太阳自动跟踪系统剖析

绪论21世纪是太阳能时代。

在未来的40年中，人类可以实现100%的可再生能源供电。

不再需要中东的石油、西伯利亚的天然气以及澳大利亚的铀。

实际上，目前在我们家门口就已经获得了未来能源的载体:太阳、风力、水力、地热能，以及来自农田和林地的生物能。

根据欧盟报告，2050年全球能源供给分配应当为:40%太阳能，30%生物能，巧%风能，10%水能，5%原油。

报告论述了如何达到这种经济、环保、和平并且可持续的能源供给状态。

跨国石油公司，比如壳牌、惠普等，已经在向着这种能源供给状态发展。

地球上的万物生长都依赖于太阳的存在，太阳给我们提供了巨大的能量源，地球上大部分的能源归根结蒂也来自于太阳。

比如石油、煤炭等化石能源都是过去的动植物通过吸收太阳能不断的生长，后来这些动植物被掩埋在土壤下形成的能源，这其实是太阳能一种形式的转换，并被存储了下来，直到今天被人类开采使用。

太阳能开发利用的潜力是相当巨大，据统计，全世界人们一年所使用的能量总和仅仅相当于太阳辐射到地球能量的数万分之一。

在化石能源即将枯竭的未来，在未来能源方面，太阳能给人类带来新的生机。

太阳在一天中不断改变位置，这造成太阳能存在着密度低、间歇性的特点，且光照方向和度随时间不断变化。

传统太阳能电池板固定在一个角度，不能时刻工作在最大效率处，而采用双轴太阳能跟踪系统的太阳能电池板在功率保持一定的情况下可以提升36% 的发电量，提高太阳能的利用率。

第一章跟踪系统的控制方案目前光跟踪技术主要是两种方法:1.视日运行轨道跟踪方法。

2.光电自动跟踪方法。

1.1视日运行轨道跟踪视日运行轨道跟踪技术是一种根据理论计算的太阳运行的轨迹而采取的一种跟踪技术，根据跟踪的方位它主要分为两种:单轴跟踪和双轴跟踪。

1.1.1单轴跟踪单轴跟踪分为三种方式:1.倾斜布置东西追踪;2.焦线南北水平布置，东西跟踪;3.焦线东西水平布置，南北跟踪。

它们跟踪原理是相同，即电池阵列绕单一轴转动，其转动方向为自东向西或者南北方向，自东向西单轴跟踪方式是跟踪太阳方位角变化，驱动电池阵列转动，使电池阵列方位角与太阳方位角相同。

这类跟踪方式结构简单，控制容易，在光照强度大和光照相当稳定的地方实施这类跟踪方式比较适宜。

但这类跟踪方式存在一个最大缺点是除了正午这个时刻外在其他时侯不能保持电池阵列接收光辐射面与太阳光线垂直，这样大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大，影响了整个光伏发电的效率。

1.1.2双轴跟踪双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式:极轴跟踪方式，高度一方位角太阳轨迹跟踪方式。

极轴跟踪方式:是聚光镜的一轴指向地球北极，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。

工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。

这种追踪方式并不复杂，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。

高度一方位角太阳轨迹跟踪是一种地平坐标系统跟踪方式，它是当今比较先进的一种跟踪方式，跟踪精度较高。

高度一方位角跟踪方式通过计算具体地点和具体时刻的太阳运动轨迹(高度角和方位角表示运行轨迹)，根据光伏电池阵列的具体位置，先沿着垂直轴转动弥补方位角偏差，然后沿水平轴转动弥补高度角偏差，以保证电池阵列与太阳运行轨迹一致。

这种方式受天气季节性影响较小属于一种理论计算轨迹程序控制跟踪方式。

由于理论计算轨迹与实际运行轨道误差小，因此该跟踪方式跟踪精度较高，这种方式缺点是受跟踪系统机械影响比较大，在系统长期运行或者外力影响造成机械误差后，会造成跟踪偏差变大，影响了跟踪精度。

1.2光电自动跟踪光电跟踪技术是利用光信号强度的变化转化成电信号大小的变化，这种变化差异作为一种感知输入来控制跟踪装置跟踪太阳的一种技术。

目前，光电自动跟踪装置根据传动方式分类有:重力式跟踪装置、电磁式跟踪装置、电动式跟踪装置、压差式跟踪装置和控放式跟踪装置等。

光电跟踪是通过光传感元件如光敏电阻、硅光电管等接受太阳光，由于太阳运动，造成太阳光入射角度的变化，这样通过多个相同类型的光传感器敷设到不同方位，使得传感器之间产生偏差信号值，此信号经过放大后，输入到控制系统单元，控制单元计算位置偏差值，然后控制跟踪系统驱动装置调整电池阵列位置保持它与太阳光垂直。

