（机械电子工程专业论文）太阳自动跟踪系统研究.pdf

东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确 注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：史一7 知公 日期： 劲年垆月肜日 东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者签名：艾纬公 日期：1 年垆月肜日 指导教师签名：必 东华大学硕士学位论文 摘要 太阳自动跟踪系统研究 摘要 光伏产业发展蓬勃，但目前光伏应用系统的转换效率却普遍低 下，致使其发展深受影响。采用太阳自动跟踪技术可以大大提高太阳 能的转换效率，故本文就太阳自动跟踪系统进行深入研究，设计基于 七点法太阳定位器的自动跟踪系统以有效提高其转换效率。本文阐述 了七点法太阳定位器的工作原理，并对其精度进行分析，且推导出基 于七点法太阳定位器跟踪系统的控制模型和传递函数，该系统具有跟 踪范围广、结构简单、控制方便等优点。 针对太阳自动跟踪系统的性能特点及要求，本文设计出单片机控 制的机械部分与控制部分。其中，机械部分采用步进电机驱动、齿轮 传动实现高度角和方位角的跟踪，且跟踪装置中设有限位开关以便每 日跟踪装置复位时在碰到限位开关后单片机能收到中断信号，致使步 进电机停止转动而完成复位；对单片机控制部分进行软、硬件设计并 进行了联合调试，实现实时采集风速传感器、七点法定位器信息及实 时显示时间功能。 为保护装置免受破坏，特设置风速传感器，当环境风速达到8 级， 风速持续5 分钟以上时，系统不跟踪；环境风速减弱或停止5 分钟以 上时，系统恢复跟踪。 控制方式采用光电式和时钟式相结合的方式，并限定了跟踪时 间，而跟踪时间可根据地区不同有软件方便改写。七点法太阳定位器 首先采集环境光辐照量，若光辐照量大于设定值，采用光电式跟踪， 否则采用时钟式跟踪，两种跟踪模式自动切换，相互配合，该跟踪系 统克服了易受天气影响，误差累积等缺点，能在规定时间内跟踪，提 高了太阳能利用率，节约了能源，而且成本较低，可广泛应用于太阳 光伏发电系统中，具有很好的推广价值和应用前景。 关键词：太阳自动跟踪系统；双轴跟踪装置；七点法太阳定位器；时 钟式跟踪；光电式跟踪 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d yo ns o l a ra u t o m a t i ct r l c n gs y s t e m a b s t r a c t t h ep h o t o v o l t a i ci n d u s t r yi si n c r e a s i n g l yb o o m i n g ，h o w e v e r ，t h ec u r r e n tc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fp h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o ns y s t e mi sq u i t el o w ，w h i c hh a sas e r i o u si n f l u e n c eo n p h o t o v o l t a i ci n d u s t r y t h eu s eo fs o l a rt r a c k i n gt e c h n o l o g yc a l lg r e a t l yi m p r o v es o l a re n e r g y c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , s ot h et h e s i sh a v es t u d i e dt h es o l a rt r a c k i n gc o n t r o ls y s t e ma n dd e s i g n e d s e v e n p o i n ta u t o m a t i ct r a c k i n g s o l a rl o c a t o r s y s t e m t oi m p r o v es o l a re n e r g yc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y t h et h e s i sh a sd e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs e v e n - p o i n tl o c a t o ra n di t sp r e c i s i o n a sw e l l b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h et h e s i sh a