计...............................................................................................................- 53 - （三）本章小结...............................................................................................................- 57 - 结论与展望.............................................................................................................................- 58 - 参考文献 ................................................................................................................................- 59 - 致谢 .......................................................................................................................................- 60 - 外文文献 ................................................................................................................................- 61 -

（一）原文......................................................................................................................- 61 -

（二）翻译......................................................................................................................- 66 -

II

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，包括太阳能在内的可再生资源将会越来越受到人们的重视。利用洁净的太阳光能，以半导体光生伏打效应为基础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阳光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：太阳能电池 太阳照射角 自动跟踪 单片机 步进电机

- 1 -

Abstract

With 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 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 single-chip, orbit the sun elevation angle formula using the sun 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 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 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 single-chip Stepping motor

- 2 -

一、概述

（一）能源与环保

随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面： 1.能源短缺

世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。 2.环境污染

由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。 3.温室效应

化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为1180一1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭;天然气储备估计在13180~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为3亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术

- 3 -

在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。

（二）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 10 kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 X 10kW,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内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

- 4 -

21

11

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。

（三）国内外太阳能应用的现状

我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960万平方公里，占世界陆地总面积的7%,居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为3340 8400MJ/(m2.a)，中值为5852MJ/（m?a）。我国太阳能资源丰富和比较丰富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区，年日照时数大于2200h，太阳辐射总量高于50165852MJ/（m?a）,面积约占全国总面积的2/3以上。

太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划,2010年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑,总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5年国家光伏计划和2020～2030年的长期规划,以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度,2010 年美国光伏销售达到4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的发展水平,达到1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速,居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW,累计安装量40～50MW。因此,到2010年世界光伏系统累计安装容量将达到14～15GW。

太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式, 随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施, 太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不

- 5 -

2

2

能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW，《中华人民共和国可再生能源法》，承诺2010年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看,2006-2020年每年的平均装机容量约60MW。

虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏产业还处于成长期。随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。

（四）几种主要的太阳能发电装置

1.塔式太阳能发电系统

塔式太阳能热发电系统的工作过程是：太阳辐射热被定日镜反射集中后，被塔顶的接收器吸收，接收器上的聚光倍率可超过1000倍。在这里把吸收的太阳七能转换成热能，然后由传热介质经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机发电，最后以电能的形式输出，从而将太阳能转换为电能。其概念设计原理系统如图1.1所示，整个系统由4部分组成:聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统。

图1.1 塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能发电站的聚光子系统是大量按一定排列方式布置的平面反射镜阵列群.它们按四个象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一个巨大的镜场。由于接收器的安装是固定不变的，为了使一天中所有时刻的太阳辐射都能通过反射镜面反射到固定不动

- 6 -

的接收器上，反射镜必须设置跟踪装置，跟踪过程当中要确保定日镜的反射光线方向保持不变。

由几何光学基本知识可知，要使反射光线方向保持不变，当入射光线偏转?角度时，平面镜需要偏转?/2角度。对于定日镜来说，如果入射光线在太阳方位角和高度角方向分别偏转?角度时，定日镜也需要各自在方位角和高度角方向偏转?/2角度。

在塔式系统中，各个定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离，因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的两维控制，且各个定日镜的控制各不相同。所以，在太阳能热发电站中，塔式电站的控制系统最为复杂。

美国太阳Ⅱ号电站是世界上较为典型的塔式太阳能热发电站，是在总结太阳I号电站试运行的基础上，为推进塔式太阳能热发电站商用化进程而建设的先导性工程。定日镜采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的方式进行跟踪，当定日镜和接收器表面最大距离为300m时，其跟踪误差为0.51 m.塔高91m，跟踪角度精度达到19°。 2.聚光光伏发电系统

聚光光伏发电系统由聚光电池阵列、架体、方位和仰角驱动器、跟踪器、控制器组成。如图1.2所示。聚光电池阵列由若干聚光电池串并联构成，若干阵列的串并联还可构成不同规模的聚光光伏发电系统。

图1.2 聚光光伏发电系统的组成

聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的太阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于这种“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多

- 7 -

的电能输出。

聚光太阳电池分两类，一般低倍率的聚光，采用晶体硅太阳电池，适当考虑散热条件即可。如果聚光倍率增加到几十倍以上，聚光太阳电池的光电转换效率，一般应大于20%,且需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。这时普通晶体硅太阳电池已无法承受，必须选用专门的材料和电池结构制造聚光太阳电池。

太阳聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅尔透镜，它是利用光在不同介质的界面发生拆射的原理制成的，具有与一般球面透镜相同的作用。特点是直径很大的菲涅尔透镜可以做的很薄，与球面透镜相比可大大减轻透镜的重量。菲涅尔透镜也是聚光电池模块的主要部件，具有体积小、重量轻、加工方便、透光率高等特点。菲涅尔透镜一方面对太阳光进行聚焦，另一方面对电池组件也起保护作用。它是电池模块外罩的一部分，电池组件的散热器位于电池外罩的阴影里(正常跟踪状态)，不被太阳光直射，因而便于散热，使电池的温度低，效率较高。

