太阳能跟踪系统的设计文档格式.docx

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摘要

自工业革命以来，煤炭、石油成为世界的主要能源，人类对这些资源的依赖越来越大，但煤炭和石油都是不可再生能源且储量有限燃烧后产生大量二氧化碳等有害气体，对环境破坏比较大。

在这些因素下我们必须研究和开发新能源如太阳能。

太阳能与传统能源相比有很多优势：

太阳能储量丰富，在地球的任何角落都有，对交通不发达的地区有很大的利用价值:

其次太阳能在开发利用的时候不会产生废气废渣，不会破坏环境。

虽然太阳能有如此多的优点，但并不能十全十美依旧存在很多目前还不能快速解决的的问题，太阳能存在的这些问题加大了对太阳能设备性能的要求以至于造成对资源的浪费。

进入21世纪，全球一体化，环境与资源成为一项世界性难题，既要推进社会的现代化又要保护好我们赖以生存的环境，大量使用传统能源会对当下环境造成无法估量的破坏，走这条路必将给我们人类带来灾难，因此除了开发清洁能源我们别无选择，而太阳能所具备的各项优点刚好能满足我们的要求，充分利用好了太阳能我们所面对的问题都能迎刃而解。

所以设计一套可以提高太阳能的利用率，提高发电效率的太阳能跟踪系统显得尤为重要。

本文针对这些问题设计了一套太阳能自动跟踪系统。

关键词：

环境与资源；

清洁；

传感器；

光电池

ABSTRACT

Sincetheindustrialrevolution,coal,oilasthemainenergyintheworld,peopledependmoreandmoreontheseresources,butthecoalandoilisnotrenewableenergyandreservesarelimitedcombustionproducesalargenumberofharmfulgasessuchascarbondioxide,comparedtotheenvironmentdestruction.Inthesefactors,wemustresearchanddevelopmentofnewenergysourcessuchassolarenergy.Solarenergycomparedwiththetraditionalenergyhasmanyadvantages:

solarenergyisabundant,inallcornersoftheearth,thetrafficisnotdevelopedareahasalotofusevalue:

thesecondsolarenergyatthetimeofdevelopmentandutilizationdoesnotproducewasteresidues,doesnotdamagetheenvironment.Thesolarenergyhassomanyadvantages,butnotperfectstillexistalotofitiscan'

tsolvetheproblemoffast,theproblemsofthesolarincreasedthedemandforsolarenergyequipmentperformancethatcausethewasteofresource.Intothe21stcentury,globalintegration,theenvironmentandresourcestobecomeaworldwideproblem,shouldpromotethemodernizationofsociety,wemustprotectoursurvivalenvironment,extensiveuseoftraditionalenergywillcauseincalculabledamagetothepresentenvironment,gothiswaywillbringdisastertoourhumanbeings,sowehadnochoicebuttodevelopcleanenergysources,andtheadvantagesofsolarenergyhavejustcanmeetourrequirements,andmakegooduseofsolarenergywefacetheproblemcanbesolved.Thispaperdesignedasolarautomatictrackingsystem.

KeyWords：

Environmentandresources；

Clean；

Sensor；

Photocell

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1-3"

\h\uHYPERLINK\l_Toc2079第1章引言PAGEREF_Toc20796

HYPERLINK\l_Toc14366第２章　太阳能在我国分布及其特点PAGEREF_Toc143667

第1章引言

人类已进入工业化社会，工业化社会给我们每个人的衣食住行都带来了极大的便利，但我们在享受美好生活的同时面临着一个重要问题：

能源短缺。

自工业革命以来人类开始大规模开采利用矿物资源，这些矿物能源燃烧会产生大量的温室气体及有害气体，给环境带来了极大的污染破坏。

如果不加以阻止，采取措施可能会带来灾难性的后果。

且我们现在消耗的煤炭、石油等资源都是不可能再生资源。

如果没有新能源的替代，在不久的将来人类将面临矿物资源匮乏的严重局面。

如果我们及我们的子孙想世代居住在地球上且没有烦恼的话那么我们每个人都因该出一份力气，就必须逐步改善现有的能源结构，大力开发新能源。

在现今的新能源之中最具有发展潜力的就是太阳能。

由于地球的自转，引起季节天气变化，太阳的运动轨迹时刻都在发生改变，太阳光照角度不停的改变着，而目前常采用的太阳能设备缺少灵活性，其太阳能电池板的板面固定于某一方向，并不会自动随太阳移动而偏向，这虽然能减少设备的损耗，节约成本，但这必然会牺牲光伏转化率，我们必须解决这个问题，换句话说就是要增加太阳光照射于太阳电池板上的单位面积照度让电池板最大限度的吸收太阳光，做系统的目的就是要达到这个效果，说明白一点就是要让面板在空间中跟随太阳的运动轨迹，能做到这一点就能解决现在存在的问题。

