太阳能跟踪机理毕业论文.doc

目 录摘要1第1章 概述31.1 太阳能的特点31.2 太阳能跟踪技术现状41.3 本章小结8第2章 跟踪系统的设计构想及框架92.1 跟踪系统的设计要求92.2 跟踪系统的组成92.2.1 太阳能采集装置102.2.2 转向机构102.2.3 控制部分112.2.4 贮能装置112.2.5 逆变器112.2.6 控制器112.3 太阳照射规律122.3.1 地球围绕太阳的运行规律122.3.2 太阳高度角和方位角的确定132.4 本章小结16第3章 机械部分的设计173.1 整体框架的设计173.2 减速装置的选型183.3 驱动电机的选型193.4 本章小结20第4章 控制部分的设计214.1 控制器214.1.1 匹配系统214.1.2 并联调节器234.1.3 串联调节器234.2 单片机的选型244.2.1 结构框图:244.2.2 AT89C51的引脚254.3 计时芯片的选型294.4 步进电机驱动芯片的选型314.5 整体电路图的设计344.6 本章小结34第5章 程序部分的设计355.1 流程图设计355.2 程序设计375.3 本章小结41结论与展望42参考文献43致谢44太阳能跟踪机理及系统设计摘要 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AbstractWith 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 authors , 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第1章 概述1.1 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 1021 kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 X 1011kW,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。1.2 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1.1 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪） 图1.1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轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。图1.2 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1.3 高度-方位角式全跟踪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。现就地平坐标系跟踪方法的应用对太阳能跟踪系统进一步做一下分析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。试验主程序流程如图1.4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，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1.5。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。主程序开始跟踪台自动回零实验初始参数设置试验开始？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试验结束？主程序结束NNYY图1.4 试验主流程图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？自动调整跟踪对准太阳跟踪器自动快速指向太阳是否已对准太阳？子程序结束图1.5 自动跟踪子程序YYNN1.3 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，本章节还对地平坐标系跟踪方法的应用进行了分析，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。第2章 跟踪系统的设计构想及框架2.1 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。2.2 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控制器2.2.1 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。2.2.2 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。2.2.3 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。2.2.4 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。2.2.5 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。2.2.6 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。2.3 太阳照射规律2.3.1 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2327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-+2327，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90-2327，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。2.3.2 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2327的范围。夏天最大变化到夏至日的+2327;冬季最小变化到冬至日的-2327.太阳赤纬随季节变化，按照Coper方程，由式(41)计算 =23.45sin(360) (1.1)式中，n为一年中的天数，如:在春分，n=81，则=0，自春分日起的第d天的太阳赤纬为: =23.45sin (1.2)（2）太阳角的计算如图2.2所示，指向太阳的向量与天顶Z的夹角定义为天顶角，用表示；向量与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；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2.2 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=sinsin+coscoscos （1.3）式中， 沪为地理纬度；占为太阳赤纬；口为太阳时角。正午时 ，=0，cos=1，(4.3)式可以简化为：sinh=sinsin+coscos=cos(-)因为，cos（-）=sin90士（-），所以sinh=sin90土（-） （1.4）正午时，若太阳在天顶以南，即，取sinh=sin90一（-）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，cos= (1.6)也可用下式计算，sin= (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cos=-tantan (1.8)式中-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，当-1- tantan+1，解式(1.8)，有=arccos(-tantan) (1.9)求出时角后，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N=arccos(-tantan) （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。2.4 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。第3章 机械部分的设计3.1 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。图3.1 跟踪系统的机械结构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3.2 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涡轮蜗杆减速器谐波减速器行星减速器 体积 中 小 小 刚性 高 中 低 寿命 中 短 长 效率 低 高 高 输入转速 3000以上 2000以下 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：0.06KW7.5KW 转 矩：2.6Nm2379Nm 传动比：5-1003.3 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步进角静力矩(N.m)电流（I）重量（kg）85BYGH350A21.22.42.42.03.4 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统。