v ed e r i v e dt h ec o n t r o lm o d e la n dt h et r a n s f e rf u n c t i o n o fs e v e n - p o i n ts o l a rl o c a t o rt r a c k i n gs y s t e mw h i c hi sf e a t u r e db yt h e 谢d et r a c k i n gr a n g e ，s i m p l e s t r u c t u r ea n de a s yc o n t r 0 1 t om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h es o l a rt r a c k i n gs y s t e m ，t h et h e s i sh a s r e d e s i g n e dt h em e c h a n i c a la n dc o n t r o l l i n gp a r t so ft h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) n e m e c h a n i c a lp a r ti sd r i v e nb ys t e p p i n gm o t o r 丽t ht h eg e a rr e v o l v i n gt ot r a c kv e r t i c a la n g l ea n d a z i m u t h t h ed e v i c eh a sal i m i ts w i t c h ，w h e nh i t st h el i m i ts w i t c hu p o nr e s e t t i n ge v e r yd a y , s c m w r e c e i v et h es i g n a lt os t o pt h er e v o l v i n go ft h es t e p p i n gm o t o r a sf o rt h ec o n t r o l l i n gp a r t ，i t s s o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a sb e e nr e d e s i g n e da n dd o n eaj o i n td e b u g g i n g ，i tc a nr e a l t i m ec o l l e c t t h ei n f o r m a t i o no fs p e e ds e n s o r ，s e v e n - p o i n tl o c a t o ra n dt i m e ，a l s od i s p l a yt h et i m e t op r o t e c tt h ed e v i c ef r o md a m a g e ，w i n ds p e e ds e n s o ri ss e t ，w h e nw i n ds p e e dr e a c h e s e i g h ta n dl a s t so v e r5m i n u t e s ，t h es y s t e md o e sn o tt r a c k w h e nw i n ds p e e dd e c r e a s e sb e l o wo r h a ss t o p p e df o rm o r et h a n5m i n u t e s ，t h es y s t e mr e s t o r e st r a c k i n g t h ec o n t r o lm o d e , c o m b i n i n gc o m p a r a t i v ec o n t r o lm o d ew i 也c l o c k , l i m i t st h et r a c k i n g t i m ew h i c hc a nb er e w r i t t e n 谢mt h eh e l po ft h es o f t w a r eo nt h ed i f f e r e n tr e g i o n s s e v e n - p o i n t s o l a rl o c a t o rf i r s tc o l l e c t st h el i g h ti r r a d i a t i o n i ft h ea m o u n to fl i g h tr a d i a t i o ni sg r e a t e rt h a nt h e s e tv a l u e ，c o m p a r a t i v ec o n t r o lm o d e lw i l lb eu s e