图1.3 聚光太阳电池组件模块的结构

太阳能自动跟踪聚焦光伏发电系统是采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高(400倍以上)，可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。跟踪过程当中就是要确保太阳光线与透镜的中轴线平行。

但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏电池上的光斑能量很强，因此聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400时跟踪精度要求小于0.2°。在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。 3.碟式太阳能发电系统

碟式系统也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。碟式太阳能发电系统大体上由3部分组成:旋转抛物面

- 8 -

反射镜、接收器和跟踪装置。碟式太阳能发电系统工作原理比较简单，利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚焦在一点上，即为点聚焦，其聚光比可以高达数百到数千倍。在焦点处放置阳光接收器，加热工质，驱动动力发电装置发电;或在焦点处直接放置发动机组发电，如斯特林发动机组构成的碟式太阳能斯特林发电装置，技术上更为先进。

这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为10-25kW，聚光镜直径约10-15m;也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。

旋转抛物面反射镜一般有几十块镜面组构而成，用刚结构环作支撑体，整个盘镜通过太阳高度角和方位角齿轮传动机构安装在钢结构机架上，通过双轴跟踪装置控制即时跟踪太阳。由于接收器安装在碟式反射镜的焦点上，那么只要碟式反射镜的中轴线跟太阳光线平行，便能保证碟式太阳能发电系统的太阳能转换效率为最大。图1.4为小型碟式太阳能发电系统装置。

图1.4 蝶式太阳能系统发电装置

目前碟式发电系统的跟踪方式和塔式电站中定日镜的跟踪方式完全相同，多采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的跟踪方式。但是这种跟踪方式算法复杂，成本高，

- 9 -

对于小型碟式发电系统来说，可以考虑使用高精度传感器跟踪装置来降低成本。

（五）太阳能跟踪技术现状

现阶段国内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。 (1)单轴跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，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1.5 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪）

图1.5是第3种跟踪方式的原理，跟踪系统的转轴(或焦线)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阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时太阳能接收率最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。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。

(2)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

- 10 -

轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。

图1.6 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阳光线平行。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内，支承结构的设计比较容易。

图1.7 高度-方位角式全跟踪

目前，国外对于太阳光线自动跟踪装置(或称为太阳跟踪器)的研究有，美国 Blackace，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

- 11 -

方向则通过手动调节，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了八JM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多能量，使热收率进一步提JoeLH.Godman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。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。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置1321。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。

近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。1929 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，完成了单轴跟踪，国家气象局计量站在1990 年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。

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。

（1）时钟式太阳跟踪装置是一种被动式的跟踪装置，有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法。根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器以每小时15度的恒速绕日轴转动，以跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动反射器以每天以巧分的恒速绕季轴旋转，以跟踪太阳的赤纬运动。这样反射器就能全年和入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。为了完成这两个方向上的跟踪，机构应该采用子午坐标跟踪系统。这种跟踪装置的主要优点是:结构简单，便于制造，并且该装置的控制系统也十分简单。其主要缺点是:跟踪精度不够。太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。

（2）程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过电机传动

- 12 -

装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。在美国加州建成的10MW太阳1号塔式电站，就是使用这种控制系统，在总计28万平方米的范围内分散着1818块反射镜。首先计算出太阳的位置，然后求出每个反射镜要求的位置，再通过固定在两个旋转轴(高度角和方位角跟踪轴)上的13位增量式编码器得到反射镜的实际位置，最后把反射镜要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，偏差信号用来驱动122.5w的支流电机，使反射装置对太阳运动进行跟踪I38)。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。

（3）压差式太阳跟踪装置.武汉市电子产品研究所，参考国外单轴跟踪太阳时角的热水器，研制了一种压差式单轴太阳跟踪器，现己用在太阳能热水器上。这种太阳能热水器的吸热板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压力达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为。.IMPa的自来水作为跟踪动力(若无自来水，可装一只容积为ZL的压力水箱)。带动镜面跟踪太阳.当镜面对准太阳时，管内压力平衡，压差执行器又发出停止跟踪信号.这种跟踪器的跟踪灵敏度高，每大当太阳刚升起3-5分钟后，镜面即跟踪对准太阳。

