1、第 1 页 共 45 页太阳能板方位自动调节器摘 要太阳能的应用由于成本和技术的原因，大多数还是局限于专业要求以及精度高标准的场合，想要达到大众化的普及还有一定的距离，因此本文研究了关于如何充分利用太阳能的方法，希望在所有能接收到阳光的地方都能充分利用这一巨大的能源。本文研究的太阳板方位自动调节方式是利用单片机技术实现机电一体化，从而提高系统追踪的自动化程度和系统稳定性。本文阐述了单片机控制系统的设计过程以及机械部分的设计，系统采用了 AT89C51 单片机做为整个系统的核心，该追踪系统采用的是对光电检测追踪模式以及太阳方位计算追踪模式这两者优点的结合模式，晴天时采用光电检测追踪模式，使用光敏
2、二极管做传感器，利用光敏二极管的比较电路来判断太阳方位，配合电动机控制机械部分对阳光进行即时追踪，该模式接收效率高；阴雨天进入太阳方位计算追踪模式，通过软件计算当时太阳的方位角和高度角来进行追踪，则保证了接收的稳定。关键词：光电检测追踪，太阳方位计算单片机机械传动第 2 页 共 45 页Automatic regulator solar panel orientationAbstractAccording to cost and technology,solar energy is mostly limited by professional requirement and used in h
3、igh precision area,there is still at a certain distance to popularization.This thesis researches on the method to make full use of solar energy.And we hope that the abundant energy will be popular in everywhere that can be shone.Trance mode of sun is technology of SCM to achieve mechatronics,in orde
4、r to improve the automatic and stability of system.The thesis expounds design procedure of SCM control system and mechanical design.AT89C51 SCM is core of the whole system,and the trace system adopts a combine mode,achieving the advantage of optoelectronic tracking detection mode and Calculation of
5、sun position tracking mode.Using optoelectronic tracking detectionmode in sunshine,comparator circuit of photosensitive diode which is transmitter adjusts the position of sun,cooperating with motor to control part of machinery which real-time traces the sunshine,where the mode can achieve sunshine e
6、fficiently.Using Calculation of sun position tracking mode in wet weather,position and altitude angle are calculated by software to track the sunshine and ensure the stability of receiving.Key words: Photoelectric detection of trace Calculation of sun position，Single-chip Mechanical transmission1引言人
7、类正处于这样一个历史时期，它比以往任何时候都强烈地意识到世界正面临着严峻的能源问题。一个国家能源消费增长对经济和社会的发展起着积极推动作用。几第 3 页 共 45 页乎可以用人均年能源消耗量衡量一个国家文明进步的尺度。对于任何国家而言，廉价、丰富、洁净的能源供应都是重要的。随着矿物能源逐渐减少、人口逐渐增多、科学技术迅速进步，不久的未来，现有能量转换系统不可避免地会发生巨大变革。无疑，将会使用新的能源代替旧的能源。 14太阳能是一种无污染、取之不尽用之不竭的能源，人类可获利用太阳辐射能的能量比目前世界上所需全部能量还要大若干个数量级。所以，在未来的替代能源中，太阳能是富有吸引力的。近几年太阳能
8、利用普及得到迅猛发展，实际应用情况也证明确实如此。 911 课题背景能源是人类赖以生存和发展的基础。近几十年，能源问题一直是举世瞩目的重大问题之一。在可预见的将来，石油、煤炭、天然气等矿物燃料，依然将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对太阳能、核能、风能、地热能、水力能、生物能等这些可持续能源资源的利日益重视和研究，在整个能源消耗比中正明显地提高，根据统计，到 20 世纪 90 年代的时候，全球煤炭和石油的发电量每年增长 1%，而太阳能发电每年增长 22%，风力发电的年增长率更是高达 25%，预计在未来 30 至 50 年之内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而在百年以后结束矿物燃料一
9、统天下的局面。 23目前世纪各国都在大力研究新型太阳能电池，提高光电转换率，使太阳能的开发利用进一步深化，太阳能产品的开发方兴未艾，研制出太阳能新产品的层出不穷，对太阳能这种新能源的开发利用，当前还仅处于初始阶段，但随着科学技术的发展和人们对能源日益增长的需求，太阳能的开发利用必将出现一个蓬勃发展的新局面。1.1.1 全球太阳能产业现状和发展前景当不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划” ，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，以争一席之地。目前全世界共有 136
