基于单片机的太阳能最大照度跟踪装置的设计

目 录摘 要1关键词11 前言2 1.1 课题的提出和研究意义2 1.2 国内外研究现状及发展趋势3 1.3 存在的问题8 1.4 课题研究内容82 基于单片机的太阳能自动跟踪装置整体方案的确定9 2.1 实现跟踪控制的方案选择9 2.2 跟踪装置执行机构方案的选择10 2.3 装置的基本工作原理和组成13 2.4 光电检测追踪模型方案13 2.4.1 传感器类型的确定14 2.4.2 光电检测装置结构模型的确定14 2.5 视日运动轨迹追踪模型方案15 2.6 小结163 光电检测装置的设计16 3.1 光电二级管的选择17 3.2 光电检测装置尺寸的确定18 3.3 小结204 系统硬件电路设计20 4.1 LM324芯片简介20 4.2 太阳光线信号检测电路的设计20 4.2.1 光电检测模式中的检测部分电路设计20 4.2.2 光照强度检测（阴雨天）电路设计22 4.2.3 光照强度检测（白天、黑夜）电路设计23 4.3 电机控制电路的设计23 4.3.1 电路中电气元件的介绍24 4.3.2 电机控制电路工作原理24 4.4 外部时钟电路25 4.5.1 复位电路的设计26 4.5.2 振荡电路的设计285 跟踪系统程序设计29 5.1 系统主程序的设计29 5.2 光电检测跟踪模式的程序设计30 5.3 视日跟踪模式的程序设计31 5.4 时钟模块部分的程序设计31 5.5 小结326 结论32参考文献33致 谢34基于单片机的太阳能最大照度跟踪装置的设计 摘 要：当今世界能源短缺、环境污染、化石能源濒临枯竭。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性等优势为最终解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题提供有效途径。太阳每时每刻都是在运动着，如果它的能量转换部分能始终保持与太阳光线垂直，那么它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。太阳能设备的能量转换部分若想保持与太阳光垂直，就必须要跟踪太阳。本文在分析总结太阳能利用方式和国内外太阳能利用水平的基础上,运用相关的理论,提出和设计了一种基于单片机的太阳能最大照度跟踪装置。该装置综合利用光电检测模式和视日轨迹运动模式的优点以实现无障碍的跟踪方式，并且功率比较小,结构相对简单,效率较高,成本低。关键词：太阳能；跟踪；强度检测；单片机；照度；Design of Solar Maximum Illumination Tracking Device Based on MCUStudent: Li shuaiTutor: Li xu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract: Todays world energy shortage, environment pollution, fossil energy is on the verge of exhaustion. Solar with its reserves limitless, existing universality, development, utilization of clean provides the effective way that finally solve the conventional energy especially fossil energy brought energy shortage, environment pollution problems and greenhouse effect. The sun is in motion all the time, no matter what kind of solar equipment, if its energy conversion parts can maintain the suns rays vertical, so it can gather in more solar energy limited using area. If the part of the energy conversion of solar equipment need keep vertical with sunlight, youll have to track the sun. Based on the analysis of the way of solar energy utilization and the level of solar utilization through home and abroad , on the basis of the theory of using the related, puts forward and designs solar maximum illumination tracking device based on MCU. This device use comprehensively the advantages of photoelectric detection mode and trajectory model to realize the disabled tracking mode. Meanwhile the power of this device is small, structure relatively simple, low cost, high efficiency.Key words: Solar; Tracking; Strength testing; MCU; Luminous intensity1 前言1.1 课题的提出和研究意义由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。