总的来说，通过结合本设计中的要求对机械部件进行了设计选型，所得的设计结果有较高的性价比和使用性，比较符合本次的设计要求。第4章 控制部分的设计本次设计的系统需要在东西、南北两个方向上对太阳光照射角进行跟踪，跟踪方式可由第一章中提到的太阳照射规律进行设计。跟踪系统需要单片机通过对时间进行判断、比较和提取，再按照不同的时间控制步进电机使太阳能电池板进行相应的角度改变，其中时间方面选用一款计时芯片进行自动计算，同时需要选用一款步进电机驱动芯片来把单片机与步进电机联系起来。因此在本章中将在精确、实用、高性价比等的要求下，对单片机、计时芯片以及步进电机驱动芯片进行选型，然后利用所选择的部件连接出控制电路图，即得到了本次设计中的控制部分。单片机计时芯片步进电机驱动芯片步进电机图4.1 控制部分结构4.1 控制器太阳能电池板与蓄电池之间需要控制器进行连接，以控制在不同的情况下蓄电池的充放电情况。如夜间、阴雨天等情况下太阳能电池板无法提供电能，此时即需要控制器阻止蓄电池向电池板放电。因此，在本系统中，控制器是必不可少的器件。4.1.1 匹配系统这是一个串联二极管的系统，如图4.2所示。该二极管常用硅PN结或肖特基二极管，以阻止蓄电池在太阳低辐射期间向光伏方阵放电。图4.2 完全匹配系统电路图蓄电池充电电压在蓄电池接收电荷期间是增加的。光伏方阵的工作点如图4.3所示。随着电压的减少，工作点从a点移向b点。必须先选好a点和b点之间的工作电压范围，以确保光伏方阵和蓄电池特性的最佳匹配。1000W/m2750 W/m2500 W/m2250 W/m2电流/A电压/V图4.3 光伏方阵供给蓄电池的电流随蓄电池电压的变化这种充电控制系统的问题是，光伏方阵在变化的太阳辐射条件下，其工作曲线是不确定的。采用这种系统设计，蓄电池只能在太阳高辐照度时达到满充电，而在低辐照度时将减少方阵的工作效率。4.1.2 并联调节器这是目前用于光伏发电系统的最普遍的充电调节电路，一般是使用一台并联调节器以使充电电流保持恒定，如图4.4所示。调节器根据电压、电流和温度来调节蓄电池的充电。它是通过并联电阻把晶体管连到蓄电池的并联电路上实现过充电保护的。通常调节器用固定的电压门限去控制晶体管开关的接通和切断。通过并联分流的电能可用于辅助负载的供电，以充分利用光伏方阵的输出电能。图4.4 并联调节系统4.1.3 串联调节器如图4.5所示，在串联调节器中，蓄电池两端电压是恒定的，而其电流随串联晶体管调节器变化着，这种晶体管调节器通常是一个两阶段调节器。串联晶体管代替了所需的串联二极管。图4.5 串联调节系统4.2 单片机的选型在本控制中的单片机部件选择ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C15是一种低功耗、高性能的8位单片机，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS一51兼容。AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可以很好的满足本系统的设计要求。4.2.1 结构框图:AT89C15的结构框图如图4.6所示。它具有如下的主要特征:（1）4KB可改编程序的Flash 存贮器(可擦写100次)（2）全静态工作频率：0Hz一24MHz（3）三级程序存贮器保密（4）128字节内部RMA（5）32条可编程I/O线（6）2个16位定时器/计数器（7）6个中断源（8）可编程全双工串行通道（9）片内时钟震荡器RSTALEP0驱动器P2驱动器P0寄存器P2寄存器RAM地址寄存器RAMROM程序地址寄存器缓冲器PC增1PCDPTR寄存器0寄存器1寄存器2ACCSPALU运算中心PSW中断、串行口和定时器P0.0P0.7P2.0P2.7指令寄存器指令译码器定时控制器OSCP0驱动器P0驱动器P0驱动器P0驱动器P1.0P1.7P3.0P3.7图4.6 AT89C51的结构AT89C15是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件选择的省电方式，即空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作.在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持内部RAM的内容，直到下一次硬件复位为止。4.2.2 AT89C51的引脚AT89C51引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图4.7所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。（1) 主 电 源引脚A. Vcc: 电源端。B. GND :接地端。（2）外接晶体引脚XATL1和XATL2XATL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XATL2 :接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源时，此引脚应悬浮不连接。（3) 控制或与其它电源复用引脚RST、AlE/、/VppA. RST: 复位输入端。当震荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。B. AlE/：当访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍以不变的频率(此频率为震荡器频率的1/6)周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是:每当访问外部数据存贮器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存贮器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲()。如果需要的话，通过对在专用寄存器(FSR)区的8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才一会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。C . :外部程序存贮器的读选通信号。当AT89C51由外部程序贮存器取指令（或常数）时每个机器周期两次()有效（即输出2个脉冲）。但在此期间时，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号将不出现。D. /Vpp：内部和外部程序贮存器访问允许端。要使CPU只访问外部程序存贮器（地址为0000H一FFFFH），则端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端的状态.当端保持高电平(接Vcc 端)时，则CPU执行内部程序贮存器中的程序。在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。（4） 输入/输出引脚PO.0-PO.7、P1.0一P1.7、P2.0-P2.7和P3.0-P3.7A. P0端口（P0.0一P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8位TTL输入，对端口锁存器写“1”时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在对Flash编程时，P0端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。B. Pl端口（Pl.0-P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出可驱动吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。C. P2端口（P2.0一P2.7）:PZ是一个带有内部上拉电阻的8位双向1/0端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序贮存器和16位地址的外部数据存贮器（如执行MOVXDPRT指令）时，P2口送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存贮器(如执行MOVXDPTR指令)时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器SFR区中P2寄存器的内容)，在整个访问期间不会改变。D. P3端口（P3.0-P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT89C51中，P3还用于一些特殊的功能（替代功能），这些特殊功能定义如下:端口引脚 特殊功能P3.0 RXD（串行口输入）图4.7 AT89C51引脚P3.1 TXD（串行口输出）P3.2 （外部中断0）P3.3 （外部中断1）P3.4 T0（定时器0的外部输入）P3.5 T1（定时器1的外部输入）P3.6 （外部数据存贮器写选通）P3.7 （外部数据存贮器读选通）4.3 计时芯片的选型本系统设计要求能够对时间进行记录，并且单片机能读取到程序设定的即时时刻，因此要选用一款计时芯片为系统提供时间的提取和记录。在本跟踪系统中，选用的是8563计时芯片。8563是Philips公司推出的内含I2C总线接口功能并具有极低功耗得多功能日历时钟芯片。8563得多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能及中断输出功能，能满足各种复杂的定时服务需求，甚至可为单片机提供“看门狗”功能。内部