10、个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中，其中有 95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发。美国能源部推出“太阳能路灯计划” ，就是让美国相当一部分城市的路灯改为太阳能供电，每盏路灯每年可节电 800KWh。日本准备普及太阳能住宅发电系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，目前全球太阳能电池行业以每年 15%的幅度持续不断地发展。1.1.2 我国太阳能产业现状和发展前景 第 4 页 共 45 页与国际上蓬勃发展的利用太阳能光伏电相比，中国落后于发达国家 10 至 15 年。我国对太阳能电池的研究开发工作现已高度重视。2002 年，国家启动了西部省区无电通电的计划，通
11、过太阳能和小型风力发电解决西部无电的用电问题。河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地。中国光伏产业正以每年 30%的速度增长。2005 年中国太阳能电池生产总量达 139MW，2006 年达到 400MW，从而超过美国成为第三大生产国。2007 年 1180MW。3 年产量增长 45 倍，产能增加 125 倍，而成为全球发展最快的国家。1.1.3 中国太阳能资源中国地处北半球，国土跨幅从南到北，自西至东，距离都在 5000km 以上。中国拥有丰富的太阳辐射能源，在大约 600 万 km国土上，太阳能年辐射照总量超过16.3*10kWh/(ma),约相当于 12000 亿吨煤。全国年
12、日照小时数在 2000h 以上。但由于受地理纬度和气候等限制，各地分布不均。其太阳能辐射资源分布有如下特点：西部高于东部 ，北方高于南方。 71.1.4 太阳能方位自动调节系统的国内外研究动态美国 Blackace,在 1997 年研制了单轴跟踪器，完成东西方向的自动跟踪，但南北方向通过手动调节，接受器的热接受率提高 15%；1998 年美国加州成功的研究了 ATM两轴跟踪器，使热接受率进一步提高；Joel.H.Goodman 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受器可从东到西跟踪太阳；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
13、成跟踪。近几年来，国内不少专家学者也相继开展了这方面研究。国家气象局计量站在1990 年代研制 FST 型全自动太阳跟踪器，成功应用于太阳辐射观测；1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统；1994 年太阳能杂志介绍了单轴液压自动跟踪器。单轴跟踪的优点结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想，且存在着跟踪精度不高、误差累积等一些问题；2001 年应用光学杂志介绍了一种五象限法太阳跟踪器，采用 5 片光电池实现双轴跟踪。2004 年控制工程杂志介绍了两维程控太阳跟踪器控制系统的研究，该装置是通过对太阳运行轨迹理论的分析和研究，确定了太阳跟踪器的运动数学模型，通过微机远
14、程控制，实现太阳跟踪。 3312 课题的目的及意义。目前太阳发电方式主要有塔式发电、碟式发电、光伏发电等，但利用率不高。如何第 5 页 共 45 页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。太阳能跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能发电系统，如果需要提高太阳能的利用率，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的 KPCheung 和 SCMHul 教授研究了太阳光角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪，能
15、量的接收率相差 37.7%，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，拓宽了太阳能的利用领域。为使太阳能板始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，但太阳随时间和季节都是在不同路线运动着，太阳能板若想收集更多太阳光，就味着需要尽可能多的对准太阳，有是太阳能方位自动调节是必需的手段。太阳能可再生能源的一种。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等，对于人类生产生活以及可持续发展有极为重要的意义。在中国，太阳能资源是比较丰富的，从其他地域分布来看，西部地区的太阳能年辐射总量均在 5400MJ/(ma)以上，尤其是西藏地区，达到
16、6700MJ/(ma)以上，开发好太阳能，对建设和谐社会有着重要的现实意义。在太阳能光伏发电中，相同条件下，自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35%，成本下降 25%，而且可以大量减少为制造能源而产生的污染。所以在太阳能热利用中，对太阳进行跟踪是很有必要。13 研究现状分析目前，各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统，机械系统一般又可分为压差式和控放式，而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式。 5本课题着重基于视日运动轨迹式跟踪的研究，以下先对目前常见的跟踪系统作简要介绍：（一）压差式太阳能跟踪器 压力差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生
17、偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很第 6 页 共 45 页低。（二）控放式太阳跟踪器 控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非
