太阳光自动跟踪设计

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1、摘要通过分析全国日照时数表得出:开环系统在太阳能光伏工程中效率不高而并不适合采用。 为合理地利用太阳能,提高其跟踪效率而采用混合控制系统。文中着重分析了双轴跟踪的原理, 提出了手动式方位角跟踪和自动式八方位高度角跟踪,引出了分级接收跟踪原理,设计了软件流 程并和一套任意方位跟踪系统。运行结果表明,该系统能实现太阳光任意方位检测并迅速跟踪, 有效降低系统运行功耗,减少机械结构损耗,跟踪精度可调,可望在太阳能光伏工程中获得应 用。并促进太阳光的接收效率。【关键词】 太阳能跟踪系统；时空控制；光强控制；跟踪传感器AbstractThe open system is not suitable for

2、adoption in solar photovoltaic engineering because of its inefficiency through analyzing the national sunshine duration table.Using the mixture control system can enhance its track efficiency and make full use of solar energy reasonably.The paper analyzed the two axle track principle emphatically,th

3、en proposed the manual azimuth tracking and the automatic altitude angle tracking of 8 positions,educed hierarchical receive track principle,designed the software flow and a suit of arbitrariness azimuth track system.Running results indicated that the system can accomplish solar arbitrariness azimut

4、h detection and tracking rapidly,fall running power consume efficiently,reduce consume of mechanical structure,and have adjustable tracking precision.It may obtain applications in solar photovoltaic engineering.【Key words】 solar Automatic tracking system；time and space control；light intensity contro

5、l；solar tracking sensor目录第一章引言 11.1 综述 11.2 太阳能自动跟踪系统现状 11.2.1 压差式太阳能跟踪器 11.2.2 时钟式跟踪器 11.2.3 控放式太阳能跟踪器 21.3我国光伏太阳能发电前景 2第二章自动跟踪器的结构与原理 4第三章机械控制部分 73.1 主要结构 73.1.1 探测头.73.1.2跟踪控制器（LM339及89C5173. 1. 3机械传动机构 83.2机械系统的组成 83.3 机械系统的安装 83.3.1电机的固定83.3.2 电机的摆 放 93.3.3 电机的平 衡 93.3.4 双轴跟踪系 统 9 第四章电子控制部分 114

6、.1电路主要组成部分 114. 2软件设计1 1附录 13参考文献 16致 谢 18第一章 引言1.1 综述随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突 出，太阳能这个清洁的可再生能源，已受到许多国家的高度重 视和利用。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，且分布范围较广，因此充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意 义。由太阳能电池板的特性可知，它的发电量与照射到它上面 的光照强度成正比，而接受太阳的直射光，可以得到太阳的最 大光照强度。试验证明，采用相同功率的太阳电池板，自动跟踪式光伏发电设备要比定式光伏发电设备提高发电量至少在25%以上，成本下降 20 。由于太阳的位置每时每刻都在

7、变 化，若想在太阳能电池板上得到最大输出功率，就必须要太阳 能电池板随时跟随太阳的运动轨迹运动，才能保证太阳光始终 垂直照射到太阳能电池板上。为实现太阳光始终垂直照射到太 阳能电池板上这一目的，就需要用太阳光自动跟踪控制系统。发展该系统有助于太阳能的充分利用，符合我国构建和谐社 会，发展集约型社会的根本要求。1.2 太阳能自动跟踪系统现状目前，我国国内的跟踪器基本有两大类：一类是纯机械式 的跟踪器；一类是机电一体化的跟踪器。1.2.1 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

8、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，精度很低 1。1.2.2 时钟式跟踪器时钟式跟踪器是一种主动式的跟踪器，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。 其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟 踪精度很低；同时需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源 1。1.2.3 控放式太阳能跟踪器控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的

9、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， 除非另外加复位机构；而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低 2。1.3 我国光伏太阳能发电前景 我国于1958年开始研制太阳能电池1959年第一块有实用价值的太阳 电池诞生，1971年3月首次应用太阳电池作为科学实验卫星的电源， 开始了太阳电池的空间应用。1973年3月首次在灯浮标上进行应用太 阳电池供电的试验，开始了太阳电池的地面应用3。