与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。

重力差式跟踪器是1799年美国公布的一项专利。跟踪器是装在太阳能利用装置枢轴两侧的一对装有低沸点液体的密闭容器。其中的液体(如氟里昂R一12)可以互相流通。在容器的适当位置装有太阳能挡板，只有在装置对准太阳时，太阳辐射能才可等量地照射到两个容器上。否则一个容器接收的辐射能便较另一个容器多，从而导致液体蒸发上的差异，使容器内的压力不同，于是液体便流向压力低的容器。液体多的容器重量增加，使装置倾斜而跟踪太阳，直至对准时为止。整个装置的重心低于枢轴，以防容器完全翻转。这种太阳跟踪器在夜间能自动返回原来的位置。因为日落后空气变冷，并且容器内液体冷却速度预先己经调整，东面容器比西面容器冷却得快，其内压力下降也快，于是东边变重，使整个装置向东倾斜，以待日出。要使两个容器冷却速度不同，方法很多，例如可把东边容器的一部分表面涂上热辐射率高的涂料，或者把西边容器的一部分表面加设绝热层等等。

简易液压式跟踪器的工作原理与以上两种基本相似.太阳的相对位置信号由跟踪器平板两侧遮光板下方南北向安装的温度传感器(黑管)所接受。黑管内充有低沸点的液体

- 13 -

物质，在常温下，部分液体汽化形成饱和蒸汽，同时产生一定的饱和蒸汽压，通过胶管驱动双杆双作用液压缸运动，达到自动跟踪目的。当太阳正对跟踪器平板时，两黑管的受热面积(投影面)相等，黑管保持同样的受热状态，液压缸活塞的两侧受力处于平衡状态，跟踪器平板静止不动。

当太阳光线向西偏移一个角度时，遮光板使黑管的受热面积发生变化，右黑管将被遮光板遮住一部分，受热面积改变，而左黑管的受热面积不变，仅是位置发生了变化。由于两黑管的受热情况不同，产生压力差，左侧黑管所接液压缸一侧的压力增大，推动活塞上移，带动跟踪器平板绕中间支点逆时针转动，使跟踪器平板随太阳在空间位置的变化自东向西跟踪集热，直到日落西山。第二天早上日出东方，晒热右侧黑管，液压缸带动跟踪器迅速做顺时针转动，重新对准太阳集热。

这种跟踪器在实际中应用很广，其主要的优点是:结构比较简单，制作费用低，纯机械式，不需电子控制部分及外接电源。缺点是没有足够的工作空间，而且一般只用于单轴跟踪，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间运动的跟踪，只能每隔一段时间，重新对准阳光，因此精度比较低。

（4）控放式太阳跟踪装置。控放式太阳跟踪装置对太阳方位角进行单向跟踪，操作时，在太阳能接受面板西侧安放一偏重，作为太阳能接受面板向西转动的动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，使镜面随着太阳的西偏而转动。这种把原动力与控制部件分离的方法，可以简化控制装置的结构，减少能量消耗(面板的转动动能来源于偏重的势能)，为不用外接电源创造了条件。

控放式太阳跟踪装置由配重块、弹簧、杠杆、制动装置、电磁铁等部分组成。工作原理是:由于在集热装置的西侧装有配重块，在重力的作用下，集热装置便会绕主轴自东向西转动。重力的控放由弹簧通过制动装置和杠杆来实现。弹簧则由电磁铁控制。电磁铁的动力又由硅太阳能电池板供给。电池装在集热装置的上方，前面设有遮光板，当集热装置对准太阳时恰好遮住阳光，使太阳能电池处于阴影区。一但太阳西移，遮光板的阴影随之移动，太阳能电池便受到阳光照射，输出一定数值的电流，从而发出偏移信号。信号经放大，使高灵敏的继电器动作，并通过执行继电器控制电磁铁吸合，于是制动装置松开，集热装置向西旋转，直至对准阳光。此时遮光板又重新挡住阳光，太阳能电池进入阴影区，电磁铁释放，完成跟踪。为了保证跟踪系统在多云大气下也能可靠地工作，光电控制线路中还增加了一组多谐振荡器。因多云天气太阳被云层遮挡的时(aJ

- 14 -

较长，跟踪器常因失去目标而停止动作。当太阳重新出现时，集热装置必须作大角度的旋转才能跟上太阳。由于系统的惯性很大，如不采取措施往往会跟踪过头，产生较大的误差.有了多谐振荡器后，不管转多大的角度，电磁铁始终按照吸合一释放一吸合一释放的间歇方式动作，集热装置逐步向西旋转，直至追上太阳。当集热装置转至西边的极限位置时，触动极限开关，切断控制系统的电源.第二天，只要将集热装置人工转至向东的位置，便可开始新的跟踪。控放式跟踪器适合于聚光型的集热装置，如聚光型热水器、太阳灶等。其优点是实时跟踪，成本低廉，不用外接电源，使收集到的能源充分转化利用。其缺点是机构只能做成单轴跟踪器，不能自动复位(除非另外加复位机构)因而不能满足昼夜更替之后的跟踪需求;虽然采用多谐振动器，仍然存在着跟踪过度的情况。

