太阳能自动跟踪系统.docx
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太阳能自动跟踪系统
1.绪论
1.1课题背景
由于现今高科技环境下，能源是促进经济发达和社会进步的原动力。
从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量使用造成全球环境生态和气候产生莫大的变化，同时大气中的温室气体浓度大幅提高，造成气温逐渐升高、海平面上升等温室效应的现象，威胁了我们生存的环境。
因此在环保意识抬头的今日，积极开发低污染及低危险性能源乃为迫切的需要。
虽然在可预见的将来，煤炭，石油，天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但是人们对核能及太阳能，风能，地热能，水力能，生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著的提高。
据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%，而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。
预计在未来，可持续能源将与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。
相对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。
1.1.1我国太阳能资源
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。
我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960X10km2,占世界总面积的7%居世界第三位。
据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50X10kJ,
全国各地太阳年辐射总量达335〜837KJ/c^A，中值为586KJ/cmA。
从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。
尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上,大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。
例如，被人们称为“日光城”的拉萨市,1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%,年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ/cmiA，比全国其它省区和同纬度的地区都高。
全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多，晴天较少。
例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。
其它地区的太阳年辐射总量居中。
所以充分开发利用太阳能对于我国的发展有着重要的现实意义和战略意义。
1.1.2太阳能的优点
太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：
（1）它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。
（2）在地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村，海岛和边远地区更具有利用的价值。
（3）太阳能是一种清洁无污染的能源，在开发利用时，不会产生废渣，废水，废气，不会影响生态平衡。
1.2太阳能跟踪系统的研究意义
长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。
据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。
这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。
能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。
据联合国环境规划署资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。
这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。
因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。
其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。
日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。
基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。
同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。
它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。
作为能源消耗大国，如何提高对太阳能利用率是解决能源危机的可行方法之一。
设计一个对太阳实现全天候跟踪系统，是提高太阳能利用率根本方法。
科技以人为本，是为人类服务的，本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天候跟踪系统是值得研究和实际运用的。
本课题的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景。
1.3太阳能利用的方法
目前,光伏发电技术是太阳能利用的主要手段之一,但该技术所使用的能量转换设备昂贵,转换效率相对偏低,种种不足制约着其发展。
而且，太阳能自身也存在着的间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题,这对太阳能的收集和利用也提出了更高的要求，而很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,所以对太阳能资源的利用很不充分,发电效率低下。
因此,在没有出现高效的光伏电池材料之前,研制具有实用价值的低成本太阳聚光器及自动跟踪系统,是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。
本篇论文中我们所设计的是太阳能自动跟踪装置,目的是使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直,保持最大的转换效率。
它是一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案,该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值。
1.4太阳能利用的国内外发展现状
日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。
日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。
太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。
日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。
太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。
从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发
电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。
德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。
1990年德国政府推出了“一千屋顶计划”至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1〜5千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。
根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。
另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。
这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。
截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。
已用4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。
目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。
2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。
为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。
目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。
预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的21〜40美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。
太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。
意大利1998年开始
实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。
印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。
法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。
我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和2010年规则》中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。
目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。
全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。
根据我国1996〜2020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。
在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。
由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站——安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。
这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。
总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。
1.5太阳追踪系统的国内外研究现状
在太阳能跟踪方面，我国在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，接收器的接收效率提高了。
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透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。
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。
在国内近年来有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，1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。
目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：
一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。
1.6提高太阳能的利用率