10、至今我国的光 伏太阳能取得了巨大的发展。原国家经贸委在20002015年新能源和可再生能源产业发展规划要点中就实现“建立太阳电池与应用系统生产体系，降低产品成本”时提出，集中力量在现有太阳电池生产和应用的基础上，适应国际光电技术发展趋势和国内外市场发展形势，开拓市场，打破年产量徘徊在2MW左右的局面。通过国家重点扶持、推动第二代太阳电池产业化，形成器件配套齐全的太阳能光伏产业。2015年全国太阳电池发电系统市场拥有量将达到320MW。通过生产规模的扩大，降低太阳电池生产成本，从而推动市场的发展，形成良性循环。在太阳电池市场中通信及工业光伏系统将从目前的40%50%。到2015年中国将开始大规模

11、发展并网式屋顶光伏系统4。表1-1我国太阳能全年日照分布统计表it io er 吕甸一墨刖Ck严堆，MMi席SrYF k| flpSWL（SIM-一5W） ki n1IgSDSn.ZMsw-ramU1Da?n（WTI蔔I19-U14A第二章自动跟踪器的结构与原理根据太阳运行的规律，任意时刻太阳赤纬角和太阳时角都可以通过天文公式计算得 到。在天体几何学中，由太阳赤纬角和太阳时角及观察点的地理位置等参数，太阳 在天空中的轨迹可以被精确地计算得到。由计算得到的太阳位置，利用逻辑控制元 件，控制步进电动机，使太阳光伏阵列准确地朝向太阳光入射的方向，这种太阳跟 踪方法就称为太阳位置计算式跟踪5。目前，太

12、阳位置式跟踪方式常用的逻辑 控制元件主要有单片机、数字信号处理器（DSP）、可编程序逻辑控制器（PLC）及 PC机。基于PC机的太阳位置式跟踪方法，其成本相对于其他几种实现方式较为 昂贵，但是由于PC机具有强大的数据存储及计算能力，可以用来完成较为复杂的 运算，所以在对计算精度要求较高的场合，一般采用它来进行控制，如天文台和气 象台对太阳的观测。另外在大规模的太阳光伏电站中，也可以使用PC机对太阳光 伏阵列实现集中控制，可以收到控制精度高、平均成本低的效果。对于单台或少数 的太阳跟踪系统，前几种控制器使用较多，相对而言，单片机系统具有较高的性价 比，因此目前使用最为普遍6,7,8。本文采用了基

13、于太阳位置计算的主动式控制方案。与一般的主动式控制方案不同， 为了提高跟踪系统的可靠性与精确度，并降低跟踪控制系统的控制复杂度，使用了 旋转编码器对太阳光伏阵列的位置进行反馈，对光伏阵列实行闭环控制；为了识别 阴雨等天气，适应不同的天气状况，使用了光敏二极管检测外界太阳光照射强度， 并结合时间等参数，生成跟踪控制系统开关机信号。本文所研究的太阳跟踪控制系统工作原理如图2-1 6所示。图2-1太阳光跟踪系统原理首先，利用光敏传感器检测周围环境中太阳光的辐射强度，当其辐射强度能够 使系统中所配备的光伏逆变器开机工作时，启动自动跟踪系统，对太阳进行自动跟 踪。然后，根据天文时间，光伏系统所在地经度、

14、纬度等参数，利用天文公式，计 算光伏发电系统安装地的太阳位置，并在地平坐标系中，以太阳高度角和太阳方位 角表示出来。通过位置传感器检测光伏阵列当前所处的位置，并与数字处理器计算 出的太阳位置相比较，如图2-2 6所示，角e即为二者的差值，e大于系统中 所设定的阈值时，起动步进电动机系统，使电池板向太阳光入射方向旋转，直到太 阳光能够直射照射光伏阵列表面。氐 、C 1+的止阳AltffRI b U K 1 Mfi 旳图2-2跟踪系统示意图除主控功能外，跟踪系统还设计了自我保护功能，当软件控制系统发生故障，步进 电动机系统失去控制时，起动后难以再通过软件使其停止，如果此种情况出现而且 得不到处理，