（5）光电式太阳跟踪装置。光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个闭值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。与前两种跟踪装置相比，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注，其工作原理如图1.8所示。目前，典型的光电式太阳跟踪装置有比较控制式和“多元法”两种。

太阳实际位置 执行机构 + - 集热装置 集热装置实验位置 光敏传感器 图1.8 光电式太阳跟踪装置原理

- 15 -

图1.9 比较式太阳跟踪系统得传感器外形图

比较控制式太阳跟踪装置。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部，东、南、西、北四个方向上分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PI，P3)东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;另一对光电阻(PZ，P4)南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PS，P7)东西对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度;另一对光电阻(P6，PS)南北对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度，传感器外形如图1.9所示。

该跟踪装置对太阳的高度角和方位角进行双轴跟踪，现在单独研究对方位角进行跟踪的工作原理，假设太阳的高度角是不变的，即假设圆筒是始终在高度方向对准太阳的。当太阳光线以与传感器板垂直的方向照射到传感器上，两组光电阻(PI，P3)，(P5，P7)接收到的光照度相同，比较电路的输出值为零。当太阳光偏离垂直方向一个较小的角度时(Pl，P3)这一对光电阻可能受环境散射光的影响，不会反应出太阳光线的变化;而(PS，P7)这一对光电阻受到了圆筒对环境散射光的屏蔽保护，它们接收的照度会出现差值，这就是偏离信号。该信号经放大后送入控制单元，控制单元开始工作，控制自动跟踪器调整太阳光接收装置的角度，直到太阳光接收装置对准太阳。当太阳光偏离了一个较大的角度时(阴雨天或者乌云过后)，筒内的传感器可能接收不到太阳光，筒外的传感器就能反应出照度差值，该信号经放大后送入控制单元，控制跟踪器开始工作。高度角的跟踪基本原理及工作方式雷同。

为了使传感器准确的跟踪太阳运动，首先要通过试验找出较为合适的光敏电阻。当光敏电阻的阻值较小的时候，光电阻在太阳照射下可能会很快达到饱和状态，此时采集的信号就失真，不能正确反应太阳光线的变化情况，会影响到跟踪效果，跟踪精度因此

- 16 -

降低。但提高光敏电阻的阻值，使得相应的供电电源的电压要变大才能驱动跟踪器，提高了能耗及其成本。其次要设计长度合适的圆筒。理论上讲，圆筒的长度越长，跟踪器的精度就越高。随着圆筒的增长，内部两个光电阻同时接受太阳光照的太阳光偏离角度的范围会变小;假设圆筒内部两个光电阻同时直接受到太阳光照射的情况下，长圆筒允许太阳光偏离角度的范围为A，如图1.10a所示，即太阳光线的偏离角度在A的范围内，长圆筒内部的两个光敏电阻不会出现照度差;短圆筒允许太阳光偏离角度的范围为B，如图1.10b 所示，即太阳光线的偏离角度在B的范围内，短圆筒内部的两个光敏电阻不会出现照度差。当使用长圆筒时，假设太阳光线偏离一个超出了范围A又在B的范围内的角度，如图1.10c，所示因为偏离角度超过了范围A，圆筒内部两个光电阻产生了照度差值，该信号经过处理放大，控制跟踪器跟踪上太阳；如果此时使用较短圆筒，偏离角度在B的范围内则不会使内部两个光电阻产生照度差，系统不会进行跟踪，因此此时系统的精度高于使用短圆筒的情况。太阳光线偏离角度在一个较大范围内时，长圆筒内部的两个光敏电阻不会出现照度差，系统不能连续跟踪太阳光线的角度变化。

图1.10 不同长度圆筒的太阳光偏离角度方位示意图

- 17 -

图1.11 “多元法”太阳跟踪装置得传感器结构

“多元法”太阳跟踪装置。“多元法”太阳跟踪装置的传感器结构如图1.11a所示。正中央的光敏电阻与接收面垂直，Aa，Bb，Cc，Dd，助，Ff将圆分成12 等份，它们分别代表单方向定位装置。单方向定位装置由5个光敏电阻按一定的排列方式镶嵌在半圆柱体上，如图1.11b所示。“多元法”太阳定位装置由6个单方向定位装置构成，并且它们共用正中央的光敏电阻。例如，当光照在左边第1个光敏电阻上时电机带动定位装置向逆时针方向转动一定角度，光从左边第1个光敏电阻离开并照在左边第2个光敏电阻上，电机带动定位装置又向逆时针方向转动相同的角度，这时光照在正中央的光敏电阻上，光垂直照在定位装置上，电机停转.这种跟踪装置通过在半球状传感器上设置多个光敏电阻，提高了对太阳定位的速度，避免了为寻找太阳方位传感器的重复摆动，但是设计比较复杂，而且由于每两个光敏电阻的间隔造成其不能连续监测和跟踪太阳位置的变化，跟踪精度有限。