太阳能最大照度跟踪装置是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前世界上通用的太阳能跟踪器都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。设计出基于单片机控制的太阳能最大照度跟踪装置，能够实现保持太阳能电池板根据太阳光线强度随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，显著提高太阳能光伏组件的发电效率的要求。在中国，太阳能资源是比较丰富的，从其分布来看，西部地区的太阳能年辐射总量均在5400MJ(m2a)以上，西藏地区达到6700 MJ(m2a)以上。开发好太阳能，对中国的西部开发有着现实意义。近几年来，中国的太阳能电池技术发展得很快，太阳能光伏发电已成为太阳能利用中最具活力的领域，随着太阳能电池成本下降，几十瓦的太阳电池组件已形成了一个民用消费市场【1】。但是太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能设备而言，如何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，一是提高太阳能设备的能量转换率，二是提高设备的能量接收效率，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。不管哪种太阳能设备，如果它的能量转换部分能始终保持与太阳光垂直，就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，能量转换部分若想始终保持与太阳光线垂直，就必须要跟踪太阳。太阳光线自动跟踪装置为解决这一问题提供了可能【2】。通过理论分析，可以得到：太阳能自动跟踪装置与定点式太阳能发电装置相比，可以使太阳能的接收率提高35%，可是目前太阳能利用的转换率仅为1020。智能的太阳能最大照度跟踪系统具有其不可忽视的强大的优越性。一方面，使用智能的太阳能最大照度跟踪系统能达到良好的能源利用效果，间接地延长太阳能利用时间。最大限度的利用太阳能是照明控制系统的最大优势。智能的太阳能最大照度跟踪系统可以根据不同场合、不同的区域，进行时间段、工作模式的细分，在需要时自动开启。另一方面，使用智能的太阳能最大照度跟踪系统能提高管理水平。智能太阳能最大照度跟踪系统是以自动控制为主，人工控制为辅的系统，在一般的情况下不需要人的参与，跟踪系统系统自动实现开关和角度调节功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人员因素而出现的不定时开关，影响人们的正常生活、工作秩序的情况的出现。而以上优势将带来较好的经济效益【3】。太阳能的利用，有利于世界的环保事业，所以提高太阳能光伏发电装置的效率，无论是从科技应用的角度还是从商业的角度来说都成为急需解决的课题。基于单片机的太阳能最大照度跟踪装置能广泛应用于各种太阳能装置，提高装置的太阳能利用率，通过改进还可以对各种光源，如红外线光源，进行跟踪，在一些特殊场合发挥最大功效。同时该系统对全方位监控系统也有一定的借鉴作用。该系统有着很好的应用前景和重要的使用价值。1.2 国内外研究现状及发展趋势 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【4】。(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。 图1 单轴焦线东西水平布置(南北跟踪)Fig 1 Uniaxial and transmeridional horizontal disposal（south-north track）(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。 图2 极轴式跟踪Fig 2 Axial type track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。 图3 高度角-方位角式全跟踪Fig 3 Complete track of altitude-azimuth angle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【5】。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【6】。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【7】。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【8】。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FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测【10】。