这种方式的优点是跟踪精度高，实时跟踪性能好，它反映了实际跟踪情况，受机械偏差影响小。

缺点是受天气季节气候影响大，天阴的情况下，光传感元件效果差，极容易产生误差，严重的情况下，会造成驱动装置误动作。

第二章跟踪控制系统设计在太阳光的采集过程中，为了能够最大效率地采集太阳光，要求太阳能板始终与太阳保持一个最佳角度，因此必须跟踪太阳。

常见的跟踪控制系统，按照被控制量对控制量是否存在着反馈可分为闭环、开环和混合控制方式。

闭环控制能够通过反馈来消除误差，但感光元件在稍长时间段内接收不到太阳光会导致跟踪系统的失效，甚至会引起执行机构的误动作;开环跟踪虽然在任何天气下都可以正常工作，但是在跟踪过程中产生的累积误差自身并不能消除;混合控制方式结合了两者的优点并克服了两者的缺点，能够得到最佳的控制效果。

第三章跟踪控制系统硬件电路3.1控制电路本文以AT89C52为主控制器，实现了一种混合控制，系统示意图如图1所示。

主要电路份为三部分:单片机、键盘显示接日芯片和日历时钟芯片之间的通信电路;以光敏电阻为感光元件的反馈电路;单片机控制步进电机的驱动电路。

3.1.1控制单元AT89C52控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C52型单片机。

AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有4KB的flash可编程可擦除只读存储器，它采用CMOS 工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。

AT89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

3.1.2日历时钟芯片DS1302DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它具有实时时钟和31字节的静态RAM，采用串行通信，可方便地与单片机接口。

DS1302可提供秒、分、时、日、星期、月和年，并带闰年补偿，可采用12h或24h方式计时，采用双电源：主电源和备用电源供电。

3.2传感器使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电动机的正反转。

由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。

这里介绍的是将 4 个完全相同的光敏电阻分别置于太阳光接收器的东西南北方向，负责检测这四个方向的光源强度。

如果太阳光垂直照射在太阳能电池板板上，东西( 南北) 两个光敏电阻所接收到的太阳强度相同，其阻值完全相同，此时电动机不转动。

当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，再经过运算放大电路和信号调整芯片输出电压，从而驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。

其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。

光电模块检测的俯视图，其由 5 只光敏电阻组成。

正中央一只，旁边四只围成一圈。

第四章跟踪系统机械部分太阳跟踪装置的载体是太阳能电池板，电池板面积比较大，带动它所需力量较大，考虑到跟踪平台在输入功率较小的情况下带动较大的电池板工作，机械结构又对会聚光线的强度存在影响等因素，跟踪平台机械部件设计一般应满足一下要求：(1)光伏发电太阳跟踪装置的机械执行机构能够进行大范围的跟踪，其跟踪范围要求大于或等于太阳的运动范围，并要避免极限位置锁死；当跟踪平台在运动载体上运行时，载体的运动不确定，可能朝各个方向行驶，相对于跟踪平台来说，太阳的运动变得更加复杂。

所以跟踪平台两个方向的跟踪范围应该设置的较大，以应对可能出现的情况。

(2)光伏发电太阳跟踪装置的机械执行机构还要有较好的防风性。

跟踪平台一般用于固定安装的场合，或者安装在中低速运送的载体上（太阳能车、船），实现对太阳能双维大范围自动跟踪。

在高速运动的载体上工作，如果遇到很大的逆向风，采用防风性能一般的平台，极有可能导致平台被吹动或者吹翻，无法进行正常运转工作；采用能够自锁的机构，如锅轮传动或者螺旋传动机构，遇到逆风情况，跟踪平台不会被风吹动或者吹翻，保持正常运转。

(3)较大的输出功率，工作能耗小于给定值；综合各种传动结构，齿轮传动具有传动比准确、传递扭矩大的优点；以上两种传动比都较大，能在使用功率较小的普通电机的同时传递足够大的动力，比较适合在中低速运动载体上运行的需求；但这两种结构在传动时存在间隙，没有谐波传动跟踪精度高。

(4)结构紧凑，可靠性高；如果系统的结构比较松散，长期逆风工作变形会较大，刚性降低，提高刚性需要加固结构或者使用刚性好的材料，这些都会使成本增加，而且传动部件的性能易受到影响，跟踪装置的寿命及可靠性降低。

此外，应尽量简化加工工艺，进一步提高跟踪装置性价比。

4.1机械结构简图步进电机、轴承和箱体等未画出4.2机构受力太阳能电池板面积为100mm ⨯80mm ，面积较小，所以忽略风力影响，则整个机构受外力为太阳能电池板自身重量10kg ，竖直向下。

太阳能电池板重力产生的转矩)2/(cos b a mg T +⨯⨯=θθ为太阳能电池板与竖直方向夹角a 为齿轮4到太阳能电池板距离b 为太阳能电池板宽度则最大转矩为=⨯⨯⨯=⨯+⨯=--22max 10558.91010)2/3040(mg T 5.39M N ⋅第五章驱动单元设计5.1步进电机现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。

永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。

用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。

一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。

此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。