太阳方位角检测装置设计开题报告和文献综述

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 56 华北电力大学科技学院华北电力大学科技学院 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告 学生姓名：学生姓名：冯顺班级班级: :测控 07k2 所在系别所在系别：动力工程系所在专业：所在专业：测控技术与仪器 设计（论文）题目：设计（论文）题目：太阳方位角检测装置设计 指导教师：指导教师：李冰 20112011 年年月月日日 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 56 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告 一一、结合毕业设计结合毕业设计（论文论文）课题情况课题情况，根据所查阅的文献资料根据所查阅的文献资料，每人撰写不低每人撰写不低于于 20002000 字的文献综述字的文献综述。 （另附）（另附） 二、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 本课题要研究的问题本课题要研究的问题: : 本课题研究一种基于图像传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟 踪太阳光线的运动， 保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂 直，提高设备的能量利用率。 拟采用的研究手段拟采用的研究手段: : 1.分析太阳跟踪装置的结构特点和运动分析及可能的工作状态，提出合理的控制 策略。 2.根据所需完成的任务选取控制芯片，并分析系统的软硬件需求。 3.根据所提出的控制策略设计控制系统，选择合适的控制执行部件即步进电机。 4.根据软硬件需求和芯片资源进行软硬件设计，选取恰当的传感器，编制控制程 序，实现精确跟踪。 三、指导教师意见：三、指导教师意见： 1 对“文献综述”的评语： 2对学生前期工作情况的评价（包括确定的研究方法、手段是否合理等方面） ： 指导教师指导教师： 年年月月日日 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 56 太阳方位角检测装置设计（文献综述）太阳方位角检测装置设计（文献综述） 一、一、前言前言 太阳能作为一种新型能源具有储量无限、 普遍存在、 利用清洁、 使用经济等优点, 但同时又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点,世界对能源短缺和环境 保护的呼声不断高涨, 太阳能的应用受到广泛的关注并已取得一定的成就， 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为热能,为了收集到尽可能多的太阳 能, 就要使太阳光收集器的采光面始终对准太阳,这就需要采用跟踪方式,对太阳方 位角进行检测。 二、二、主题主题 现阶段国内外已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。 图 1 单轴焦线东西水平布置(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 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 2 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。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 56 图 2 极轴式跟踪 图 3 高度角方位角式全跟踪 高度角一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 3 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。 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 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 ATM 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的能量，使热收率进一步提高。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。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。 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，完成了单轴跟 踪，国家气象局计量站在 1990 年研制了型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳 辐射观测。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 56 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 15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 I 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。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 0.1MPa 的自来水作为跟踪动力(若无自来水，可装一只容积 为的压力水箱)。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， 每当太阳刚升起 3 一 5 分钟后， 镜面即跟踪对准太阳。 (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。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，当偏差超过一个阈值时，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， 这种跟踪装置通过在半球状传感器上设置多个光敏电阻， 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 56 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。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。 三、三、总结总结 综上所述，现存的跟踪装置，用于观测太阳活动的装置虽然跟踪准确但价格昂贵 其它类型的跟踪装置普遍存在的问题是精度较差，其中，压差式和控放式太阳跟踪器 原理结构较复杂时钟式和程序控制式的跟踪装置存在着累计误差且不能自动消除光 电式跟踪装置跟踪比较精确，原理简单，容易实现，但是不能连续对太阳运动进行跟 踪。因此，设计一种新的太阳跟踪装置，使之具有跟踪范围广，精度高，原理结构简 单方便的特点，并尽快将这一技术转化为生产力、形成高技术含量的产品，能够推动 太阳能的普及利用，拓宽太阳能的利用领域。 四、四、参考文献参考文献 1 王涛. 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究D.天津:河北工业大学, 2005. 2 郑小年, 黄巧燕. 太阳跟踪方法及应用J.能源技术,2003. 3 徐文灿,袁俊,严伟,杨庆. 太阳能自动跟踪系统的探索与实验J.物理实 验,2003. 4 于贺军，吕文华. 全自动太阳跟踪器软件的设计和研究J.国家气象计量站， 2001. 5 余海. 太阳能利用综述及提高其利用率的途径J.湖北省京山县技术监督局, 2004. 6 苑玮琦, 刘丽微. 基于视觉的太阳方位检测装置的研究J.沈阳工业大学视觉 检测技术研究所,2008. 7 孙茵茵, 鲍剑斌, 王凡. 太阳自动跟踪器的研究J.机械设计与制造,20