15、光伏阵列的机械结构和太阳电池板将面临损坏的危险，为防止此种情 况的出现，本系统配置了限位开关，如图2-2a.b所示（图中仅为向下的位置保护 限位开关9，在太阳电池板转动越限后，光伏方阵安装框架将触发限位开关，限 位开关控制的继电器将切断驱动系统电源，达到保护系统安全的目的 10。当出现大风天气时，控制器将使太阳光伏阵列复位，以减小其迎风面积，使其处于 安全状态。电网停电时，为防止停电期间出现大风天气，需立即将太阳光伏阵列复 位，另外由于本系统为并网光伏发电系统，电网停电时，跟踪系统所配备的小并网 逆变器无法并网发电，会自动停机，继续对太阳进行跟踪已毫无意义，所以将太阳 光伏阵列复位 11,12

16、 。第三章 机械控制部分3.1 主要结构3.1.1 探测头探测头是太阳跟踪系统的光信号接收器,灵敏度的高低直接 影响跟踪精度。经过大量实验研究,选用质量轻、美观、耐腐 蚀的铝合金材料扰电接收管经过严格的计算、定位、以保证其 检测灵敏度。3.1.2跟踪控制器（LM339及89C51跟踪控制器是跟踪系统的核心,因而也就是专题攻关的工作 重点,经过研究和优化设计，应用集成LM339芯片，采用模拟差 压比较原理以及89C51单片机研制的控制器具有跟踪精度高、 范围宽、自动返回及自动定位功能，限位装置具有东、西、 上、下、中、后五个方位的极限限位功能。采用双重限位控制 结构，即控制信号限位和驱动电机限位

17、，保证设备可靠工作。PIN CONNECTIONS|jJ13 OutputJ-Input 1 Ti-InfMA 1 区if -Inpd 4g + Input 3-Ihp0t2S - IhfM 3习GndVCC E图3-1 LM339集成电路的TIDUf/P 曲Fl(PH FUHtPt J【耐 iJItl11 WW IF- 肯noP3IF2P2J n*FIS 陝一此押只忻串号-1史电基字咕号少BE* _秀rIT*也切厚和iz1CdlSCnS 电璋1mi=n *Cu litik： tlft1571*1CdJcT.OJhiiti1華和电曲11J h； a t niBi*111K mm *d Mm i

18、o7 E*.17I3A|K|tIIUJ)|M I附表-2电机运动真值表iE1110ol1114o刚1100ail11勺.LLNHIn0011110Cl11I00i)1*、由 1 S(111I5A0i)A21b00D1IIX111I090VtNC2u1001i11石住勿isnr向比ssIEV电$111F鶴Fla0011000ir. N i| 方-1mniiEft.riiu6o6Oi-iH2IL ft.F2a000110向1；船升.-1向北F2aL1D0Aa0曲上母盂_2向雨A典城蟻磺域学一二三囚 ii佶尿踊 K F R K RFhtAN9F-tkH A二LM339电压比较器的特点和一些参数LM3

19、39芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的集成电路。利用lm339可 以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。1）电压失调小，一般是2mV；2）共模范围非常大，为Ov到电源电压减1.5v；3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）LM339 vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；5）输出端电位可灵活方便地选用。6）差动输入电压范围很大，甚至能等于 vcc；三89c51单片机主要特性1）与 MCS-51 兼容；2）4K 字节可编程闪烁存储器；3）寿命：1000 写/擦循环；4）数据保留时间：10 年；5）全静态工作：0Hz-24MHz；6）三级程序存储器锁定；7）

20、128*8 位内部 RAM；8）32 可编程 I/O 线；9）两个16 位定时器/计数器；10）5 个中断源；11）可编程串行通道；12）低功耗的闲置和掉电模式；13）片内振荡器和时钟电路；参考文献1 国家发改委能源研究所王长贵等.中国太阳光伏发电发展现状与未来展望.陈维，李戬洪太阳能利用中的跟踪控制方式的研究J.新能源及工艺， 2003,(3:18-21.王长贵,喜文华，张焕芬等中国能源的开发和利用M.能源出版社,1986:1-4.4 SoterisA.Kalogirou.Design and construction of one axis sun tracking System J So

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