dt o 妇c k o t h e r w i s e ，c l o c km o d e lw i l lb eu s e d t h e s et w ot r a c k i n gm o d e lw i l la u t o m a t i c a l l ys w i t c ha n di n t e r a c tw i 山e a c ho t h e r t h et r a c k i n g s y s t e mh a sn os u c hs h o r t c o m i n g sa sv u l n e r a b i l i t yt ow e a t h e ra n de r r o ra c c u m u l a t i o na n dc a nd o t r a c k i n gw i t h i nt h es p e c i f i e dt i m e i th a si m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fs o l a re n e r g y , s a v e dt h e e n e r g y , a n dl o w e r e dt h ec o s t t h e r e f o r e ，i tc a nb ew i d e l yu s e di ns o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ma n dw i l lh a v eag o o da p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ef u t u r e ( m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y ： k e yw o r d s ：s o l a ra u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e m ；d o u b l ea x e st r a c k i n gd e v i c e ；s o l a rl o c a t o r b a s e do ns e v e n - p o i n tm e t h o d ；c l o c kt y p et r a c k i n g ；p h o t o e l e c t r i ct r a c k i n g 东华大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 太阳跟踪技术的国内外研究现状2 1 2 1 太阳跟踪装置2 1 2 2 太阳跟踪控制方式3 1 3 目前国内太阳跟踪技术的主要问题5 1 4 课题研究的主要内容5 第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计7 2 1 太阳跟踪方式的确定7 2 1 i 视日运动轨迹跟踪模式7 2 1 2 光电式跟踪模式7 2 1 3 视日运动轨迹与光电式跟踪相结合模式8 2 1 4 本系统采用的跟踪模式8 2 2 跟踪装置的确定9 2 3 控制器的选择1 0 2 4 系统的组成和跟踪原理1 0 2 5 本章小结1 l 第三章太阳跟踪装置的设计。1 2 3 1 跟踪装置的总体设计一1 2 3 2 跟踪装置传动机构的设计一1 4 3 2 1 高度角及方位角齿轮的设计计算1 4 3 2 2 轴的设计计算1 5 3 2 3 轴承及联轴器的选择1 5 3 3 跟踪装置驱动机构的设计1 5 3 3 1 步进电机的选型1 5 3 3 2 提高步进系统精度的措施。1 7 3 4 跟踪装置运动模拟1 8 3 5 本章小结1 9 第四章控制系统硬件的设计一2 0 4 1 控制系统实现的功能2 0 东华大学硕士学位论文目录 4 2s t c 9 0 c 5 2 a d 单片机控制器的应用2 0 4 2 1s t c 9 0 c 5 2 a d 单片机的特性2 0 4 2 2s t c 9 0 c 5 2 a d 单片机引脚的分配2 0 4 2 3s t c 9 0 c 5 2 a d 单片机的外部接口2 1 4 3 七点法定位器及其调理电路的设计2 2 4 3 1 光敏元件的选择2 2 4 3 2 七点法定位器的结构设计2 3 4 3 3 七点法定位器的工作原理2 3 4 3 4 七点法定位器的精度分析一2 4 4 3 5 光辐射量采样调理电路设计一2 5 4 3 6 自动跟踪系统控制器的设计一2 6 4 4 风速信号的采集2 6 4 5 步进电机驱动控制模块的设计2 7 4 5 1 步进电机驱动模块的设计2 7 4 5 2 步进电机控制电路的设计一2 9 4 6 外围电路的设计2 9 4 6 1 电源电路的设计2 9 4 6 2 时钟电路的设计3 0 4 6 3 显示电路的设计3 2 4 6 4 辅助电路的设计3 