太陽(yáng)能追蹤-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

太陽(yáng)能追蹤

摘要能源是人類(lèi)生存的基礎(chǔ)，當(dāng)前，人類(lèi)正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅，而太陽(yáng)能作為一種新型能源具有儲(chǔ)量無(wú)限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)太陽(yáng)能也存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點(diǎn)，這就使當(dāng)前的一系列太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)太陽(yáng)能的利用率不高。而太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置能有效地解決太陽(yáng)能利用率不高的問(wèn)題。本文對(duì)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制部分設(shè)計(jì)。（1） 機(jī)械設(shè)計(jì)：機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪再帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。（2） 控制部分設(shè)計(jì)：本研究中的跟蹤控制系統(tǒng)采用傳感器定位和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡定位相結(jié)合的方式， 太陽(yáng)傳感器測(cè)定太陽(yáng)在一天內(nèi)不斷變化的位置，然后由機(jī)械控制系統(tǒng)帶動(dòng)整個(gè)槽式拋物面轉(zhuǎn)動(dòng)，使聚光器始終與太陽(yáng)保持一個(gè)最佳角度，把太陽(yáng)光聚集在集熱器上。同時(shí)為了消除太陽(yáng)傳感器由于天氣原因帶來(lái)的誤跟蹤，采用日歷時(shí)鐘芯片根據(jù)太陽(yáng)在某地的運(yùn)行規(guī)律事先設(shè)定太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，利用軟件控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，直到太陽(yáng)傳感器能對(duì)太陽(yáng)重新定位。該系統(tǒng)其邏輯機(jī)構(gòu)主要由太陽(yáng)傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)組成。單片機(jī)和日歷芯片之間采用I2C總線通信電路，以四象限光電探測(cè)器作為感光元件的太陽(yáng)傳感器檢測(cè)實(shí)際太陽(yáng)位置。單片機(jī)將檢測(cè)到的太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并給出控制指令，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行追蹤。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能跟蹤；光敏電阻；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)AbstractEnergyisthebasisforhumansurvival,mankindisfacingaseriousthreatofdepletionoffossilfuelssuchasoilandcoal,whiletheunlimitedsolarenergyasanewenergyreserves,widespreaduseofclean,theuseofeconomicadvantages,whilesolarenergyisalsolow-density,intermittent,thespatialdistributionoftheshortcomingsofchanging,whichmakesthecurrentseriesofsolarenergyequipmentforsolarenergyutilizationisnothigh.Automatictrackingdeviceforthesun'srayscaneffectivelysolvethesolarenergyutilizationisnothigh.Thesolartrackingsystemmechanicaldesignandcontrolofpartofthedesignoftheautomatictrackingsystem.mechanicaldesign:Agenciestoachievetheautomatictrackingoftheprinciple:whenthesun'sraysdeviate.Controlsectiontoissuecontrolsignalsdriveasteppermotordrivenelevationangletransmissiongearturning,gear4todrivethespindlerotation;controlsignaltodrivesteppermotordrivengearoftheazimuthdrivemechanism5rotation,geardrivenringgearandthesolarpanelsrotatebytwosteppermotorsworktogethertoachievethetrackingofthesunazimuthandelevationangle.controlpartofthedesign:Thisstudy,thetrackingcontrolsystemusesacombinationoftrackpositioningofsensorstolocateandsun,sunsensortomeasurethepositionofthesuninthedaychanging,andthenbringthewholeparabolictroughrotationbyamechanicalcontrolsystem,condenseralwaysthesuntomaintainanoptimumangleofsunlightonthecollector.Meanwhile,inordertoeliminatetheerrortrackingofthebadweather,useofthesoftwarecontrolsthemovementofthemechanicalstructureofthesununtilthesunsensorrepositioning.Thesystemlogic,organizationblockdiagramasshowninFigure1,themainsunsensors,signalprocessingcircuit,microcontroller,drivercircuitandthesteppermotor.Betweenthemicrocontrollerandthecalendarchipbuscommunicationcircuit,four-quadrantphotodetectortodetecttheactualpositionofthesunasasunsensorofthesensor.Themicrocontrollerdetectsthepositionofthesundatacomputing,andgivesthecontrolcommandstocontrolthesteppermotortotrack.Keywords:Solartrack;Photosensitiveresistance;Singlechipmicrocomputer;Steppingmotor目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"Abstract ii第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1課題背景 11.1.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 11.1.2我國(guó)太陽(yáng)能資源 11.1.3目前太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)及利用 21.1.4太陽(yáng)能的特點(diǎn) 3\o"CurrentDocument"1.2課題研究的目的 3\o"CurrentDocument"1.3太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"1.4太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5\o"CurrentDocument"1.5論文研究的內(nèi)容 7\o"CurrentDocument"1.6論文研究的意義 7第2章太陽(yáng)與地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及跟蹤系統(tǒng)的介紹 8\o"CurrentDocument"2.1太陽(yáng)與地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 82.1.1地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 82.1.2地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律 92.1.3天球坐標(biāo) 102.1.4太陽(yáng)能成像原理 122.1.5槽式集熱器性能分析 15\o"CurrentDocument"2.2跟蹤系統(tǒng)的介紹 172.2.1自動(dòng)跟蹤方式 17\o"CurrentDocument"2.2本設(shè)計(jì)的跟蹤方案 19\o"CurrentDocument"2.3本章小節(jié) 19第3章槽式自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 20\o"CurrentDocument"3.1跟蹤系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu) 20\o"CurrentDocument"3.2跟蹤系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 21\o"CurrentDocument"3.3太陽(yáng)傳感器的選擇 22\o"CurrentDocument"3.4信號(hào)處理電路 24\o"CurrentDocument"3.5單片機(jī)部分 24\o"CurrentDocument"3.6跟蹤系統(tǒng)的控制電路 25\o"CurrentDocument"3.7步進(jìn)電機(jī) 27\o"CurrentDocument"3.8軟件控制流程 29結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 34外文翻譯 1第1章緒論1.1課題背景1.1.