（6）用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置。

太阳跟踪装置除了用作太阳能利用装置以外，还常用于天文台和气象台对太阳活动的跟踪观察。随着天体光学的发展，十九世纪中叶之后，相继出现了折轴望远镜、定日镜、定天镜等。这些装置靠互相垂直的两条轴旋转跟踪天体，最常用的两轴装置有地平式和赤道式两种。自人造天体发射后又出现了三轴、四轴式跟踪器。这些跟踪器主要分为两类:一类是望远式，它接受太阳的垂直入射;另一类是定日式，它将太阳光反射到所设计的固定方向，太阳作周日视运动，赤道装置绕极轴按周日角速度匀速运动，抵消地球自转，使仪器法向保持指向天球某一固定的赤经方向，纬轴则保证仪器法向的赤纬和太阳赤纬相同，实现跟踪。这种跟踪装置主要应用于科研，因此最应保证的是机构的精

- 18 -

度，其造价相对也比较昂贵。

未来的太阳跟踪装置应采用全自动跟踪阵。全自动太阳跟踪装置根据地平坐标、双轴跟踪原理，机构设计朝着高精度，大范围跟踪方向发展，在有限的接受面积上最充分的应用太阳能，降低装置的成本;控制采用光、机、电一体化技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，可广泛应用于农业、电信、气象等领域中。装置由光敏探头检测太阳光强，通过跟踪控制器，采用模拟压差比较原理进行比较，发出命令，驱动机械部分转动。限位装置有东、两、上、下四个极限限位功能，跟踪精度高，范围宽，有自动返回功能。计算机测控系统实现了对充电电压，充电电流，跟踪光强、风速、电瓶温度等模拟量进行采集、处理、显示和打印，根据各模拟量的瞬时值，实现防风，报警控制，蓄电池的充电、放电和分级控制等功能，对设备统一监控管理。

（7）地平坐标系跟踪方法的应用

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，要求集热器采光面始终垂直太阳光线，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(降速增矩、角度细分)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(旋转运动)一丝杠(直线运动)。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。跟踪器的结构示意见图1.12。该装置是检测中心作试验用的，试验主程序流程如图1.13所示。每当试验时，跟踪器在跟踪太阳前先得让方位轴和俯仰轴自动回零;然后根据太阳当前位置从零点处自动快速指向太阳;接着每间隔一定时间，自动调整一次集热器的位置，

- 19 -

使其采光面垂直于太阳光线，实现实时太阳跟踪。自动跟踪子程序流程见图1.14。其中，2轴为俯仰轴，X轴为方位轴。由于影响跟踪精度的因素很多，不仅跟当地纬度、太阳赤纬角、太阳时角的取值有关，还跟步进电机的精度以及跟踪转台的机械结构有关，因而需要对跟踪轨迹的程序进行校正。校正采用手动操作，使跟踪台的两个轴带动集热器转动，同时不断观察日暑的影子，当影子刚好聚为一点时为最佳，记录下从原点到该点两轴的步进电机各自走过的实际脉冲数，然后依据算法计算两轴的步进电机从原点到该点的理论脉冲数，根据实际脉冲数与理论脉冲数之差，可算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。校正可以选择任一天中的几个不同时刻进行，得到一组高度角和方位角的校正系数，取其平均值。用正系数校正理论值存入控制程序，可以提高跟踪精度。

图1.12 太阳集热跟踪台

- 20 -

主程序开始 跟踪台自动回零 实验初始参数设置 N

试验开始？ Y 自动跟踪子程序 数据采集子程序 流量控制子程序 温度控制子程序 数据处理子程序 Y N 试验结束？ 主程序结束 图1.13 试验主流程图

- 21 -

子程序开始 计算太阳当前位置 跟踪器当前位置是否为零点？ Y N 跟踪器自动快速指向太阳 自动调整跟踪对准太阳 是否已对准太阳？ N Y 子程序结束 图1.14 自动跟踪子程序

（八）本章小结

在本章节中分析了现代能源日益短缺的严峻现状和新型能源发展的趋势，从而说明了利用太阳能做为一种新型能源是有效而可行的，太阳能是一种清洁环保并且用之不竭的能源，如何对其进行利用将是未来能源研究发展的趋势。另外，本章节还对几种太阳能发电装置进行了分析，并且对目前的各种跟踪方法的进行了分析对比，从而对目前的太阳能跟踪技术有了一定的了解。为本课题中太阳能自动跟踪系统的研发提供了基础和依据。