3 4 7 本章小结3 4 第五章控制系统软件的设计及调试3 5 5 1 程序整体结构的设计3 5 5 2 风速传感器模块的设计3 7 5 3 时钟式跟踪模块的设计3 8 5 4 光电式跟踪模块的设计3 9 5 5 步进电机模块的设计4 0 5 6 时钟模块的设计4 1 5 7 显示模块的设计4 3 5 8 程序联调4 4 5 9 本章小结4 5 第六章总结与展望4 6 6 1 全文总结4 6 6 2 展望4 6 参考文献4 7 东华大学硕士学位论文 目录 致谢5 0 附录攻读硕士期间发表和录用的论文5 l l l i 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 能源是人类发展必不可少的基本资源之一，进入2 1 世纪以来，随着世界经 济的飞速发展，各国对能源的消耗与日俱增，能源短缺已成为人类社会面临的重 大挑战。大量资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到2 1 世纪8 0 年代，石油、天然气资源将枯竭。到2 2 世纪2 0 年代，煤资源也将被耗尽。即使 是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短 缺的问题，已探明储量的铀矿资源也将在2 0 3 0 年前开采完n 1 。 在石油、天然气和核矿等资源日渐枯竭的今天，太阳能作为一种可再生的新 能源，越来越引起人们的关注。太阳能因具有储量的“无限性、存在的“普遍 性”、开发利用的“清洁性”以及运行的“经济性”等优势，决定了其开发利用 是最终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问 题的有效途径，是人类最理想的替代能源，充分利用太阳能不仅具有可继续性， 而且具有重要的环保意义。欧盟，日本和美国把2 0 3 0 年以后能源供应安全的重点 都放在了太阳能等可再生能源方面。 太阳能发电将成为未来全球解决能源危机的重要途径，随着2 0 世纪7 0 年代的 能源危机，全球环境污染日趋严重，加上各个领域新型技术对低碳、环保、节能 的迫切需要，形成了一轮太阳能利用的新高潮，太阳能发电已成为全球发展速度 最快的技术之一。然而它存在着分散性、间断性、不稳定性、效率低、成本高等 问题，这对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列 基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。 随着经济的飞速发展，社会的现代化，太阳能的利用方式也变得多种多样， “太阳能发电”、“太阳能热利用”、“太阳能照明”等等乜1 ，但利用效率都不 高，如何能够全方位的、高效率的利用太阳能便成为世界各国学者的研究热点。 解决这一问题主要有两条途径：一是从太阳能电池的材质上入手，提高太阳能装 置的转换效率，所以有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜光伏电池，有待进一步的 深入研究；二是让太阳能电池板跟着太阳运动使电池板与阳光入射角保持垂直， 以达到光能最大获取率，即太阳跟踪。太阳跟踪可利用现有的技术来实现。在没 有出现新的材料以前，跟踪是提高发电效率的主要途径，实验表明：在太阳光伏 发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备比固定发电设备的发电量提高 4 0 口1 。因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的，这对解决所面临的日益 严峻的能源问题有着重大而深远的意义。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 太阳跟踪技术的国内外研究现状 对于太阳自动跟踪技术，人们已经做了很多研究，很多专利、期刊、论文和 文章r 卜口1 介绍了利用各种传感器，设计各种机械装置，来实现跟踪太阳的目的。 1 2 1 太阳跟踪装置 美国b l a c k a c e ，在1 9 9 7 年研制了单轴跟踪器，完成东西方向的自动跟踪，南 北方向通过手动调节，使接收器的热接受率提高了1 5 阳1 ；1 9 9 8 年美国加州成功 的研究了a t m 两轴跟踪器，使热接受率进一步提高；j o e l h g o o d m a n 研制了活动 太阳方位跟踪装置，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；2 0 0 2 年2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳跟踪装置，该装置是利用控制 电机完成跟踪的，大大拓宽了跟踪器的应用领域呻1 ；2 0 0 6 年2 月，a c c i o n a 太阳能 公司建立的被称为西班牙最大的太阳能电站开始投入使用，与通常固定的平面系 统相比，该系统可以增力n 3 5 的能源产出量n0 。