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157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楣垂直，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【9】。 (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嚣，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【10】。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0.1MP的自来水作为跟踪动力(若无自来水，可装一只容积为2L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3-5分钟后，镜面即跟踪对准太阳【11】。这种跟踪器在实际中应用很广，其主要的优点是：结构比较简单，制作费用低，纯机械式，不需电子控制部分及外接电源。缺点是没有足够的工作空间，而且一股只用于单轴跟踪，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间运动的跟踪，只能每隔一段时间，重新对准阳光，因此精度比较低。(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，便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。控放式太阳跟踪装置由配重块、弹簧、杠杆、砖4动装置、电磁铁等部分组成。工作原理是：由于在集热装置的西侧装有配重块，在重力的作用下，集热装置便会绕主轴自东向西转动。重力的控放由弹簧通过制动装置和杠杆来实现。弹簧则由电磁铁控制。电磁铁的动力又由硅太阳能电池扳供给。电池装在集热装置的上方，前面设有遮光板。当集热装置对准太阳时恰好遮住阳光，使太阳能电池处于阴影区。一但太阳西移，遮光板的阴影随之移动，太阳能电池便受到阳光照射，输出一定数值的电流，从而发出偏移信号。信号经放大，使高灵敏的继电器动作，并通过执行继电器控制电磁铁吸合，于是制动装置松开，集热装置向西旋转，直至对准阳光。此时遮光板又重新挡住阳光，太阳能电池进入阴影区，电磁铁释放，完成跟踪。为了保证跟踪系统在多云大气下也能可靠地工作，光电控制线路中还增加了一组多谐振荡器。因多云天气太阳被云层遮挡的时闻较长，跟踪器常因失去目标而停止动作。当太阳重新出现时，集热装置必须作大角度的旋转才能跟上太阳。由于系统的惯性很大，如不采取措施往往会跟踪过头，产生较大的误差。有了多谐振荡器后，不管转多大的角度，电磁铁始终按照吸合一释放一吸合一释放的间歇方式动作，集热装置逐步向西旋转，直至追上太阳。当集热装置转至西边的极限位置时，触动极限开关，切断控制系统的电源。第二天，只要将集热装置人工转至向东的位置，便可开始新的跟踪。控放式跟踪器适合于聚光型的集热装置，如聚光型热水器、太阳灶等。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【12】。（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【13】。与前几种跟踪装置相比，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。（6）用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置【14】。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。全自动太阳跟踪装胃根据地平坐标、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【3】。1.3 存在的问题综上所述，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。1.4 课题研究内容设计基于51系列单片机的太阳能最大照度跟踪装置。要求能够实现对太阳位置的实时检测，保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线垂直照射太阳能电池板的动力装置，从而提高太阳能光伏组件的发电效率。该系统主要包含以下内容：（1）微处理器单元利用MCS-51系列单片机进行各项工作的处理，包括信号的采集和数据的处理及对控制对象的控制。（2）按键控制模块利用按键实现人机交互。（3）太阳能强度检测模块实现对太阳强度的实时检测，并将光照强度信息提供给处理器。（4）电机控制单元结合太阳强度检测信号，控制电机旋转，始终保持光照强度的最大值。2 基于单片机的太阳能自动跟踪装置整体方案的确定 本节首先将通过各种跟踪控制方案的对比来确定本系统的跟踪控制方法，其次确定跟踪装置执行机构的方案，最后拟定系统的基本组成部分和确定系统工作原理。2.1 实现跟踪控制的方案选择在分析国外跟踪控制系统的基础上，借鉴它们成功的经验，根据国内现有产品的现状，以及现有的技术水平，综合考虑技术手段、成本价格等各方面因素，通过选取几种合适该课题的方案对比，最终选定跟踪控制方案。（1）压差式太阳能跟踪方案。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。（2）控放式太阳跟踪方案。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，除非另外加复位机构；而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低。