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展目前，人類(lèi)生存主要依靠的能源是以石油、煤炭、天然氣為主的礦物燃料。眾所周知，這類(lèi)礦物能源是不可再生能源，包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都在認(rèn)真積極的探索新能源以及可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用。而在眾多新型能源中，太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生、利用成本低、安全的新型能源，在眾多新能源中脫穎而出。而就現(xiàn)階段的應(yīng)用來(lái)看，太陽(yáng)能也是當(dāng)之無(wú)愧的最有新型能源。1.1.2我國(guó)太陽(yáng)能資源我國(guó)地處北半球，幅員遼闊，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。我國(guó)的國(guó)土跨度從南到北、自西至東，距離都在5000km以上，總面積達(dá)960x104km,占世界總面積的7%居世界第三位。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接收的太陽(yáng)輻射能約為 50x1018KJ,全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335?837KJ/cm2?A,中值為586KJ/cm2?A。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱(chēng)為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68%，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽(yáng)總輻射為816KJ/cmi?A,比全國(guó)其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽(yáng)年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有“霧都”之稱(chēng)的成都市，年平均日照時(shí)數(shù)僅為 1152.2h，相對(duì)日照為26%，年平均晴天為24.7天，陰天達(dá)244.6天，年平均云量高達(dá)8.4。其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。1.1.3目前太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)及利用人類(lèi)直接利用太陽(yáng)能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲(chǔ)能技術(shù)。在利用太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用中，主要可以分為以太陽(yáng)能電池為代表的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用硅板材料直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)，由于其不易建成大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電站，且材料成本高，還有最近研究表明的太陽(yáng)能電池二次污染的問(wèn)題，使太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。從真正意義上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電，只有依靠太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能熱發(fā)電，是指利用聚光器捕獲并聚集太陽(yáng)輻射，并發(fā)送至接收器產(chǎn)生中高溫?zé)崃黧w，然后驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的熱機(jī)（如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林機(jī)等）來(lái)產(chǎn)生電能的一門(mén)綜合性高新技術(shù)，涉及太陽(yáng)能利用、蓄能、新型材料、高效汽輪機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制等問(wèn)題，不少?lài)?guó)家已投入大量的人力物力。太陽(yáng)能熱發(fā)電是一個(gè)非常有前景的新技術(shù)。太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換原理被人類(lèi)認(rèn)識(shí)已有一個(gè)世紀(jì)的歷史，然而直N-十世紀(jì)八十年代才出現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用， 美國(guó)南加利福尼亞九個(gè)太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電站的建成和成功運(yùn)行已經(jīng)證明了這項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)前景。太陽(yáng)能聚光高溫?zé)岚l(fā)電是一種最適合能夠產(chǎn)生大量電能， 減少環(huán)境污染和化石能源消耗的可再生能源發(fā)電技術(shù)。從聚光高溫太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)污染物排放和對(duì)陸地表面的全生命周期評(píng)估表明太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電對(duì)于減少溫室氣體和其他污染物排放是非常理想的，同時(shí)對(duì)環(huán)境也不會(huì)產(chǎn)生其他不利影響。據(jù)估算每平方米聚光器產(chǎn)生電能每年可以減少200?300kg溫室氣體的排放。如果聚光高溫太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的壽命按 25到30年計(jì)算，在整個(gè)生命周期內(nèi)每平方米聚光器產(chǎn)生電能可以減少 5"-'9噸的溫室氣體排放。另外，30年系統(tǒng)報(bào)廢之后，該系統(tǒng)的大部分材料還可回收處理，用于新的發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能作為一種“清潔能源”，取之不盡，用之不竭，是具有開(kāi)發(fā)潛能的能源。但目前太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是太陽(yáng)能利用率不高。就現(xiàn)有的太陽(yáng)能裝置而言，如何最大限度提高太陽(yáng)能的利用率，仍是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)使集熱裝置能始終保持與太陽(yáng)光垂直，就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽(yáng)能。理論分析表明，太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差 37.7%,精確的跟蹤太陽(yáng)更是可以大大提高接收器的熱接收率，進(jìn)而提高太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率。1.1.4太陽(yáng)能的特點(diǎn)太陽(yáng)能與常規(guī)能源相比有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，太陽(yáng)能是人類(lèi)可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計(jì)，在過(guò)去漫長(zhǎng)的 11億年中，太陽(yáng)消耗了它本身能量的2%可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。第二，太陽(yáng)能的應(yīng)用范圍廣，地球上，無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開(kāi)發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。第三，太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開(kāi)發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒(méi)有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。第四，太陽(yáng)能是一種廉價(jià)且安全的能源，太陽(yáng)都能的開(kāi)發(fā)條件低，而且應(yīng)用起來(lái)比較安全。太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)：第一，能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿(mǎn)足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。第二，大氣影響較大，給使用帶來(lái)不少困難。第三，太陽(yáng)能電池板的利用效率很低，這是由于現(xiàn)階段的技術(shù)水平?jīng)Q定，隨著科技的發(fā)展這個(gè)缺點(diǎn)會(huì)逐步解決。1.2課題研究的目的本課題以某廊坊能源有限公司為依托，初步設(shè)計(jì)追日性能良好的太陽(yáng)追蹤集熱系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)各種天氣情況下的高精度的太陽(yáng)光實(shí)時(shí)跟蹤，取得最大的光照量和集熱效果，已達(dá)到初步應(yīng)用太陽(yáng)能的目的。圖1-1是太陽(yáng)能接受裝置實(shí)物示意1.3太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀日本是世界上太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用第一大國(guó)，也是太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)強(qiáng)國(guó)。日本太陽(yáng)熱能的利用，從1979年第二次石油危機(jī)后開(kāi)始，1990年進(jìn)入普及高峰。太陽(yáng)能技術(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽(yáng)能的利用分為太陽(yáng)光能和熱能兩種。