在欧美国家现在有比较成熟的主 动式全方位太阳跟踪技术及产品。 近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。国家气象局计量站 在1 9 9 0 年代研制了f s t 型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测n 1 | ； 1 9 9 2 年推出了太阳灶自动跟踪系统；1 9 9 4 年吕文华等介绍了单轴液压自动跟踪 器，完成了单向跟踪，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，单轴跟踪不仅装置存在问题，经常 出现缺测、误测等现象，而且存在着跟踪精度不高、误差累积，绕线等一些问题； 2 0 0 1 年赵建根等介绍了一种五象限法太阳跟踪仪，采用了5 片光电池实现双轴 跟踪n 2 儿1 3 1 ；2 0 0 4 年饶鹏等介绍了两维程控太阳跟踪器控制系统的研制，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， 通过微机远程控制，实现太阳跟踪n 如。 目前，国内外的太阳跟踪装置基于运动能力可以分为以下两种：单轴跟踪式 和双轴跟踪式。 ( 1 ) 单轴跟踪式 单轴跟踪只有一个自由度，虽然结构简单，但是入射角不能始终与主光轴平 行，收集太阳能的效果相对双轴跟踪较差n 5 1 。 ( 双轴跟踪式 双轴跟踪有两个自由度，在高度角和方位角上都能跟踪太阳为双轴跟踪，双 轴跟踪采光效率较高。双轴跟踪又可分为三种方式：极轴式跟踪、高度角一方位 角跟踪n 朝和球面跟踪。 极轴式跟踪方式简单，但在结构上采光板的重量不通过极轴轴线，极轴支撑 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 装置设计比较困难；球面跟踪结构复杂，成本较高；所以多数太阳自动跟踪系统 采用高度角和方位角跟踪方式，其跟踪原理如图1 - 1 所示，采光板的方位轴垂直 于地平面，另一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。 图1 - 1 高度角一方位角跟踪原理图 工作时采光板根据太阳的位置变化绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯 仰运动改变采光板的高度角，致使采光板的法线始终与太阳光线平行。这种跟踪 系统的特点是跟踪精度高，而且采光板的重量保持在垂直轴所在的平面内，支撑 结构的设计比较容易。 我国目前尚未开展大规模的太阳跟踪技术和驱动产品的开发与应用，现存的 民用太阳跟踪装置大多采用单轴方式，这些跟踪装置大都精度不高，有误差累计， 效率低下成本高，从而很难普及。单轴式的太阳跟踪器的太阳能利用率要比双轴 的低。 1 2 2 太阳跟踪控制方式 目前，各种类型的太阳跟踪装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械 系统和电控系统，其中，机械系统又可分为压差式太阳跟踪器和控放式太阳跟踪 器两种，而电控系统一般可分为时钟式、程序跟踪式和光电式。目前常见的跟踪 系统如下m m 7 | 。 ( 1 ) 压差式太阳跟踪器 密闭容器的两侧受光面积不同所产生压力差使跟踪器重新对准太阳。该装置 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。但是刚度 东华大学硕士学位论文第一章绪论 低，没有足够的工作空间。 ( 2 ) 控放式太阳跟踪器 控放式太阳跟踪器在太阳能采光板西侧放置一偏重，利用控放式自动跟随装 置控制此动力慢慢释放，使太阳光接收器向西偏转运动，该装置成本低廉，纯机 械控制，不需电子控制部分及外接电源。存在跟踪过度的情况，不能自动复位， 不能满足昼夜更替之后的跟踪需求。 ( 3 ) 时钟式太阳跟踪器 时钟式跟踪器控制方法是定时法：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，从而确定出电机的转速，使跟踪装置根 据太阳的位置而转动。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。 ( 4 ) 程序跟踪式太阳跟踪器 程序跟踪式即为视日运动轨迹跟踪方式，这种跟踪方式是与控制器相结合 的。首先用一套公式通过控制器计算出在给定时间太阳的位置，再计算出跟踪装 置被要求的位置，最后通过电机转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。此跟踪开始前需要精确定位，太阳计算时容易产生误差，且误差 累积，偏重于太阳轨迹的计算算法咖1 。 