（3）时钟式跟踪器方案。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。（4）光电检测控制式太阳跟踪方案。利用光电传感器在光照时光电流发生变化而产生光电流导通的特性的原理，将四个完全相同的光电传感器分别放置于太阳光接收器的东南西北方向边沿处以控制四个方向。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，中间位置的光电传感器导通，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板的法线有夹角时，光电检测电路可以采集到四个方向上的光电信号与中间位置的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电动机转动，直至太阳光再次与太阳能电池板垂直。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现，但是但是受天气的影响很大，如果在比较长的时间段内有乌云等挡住阳光，会导致系统因脱离照射区域而无法跟踪，甚至执行机构会产生误动作。（5）视日运动轨迹跟踪方案。视日运动轨迹追踪，首先要根据当地的经度纬度来判断太阳入射的强度和角度，然后再计算接收角度，编写程序，再从外部的时钟芯片上读取时间，计算好太阳现在在什么方位，和前一次确定的方位上角度相差有多少，以此确定好当前应该控制电机转动的方向和角度。与光电检测追踪相比，视日运动轨迹的追踪方法有比较高的稳定度，它不受天气、其它光源的干扰，但是由于计算太阳角度方位时取的数值不是完全精确，会产生误差，以及跟踪装置的机械机构的精密度也会产生精度影响，各种因素叠加起来产生的误差也是不可忽视的由于太阳可能的位置遍布在天空中一个面积范围内，所以点聚焦的对日跟踪应当采用双轴跟踪。同时，由以上方案的比较可知，光电检测跟踪方案，通过光电元件相互之间的导通与截止会产生相位差，判断集热装置轴线是否与太阳光线平行。执行机构通过集热装置轴线与理想位置的偏差调整集热装置的角度，从而使集热装置的轴线与太阳光线平行。光电式跟踪装置没有累计误差，且电路设计简单，尽管存在不能连续对太阳运动进行跟踪的缺点，但是与其它控制方式的太阳跟踪装置相比有较大优势，同时为了解决阴雨天不能进行跟踪的缺陷，故本文巧妙地选择结合光电式双轴跟踪和视日运动轨迹跟踪作为系统的跟踪控制方式。即根据光照强度的不同，采取相对应的追踪模式来对太阳进行追踪，以更灵活的模式来更有效率的接收太阳能。2.2 跟踪装置执行机构方案的选择根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及设计难度、成本等各个方面考虑，选定以下几种跟踪装置执行机构进行对比。（1）立柱转动式执行机构【15】。执行机构的结构：在图4中，大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达1的输出轴。马达1固定在转动架上，转动架以及支架固定安装在主轴上，接收器、马达2安装在支架上面(接收器相对于支架可以转动)，马达2的输出轴连接在接收器上。执行机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达2带动接收器相对与支架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该执行机构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本。整个执行机构的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下，受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。图4 立柱转动式执行机构示意图Fig 4 Pillar rotation type actuator schemes（2）陀螺仪式执行机构【15】。执行机构的结构：在图5中传动箱1固定安装在支架上，马达1安装在传动箱1上，传动箱1的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1的输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱1的输出轴连接环形支架，传动箱2固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱2上，传动箱2内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱2的输出轴连接接收器。该执行机构可以选择不同朝向安装，当按照图2.2中的朝向进行安装时，执行机构跟踪的实现原理如下：当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达2带动传动箱2中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制部分也发出信号驱动由马达1带动传动箱1中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动环形支架和接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。 