- 22 -

二、跟踪系统的设计构想及框架

（一）跟踪系统的设计要求

本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用，在本研究中，确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。对太阳能进行电能转换的时候，由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的，如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下，因此，要使太阳能的吸收效率提高，采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的。在本课题中采用的是双轴跟踪的方法对太阳进行即时跟踪，使太阳能接收装置能够始终正对太阳，从而提高吸收效率。

本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性.在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护。在控制部分的设计中，要考虑到系统的全天候性要求，选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。

（二）跟踪系统的组成

跟踪系统主要构成一般为：（1）太阳能采集装置；（2）转向机构；（3）控制部分；（4）贮能装置；（5）逆变器。系统组成如图2.1所示。

控制部分 转向机构 太阳能采集装置 控制器 直流负载 交流负载 逆变器 贮能装置 图2.1 跟踪系统的基本构成

- 23 -

1.太阳能采集装置

本光伏发电系统的目的即是对太阳能进行有效的吸收，从而尽可能多的把太阳能量转化为可用电能，提供给耗电负载使用，起到节省能源的目的。在本系统的研发中，太阳能电池是太阳能采集装置的首选部件。

但是太阳能电池本身容易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气的环境中，光电转化的效率就会由于环境潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降，最后以至于破碎失效。不能满足本系统经久耐用的研发要求。因此，太阳能电池需要通过胶封、层压等方式封装成平板式结构才能投入使用，如层压的封装方式，即将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、黏结性好的热熔性胶膜封装，并采用透明度高、耐冲击的低铁钢化玻璃做为盖板，用耐湿抗酸的复合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺将电池片、正面盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个使用的太阳能电池发电器件，称为太阳能电池组件。

目前市场上的太阳能电池基本都为封装后的成品，通过封装处理的太阳能电池就可以应对各种气候条件，并且耐冲击，可以适应各种应用条件，达到了长期使用的目的，从而很好的满足了本太阳能光伏发电系统的研发要求。 2.转向机构

由于本太阳能光伏发电系统要求最大限度的利用太阳能，因此必须要研制一套机构用来跟踪太阳的实时位置。

转向机构机械部件的选取必须满足性能可靠、价格低廉和结构简单的研发要求。选取的是普通的市面常见的装置，这样能使整个转向机构结构紧凑、性价比高。转向结构的构成设想基于简单易安装的要求，主要由底座、驱动电机、联轴器、减速机构、电池板固定框架等构成。

在转向机构的组成中，底座主要由普通的钢材加工而成，便于拆卸和移动。驱动电机选用的是步进电机，此种电机性能可靠，对于角度量转向控制精确。连轴器选用的是普遍使用的弹性联轴器，耐冲击，经久耐用。由于研发要求系统要结构紧凑，电机选取的为小型步进电机，输出扭矩达不到转向要求，因此要选用减速机构来提升输出扭矩，在本光伏系统中，选取的是小型涡轮蜗杆减速机构;并且，太阳的角度控制要求精确，要合理的选取涡轮蜗杆减速机构的传动比，在系统设计中选用的传动比为50:1即可达到要求。电池板固定架用来对太阳能电池板进行固定，要求设计合理，稳定。

- 24 -

3.控制部分

在本系统中，要根据即时时间进行太阳角度的运算，调整系统精确转向，因此要合理选用控制芯片完成此功能。

由于太阳的位置角度和时间有关，要对时间进行实时监控和有效读取，必须选取计时芯片完成此功能。在本系统中使用的时间芯片是8563，用来进行时间的控制。

在本系统中，考虑选用的控制核心为单片机。单片机将中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器单元集成在一块芯片上，构成一个完整的计算机体系。单片机把各项功能部件都集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、价格低廉、易于开发应用。本太阳能光伏发电系统的控制部分选用的AT89C51单片机。 4.贮能装置

本系统的制造目的是对太阳能进行采集，并加以利用，因此需要将太阳能电池组件产生的电能储存起来，用于其他耗电场合.蓄电池组是本太阳能光伏发电系统的贮能装置，它的作用是将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来，以供应用。

蓄电池在太阳能光伏发电系统中的充电方式为：当太阳能电池板的电势大于蓄电池的电势时，电能充入蓄电池，蓄电池处于充电状态。当太阳能电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时，由于阻塞二极管的作用，蓄电池不会通过太阳能电池方阵放电。

在本光伏发电系统中考虑使用的蓄电池可以选用铅酸蓄电池和碱性蓄电池。比对两种蓄电池的特点，铅酸蓄电池价格低廉，原材料易得，维护方便，原材料丰富，但体积较大。碱性蓄电池维护容易，寿命较长，结构坚固，不易损坏，但价格昂贵，制造工艺复杂。从技术和经济方面综合考虑，在本系统中贮能装置应采用铅酸蓄电池为宜。 5.逆变器