太陽(yáng)光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從 2000年起，日本太陽(yáng)能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約為86萬(wàn)千瓦，占世界太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量的49.1%,并計(jì)劃到2010年達(dá)到482萬(wàn)千瓦，增加約6倍。德國(guó)對(duì)太陽(yáng)能資源的利用可追溯到20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在德國(guó)已經(jīng)在太陽(yáng)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽(yáng)能系統(tǒng)。1990年德國(guó)政府推出了“一千屋頂計(jì)劃”,至1997年已完成近萬(wàn)套屋頂系統(tǒng)，每套容量1?5千瓦，累計(jì)安裝量已達(dá)3.3萬(wàn)千瓦。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)的數(shù)字，在過(guò)去的幾年中，德國(guó)太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了 5倍，增速比其他國(guó)家平均水平高出一倍。另?yè)?jù)德新社報(bào)道，全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠已在德國(guó)南部巴伐利亞州正式投入運(yùn)營(yíng)。這家太陽(yáng)能發(fā)電廠投資7000萬(wàn)歐元，占地77萬(wàn)平方米，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)12兆瓦，能為3500多個(gè)家庭供電。截至2005年年底，德國(guó)共有670萬(wàn)平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽(yáng)能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用4%勺德國(guó)家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽(yáng)能，估計(jì)每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國(guó)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到100萬(wàn)千瓦，排在日本和德國(guó)之后，居世界第3位。為了降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國(guó)政府最近制定了陽(yáng)光計(jì)劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財(cái)政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽(yáng)能電站。預(yù)計(jì)到2015年，美國(guó)光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的21?40美分/千瓦時(shí)降到6美分/千瓦時(shí)，屆時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大大增強(qiáng)。太陽(yáng)能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，據(jù)美國(guó)博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，到 2050年后，核能將占第一位，太陽(yáng)能占第二位，21世紀(jì)末，太陽(yáng)能將取代核能占第一位，很多國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能的利用加強(qiáng)了重視。意大利1998年開(kāi)始實(shí)行“全國(guó)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)5萬(wàn)千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)。法國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了代號(hào)為“太陽(yáng)神 2006”的太陽(yáng)能利用計(jì)劃，按照該計(jì)劃，每年將投入3000萬(wàn)法郎資金，到2006年，法國(guó)每年安裝太陽(yáng)能熱水器的用戶(hù)達(dá)2萬(wàn)家。我國(guó)由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和 2010年規(guī)則》中已將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)目。目前我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的推廣普及十分迅速，1997年銷(xiāo)售面積近300萬(wàn)平方米，數(shù)量居世界首位。全國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和安裝的企業(yè)達(dá)1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國(guó)1996?2020年太陽(yáng)能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計(jì)劃，在2000年和2020年的太陽(yáng)能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到6.6萬(wàn)千瓦和30萬(wàn)千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽(yáng)光電站建設(shè)方面，計(jì)劃2020年前建成5座MV級(jí)陽(yáng)光電站。由國(guó)家投資1700萬(wàn)元修建的西藏第三座太陽(yáng)能電站一一安多光伏電站，總裝機(jī)容量 100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國(guó)裝機(jī)容量最大的太陽(yáng)能電站。總之，大力發(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。1.4太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在太陽(yáng)跟蹤方面，單軸跟蹤系統(tǒng)初投資相對(duì)較少，跟蹤設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽(yáng)能的效果并十分理想。美國(guó)Bicalace在1997年研制了單軸太陽(yáng)能跟蹤，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，使接受器的熱接受率提高了 15%KalogirouSA設(shè)計(jì)的單軸跟蹤系統(tǒng)可使接收器與太陽(yáng)光線的偏差小于 0.2度。在有些太陽(yáng)能設(shè)備中，如點(diǎn)聚焦式接收裝置，則只能采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。雙軸跟蹤系統(tǒng)可用于任何一種太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)提高其運(yùn)行效率。有關(guān)雙軸跟蹤系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也是比較多的。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM雙軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的涅耳透鏡，這樣可以讓小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的量，使熱接率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)那里桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框結(jié)構(gòu)，結(jié)果緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。Barakatal設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜的控制電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的閉環(huán)跟蹤。 他們得到的結(jié)論是采用雙軸閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)可使接收器的熱接收率提高 22%Nevile通過(guò)理論計(jì)算對(duì)比了采用雙軸跟蹤，單軸東西跟蹤和不跟蹤的三套系統(tǒng)所獲得的熱接收量，發(fā)現(xiàn)采用雙軸跟蹤比采用單軸東西跟蹤系所獲得的熱接收量提高 5?10%比不采用跟蹤系統(tǒng)的高50%Hession和Vonwick介紹了一種適用于多種接收器的跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了模擬和數(shù)字技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)光敏晶體管傳感器的信號(hào)調(diào)整位置追蹤太陽(yáng)，跟蹤精度可達(dá)0.1度。AbdallahS研究了采用不同的跟蹤方式對(duì)FPPT系統(tǒng)的影響，分別采用雙軸跟蹤、單軸東西跟蹤和單軸南北跟蹤比固定放置的電池板收集到得能量高43.87%,37.53%和15.69%。Baltasetal對(duì)比研究了連續(xù)式和步進(jìn)式跟蹤，指出聚焦式系統(tǒng)采用連續(xù)式跟蹤比步進(jìn)式跟蹤效果更好，而在FPPT系統(tǒng)中采用連續(xù)式跟蹤與步進(jìn)式跟蹤的效果相差無(wú)幾。Abdallah和Nijmeh設(shè)計(jì)了以PLC為控制器的雙軸跟蹤系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明采用該跟蹤系統(tǒng)比固定放置的接受設(shè)備相比，太陽(yáng)能采集量提高了 41.34%。