图5 陀螺仪式执行机构示意图Fig 5 The gyroscope try actuators schemes执行机构优点：该执行机构结构简单；对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动；在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨；结构紧凑，运动空间大。传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。（3）齿圈转动执行机构【15】机构结构：在图6中马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1啮合。齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2啮合，齿圈2连接着转动架，转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动)。图6 齿圈转动式执行机构示意图Fig 6 Gear ring rotation type actuator schemes机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。执行机构特点：该跟踪执行机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运动空间大。由以上的三种跟踪执行机构的方案比较可知，它们都有各自的适应范围。其中第一种方案在固定安装方面优于其它两种，结构较其它两种简单，而且跟踪装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支撑机构的设计比较容易，跟踪比较稳定可靠，更适用于整个跟踪系统的任务完成。综上所述，该跟踪装置选用立柱转动式执行机构。2.3 装置的基本工作原理和组成本装置主要由光电检测部分、跟踪装置执行机构、信号处理与控制部分、按键控制等部分组成，装置的工作原理如图7所示。 光照强度传感器（白天晚上）光照强度传感器（晴天阴天）MCS51光电检测传感装置光电放大电路驱动电路步进电机光伏电池板键盘图7 系统工作原理框图Fig 7 System working principle diagram2.4 光电检测追踪模型方案本方案的工作原理：首先是开机，第一步用光敏二极管系统检测此刻是白天还是晚上，如果是晚上，系统就不运行，用蓄电池供电；如果是白天，优先顺序是用光电检测跟踪来进行追踪，此时系统可以在高度角和方位角上对太阳光线自动跟踪。太阳光投射在光电检测机构(光电检测传感器)的光电检测板上进行光电转换；设在光电检测板下方的光电放大电路进行信号比较、放大等处理，最后将信号输入到MCS-51；MCS-51系列单片机对输入的信号进行信号处理，判断太阳能光伏电池板所在平面此刻是否与太阳光线垂直；若不垂直，系统发出控制命令，通过驱动电路、步进电机控制执行机构根据这些参数调整太阳能光伏电池板角度，实现太阳能光伏电池板对太阳高度角和方位角的跟踪。2.4.1 传感器类型的确定 光敏传感器是以半导体材料制成，在光控电路中，最广泛被使用的光敏器件就是以光敏二极管和光敏三极管为主，下面先来介绍一下这两者之间的区别：（1）光敏二极管感应产生的光电流，通常是从几微安，到几百微安，光敏三极管则是达到了毫安的数量级，最少也有几百微安，这两者起码相差了10倍以上，所以在实用电路中，光敏二极管产生的电流几乎都要先经过放大再去驱动其它负载。（2）响应时间。光敏二极管一般响应时间在几十到上百纳秒，光敏三极管的响应时间则长至5-10微秒，因此在需要精确快速响应的电路中应该慎重选择光敏半导体。（3）输出特性。光敏二极管在很宽的入射光照范围内都可以输出线性的电流，但是光敏三极管在这方面的线性却欠佳，不但在照度低时灵敏度很低，而且照度高了产生的电流又很容易饱和，线性比二极管还是差很多【16】。因此根据整个追踪电路的需要，光敏二极管在很宽的入射照度范围内有线性电流输出，响应速度也快，对广域范围波长的光都有很高灵敏度，小型、轻量，耐振动、耐冲击，所以选择光电二极管作为传感器。整个系统所需要用的光电二极管是7个，其中1个用作检测黑夜白天的光敏传感器，一个用作检测阴雨晴天的光敏传感器，其余5个用于检测阳光入射方向及为太阳能板导航。检测黑夜白天的光电二极管优先级最高，其次是检测阴雨晴天的光电二极管，末级是检测太阳方位的光电二极管。2.4.2 光电检测装置结构模型的确定本结构由5个光电二极管构成的，这5个光电二极管是按一定的分布安装在一个圆盘上，为了能恰当的接收到太阳光的照射以及避免无谓的干扰，还需要在圆盘的外面套上空的圆柱罩做筛选接收阳光的用处，圆柱套顶上有一个透光孔。具体结构模型如图8所示。圆柱罩如果太长会导致阳光射在内壁上，系统会误认为是阴天甚至晚上，那样可能会导致系统切换太过频繁而混乱，甚至死机；太短又会都随时接收，系统无从选择，也容易混乱。 这5个光敏二极管以D0为中心呈十字分布，每个光敏二极管和它最近的那个之间的都保持一定间隙，隔得太稀了占地方还接收范围变得相对狭窄，变成都接收不到；太近了又容易出现接收混乱图8 光电检测装置结构示意图Fig 8 Photoelectric detection device structure schematic drawing关于二极管的直径、间隔距离、以及圆柱罩的尺寸和顶上开孔大小的设计，在系统硬件设计中会有详细阐述。