【《太阳能电池板自动跟踪系统的总体设计分析案例》2700字】

太阳能电池板自动跟踪系统的总体设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u26548太阳能电池板自动跟踪系统的总体设计分析案例 1216181.1太阳跟踪方式 1112921.1.1光电跟踪 1167361.1.2视日运动轨迹跟踪 128131.1.3高度角跟踪 3141681.2系统总体设计要求及分析 5262141.1.1系统总体设计要求 535331.1.2系统设计分析 51.1太阳跟踪方式目前对太阳能利用最普遍的形式就是通过太阳能电池板将太阳能转换成电能，为了最大程度利用太阳能资源，最好采取跟踪方式，使太阳板能够始终与太阳光保持垂直的状态，实现太阳能电池板360度全方位无死角旋转，从而获得最佳的光照位置，达到对太阳能的有效应用。传统的太阳能跟踪方法主要采用光电跟踪、视日运动轨迹跟踪，前者是闭环的随机系统跟踪方式，后者是开环的程控系统跟踪方式，其中高度角—方位角式跟踪为视日运动轨迹跟踪方式的一种类型。1.1.1光电跟踪光电跟踪方式利用光敏电阻对太阳光线照射强弱进行检测。装置中，太阳能电池板上安装有上、下、左、右四个相同的光敏电阻，通过调整光敏电阻的位置使太阳能电池板与太阳光保持垂直的状态，当太阳光照偏移时，光敏电阻阻值和电压发生变化，然后通过处理，比较四个光敏电阻所在方位的光照强度，再驱动步进电机，进行旋转，旋转到四个光敏电阻阻值和电压相同时所在方位的情况。光电跟踪方式具有灵敏度高，结构设计简单的优点，但具有受天气原因影响较大的严重缺点：在阴天时，太阳光照较弱，光电转换器很难响应太阳光线的变化；多云天气时，太阳时常被云层遮住，光电跟踪方式可能会使跟踪器出现错误动作，甚至引起严重事故。1.1.2视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹跟踪的原理是根据太阳运行轨迹，利用计算机控制电机转动，带动跟踪装置跟踪太阳。由于太阳位置计算与地理位置和系统时钟密切相关，因此，视日运动轨迹跟踪装置的跟踪精度取决于输入信息的准确性和跟踪装置参照坐标系与太阳位置坐标系的重合度，即视日运动轨迹跟踪装置初始安装时要进行水平调整和指北调整。视日运动轨迹跟踪方式有两种，可分为单轴跟踪和双轴跟踪。1.单轴跟踪由于单轴跟踪只能对单个平面进行检测，所以只能单独实现单个方向的检测，无法完成360度旋转检测。单轴跟踪系统设计的优点就是设计结构简单，但实际效果不完美。但由于太阳能电池板始终与太阳光保持垂直的状态，所以实际收集太阳能效果不太理想。1.双轴跟踪为获得更多的太阳能，需要在太高度角和纬度角的变化上进行调节，双轴跟踪方式就是根据这样的要求进行设计的。双轴跟踪方式有两种，可分为极轴式跟踪和高度角式跟踪。（1）极轴式跟踪极轴式跟踪原理图如图1.1所示，极轴式跟踪装置极轴与地球自转轴平行，赤纬轴与极轴垂直。太阳能电池板工作时绕极轴运转，其转速设定与地球自转角速度大小相同方向相反，从而跟踪太阳的时角变化，太阳能电池板绕赤纬轴作俯仰转动跟踪赤纬角的变化。极轴式跟踪方法简单，但太阳能电池板的重量不通过极轴，故而极轴式跟踪支撑装置设计较为困难。地轴地轴赤道φδ极轴太阳光太阳赤纬角δ地理纬度φφδ太阳能电池板图1.1极轴式跟踪原理图（2）高度角—方位角式跟踪高度角—方位角式跟踪又称为地平坐标系双轴跟踪，原理如图1.2所示。太阳能电池板的方位轴垂直于地平面，俯仰轴与方位轴垂直。太阳能电池板工作时随太阳位置变化绕方位轴转动改变方位角,绕俯仰轴转动运动改变太阳能电池板倾斜角，从而使太阳能电池板的法线与太阳光线平行。