在國(guó)內(nèi)近年來(lái)也有不少專(zhuān)家學(xué)者相繼開(kāi)展了太陽(yáng)跟蹤方面的研究， 1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，萬(wàn)乘客單軸跟蹤。我國(guó)在1997年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1.5論文研究的內(nèi)容由于太陽(yáng)相對(duì)于聚光器的位置時(shí)刻都在改變，這就要求聚光器不斷改變自身的方位，實(shí)時(shí)保持太陽(yáng)處于太陽(yáng)能聚光器的主光軸上，即始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，以有限的接受面積捕獲盡可能多的太陽(yáng)輻射能，要保持太陽(yáng)始終處于聚光器的主光軸上，就必須采用跟蹤系統(tǒng)。論文主要內(nèi)容包括：跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤策略的制定；跟蹤控制系統(tǒng)相關(guān)軟件硬件的設(shè)計(jì)；此外跟蹤系統(tǒng)還包括支撐機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)等內(nèi)容，但均屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)研究的領(lǐng)域，并不是本文研究的重點(diǎn)。跟蹤控制的實(shí)現(xiàn)及其跟蹤效果的檢驗(yàn)對(duì)設(shè)備要求較高，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選定上并沒(méi)有考慮支撐機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)等的成本問(wèn)題。1.6論文研究的意義本論文通過(guò)制定相應(yīng)的跟蹤策略，并設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件和軟件，已達(dá)到太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)能夠很好地追蹤的太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)情況，能夠使太陽(yáng)能聚光器盡可能多的捕獲太陽(yáng)輻射能，將捕獲的太陽(yáng)能通過(guò)光電、光化以及光熱轉(zhuǎn)化裝置應(yīng)用到實(shí)際中，來(lái)代替其他不可再生能源的消耗。由于太陽(yáng)能本身廉價(jià)、清潔、安全、資源豐富以及應(yīng)用范圍廣泛的特點(diǎn)，就成就了

太陽(yáng)在今后以至于很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將成為能源領(lǐng)域的主流地位， 考慮到太陽(yáng)能同時(shí)存在著能量密度低、受天氣影響大利用率低下的缺點(diǎn)，就對(duì)本論文的設(shè)計(jì)提出更高的要求，要盡可能提高太陽(yáng)能的采集及利用率。第2章太陽(yáng)與地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及跟蹤系統(tǒng)的介紹2.1太陽(yáng)與地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要想太陽(yáng)能接受裝置最大限度的接受太陽(yáng)能輻射能，保持聚光器的主光軸始終與太陽(yáng)入射光線平行，就必須掌握太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。眾所周知，至V達(dá)地球上的太陽(yáng)輻射能隨季節(jié)、時(shí)刻、地球緯度的不同而變化，要掌握它的變化規(guī)律，就必須從地球與太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)入手。2.1.1地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1）地球的自轉(zhuǎn)和太陽(yáng)時(shí)地球繞著地州不斷自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周，即經(jīng)度360度，形成一晝夜。一晝夜分為24小時(shí)，所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15度。時(shí)間的計(jì)量室以地球自轉(zhuǎn)周期為依據(jù)的，地球每天自轉(zhuǎn)一周，計(jì) 24太陽(yáng)時(shí)。太陽(yáng)時(shí)和鐘表指示的時(shí)間是有差別的。在以后導(dǎo)出的太陽(yáng)角度公式中，涉及的時(shí)間都是當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)，它的特點(diǎn)是午時(shí)（中午12點(diǎn)）陽(yáng)關(guān)正好通過(guò)當(dāng)?shù)刈游缇€，即在空中最高點(diǎn)處，它與日常使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間比不一致。下面首先介紹一下太陽(yáng)時(shí)與鐘表的換算。鐘表所指示的時(shí)間也稱(chēng)為平太陽(yáng)時(shí)（簡(jiǎn)稱(chēng)平時(shí)），它與真太陽(yáng)時(shí)的之差叫做時(shí)差E。計(jì)算如下：E-廠 （2-1）式中上 太陽(yáng)時(shí)（分）；■ 平太陽(yáng)時(shí)（分）。根據(jù)國(guó)際協(xié)議規(guī)定，格林威治天文臺(tái)所在子午線處的平太陽(yáng)時(shí)作為世界時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，叫做世界時(shí)。我國(guó)采用東經(jīng)120度經(jīng)圈上的平太陽(yáng)時(shí)作為全國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間， 即“北京時(shí)間”。用北京時(shí)間表示的某一經(jīng)度地區(qū)的平太陽(yáng)時(shí)，可用下式表示：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一（Lst-LQ/15小時(shí) （2-2）

.二北京時(shí)間一.二北京時(shí)間一4（120—Li?！环?2-3)Lst 制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，（°;Lioc——當(dāng)?shù)亟?jīng)度，（°所在地點(diǎn)在東半球取負(fù)號(hào)，西半球取正號(hào)。(2-4)由式（2-1）和式（2-3）得(2-4)「二北京時(shí)?E_4（120-Lloc）轉(zhuǎn)換過(guò)程中考慮了兩項(xiàng)修正，第一項(xiàng)E是地球饒日公轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的修正，時(shí)差E以分為單位，可按下式計(jì)算：(2-5)(2-5)(2-6)a360(n-81)364n為所求日期在一年中的日子數(shù)，1<n乞365。第二項(xiàng)是考慮所在地區(qū)的經(jīng)度Loc與制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的經(jīng)度（我國(guó)定為東經(jīng)120°）之差所產(chǎn)生的修正2.1.2地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律貫穿地球中心與南北相連的線稱(chēng)為地軸。地球除了繞地軸自轉(zhuǎn)外，還繞著太陽(yáng)循著偏心率得小得橢圓形軌道（通常稱(chēng)為黃道）上運(yùn)行，稱(chēng)為公轉(zhuǎn)，運(yùn)行周期為一年。橢圓的偏心率不大，1月1日近日點(diǎn)時(shí)，日地距離為147.1km,7月1日遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)152.1km,相差約為3%地球自轉(zhuǎn)軸與橢圓軌道（黃道平面）的夾角為66°33'，該軸在空間的方向始終不變，因而赤道平面與黃道平面的夾角為23°27'.但底薪與太陽(yáng)中心的連線（及午時(shí)太陽(yáng)光線）與地球赤道平面的夾角是一個(gè)以一年為周期變化的量，它的變化范圍為 —23°27'，這個(gè)角就是太陽(yáng)赤緯角。赤緯角時(shí)地球繞日運(yùn)行規(guī)律造成的特殊現(xiàn)象，它使處于黃道平面不同位置上的地球守到的太陽(yáng)光線方向不同，從而形成地球四季的變化。北半球夏至（6月22日）即南半球冬至，太陽(yáng)光線正射北回歸線 =23°27';北半球冬至（12月22日）即南半球夏至，太陽(yáng)光正射南回歸線， =23027';春分及秋分太陽(yáng)正射赤道，赤緯角都為零，地球南、北半球日夜相等。2.1.3天球坐標(biāo)所謂天球，就是人們站在地球表面上，仰望星空，在平視四周時(shí)看到的這個(gè)假想球面。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，太陽(yáng)好像在這個(gè)球面上周兒復(fù)始地運(yùn)動(dòng)一樣，若要確定太陽(yáng)在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標(biāo)。最常用的天球坐標(biāo)系是赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系。（1）太陽(yáng)高度角、方位角太陽(yáng)的位置可以用兩個(gè)坐標(biāo)來(lái)表示，即太陽(yáng)高度角和方位角。太陽(yáng)高度角是太陽(yáng)光線與地平面的夾角。太陽(yáng)方位角是太陽(yáng)光線在地面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。子午線是指通過(guò)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)線，即正南方和正北方的連線。（2）赤道坐標(biāo)系這是天赤道Q的基本園，以天赤道和天子午圈的交點(diǎn)C為原點(diǎn)的天球坐標(biāo)系。圖2-2中，P、P分別為北天極和南天極。通過(guò)PP的大圓都垂直于天赤道。顯然通過(guò)P和球面上的太陽(yáng)（點(diǎn)）的半圓也垂直于天赤道，兩者相交于B點(diǎn)。在赤道坐標(biāo)系中，太陽(yáng)的位置由下列兩個(gè)坐標(biāo)決定：第一個(gè)坐標(biāo)是圓弧QB，通常稱(chēng)為時(shí)角，用「表示。時(shí)角從天子午圈上的Q點(diǎn)起草，即從太陽(yáng)時(shí)正午起草，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)，就是上午為負(fù)，下午為正。它的數(shù)值等于離正午的時(shí)間（小時(shí)）乘以15°第二個(gè)坐標(biāo)時(shí)圓弧，叫做赤緯，用表示。赤緯從天赤道起算起。對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，向