太阳入射角0 ，即太阳直射光线与采光板法线的夹角，计算公式为3 c o s 秒= ( s i n 6 s i n p c o s p ) 一( s i n 万c o s 妒c o s y ) + ( c o s 艿c o s 口o c o s 国) ( 1 - 1 ) + ( c o s s s i n 伊s i n p c o s y c o s r o ) + ( c o s s s i n p s i n 7 s i n c o ) 式( 1 1 ) 中8 一年内第n 天太阳赤纬角 万：2 3 5 。3 6 0 ( 2 8 4 + n ) ( 1 2 ) 3 6 5 6 0 一太阳时角即单位时间地球自转的角度。地球自转一周3 6 0 。， 对应的时间为2 4 h ，太阳时角缈= 3 6 0 0 2 4 = 1 5 0 h 。 由式( 1 1 ) 可知，当太阳赤纬角6 、当地的纬度够确定以后，采光板高度 角b 、方位角y 的值就决定了太阳入射角0 ，只要控制采光板的高度角和方位角， 就能够保证太阳光入射角0 为0 ，从而获得最大限度的太阳能。 ( 5 ) 光电式太阳跟踪器 光电跟踪装置都使用光敏传感器。它是将四个完全相同的光电转换器件分别 放置于采光板的东南西北方向。利用光电转换器件的信号差值，控制驱动电机转 动。光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便，但受天气的影响很大，有时甚至会 引起跟踪装置的误动作晗1 。 通过上述介绍可知，在众多的跟踪器中，纯机械式的跟踪器和时钟式的跟踪 器精度偏低。光电式控制的太阳跟踪器精度较高n 引，通过阅读众多关于太阳跟 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 踪器的文章发现当前国内太阳跟踪器的研究方向偏向于对光电式太阳跟踪器的 研究，尤其是机电一体化双轴太阳跟踪器的研究，但光电式易受天气的影响，若 集合光电式的高精度、时钟式的不受天气影响并加入时间控制就能使得跟踪方式 能根据外界环境自动变换，跟踪不受外界因素影响，能时刻跟踪太阳的运动，本 文正是采用的跟踪控制方式。 按照太阳跟踪器中控制部分的不同，机电一体化太阳跟踪器又可以分为：基 于单片机的太阳跟踪器乜2 h 25 | ，基于a r m 嵌入式的太阳跟踪器瞳6 | ，基于p l c 嵌入 式的太阳跟踪器瞳7 2 引，基于当前流行的d s p 芯片1 及基于f p g a 的太阳跟踪器瞳町 等几种。通过比较，选取基于单片机的双轴太阳跟踪器作为研究对象，其原因是： 单片机的结构相对简单，易于学习和掌握，价格比较便宜，可以降低太阳跟踪器 的成本，通过设计合适的电路可以满足一般的精度要求；另外基于单片机的太阳 跟踪器的研究技术较为成熟。 1 3 目前国内太阳跟踪技术的主要问题 经过近3 0 年的发展，太阳能发电在发电技术和应用规模上都有了很大进步， 为国家电力多元化做出很大贡献。但和常规煤电相比，太阳能发电成本很高，要 想实际应用规模化，还必须做出很多努力。 对上述跟踪装置的对比总结如下：压差式和控放式结构简单，刚度低， 一般只适用于单轴跟踪，精度很低并且控放式不能自动复位，不能适应野外恶劣 的工作环境。时钟式跟踪累积误差不断增加，并且不能消除，系统的跟踪精 度很低，同时需外接电源，日夜不停的运转，造成能源浪费。光电式跟踪结 构设计较为方便、跟踪精度比较高、原理简单易于实现，但受天气的影响很大， 如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，就会导致跟踪装置无法对准太 阳，有时甚至会引起执行装置的误动作，不能连续对太阳进行跟踪。 1 4 课题研究的主要内容 本课题所研究的太阳自动跟踪系统以s t c 9 0 c 5 2 a d 单片机为核心，采用混合 控制方式，即晴天时采用光电式跟踪，有乌云或阴天时采用时钟式跟踪，大大提 高了采光效率。加入时间控制，跟踪时间根据地区不同可由软件设置，减少了跟 踪时间，大大节约了能源，系统中设有风速传感器，以适应外界的恶劣环境。该 方案具有电路简单、工作稳定、受外界条件干扰较小等优点。主要内容如下。 ( 1 ) 比较国内外主要的几种跟踪方案，分析其存在的问题，提出合理的跟踪 策略。 ( 2 ) 进行太阳跟踪装置的设计，执行原件选用，减速比的计算和确定，齿轮 东华大学硕士学位论文第一章绪论 的校核，保证跟踪系统平稳运行。 ( 3 ) 选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计一套结构简单、价格低廉和 功能实用的控制系统；研究步进电机脉冲控制原理，进行步进电机的控制，进而 控制跟踪装置，实现跟踪；研究步进电机的细分技术。 ( 4 ) 信号采集部分，设计七点法太阳定位器的结构，阐述其工作原理及精度 分析；本课题中还用到风力传感器，使装置在恶劣的环境中工作免受破坏。实时 采集两种传感器信号。 ( 5 ) 用c 语言在k e i l 5 1 环境下编写与调试程序，提出改进措施。 