本系统能对太阳能量加以吸收和转化，并将其产生的电能贮存起来，但是因为铅酸蓄电池提供的是直流电，不能直接给交流用电器供电，普通的用电器的电压为220V交流电，因此必须采用逆变器将蓄电池的直流电转化为普通用电器可以使用的交流电。

逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变器技术在电力电子技术中已经较为成熟。

作为在本太阳能光伏发电系统中应用的逆变器，要满足以下要求： 1）对输出功率和瞬时峰值的要求；

- 25 -

2）对逆变器输出效率的要求； 3）对逆变器输出波形的要求； 4）对逆变器输入直流电压的要求。

逆变器与正变换正好相反，它使用具有开关特性的全控功率器件，通过一定的控制逻辑，由主控制电路周期性的对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升（降）压、整形滤波就可得到交流电。通过逆变器产生的交流电，就可以广泛应用于普通的交流用电器。 6.控制器

为了最大限度地利用蓄电池的性能和延长使用寿命，必须对它的充电条件加以规定和控制。无论太阳能光伏发电系统是大还是小，是简单还是复杂，充电控制器都必不可少。一个好的充电控制器能够有效地防止蓄电池过充电和深度放电，并使蓄电池使用达到最佳状态。

蓄电池充电控制通常是由控制电压或分并联调节器、串联调节器，齐纳二级管（硅稳压管），次级方阵开关调节器控制电流来完成的。一般而言，蓄电池充电方法有三种：恒流充电、恒压充电和恒功率充电，每种方法具有不同的电压和电流充电特性。光伏发电系统中，一般采用充电控制器来控制充电过程，并对过充电进行保护，最常用的充电控制器有：完全匹配系统、并联调节器、部，脉冲宽度调制（PWM）开关，脉冲充电电路。针对不同的光伏发电系统可以选用不同的充电控制器，主要考虑的因素是要尽可能的可靠、控制精度高及低成本。所用开关器件，可以是继电器，也可是MOS晶体管。但采用脉冲宽度调制型控制器，往往包含最大功率的跟踪功能，只能用MOS晶体管作为开关器件。此外，控制蓄电池的充电过程往往是通过控制蓄电池的端电压来实现的，因而光伏发电系统中的充电控制器又称为电压调节器。

控制器可分为并联控制器和串联控制器两种，本设计中选择并联控制方式。

（三） 太阳照射规律

1.地球围绕太阳的运行规律

众所周知 ，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15°。

地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成23°27′

- 26 -

的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。

假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。

每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占?=0°)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90°-? (?为观察者当地的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。

夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值90°-?+23°27′，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。

秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬?=0°)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。

秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值90°-?-23°27′，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。 2.太阳高度角和方位角的确定 （1）Coper方程

太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士23°27′的范围。夏天最大变化到夏至日的+23°27′;冬季最小变化到冬至日的-23°27′.太阳赤纬随季节变化，按照Coper方程，

由式(41)计算

284?n?=23.45sin(360?365) (1.1)

式中，n为一年中的天数，如:在春分，n=81，则δ=0，自春分日起的第d天的太阳赤纬为:

- 27 -

2?d?=23.45sin365 (1.2)

（2）太阳角的计算

?

如图1.15所示，指向太阳的向量S与天顶Z的夹角定义为天顶角，用?Z表示；向??量S与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；S在地面上的投影线与南北方向线

之间的夹角为太阳方位角，用?表示。太阳的时角用?表示，它定义为:在正午时?=0，每隔一个小时增加15°，上午为正，下午为负。

图1.15 太阳角的定义

1）太阳高度角

计算太阳高度角的表达式为

sinh=sin?sin?+cos?cos?cos? （1.3）

式中， ?沪为地理纬度；?占为太阳赤纬；?口为太阳时角。

- 28 -

正午时 ，?=0，cos?=1，(4.3)式可以简化为： sinh=sin?sin?+cos?cos?=cos(?-?) 因为，cos（?-?）=sin[90士（?-?）]，所以 sinh=sin[90土（?-?）] （1.4） 正午时，若太阳在天顶以南，即?>?，取 sinh=sin[90一（?-?）] 从而有，

h=90+?-? （1.5）

在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有?=?，从而h=90°。 2）太阳方位角

太阳方位角按下式计算，

sinhsin??sin?cos?=

coshcos? (1.6)

也可用下式计算，

cos?sin?sin?=

cosh (1.7)

根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式(4.6)或者式(4.7)中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。

3）日照时间

太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的 影响，根据式(4.3)，可得出日出日没时角表达式

??θ=-tantan (1.8) ?式中θ-日出或日没时角，以度表示，正为日没时角;负为日出时角。对于北半球，cos?当-1?- tan?tan??+1，解式(1.8)，有

?