北天極由春分、秋分日的0。變化到夏至的正23°27'；向南天極由春分、秋分日的0°變化到冬至的負(fù)23°27'。太陽(yáng)赤緯角:可由Cooper方程近似地計(jì)算：:.=23.5sin（360° 284n） （2-7）365式中n是所求日期在一年中的日子數(shù)。表2-1給出了各月每隔4天的赤緯值。太陽(yáng)赤緯年際間變化很小，在太陽(yáng)能應(yīng)用的計(jì)算中可以忽略不計(jì)。1234567891011121-23.1-17.3-7.9+4.2+14.8+21.9+23.2+18.2+8.6-2.9-14.2-21.75-22.7-16.2-6.4+5.8+16.0+22.5+22.9+17.2+7.1-4.4-15.4-22.39-22.2-14.9-4.8+7.3+17.1+22.9+22.5+16.1+5.6-5.9-16.6-22.713-21.6-13.6-3.3+8.7+18.2+23.2+21.9+14.9+4.1-7.5-17.7-23.117-20.9-12.3-1.7+10.2+18.1+23.4+21.3+13.7+2.6-8.9-18.8-23.321-20.1-10.9-0.1+11.6+20.0+23.4+20.6+12.4+1.0-10.4-19.7-23.425-19.2-9.4+1.5+12.9+20.8+23.4+19.8+11.1-0.5-11.8-20.6-23.429-13.2-7.9+3.0+14.2+21.5+23.3+19.0+9.7-2.1-13.2-21.3-23.3表2-1太陽(yáng)赤緯度（2）地平坐標(biāo)系通過(guò)天球球心O乍一直線和觀測(cè)點(diǎn)鉛垂線平行，并與天球相交于z和Z'，z點(diǎn)叫做天頂，Z'點(diǎn)叫做天底。通過(guò)球心O與ZZ'相垂直的平面在天球上所截出的大圓，叫做真地平。地平坐標(biāo)系就是以真地平為基本園，以南點(diǎn)S為原點(diǎn)的天球坐標(biāo)系。見(jiàn)圖2-3，天頂是基本的極，所有經(jīng)過(guò)天頂?shù)拇髨A都垂直于地平面，兩者相交與 M點(diǎn)。在地平坐標(biāo)系中，太陽(yáng)的位置由下列兩個(gè)坐標(biāo)確定：第一個(gè)坐標(biāo)是天頂距離，即圓弧ZS，或天頂角?ZOS^，用二z表示，也可用太陽(yáng)的地平高度（簡(jiǎn)稱(chēng)“太陽(yáng)高度”）表示，即圓弧SM或中心角.SOM記作〉s。天頂距和太陽(yáng)高度有下列關(guān)系：6：s=90° （2-8）第二個(gè)坐標(biāo)時(shí)方位角，即圓弧SM，用s。取南點(diǎn)S為起點(diǎn)，向西（順時(shí)針?lè)较颍檎?，向東為負(fù)圖2-2赤道坐標(biāo)圖圖2-2赤道坐標(biāo)圖2-3地平坐標(biāo)2.1.4太陽(yáng)能成像原理聚光集熱器是利用太陽(yáng)的直射輻射，經(jīng)聚光器反射到吸收器上成像。太陽(yáng)本身是一個(gè)表面溫度為6000K左右的大火球，盡管太陽(yáng)距離地球很遠(yuǎn)，但對(duì)地球來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)并非點(diǎn)光源，而是一個(gè)球體。所以對(duì)地球上任意一點(diǎn)，入射太陽(yáng)光之間具有一個(gè)很小的夾角2，通常稱(chēng)為太陽(yáng)張角。其幾何示意如圖2-4所示:150000000km12700km1390000km150000000km12700km1390000km圖2-4太陽(yáng)與地球之間的幾何關(guān)系已知太陽(yáng)直徑為1.39106km地球與太陽(yáng)之間的平均距離為1.5108km根據(jù)圖2-4所示的幾何關(guān)系，求得太陽(yáng)張角2'。=0.00467(2-9).5.95"05

=0.00467(2-9)1.5"08.-=16'這就是說(shuō)，太陽(yáng)的直射輻射是以32'的太陽(yáng)張角入射到地球表面。這是分析一切聚光集熱器光熱性能的一個(gè)重要物理量。太陽(yáng)集熱器作用是在吸收器上形成一個(gè)太陽(yáng)像，通常這個(gè)太陽(yáng)像是不清楚的。由于太陽(yáng)光線具有32'的張角，所以太陽(yáng)集熱器產(chǎn)生的太陽(yáng)像是一個(gè)有限的尺寸， 主要決定于光學(xué)系統(tǒng)本身的幾何形狀和尺寸。理想的拋物面鏡AOC，如圖2-5所示，它能將平行與鏡面光軸的光線會(huì)聚一點(diǎn) F。F為該拋物面鏡的焦點(diǎn)，B為開(kāi)口寬度，OF為焦距f。由于實(shí)際的陽(yáng)光并非平行光。所以太陽(yáng)光經(jīng)拋物面鏡聚集后，不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)焦斑區(qū)域，如圖 2-6所示。圖2-5理想拋物面鏡面的光學(xué)特性

A圖2-6太陽(yáng)光在理想拋物鏡面上的實(shí)際聚集情況為了便于進(jìn)行分析，由圖2-6截取一部分，表示于圖2-7:圖2-7理想拋物鏡面形成的理想太陽(yáng)像具有32'張角的太陽(yáng)光入射到理想拋物面鏡上的一點(diǎn)（x,y），按照反射定律，以點(diǎn)（x,y）與焦點(diǎn)的連線為光軸。拋物線方程式為 y2=4fx，對(duì)鏡面上的任何一點(diǎn)（x,y），反射到焦點(diǎn)上的理論太陽(yáng)像的尺寸是:

W=2Rtan16' （2-10）式中R鏡面上的一點(diǎn)與焦點(diǎn)之間的距離，其數(shù)值隨不同的反射點(diǎn)而不同。對(duì)任一拋物線，有X=f—Rcos■-，八Rsin'-，從而r=2ftan16。代入（2-10）式，求得1+cos*(2-11)(2-11)1cos■■式中--位置角，即任意一點(diǎn)的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。其數(shù)值由 =0°到=max， max稱(chēng)為拋物線的的邊緣角。由（2-11）式可以看到，焦距f決定了太陽(yáng)像的大小，而開(kāi)口寬度 B決定入射能量的多少。2.1.5槽式集熱器性能分析（1）集熱器的聚光比集熱器的聚光比是表示聚光系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。 它說(shuō)明自然陽(yáng)光經(jīng)過(guò)集熱器的聚光總用后，能量密度可能提高的倍數(shù)。聚光比按其定義不同分為幾何聚光比Cg和能量聚光比Ce。幾何聚光比Cg定義為聚光器接受自然陽(yáng)光的開(kāi)口面積A與接受面積A之比。即Cg=△。A一般來(lái)說(shuō)，幾何聚光比越高，可能達(dá)到的聚光溫度也越高，成本也越高。幾何聚光比代表集熱器一種幾何尺寸上的概念，并不能用于吸收器的傳熱計(jì)算。因?yàn)榘凑找话銦釓澒に嚰庸さ那骁R總是存在著鏡面誤差。在實(shí)際的曲面鏡中，由于不同的鏡面誤差，其最終結(jié)果將使入射到集熱器開(kāi)口面積上的直射太陽(yáng)輻射不能全部反射到吸收器上。 因此，在集熱器的性能分析中，就有一個(gè)區(qū)別于幾何聚光比的新概念一一能量聚光比 Ce，定義為吸收器上接受的平均能量密度Ir與入射的直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度lb之比，即Ce二丘。Ir在一切情況下，對(duì)所有的聚光器，CgCe。只有理想的聚光器Cg二Ce。一般情況下，可表示為如下關(guān)系式

Ce二。pCg (2-12)式中op為光學(xué)效率，op二「r--聚光器的鏡面反射率--吸收器透明罩的透過(guò)率與吸收器吸收率得乘積-- 吸收器的光學(xué)采集因子旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的聚光性能圖2-8表示典型的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的光路分析。在這種聚光系統(tǒng)中，有一個(gè)重要的參數(shù)是口徑比D,定義為開(kāi)口直徑B與焦距之間的比值，即D=B。拋物面反射鏡的聚光比主要決定與口徑比，與吸收器的形狀也有一定的關(guān)系。圖2-8圖2-8旋轉(zhuǎn)拋物鏡面和圓板吸收器的光路分析當(dāng)吸收器為圓盤(pán)平板時(shí)，其幾何聚光比為:二B2和二B2和2B2

d2(2-13)由聚光比最大來(lái)確定集熱器的張角 、直徑B和吸收器直徑d。由圖2-8可得:吸收器的最小直徑由于聚光比為正值,r=lsin16'Isin16'2fsin16'R二cos仲+16')cos仲+16') (1+cos吸收器的最小直徑由于聚光比為正值,r=lsin16'Isin16'2fsin16'R二cos仲+16')cos仲+16') (1+cos歩)cos(歩+16')4fsin16'd_2^(1cos)cos(16')Cg最大，則.Cg也最大,CGdB2Isin二sincos(16')2I(2-14)(2-15)(2-16)cos(16')

x=sincos(16')x'二coscos(16')-sinsin(' 16')當(dāng)x'=0時(shí)，x最大,cos(216')=0；2，16'=90；當(dāng)x'=0時(shí)，x最大,則拋物面的邊緣角 =45，焦距f=0.61m幾何聚光比CGmax=114342.2跟蹤系統(tǒng)的介紹實(shí)現(xiàn)跟蹤有兩種方式：手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤。手動(dòng)跟蹤精度低，且只能間歇進(jìn)行；自動(dòng)跟蹤可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，但系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高。采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以大幅提高太陽(yáng)能接收裝置的接收效率，因此自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在太陽(yáng)能的工程應(yīng)用中越來(lái)越受重視。2.2.1自動(dòng)跟蹤方式目前國(guó)內(nèi)外采用的跟蹤太陽(yáng)的方法有很多，但不外乎三種方式 ：（1）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；（2）光電跟蹤；（3）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。