6 东华大学硕士学位论文第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计 第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计 2 1 太阳跟踪方式的确定 太阳的位置不仅随着时间在变动，还受季节变化的影响，所以对太阳的跟踪 采用双轴跟踪方式。对于太阳跟踪，人们已经进行很多研究，现在研究比较多的 跟踪模式有：视日运动轨迹跟踪、光电式跟踪以及视日运动轨迹跟踪与光电式跟 踪相结合的方式。而视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合的方式因结合了两者的 优点，最近被广泛提及和研究，下面对这三个方案做个简单比较。 2 1 1 视日运动轨迹跟踪模式 如1 2 2 介绍，视日运动轨迹跟踪模式为开环控制，一般在地平坐标系或时 角坐标系下研究，地平坐标系控制原理如图2 - 1 ，时角坐标系控制原理如图2 2 所示。 图2 - 1 地平坐标系下控制系统原理图 图2 2 时角坐标系f 控制系统原理图 一般在地平坐标系下求解太阳的高度角和方位角，用高度角、方位角进行控 制跟踪嘞1 ；也有把地平坐标系转换到时角坐标系求得时角和赤纬角，进行极轴式 控制跟踪口1 i 。无论采用哪种坐标系，采用视日运动轨迹跟踪模式，在开始运行之 前必须精确定位，并且要经过复杂的计算，得出所需控制的参数，两者都存在误 差，并且计算过程产生的误差不能自行调整，使得误差具有累积效应，此跟踪和 地理位置有关，不同的地方，其纬度不同，所以该跟踪模式要设计输入调试部分 的电路，并且该跟踪模式不能运用到轮船、汽车等移动的物体上。 2 1 2 光电式跟踪模式 如1 2 2 介绍，光电式跟踪模式为闭环控制，光电式跟踪模式控制原理如图 2 3 所示。 东华大学硕士学位论文第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计 图2 3 光电式控制系统原理图 该方式利用不同方位安装的光电转换器件接收太阳发出的光线，在太阳光照 改变时，方位角光电器件输出的电压发生变化，把不同位置的光电转换器件的输 出信号进行比较，将判断结果送入控制器，控制器跟据该数据输出相应的控制信 号，控制步进电机动作，从而控制采光板的位置，实时调整跟踪装置跟踪太阳， 达到始终保持最高的太阳能接收效率。2 儿3 3 i ，该模式灵敏度高，结构设计较为方 便，但易受天气的影响。其中，光电转换器件主要有基于外光电效应的光电管、 光电倍增管；基于光电导效应的光敏电阻；基于光生伏特效应的光敏二极管、光 敏晶体管、光电池和雪崩光电管。 2 1 3 视日运动轨迹与光电式跟踪相结合模式 视日运动轨迹跟踪模式和光电式跟踪模式都存一定的缺点，视日运动轨迹跟 踪模式开始工作时需要精确定位，误差累积，且受地理位置影响，不能运用于移 动的物体上；光电式跟踪模式易受天气影响，使得装置不跟踪或错误跟踪，误跟 踪极易出现事故。鉴于此，视日运动轨迹与光电式跟踪相结合的模式受到了广泛 关注和研究。羽1 矧，一般是以光电式跟踪模式为主要跟踪，太阳运动轨迹模式为 辅助跟踪，当遇到乌云遮挡或阴天等天气情况时，由于光强太小，光电转换器件 上产生的电信号会低于设定的阀值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪模式进行跟 踪，天气转好后自动跳回光电式跟踪。此方案既发挥了光电跟踪的优势，弥补了 误差累积，也合理的利用了太阳运动轨迹跟踪模式，避免了天气带来的误操作。 但是，视日运动轨迹跟踪模式，采用视日运动轨迹跟踪仍需要输入地理位置的信 息，设计相应的输入及显示电路，使得系统比较复杂，需要经过大量计算，并且 该跟踪模式对控制器要求较高。 2 1 4 本系统采用的跟踪模式 太阳每天南北方向的转动角度口，即地球中心与太阳中心的连线与赤道平面 夹角的变化量，因季节的变化而变化。假设每天日出到日落时间为北，则每小时 的角度变化就是a t ，假设每隔l o m i n 电机带动装置转动一次，则每次转动的角 度是o t 6 t 。由于季节的变化，口和t 都是变化的，这样计算比较复杂。天之内， 口的最大变化值不超过0 5 。n 引，则由季节引起的变化可以不考虑。装置旋转一 东华大学硕士学位论文第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计 周需要一整天的时间即2 4 h ，转动的角度沙为3 6 0 。，这样每小时旋转的角度是 3 6 0 0 2 4 = 1 5 0 ，设计时为了保证跟踪器至少n 分钟转动一次，此时太阳转过的角 度为( 1 5 n 6 0 ) o ，这就是时钟式控制，可以根据实际需要调整设置，一般取 n = l o m i n 玎引，时钟式跟踪模式控制原理如图2 4 所示。 i 控制器h 耄蓑h 豸黼h 圈 刊控制器卜叫= 萧 _ 制竺等譬 _ 叫= 竺l 桂；击l 。”