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装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。
就目前的太阳能装置而言，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，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，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。
太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。
不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它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，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。
香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明:
太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。
2.系统总体设计方案
2.1太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。
这种变化是周期性和可以预测的。
地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。
冬至时这个角为23度27
分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。
2.2太阳能跟踪控制方法的比较
目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式：
（1）视日运动轨迹跟踪；
（2）光电跟踪；
（3）视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。
下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。
2.2.1视日运动轨迹跟踪
不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。
太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。
而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。
2.2.2光电跟踪
传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成:
位置检测器、控制组件、跟踪头。
位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。
控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。
2.2.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。
因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。
而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。
特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。
如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。
在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。
当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。
这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。
这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。
但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。
2.3本设计的跟踪方案光敏电阻光强比较法。
该比较法中用的是光电转换电路。
光电转换器接收太阳光,将光信号转换成电信号,接着此模拟电信号经过放大器的放大再进入单片机进行A/D转换成数字信号，单片机根据采集来的信号进行分析比较,得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线,从而达到最高效率的利用太阳能。
本设计的光敏器件选为光敏电阻。
利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。
如果太阳光垂直照射太阳能电池板时,两个光敏电阻接收到的光强度相同,所以它们的阻值相同,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,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。
如图2.1所示,其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。
2.4本设计的研究内容
本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光敏电阻光强比较法，可实现大范围、高
精度跟踪。
论文的主要工作为以下几个部分：
（1）系统的总体设计（如图2.2所示）；
图2.2系统组成示意图
（2）系统的硬件设计（由**完成）；
（3）系统的软件设计；
4）系统的制作和调试
3.太阳能自动跟踪系统——软件部分的设计
本文介绍的控制系统的软件设计采用了结构化、模块化的程序设计方法。
主程序初始化完毕之后，即进入等待状态，单片机控制运行交由中断服务程序控制。
所需完成的功能主要由子模块实现。
各部分独立完成一定的功能，又有机的结合为一个整体，完成所要求的控制任务。
根据老师和我们对论文课题的分析，我们采用单片机进行控制。
目前，单片机程序设计语言主要有高级语言（主流是C51）和汇编语言两种。
与汇编语言相比，C51语言可读性好、维护方便、可移植性强，开发时间短；汇编语言最突出的优点是编程效率高，执行速度快。
本设计中，编程语言采用高级与汇编语言混合编程的形式，程序主体采用C51语言编写，但在对速度要求苛刻的部分（如单片机对FLASH存储器的读写）采用汇编语言编写。
开发环境选用目前流行的KeiluVision3。
经过对于题目的分析，与做硬件部分同学的讨论和老师的指导，我们选用STC12C5A60S2单片机。
STC12C5A60S是传统的8051单片机划时代升级换代产品，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，直接取代传统的89C51/89S51单片机，它高速，速度比普通8051快8〜12倍。
内部集成有MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。
片上集成1280字节RAM共有4个16位的定时器，两个与传统的8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但是有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
，片内有flash程序存储器，可以通过编程器十分方便的写代码或擦除代码，擦除次数达10万次以上，而且内有10位高速ADC速度可达25万次/秒。
而且它具有超低功耗，这种芯片有超强抗干扰性，无法解密。
保证了工作的可靠性、开发的方便性和程序的保密性，而且其价格也便宜。
整个太阳能自动跟踪系统软件部分共包含5个模块：
主程序、AD转换部分及其转换结果处理和分析、电机调整部分部分、光强检测模块，LCD显示部分及报警系统部分。
下面对各模块的设计进行阐述。
3.1主程序设计模块
3.1.1主程序模块实现的功能
（1）单片机系统初始化；
（2）检测硅光片的上下和左右硅光二极管的电压值是否相等，如果不相等的话，检测应该进行电机水平控制还是电机垂直控制，执行完毕后，再进行检测，并依次循环比较执行。
3.1.2程序设计思想或说明
如上所述，太阳能自动跟踪系统的软件部分包含多个模块，各模块的启动和停止由单片机控制。
在程序设计时，将这些模块的入口都安排在主程序中，主程序循环检测通过串口接收的命令，通过对命令解释，然后根据命令转入相应的模块。
程序流程图如图3.1。
系统软件的设计主要是通过C语言编程实现单片机对步进电机控制以及系统状态的显示。
系统通电后，首先对LCD10端口初始化，然后开中断，此时系统开始工作，检测当前太阳位置，直到接收板对准太阳，实现对太阳能全方位跟踪。
系统默认时间是00:
00，用户可以根据当地时间调整系统时间。
当阴天时，太阳跟踪系统检测不到太阳，为了实现太阳一出来就能自动跟踪太阳，系统时间每到12:
00或
18:
00（也是太阳落山），系统自动控制接收板与大地垂直，这样不管太阳在那个位置，接收板都能检测到太阳。
图中，启动后首先进行的初始化包括：
对单片机本身的中断和LCD液晶显示器等的初始化。
图3.1系统主程序流程图
3.1.4主程序模块关键程序代码
while
（1）
{
if（（flag_vertical_stop
{
motor_deal_horizontal（）;
}
Elseif（（flag_horizontal_stop
==1）&&（flag_horizontal_stop==0））
//电机是否水平
转动
//
电机水平转动
==1）&&（flag_vertical_stop==0））
//电机是否垂直
转动
motor_deal_vertical（）;
//
}
Else
//
{;}
电机垂直转动
电机不转动
其中程序中参数flag_vertical_stop是电机垂直转动停止标志，当参数
flag_vertical_stop
电机垂直转动停止，同样，
flag_horizontal_stop是电机水平转动停止标志，当参数
flag_horizontal_stop=1的时候，电机水平转动停止。
系统运行后，先进行初始化，初始化完成后，电机根据程序进行检测，若电机需要进行水平方向的转动，则电机开始水平转动，若电机需要进行垂直方向的转动，则电机进行垂直转动，否则，电机不转动。
一直检查，依次循环，直至系统运行停止。
3.2.光强检测模块
3.2.1光敏电阻光强比较法
利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。
如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，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小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。
其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。
其控制主要由以下三部分来完成:
（1）信号采集部分
用光敏电阻实现信号采集的电路原理为桥式电路，电路的输出信号只与照射在两个光敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的抗干扰能力。
（2）数据处理部分
采用非倒向放大接法，由运算放大器及其外围电阻组成线性放大单元。
零电位调整单元以抵消零点漂移的直流信号。
因调零后包含一定量的负脉冲信号，用
反相单元为下一级电路提供正电压信号。
对输入信号进行判断，当输出信号的强
度大于一定值时，给下一级一个高电平信号；反之，提供低电平信号，这样能屏蔽一些微小信号的扰动，使系统的工作更稳定。
（3）控制单元
根据前一级送出的触发信号，控制电动机的工作状态。
由于继电器在实现逻辑过程中需要的吸合电流较大，会造成整体电路的耗电增大；另外，继电器的反应速度很慢，灵敏度不高，会造成设备整体灵敏度及精确度下降。
3.2.2程序设计思想及说明
系统采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电转换。
它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位
跟踪，晚上便自动复位。
当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，D1、D2或D3
D4（另一组控制电路）四个光电管中必有一个受阳光照射
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