（1）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽(yáng)運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測(cè)的，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)可完成對(duì)日跟蹤。太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便，操作性強(qiáng)，但也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒(méi)有具體公式可用的問(wèn)題。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時(shí)角在日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)中任何時(shí)刻的具體值卻嚴(yán)格已知，同時(shí)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，于是通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)和觀測(cè)者位置之間的關(guān)系。根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)（GPS）可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽(yáng)的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點(diǎn)。參考目前世界通用的算法，涉及到赤緯角和時(shí)角的大致有二種算法：算法 I，采用中國(guó)國(guó)家氣象局氣象輻射觀測(cè)方法；算法2,采用世界氣象組織氣象和觀測(cè)方法。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過(guò)程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機(jī)械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線與觀測(cè)點(diǎn)的地理南北線要求重合。同時(shí)，還要通過(guò)儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點(diǎn)處于地面水平面內(nèi)內(nèi)。（2） 光電追蹤傳統(tǒng)的光電跟蹤是采用一級(jí)傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)，原則上由三大部件組成：位置檢測(cè)器、控制組件、跟蹤頭。位置檢測(cè)器主要由性能經(jīng)過(guò)挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等。控制組件主要接受從位置檢測(cè)器來(lái)的微弱信號(hào)，經(jīng)放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實(shí)為跟蹤裝置的執(zhí)行元件。（3） 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤結(jié)合由上述討論可知，開(kāi)環(huán)的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開(kāi)始運(yùn)行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動(dòng)調(diào)整等。因此使用程序跟蹤方法時(shí)，需要定期的人為調(diào)整跟蹤裝置的方向。而傳感器跟蹤也存在響應(yīng)慢、精度差、穩(wěn)定性差、某些情況下出現(xiàn)錯(cuò)誤跟蹤等缺點(diǎn)。特別是多云天氣會(huì)試圖跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn)，電機(jī)往復(fù)運(yùn)行，造成了能源的浪費(fèi)和部件的額外磨損。如果兩者結(jié)合，各取其長(zhǎng)處，可以獲得較滿(mǎn)意的跟蹤結(jié)果。在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度角度傳感器。當(dāng)跟蹤裝置開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，用兩片高精度角度傳感器初始定位，在運(yùn)行當(dāng)中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時(shí)測(cè)量作反饋，對(duì)程序進(jìn)行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過(guò)程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽(yáng)能發(fā)電裝置。但計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，高精度角度傳感器成本也很高，對(duì)于需要降低成本的小型太陽(yáng)能利用裝置來(lái)講，該種跟蹤方式并不十分適用。2.2本設(shè)計(jì)的跟蹤方案本研究中的跟蹤控制系統(tǒng)采用傳感器定位和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡定位相結(jié)合的方式， 太陽(yáng)傳感器測(cè)定太陽(yáng)在一天內(nèi)不斷變化的位置， 然后由機(jī)械控制系統(tǒng)帶動(dòng)整個(gè)槽式拋物面轉(zhuǎn)動(dòng)，使聚光器始終與太陽(yáng)保持一個(gè)最佳角度，把太陽(yáng)光聚集在集熱器上。同時(shí)為了消除太陽(yáng)傳感器由于天氣原因帶來(lái)的誤跟蹤， 采用日歷時(shí)鐘芯片根據(jù)太陽(yáng)在某地的運(yùn)行規(guī)律事先設(shè)定太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，利用軟件控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，直到太陽(yáng)傳感器能對(duì)太陽(yáng)重新定位。該系統(tǒng)其邏輯機(jī)構(gòu)，主要由太陽(yáng)傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)組成。單片機(jī)和日歷芯片之間采用I2C總線通信電路，以四象限光電探測(cè)器作為感光元件的太陽(yáng)傳感器檢測(cè)實(shí)際太陽(yáng)位置。單片機(jī)將檢測(cè)到的太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并給出控制指令，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行追蹤。2.3本章小節(jié)本章詳細(xì)詳細(xì)的介紹了太陽(yáng)能追蹤中所涉及的規(guī)律，包括地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，地球的自轉(zhuǎn)時(shí)和太陽(yáng)時(shí)，天球坐標(biāo)，還有太陽(yáng)追蹤的三中方式的介紹，以及本設(shè)計(jì)的跟蹤方案的選定。通過(guò)求出太陽(yáng)高度角和方位角來(lái)確定太陽(yáng)相對(duì)地球的位置，從而開(kāi)發(fā)太陽(yáng)高度角、方位角的控制程序，達(dá)到跟蹤太陽(yáng)的目的。主要用到的幾個(gè)公式有：E"日72北京時(shí)間土4(120-Lioc)分w=4ftan16'Ce」opCgD=_b1+cos? f第3章槽式自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)3.1跟蹤系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分的選擇，跟蹤器主要有一下幾種：立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器、陀螺儀式跟蹤器和齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器，本設(shè)計(jì)選擇立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器。跟蹤系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和集熱器以及固定聯(lián)接機(jī)構(gòu)組成，其機(jī)械機(jī)構(gòu)圖如下：圖3-1為機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置圖3-2為機(jī)械部分實(shí)物圖跟蹤器的結(jié)構(gòu)：大齒輪固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面（主軸相對(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng)），小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達(dá)1的輸出軸。馬達(dá)1固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上，轉(zhuǎn)動(dòng)架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達(dá)2安裝在支架上面（接收器相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng)），馬達(dá)2的輸出軸連接在接收器上。跟蹤器機(jī)械跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏移的時(shí)候，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于大齒輪固定。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)接收器相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。對(duì)于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動(dòng)，能在使用功率較小的馬達(dá)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本。整個(gè)跟蹤器的結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。傳動(dòng)裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)架下。受到了較好的保護(hù)，提高了傳動(dòng)裝置的壽命。