高度角—方位角式跟踪系统跟踪精度高，集太阳能电池板重量保持在垂直轴所在平面内，支撑结构设计较为简单。地轴线垂直线地轴线垂直线东南西北太阳αγ太阳高度角α方位角γ图1.2高度角—方位角式跟踪原理图太阳高度角α满足：sinα=sinφ当QUOTEsinγsinγ的值大于1时，太阳方位角γ满足：cosγ=1.1.3高度角跟踪太阳能高度角高度角跟踪几何模型如图1.3所示，当太阳能电池板正对太阳时，太阳能电池板表面的光照强度为：QUOTEI=rIscp2m太阳转过太阳转过α角度后的太阳光入射方向和光照强度QUOTEII太阳光初始入射方向和光照强度QUOTEI0I0αθ太阳能电池板初始位置正对太阳入射方向图1.1太阳能高度角高度角跟踪几何模型查阅资料得知，太阳光照强度为：QUOTEI=rIscpmm其中r为目的地间距引起的修正值，QUOTEIscIsc为太阳能常数，m为大气质量，QUOTEpmpm为大气透明度。设图1.1中初始太阳高度角为θ，太阳初始入光照强度QUOTEI0I0，太阳能电池板初始位置正对太阳入射方向，随着太阳高度角在θ~QUOTE900900直接变化时，太阳光照强度成线性增加，即QUOTEI=I0+ktI=I0QUOTEIH,b=I0+对式（3）进行积分，得到垂直于太阳光线的太阳光照通量为：QUOTEHH,b'=0tI由于太阳光线转动角度和时间满足关系：QUOTE（T为常量24h），则式（4）可化为：QUOTEHH,b'=T∕2π0αI0+T2π*则可运算得出在太阳照射角度随时间变化角度增加α的阶段内，垂直于太阳光线的太阳光照通量增量为：QUOTEHH,b=T2π由以上结果可知，假设在太阳照射角度随时间变化角度增加α的阶段内，太阳能电池板对太阳光照进行实时跟踪，则太阳光照通量为：QUOTE（7）将式（7）化为α关系并得出结果，结果为：QUOTE（8）则可得出，在太阳能电池板随太阳光照转动α角度后的相对太阳光照通量变化率为：QUOTEHH,b'=T∕2π0αI01.2系统总体设计要求及分析1.1.1系统总体设计要求本次设计主要就是针对太阳能的有效利用展开的，由于太阳在不停的运转，所以太阳照射的平面也在不停的变化，所以需要不断转换太阳能电池板的平面才能将太阳能的利用做到最大限度。因此为了提高太阳能的利用率，必须使太阳能吸收平面和太阳运行轨迹保持垂直的状态，从而在固定的平面得到最大的能量吸收。故而本次设计采用光电跟踪和高度角—方位角跟踪相结合的全自动跟踪方式，使太阳能电池板与太阳始终保持垂直，实现太阳能电池板360度旋转，找到最佳位置跟踪。本次设计要求如下：1.该设备可以跟踪任意太阳光照强度，在任何天气的情况下均可使用。1.在进行跟踪时，确保太阳能电池板始终与太阳保持垂直状态。3.软硬件相结合，使用程序进行驱动实物来完成整体系统功能。1.1.2系统设计分析本次系统设计包括单片机、光电转换、步进电机驱动、AD转换、指示灯、按键等模块，系统设计分析主要是从软硬件设计、实物平台搭建等方面进行的。硬件设计：系统设计采用的是光电跟踪和高度角跟踪相结合的全自动跟踪方式的自动控制装置系统，实现太阳能电池板360度旋转。硬件部分主要是光电传感信号、处理信号和电路的控制过程，太阳能电池板所在平面高度角—方位角调整。太阳能电池板平面上四个光敏电阻将检测到的光照进行对比，实现四个光敏电阻所在方位转换。软件设计：本次系统设计以单片机为主要控制模块，通过AD转换，精确实现步进电机的正反转。系统设计采用Keil4编程软件，以C语言进行编程。总之，系统设计总体过程是太阳光照射到光敏电阻，通过光电转换电路对比阻值，进行AD转换，然后通过单片机进行实际比较，经过驱动电路控制步进电机正反转，使得太阳能电池板与太阳光保持垂直的状态。如图1.1所示，为系统总体设计方