??θ=arccos(-tantan) (1.9)

- 29 -

o15h?求出时角θ后，日出日没时间用t=求出。 一天中可能的日照时间由下式给出

2?N=15arccos(-tan?tan?) （1.10）

利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。

（三）本章小结

本章节对课题研制的太阳能光伏发电系统提出了具体的要求，即经济、结构简单、性能可靠等，此次设计的研究要以此为方向。并且研究了系统组成部分的构成，材料尽量选取经久耐用、技术成熟、性价比高、普遍可见的设备，来提高系统性能，降低系统成本。本章还简要的叙述了太阳能发电系统的基本构成，阐述了各个组成部分的功能和实现方法，并且阐述了太阳能的照射规律从而为以后的控制方式的设计提供一个理论基础。

- 30 -

三、机械部分的设计

（一）整体框架的设计

本设计中通过东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪达到使太阳能电池板能够始终正对太阳照射角，从而达到提高太阳能利用率的目的，因此转向部分首先需要满足能够进行东西向和南北向的自由转动。同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、布局合理，选件不能过大臃肿，在同等条件下，尽量选用小型的构件。

通过对目前多种太阳能采集装置的机械结构的收集和对比，再在几种比较合适的结构的基础上进行一些修改以更加符合本设计的要求，最终得到的结构如图3.1所示。此结构在东西向和南北向都有很大的转动空间，并且结构简单，耗材较少，比较适合小型的太阳能跟踪发电系统。

如图3.1，本机械转向机构基本组成主要有：底座、下层平台、上层平台、驱动电机、减速装置、电池板固定框架等。

- 31 -

图3.1 跟踪系统的机械结构

（二）减速装置的选型

在本光伏发电系统的研制中，要求结构紧凑，因此要选用的电机体积不能太大，由于结构的限制，电机的功率和扭矩也不会很大，不能直接带动机械转向机构做跟踪太阳的运动。因此要选用合适的减速机构来提高扭矩，使转向机构正常运转。为了满足整个系统结构紧凑、体积小的要求，在本机械转向机构中可以选用的减速器有以下三种:涡轮蜗杆减速器、谐波减速器和行星减速器。这三种减速器的性能比较如表。

这三种减速器各自的特点如下:

（1）蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高。

（2 )谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力

- 32 -

的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。

（3 ) 行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。

本系统由于起停比较频繁，冲击较大，因此不适合选用谐波减速器。行星减速器虽然精度较高，但价格昂贵，也不能满足本太阳能光伏发电系统的设计初衷。因此在本双轴跟踪机构中，选取涡轮蜗杆减速器是较为合适的。

表3.1 减速器性能比较表

类型 体积 刚性 寿命 效率 输入转速 涡轮蜗杆减速器 中 高 中 低 3000以上 谐波减速器 小 中 短 高 2000以下 行星减速器 小 低 长 高 2000以下 在本设计中具体选用的涡轮蜗杆减速器为NMRV04O涡轮蜗杆减速箱，此减速机的结构小巧而紧凑、外形美观、体积小，箱体的各个面上都有安装孔位，可以适应各种安装方式。

NMRV040技术参数：

功 率：0.06KW～7.5KW 转 矩：2.6N2m～2379N2m 传动比：5-100

（三）驱动电机的选型

本太阳能自动跟踪光伏发电系统要求能够比较准确的跟踪太阳位置，因此要求驱动电机能够准确的把电信号转化为电机轴上的角位移。本系统选取步进电机作为驱动电机。

步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电动机的移量?或者线位移量S与脉冲数k成正比;它的转速n，或者线

- 33 -

速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化.因而可适用于开环系统中作为执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速反转和制动。它不需要变换可直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步动机就转动一个角度，因此作常适合于单片机控制。

按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类：

（1）反应式步进电动机(anv baelelrcutance，简称vR)

反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，.但动态性能较差。

（2）永磁式步进电功机(Pemranentmanegt，简称PM)

永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的.转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。

（3） 混合式步进电动机（hybird，简称HB）

混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小。

在本设计中，考虑到驱动电机带动的负载较大，故选用了两相混合式步进电机做为系统驱动源。本设计选用的步进电机为85BYGH350A。

表3.2 步进电机的技术参数

型号 相数 85BYGH350A 2 步进角 1.2° 静力矩(N.m) 电流（I） 重量（kg） 2.4 2.4 2.0 （四）本章小结

本章对系统中的机械部分的设计进行了阐述，并且对其中的主要部件进行了简介和选型。本机械结构基本符合第二章中对于转向机构的要求，结构简洁、耗材较少。通过两个减速装置对电机驱动方向的转换，使该装置东西向能够进行360°旋转，南北向也有将近360°的转角，有足够的能动性。同时在本章中对多种减速装置和多种步进电机进行了对比，确定了较适合本系统的涡轮蜗杆减速器和两相混合式步进电机应用于本系

- 34 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pz46.html