il 7 v v l 叫ij 祝5 图2 - 4 时钟式控制系统原理图 本文正是鉴于视日运动轨迹跟踪模式需要初始定位、大量计算、误差积累、 跟踪精度低；光电式跟踪模式易受天气影响；视日运动轨迹与光电式相结合跟踪 模式仍需大量计算、电路复杂、对控制器要求较高等缺点。采用了光电式和时钟 式相结合的控制方法，并限定跟踪时间，时间可有软件根据地域不同方便改写， 当遇到乌云遮挡或阴天等天气不好的情况时，由于光强太小，光电转换元件上产 生的电信号会低于设定的阀值，系统会自动跳转到时钟式模式进行执行，每隔 l o m i n ，控制器发出脉冲信号，控制步进电机带动跟踪装置转动2 5 。天气转 好后，系统自动跳回到光电式跟踪模式，采用该模式发挥了光电式跟踪模式的优 点，使得系统不存在误差累积，精度较高，也可以在阴天等特殊天气环境下继续 跟踪太阳，且此控制模式不受地理位置的影响。上海地区8 ：0 0 之前或1 8 ：0 0 之 后，太阳光辐照量比较弱，跟踪装置在固定位置采集太阳能，与在跟踪模式下采 集量基本相同，并且采用固定式方式节约了能源。因此，在此时间段跟踪装置固 定不动。即本文采用的跟踪方式为：在光电式与时钟相结合的基础上，加上跟踪 时间的限制，时间可有软件根据地域不同方便改写。 2 2 跟踪装置的确定 由1 2 1 介绍，目前国内外的太阳跟踪装置基于装置的运动能力可以分为以 下两种：单轴跟踪式和双轴跟踪式。 单轴跟踪只有一个自由度，跟踪装置基本上是旋转轴倾斜安装，结构相对简 单，可以在一定程度上提高系统的采光效率，但是由于入射角不能始终与主光轴 平行，收集太阳能的效果相对双轴跟踪较差。 双轴跟踪分为三种方式：极轴式跟踪、高度角一方位角跟踪n 5 1 和球面跟踪u 。 极轴式跟踪装置结构相对简单，但是在结构上采光板的重量不通过极轴轴 线，极轴支撑装置的设计比较困难，且赤纬轴的转动速度过小，使得误差较大； 球面跟踪刚度较大，但结构比较复杂，成本较高；高度角一方位角跟踪装置跟踪 精度高，且采光板的重量保持在垂直轴所在的平面内，支撑结构的设计比较容易。 本文采用高度角一方位角跟踪装置，具体结构在3 1 介绍。 东华大学硕士学位论文第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计 2 3 控制器的选择 控制器是太阳自动跟踪系统核心器件之一，目前应用较多的有工控机、p l c 、 单片机、f p g a 、电脑等9 | 。 工控机数据处理能力差、存储选择性差、价格较昂贵，适合应用比较恶劣的 工业环境；p l c 扫描周期较长、更新较慢、对a d 转换、实时采样、传感器信号 采集比较麻烦，适合做开关控制；f p g a 编程信息需存放在外部存储器上，且使 用方法复杂，保密性差，断电时编程信息丢失，适合应在在要求集成度和可靠性 高的场合；电脑价格昂亏，适合用于处理比较复杂的数据场合。 单片机介于工控机和p l c 之间，它具有功能强、体积小、可靠性高、面向控 制和价格低廉等优点。在太阳自动跟踪器系统研究中，需要采集风速、七点法定 位器信号，采集时间并用l c d 实时显示时间，对步进电机进行脉冲控制，采用单 片机方案能满足控制系统的性能要求，并且单片机价格低廉，随着微电子技术的 不断发展，单片机的功能额越来越丰富。因此本课题选用宏晶科技推出的新一代 超强抗干扰、高速、低功耗的微控制器s t c 9 0 c 5 2 a d 作为控制器。 2 4 系统的组成和跟踪原理 太阳自动跟踪系统跟踪原理如图2 - 5 所示，其主要由七点法定位器、风速传 感器、调理电路、控制器、电机及驱动器、跟踪装置、时钟及l c d 显示组成。 跟踪 装置 七点法 定位器 风速传 感器 方位角步 进电机 a 仍 转换 a d 转换 驱动器 驱动器 控制器 引阿电路li 。 图2 - 5 太阳自动跟踪系统跟踪原理图 七点法定位器用于采集环境光辐照量，经过调理电路之后获取太阳的方位角 和高度角，经a d 转换器输入到控制器中，控制器根据采样信号的大小来分别 驱动方位角步进电机和高度角步进电机，以实现对太阳的实时跟踪控制的目的。 为了保护装置不受破坏，太阳自动跟踪系统设置了风速传感器，当环境风速达到 1 0 鬯 外 东华大学硕士学位论文 第二章太阳自动跟踪系统的工作原理及总体设计 8 级，风速持续5 分钟以上时，系统不再跟踪；环境风速减弱或停止5 分钟以上， 系统恢复到跟踪。 2 5 本章小结 ( 1 ) 介绍了太阳运动轨迹跟踪模式、光电式跟踪模式、太阳运动轨迹和光电 式相结合的跟踪模式，通过对几种跟踪模式优缺点的分析，提出了太阳自动跟踪 系统采用光电式与时钟式相结合的控制模式，并加入跟踪时间的限定，使得跟踪 不受外界环境因素影响，提高了跟踪效率，节约了能源。 ( 2 ) 通过对单轴跟踪、极轴跟踪、球面跟踪及地平坐标跟踪装置的优缺点分 析，选择了地平坐标系下的高度角方位角双轴跟踪装置。 ( 3 ) 结合功能和成本，本系统选择比较便宜的s t c 9 0 c 5 2 a d 芯片作为系统 的控制器，给出了太阳自动跟踪系统工作原理图，并简要介绍了各个部分的功能。 东华大学硕士学