2.5 视日运动轨迹追踪模型方案倘若一旦遇到阴雨天气，光敏二极管接收的光能不足以转化为相应强度的电流时，单片机系统会自动转入设定视日运动轨迹模式来控制太阳能板偏转，然后启动定时从外部时钟读取时间修改方位角，保证了系统全日制的工作流程。视日运动轨迹追踪模式是基于太阳高度角和太阳方位角的计算而进行追踪的，下面介绍一下太阳高度角和太阳方位角的计算公式以及公式中所用到的参数。首先了解一下太阳高度角和太阳方位角的概念。 （1）太阳高度角：太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在0到90之间变化，日出日落时为零太阳在正天顶时为90。 （2）太阳方位角：太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，方位角为-90，在正西方时方位角为90。（3）赤纬与日期的经验关系【17】：设一年365天对应区间为0，取日角0=2(dn-1）/365,dn为年的日序，1月1日取为1，12月31日取为365，则可用如下级数式计算用弧度表示的赤纬: =0.006894-0.399512cos0+0.072075sin0-0.006799cos20+0.000896sin20-0.002689cos30+ 0.001516sin30 (1)赤纬的角度表示为:=23.5sin 360(284+ dn）/365。 (2)（4）太阳时角的计算。=真太阳时（小时）15-180 (3)其中式中单位为度，15表示每小时相当于15时角。（5）时差【17】：太阳在黄道上的运动不是均匀的，时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同，但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行，这个假想的太阳就称为平太阳，其周日的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时。真太阳时=地方平时+时差=北京时+经度订正+时差=北京时+（当地经度-120）460+时差 (4)时差（弧度）=0.000075+0.001868cos0-0.032077sin0-0.014615cos20-0.040849sin20时差（小时）= 时差（弧度）12 (5) 设太阳高度角和方位角分别为和A，地理纬度为。则根据天文学公式：sin=sinsin+coscoscos (6)sin A=cossin/cos (7)cos A =(sinsin-sin)/coscos (8)通过上面太阳高度角及太阳方位角概念和有关公式的介绍，我们了解到，只要经度、纬度、时间确定了，那么就能通过以上的公式计算出相应的太阳高度角和方位角的值，而这个值是唯一的。这样就可以实现每隔一段时间都可以计算出一组当时所对应的太阳角度值。同时计算出两次之间的角度差，利用这个角度差来控制电机的转动时间。2.6 小结本章通过对太阳能跟踪装置跟踪方式的分析，选择双轴光电比较控制式跟踪为系统的主要跟踪控制方法，视日轨迹跟踪方式作为辅助跟踪方法；采用立柱转动式执行机构作为调整太阳能光伏电池板高度角和方向角的机械机构；最后给出系统工作原理框图并说明光电检测追踪模型方案和视日运动轨迹追踪方案的实现形式。3 光电检测装置的设计根据上一节的分析，太阳能自动跟踪装置光电检测部分选用了光电二极管作为光电传感器，同时确定了光电检测装置的结构。在本节的光电检测部分的设计过程中，对光电检测装置结构进行改进优化，使得数据采集部分能够及时反应出太阳光线较小或者较大的变化；完全采用电子电路进行控制，不外加任何机械控制部分，降低了成本。通过这些改进和刨新，解决了传统自动跟踪器中所存在的问题，使得这一技术能够进一步发展，形成实用的、适合市场需要的产品，推进了太阳能的普及利用。3.1 光电二级管的选择本节将介绍光电二极管的具体内容，通过了解光电二极管的工作原理（如图9、图10），各种型号光电二极管的对比，进而选择合适的光电二极管应用于光电检测装置。 图9 光敏二极管的接法示意图 图10 光敏二极管的符号 Fig 9 Photosensitive diode schematic pick method Fig 10 Photosensitive diode symbols国产光电二极管的型号如表1所示，根据表1中各项参数的对比选出最合适的光电二极管。表1 光电二极管参数Table 1 Photoelectric diode parameters型号工作电压Umax（V）暗电流ID（A）光电流IL（A）光电灵敏度Sn（A/W）响应时间Tr（s）光敏区直径D（mm）2CU1A100.2800.510-78.42CU1B200.2800.510-78.42CU1C300.2800.510-78.42CU1D400.2800.510-78.42CU1E500.2800.510-78.42CU101A150.65-60.232CU101B150.65-60.62CU101C150.65-612CU101D150.650010-353DU22300.3100010-353DU33500.3200010-35以上光电二极管各项参数的含义：（1）最高工作电压Umax，指在无光照射时，光电二极管反向电流不超过0.lA时，所加的反向最高电压值。（2）暗电流ID，在无光照射时，光敏二极管加有正常工作电压时的反向漏电流。其值越小越好。（3）光电流IL，光敏二极管在受到一定光线照射时，在加有正常反向工作电压时的电流值，此值越大越好。（4）光电灵敏度Sn，也称电流灵敏度。是表示光敏二极管对光的敏感程度。它是以每W入射光的能量条件