3.2跟蹤系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)本研究中的跟蹤控制系統(tǒng)采用傳感器定位和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡定位相結(jié)合的方式， 太陽(yáng)傳感器測(cè)定太陽(yáng)在一天內(nèi)不斷變化的位置，然后由機(jī)械控制系統(tǒng)帶動(dòng)整個(gè)槽式拋物面轉(zhuǎn)動(dòng)，使聚光器始終與太陽(yáng)保持一個(gè)最佳角度，把太陽(yáng)光聚集在集熱器上。同時(shí)為了消除太陽(yáng)傳感器由于天氣原因帶來(lái)的誤跟蹤，采用日歷時(shí)鐘芯片根據(jù)太陽(yáng)在某地的運(yùn)行規(guī)律事先設(shè)定太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，利用軟件控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，直到太陽(yáng)傳感器能對(duì)太陽(yáng)重新定位。該系統(tǒng)其邏輯機(jī)構(gòu)框圖如圖3-3所示，主要由太陽(yáng)傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)組成。單片機(jī)和日歷芯片之間采用 I2C總線通信電路，以四象限光電探測(cè)器作為感光元件的太陽(yáng)傳感器檢測(cè)實(shí)際太陽(yáng)位置。 單片機(jī)將檢測(cè)到的太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并給出控制指令，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行追蹤。圖3-3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3-3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)傳感器fe熱器3.3太陽(yáng)傳感器的選擇太陽(yáng)傳感器主要有一下幾種：（1）新型光電探測(cè)器（2）典型光敏電阻傳感器（3）高精度光敏傳感器（4）日晷式太陽(yáng)傳感器（5）五象限光電傳感器（6）四象限光電傳感器，本設(shè)計(jì)選擇的是四象限光電傳感器。是由于從控制系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，光電探測(cè)器，典型光敏電阻傳感器，日晷式太陽(yáng)傳感器無(wú)法精確測(cè)量出太陽(yáng)的具體的方位角以及高度角，對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精密控制造成了一定的困難。相對(duì)而言，四象限光電傳感器可以實(shí)現(xiàn)此功能，就精度的方面要求而言，四象限光電傳感器測(cè)得太陽(yáng)位置角的精度更高。太陽(yáng)傳感器的光接收部件主要由四象限光電探測(cè)器組成。四象限光電探測(cè)器是把 4個(gè)性能完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的光電探測(cè)器件。它們之間有個(gè)“十”字形溝道相隔，其結(jié)構(gòu)與原理如圖（a）、（b）所示。(a) (b)電歩進(jìn)電機(jī)號(hào)ff踣fa處電乙電歩進(jìn)電機(jī)號(hào)ff踣fa處電乙（C） （d）圖3-4四象限光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖及其工作原理圖其工作原理為：一般將四象限光電探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開(kāi)焦平面，如圖（C）所示，目標(biāo)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測(cè)器上成像，當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，4個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)幅度不相同，比較 4個(gè)光電信號(hào)的幅度大小可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。四象限光電探測(cè)器是通過(guò)測(cè)量來(lái)自光源的光斑中心的位置變化， 并借助某種算法來(lái)同時(shí)確定光斑的兩個(gè)方向的偏移量，如圖（d）所示，光斑被4個(gè)象限分成A、B、C、D四個(gè)部分，其面積分別為Si、S、S3、S4，對(duì)應(yīng)的4個(gè)象限產(chǎn)生的阻抗電流分別為h、i2、i3、i4。由iii4和i2>3的比例可以確定橫向偏移量，iii2和>3■i4的比例可以確定縱向偏移量。采用的算法如下：Wk? >Wk? >4）一（>2 >3）>1心2力3心4.姑k(iiOf5ii+i2十＞3十＞4式中，k為比例常數(shù)，時(shí)以常量。當(dāng)光斑中心與四象限光電探測(cè)器中心一致時(shí)， 4個(gè)象限陰極產(chǎn)生的阻抗電流ii、i2、i3、i4都相等，經(jīng)運(yùn)算放大器輸出為零，兩個(gè)方向的直線度誤差也為零；當(dāng)光斑產(chǎn)生相對(duì)于“十”字畫(huà)線的任何位移時(shí)，都會(huì)使輸出發(fā)生變化，運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)也會(huì)隨著相對(duì)位移方向上的變化發(fā)生正負(fù)變化，來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，而太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)方向的兩個(gè)偏移量可以根據(jù)上式求出。3.4信號(hào)處理電路四象限光電探測(cè)器接收的四路光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大后送入信號(hào)處理部四象限光電探測(cè)器接收的四路光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大后送入信號(hào)處理部分。本系統(tǒng)中，光信號(hào)時(shí)由太陽(yáng)光經(jīng)光學(xué)透鏡聚焦產(chǎn)生的光束，光信號(hào)重復(fù)頻率比較低，一般是幾十赫；電信號(hào)是光束激發(fā)四象限光電探測(cè)器所產(chǎn)生的阻抗電流， 其值一般為mA級(jí)。這種信號(hào)要用來(lái)控制，需要經(jīng)過(guò)電路進(jìn)行放大處理。對(duì)于四象限光電探測(cè)器來(lái)說(shuō),4個(gè)象限的電路相同，因此四路信號(hào)可以完全相同的電路。如圖所示，本系統(tǒng)采用具有雙運(yùn)放復(fù)合結(jié)構(gòu)的LM358乍為運(yùn)算放大器。3.5單片機(jī)部分在本系統(tǒng)中，單片機(jī)采用AT8C2051為主控制器，其主要任務(wù)是對(duì)四路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，完成對(duì)信號(hào)的處理，判斷目標(biāo)的偏移方式進(jìn)而產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，調(diào)

整控制系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤。單片機(jī)的整體程序流程框圖如圖 3-6所示顯示模塊傳感器信號(hào)經(jīng)韓換電路轄換信號(hào)” 發(fā)送信號(hào) 傳感器信號(hào)經(jīng)韓換電路轄換信號(hào)” 發(fā)送信號(hào) 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī)圖3-6單片機(jī)程序流程框圖四路采樣信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)處理，確定光斑質(zhì)心的坐標(biāo)，將質(zhì)心的坐標(biāo)及4個(gè)象限的信號(hào)值在顯示模塊顯示。單片機(jī)負(fù)責(zé)傳輸轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，并向步進(jìn)電機(jī)傳達(dá)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的自動(dòng)跟蹤控制。單片機(jī)和日歷時(shí)鐘以及顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通過(guò) 12C總線實(shí)現(xiàn)。12C總線(InterIntegrateCircuitBUS) 全稱(chēng)為芯片間總線，包括一條串行數(shù)據(jù)線(SDA)和一條串行時(shí)鐘線(SCL)?將SDA數(shù)據(jù)線和SCL串行時(shí)鐘線通過(guò)上拉電阻連接到電源上，將單片機(jī)AT89C2051的引腳T1與SCL時(shí)鐘線相連，引腳TO與SDA數(shù)據(jù)線相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在PC總線上的連接。3.6跟蹤系統(tǒng)的控制電路電路部分主要由探測(cè)器電路和中央控制高度角及方位角電路組成 ，通過(guò)光敏電阻對(duì)光的采樣和單片機(jī)的信息處理，使步進(jìn)電機(jī)完成跟蹤動(dòng)作。探測(cè)電路如圖3-7所示，該電路組成一電壓比較器，當(dāng)光敏電阻的阻值變化到一定值時(shí)，運(yùn)放輸出發(fā)生變化。為了獲得標(biāo)準(zhǔn)電平輸入，電路增加了一反相器。根據(jù)電平的變化確定步進(jìn)電機(jī)的工作，以便自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能很好地跟隨太陽(yáng)的移動(dòng)。中央控制電路如圖3-8所示，主要由單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成，通過(guò)不斷掃描P1口的狀態(tài)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)能接收板轉(zhuǎn)角達(dá) 180°時(shí)，經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)后控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)復(fù)位，為下一次的工作準(zhǔn)備。