18、另外加复位机构；而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低。（三）光电式太阳跟踪器 光敏硅光电管等作为一种利用光作用使半导体材料的电导率显著变化的光敏传感器，常见的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。目前国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器。通常在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳。当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。一般来说光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便，受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳
19、的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，就会导致跟踪装置无法对准太阳，有时甚至会引起执行机构的误动作。（四）视日运动轨迹跟踪 视日运动轨迹系统通常根据跟踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种：单轴跟踪装置-只跟随太阳的方位角，不跟随仰角。使光伏发电系统发电量提高 10%20%，成本增加 3%5%。如图 1.1双轴跟踪装置-即跟随太阳方位角，有跟随仰角。使光伏发电量提高30%40%，成本增加 15%。如图 1.2总而言之，方位自动调节系统自耗电较少，提高光伏电站的发电量，降低度电成本 10%30%，使光伏发电系统获得较高的经济效益。第 7 页 共 45 页图 1.1 单轴跟踪装置 图 1.2 双轴跟
20、踪装置14 课题的主要研究工作和整体框架1.4.1 主要研究工作本文所介绍的太阳能方位自动调节装置采用了新的跟踪策略，可实现大范围、高精度调节，论文的主要工作包括：(1)比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。(2)选择合适的传感器器件，证明该传感器的可行性。分析不同天气状况下传感器的跟踪策略。(3)选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。(4)设计控制方案，进行软件设计第 8 页 共 45 页开始研究课题，确定方案划为软、硬件两部分硬件设计 软件设计选择调节方式选择单片机流程设计图编写程序设计控制电路机械部分设计开发结束是否到达系统要求 修改程序和硬件软硬件联合调试NY图
21、1.3 主要研究工作1.4.2 整体结构框架第一章为引言，研究太阳能自动方位调节器的目的及意义，以及国内外太阳能追踪发展的状况；第二章、根据自动调节方案比较，选择合适方案，阐述太阳能方位自动调节器的总体设计方向；第三章详细阐述硬件选择设计以及工作原理；第四章详细介绍单片机的软件选用和设计；第五章是课题展望和总结。第 9 页 共 45 页2.太阳能方位自动调节器总体设计设计目标课题设计目标：结合光电检测追踪和视日运动轨迹追踪的优点，实现对太阳更高精度和更有效率的追踪。设计要求课题设计要求：设计的综合光电检测追踪以及视日运动轨迹追踪的核心部分是单片机，需要设计出合理的程序对电机运转进行控制，即时改
22、变太阳能电池板的角度来有效接收太阳能。2.1 选择方案目前，太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换热能，为了收集到尽可能多的太阳能，最好采取自动调节方式，使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。太阳能方位自动调节的方法有很多，但不外乎采用这两种方式：光电调节和根据视日运动轨迹调节。2.1.1 光电检测自动调节方案介绍目前，国内常用的光电检测自动调节有重力式、电磁式和电动式。这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。工作原理：光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅电池处于阴影处区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大
23、电路放大后，传到控制步进电动机上，转动跟踪装置，使其对准太阳。优点：灵敏度高，结构设计较为方便，容易实现，缺点：受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到感光元件，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会出现误动作 3,18。2.1.2 视日运动轨迹调节方案介绍视日运动轨迹跟踪：可分为单轴和双轴两种。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主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。 5,17双轴跟踪能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全方位跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。第 10 页 共 45 页工作原理：首先根据当地
24、的经纬度来判断太阳入射的强度和角度，然后再计算接受角度，编写程序，再从外部的时钟芯片上读取时间，计算好当前太阳的位置，和上一次确定的方位上角度相差多少，以此确定如何应该控制电机的方向和角度。优点：在有雨的情况下仍能正常工作，比较稳定。缺点：有累积误差，以及跟踪装置的机械机构的精密度也会产生精度影响，各种因素加起来产生的误差也是不能忽视。2.1.3 本文所采用的混合式自动调节模式选择合理的方案，经多种方案比较，选择灵敏度高 、跟踪范围大、成本低廉是主要核心。本设计根据现有两种跟踪方法，将其结合，采用新的调节方式-混合调节，取长补短，该系统优势在于能够自动判断阴晴天。黑夜时会启用中断服务，进入等待状态，由蓄电池供电。到晴天时会又可以自动复位，紧接着在光电的检测自动调节模式下追踪；阴雨天转入视日运动轨迹自动调节模式。这样就解决了避免阴雨天情况下不能准确追踪的问题。因此就算在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常的运行，虽然不算是全天候的能力，但是也提高了追踪精度。将此应用在太阳能电池板上，就可以直接从电池板上获得电能了，也不用另外电能输入驱动，使系统的成本进一步降低，有普及的潜力。2.2 系统总体设计方案光电检测调节晴天太阳能电池板红外发射管检测雨天单片机光敏传感器(白天黑夜)光敏传感器(自动复位)电机视日运动轨迹雨天