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Wtf"F3K2VT29013K2-1iO9B圖3-8中央控制高度角電路如圖所示，雙運(yùn)放LM358與R1、R2構(gòu)成兩個(gè)電壓比較器，參考電壓為VDD(12V)的1/2。光敏電阻RT1、RT2與電位器RP1和光敏電阻RT3RT4與電位器RP2分別構(gòu)成光敏傳感電路，該電路的特殊之處在于能根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。如下圖所示，將RT1和RT3安裝在垂直遮陽(yáng)板的一側(cè)，RT4和RT2安裝在另一側(cè)。當(dāng)RT1、RT2RT3和RT4同時(shí)受環(huán)境自然光線作用時(shí)，RP1和RP2的中心點(diǎn)電壓不變。如果只有RT1RT3受太陽(yáng)光照射，RT1的內(nèi)阻減小，LM358的3腳電位升高，1腳輸出高電平，三極管VT1飽和導(dǎo)通，繼電器K1導(dǎo)通，其轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)3與觸點(diǎn)1閉合，同時(shí)RT3內(nèi)阻減小，LM358的5腳電位下降，K2不動(dòng)作，其轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)3與靜觸點(diǎn)2閉合，電機(jī)M正轉(zhuǎn)；同理，如果只有RT2RT4受太陽(yáng)光照射，繼電器K2導(dǎo)通，K1斷開(kāi)，電機(jī)M反轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)到垂直遮陽(yáng)板兩側(cè)面的光照度相同時(shí)，繼電器K1、K2都導(dǎo)通，電機(jī)M才停轉(zhuǎn)。在太陽(yáng)不停地偏移過(guò)程中，垂直遮陽(yáng)板兩側(cè)光照度的強(qiáng)弱不斷地交替變化，電機(jī) M轉(zhuǎn)-停、轉(zhuǎn)-停，使太陽(yáng)能接收裝置始終面朝太陽(yáng)。4只光敏電阻這樣交叉安排的優(yōu)點(diǎn)是：LM358的3腳電位升高時(shí)，5腳電位則降低，LM358的5腳電位升高時(shí)，3腳電位則降低，可使電機(jī)的正反轉(zhuǎn)工作既干脆又可靠?？芍苯佑冒惭b電路板的外殼兼作垂直遮陽(yáng)板， 避免將光敏電阻RT2RT3引至蔽陰處的麻煩。使用該裝置，不必?fù)?dān)心第二天早晨它能否自動(dòng)返回。早晨太陽(yáng)升起時(shí)，垂直遮陽(yáng)板兩側(cè)的光照度不可能正好相等，這樣，上述控制電路就會(huì)控制電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)接收裝置向東旋轉(zhuǎn)，直至太陽(yáng)能接收裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)為止。3.7步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)能直接接收數(shù)字信號(hào)并且沒(méi)有角累積誤差， 采用步進(jìn)電機(jī)作為聚光器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以達(dá)到較高的精度。在槽式發(fā)電系統(tǒng)中，槽型拋物面反射鏡根據(jù)其采光方式，分為東西向和南北向兩種布置形式。東西布置只作定期調(diào)整；南北布置時(shí)一般采用單軸跟蹤方式。所以本系統(tǒng)采用一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)對(duì)南北布置的槽式拋物面完成對(duì)太陽(yáng)的續(xù)跟蹤。用單片機(jī)I/0口輸出步進(jìn)電機(jī)控制脈沖，單片機(jī)端口的輸出電流較小，一般情況下只有幾mA,驅(qū)動(dòng)能力有限?而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，因此單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間需要專(zhuān)門(mén)的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)電路中采用接入反向驅(qū)動(dòng)器 74LS14和復(fù)合型功率三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作。如圖 3-9所示。Vcc圖3-9步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖圖3-9步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖步進(jìn)電機(jī)采用四相八拍的工作方式，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度，具體時(shí)序如表3-1所示：表3-1步進(jìn)電機(jī)時(shí)序表控制位步序D相C相B相A相運(yùn)行10001A20011AB30010B40110BC續(xù)表3-1步進(jìn)電機(jī)時(shí)序表50100C61100CD71000D81001DA3.8軟件控制流程通過(guò)單片機(jī)輸出的控制脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向位置轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，通過(guò)控制脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。每到設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)，單片機(jī)就讀取反饋電路電平信號(hào)，只要有低電平信號(hào)存在且太陽(yáng)傳感器 4個(gè)象限光照強(qiáng)度不一致，步進(jìn)電機(jī)就不斷進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，直至太陽(yáng)傳感器 4個(gè)象限接收光照相同，此時(shí)太陽(yáng)垂直照射聚光集熱器上，步進(jìn)電機(jī)停止調(diào)整。如果太陽(yáng)落山，根據(jù)時(shí)鐘芯片所定時(shí)間，控制系統(tǒng)會(huì)回到起始位置。直到第二天太陽(yáng)升起，進(jìn)行重新跟蹤定位。以單片機(jī)為主要控制器的核心部件來(lái)實(shí)現(xiàn)混合控制的主程序主要分為： 對(duì)計(jì)算所需數(shù)據(jù)的初始化；單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算完成對(duì)太陽(yáng)角和日出日落時(shí)間的求解；根據(jù)所計(jì)算的太陽(yáng)角和太陽(yáng)傳感器的輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整聚光集熱器的方位， 實(shí)現(xiàn)跟蹤的自動(dòng)控制。其主程序框圖如圖3-10所示。本研究中的軟件部分，全是在單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境用 C語(yǔ)言編寫(xiě)完成的。整個(gè)程序周期中，初始化程序只在主程序第一次執(zhí)行時(shí)執(zhí)行一次，主要對(duì)單片機(jī)和時(shí)鐘芯片進(jìn)行配置。

定時(shí)控制電機(jī)圖3-10主程序流程圖定時(shí)控制電機(jī)圖3-10主程序流程圖初始化以后，進(jìn)行最初的A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)際上也等于對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)置初始值。最后循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，等待中斷。結(jié)論本論文選擇了光電檢測(cè)和太陽(yáng)軌跡追蹤的混合式追蹤方式， 配合機(jī)械裝置使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的追蹤精度。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，且能得到較好的跟蹤效果（2）聚光器每天在完成太陽(yáng)輻射能的接收任務(wù)以后，能夠自動(dòng)回到至初始位置，等待第二天采集工作的開(kāi)始（3）系統(tǒng)不僅適用于晴天，在有云的天氣下同樣可正常運(yùn)行本系統(tǒng)的不足：（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性需要加強(qiáng)：復(fù)位電路有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能自動(dòng)復(fù)位的情況，盡管這種情況不常發(fā)生，但是一旦發(fā)生就影響系統(tǒng)的運(yùn)行。（2）在功能上需要更加完善：本系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置報(bào)警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不能做出報(bào)警動(dòng)作，這樣也會(huì)影響系統(tǒng)的追蹤質(zhì)量。（3）在機(jī)械裝置方面也存在問(wèn)題：機(jī)械裝置能夠帶動(dòng)太陽(yáng)板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是有限的，這樣也制約了追蹤的時(shí)間段。（4）陰天情況下不能準(zhǔn)確追蹤的問(wèn)題。太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的研究對(duì)解決能源危機(jī)具有重大的意義。 盡管目前的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)還尚未成熟，但也有了很大的進(jìn)步。希望有更多的人參與到這項(xiàng)研究中來(lái)，性能好、精度高、低成本的太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)是我們的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)徐科軍,傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M],電子工業(yè)出版社.2007,108?148.周淑琴,自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能廚房的原理與應(yīng)用能源研究與應(yīng)用 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