针对这些问题本课题设计的系统可以有效的解决这些问题，可以提高太阳能光伏发电效率，采用本系统可以取得光照的最大量发电量较其他系统设备多且使用的太阳能电池少，这样一来降低了投资成本，电价降低，消费者可以从中得到实惠，从孩提时代起，我就觉得天空应该是蓝的，水应该是清的，如今长大了我们怎么能忍心让这种对自然的美好印象在现实中的消失，我觉得自己有责任做点什么了，因此该套太阳能跟踪系统的研究开发具有实际意义，具有一定的重要性。

第２章　太阳能在我国分布及其特点

2.1太阳能在我国的分布情况

太阳和人类的生活息息相关，日出日落，我们每天都和太阳见面，太阳是我们再熟悉不过的，但是对于太阳能我们却知之甚少。

太阳能和其他能源一样向人类不断的提供能量保证人类的正常生产生活，但是它又和其他能源有点不一样，它的产生源于自身的化学能变化，产生的能量纯天然无污染。

我们都知道地球绕太阳转，太阳光照射在地球上，地球接受大量的太阳光，地球轨道上接收到的平均太阳辐射强度非常大，而地球又是太阳系中一颗比较大的行星，这样就很容易算出地球接收到的太阳能总量巨大。

地球上海洋面积占了约80%，太阳光照射在在海平面上的面积巨大，海洋接收到的能量巨大，如果把这些以其它传统能源换算，相当于有102000TW的能量。

如果我们人类把这些能量运用到我们实际的生产生活中去，我们就不会有能源危机，就不会发生历史上那些因为争夺能源产生的战争，避免人类的惨剧。

虽然太阳能有如此多的优点，但也存在着的很多缺点，这些缺点加在一起构成了开发太阳能的拦路虎。

由于地球表面的大气层吸收和反射了一部分太阳辐射到地球的光照，到达地表的能量只占了是其总辐射总量的很少一部分约22亿分之一，但这些能量对人类现在的生产生活所消耗的能量来说是相当巨大的，高达173,000TW，若将太阳每秒钟辐射到地球的能量以兑换处煤炭，需要燃烧500万吨煤炭。

太阳能对我们人类的好处实在太多，到处体现着闪光点，她把自己的光和热无私的贡献给我们不给我们带来一点伤害这些都是其他能源比不了的，目前她的开发利用还存在一些困难但随着全世界对太阳能研究的投资加大，现存的这些技术问题必会解决，太阳能一定会走进我们的日常生活中。

我国的先天条件优秀，有着广袤的土地太阳光照的面积大适合推广太阳能。

根据这些我们可以推算出，每年约为50×

10kJ的能量辐射在我国地表上，有335～837KJ/cm2A的能量辐射到全国各地，中值为586KJ/cm2A。

我国国情复杂，各地地形地貌相差比较大，根据太阳能在各地的辐射总量统计资料来看，太阳能辐射总量以西藏、青海、新疆等广大地区较其全国其他地方多。

而三地之中因青藏高原地区的太阳辐射量最大。

不难得出结论开发利用我国境内的太阳能对于我国现代化的建设有着重要的现实意义。

2.2太阳能与其他常规能源相比有三大优点：

第一，太阳能储量丰富，在太阳漫长的运行历史中，太阳紧消耗了它储藏能量的2%，可以说太阳能是人类能源的未来，是个聚宝盘的。

第二，太阳光存在于地球的任一个角落如果利用起来的话，可以省去一些不必要的成本，对一些地区具有利用价值。

第三，太阳能较其他传统能源不会损害环境更不会影响生态平衡。

2.3太阳能的开发的缺点：

第一，分散性，光照区域不集中，不利于设备采集。

第二，不稳定性，光照采集受自然因素影响大。

第三，转化效率低且成本高，太阳能的发展还处于初级阶段，有些技术在理论上已经想当成熟可行，但是脱离实验室的太阳能利用转化装置，光转化效率偏低，造价成本高昂，在市场上与其他的传统能源产品相比价格偏高不具有竞争优势。

第3章太阳能利用的国内外发展情况

日本是个海岛国家，资源相对匮乏，这使得日本在新能源尤其是太阳能的研究上不遗余力，在太阳能应用技术领域日本走在全世界的前面。

日本对太阳能的开发利用很早就已经开始，经过10多年的发展现已进入普及高峰。

日本是一个科技强国历来注重新技术的研究开发，在广大科技人员的不懈努力下，太阳能技术在日本日益创新，攻克一个个难题，成本不断降低。

进入21世纪，日本利用太阳能发电更是大步向前，发电总量惊人占了世界总量的很大比重，据统计，单是2003年，日本就在国内大量投资太阳能发电设备在国内大幅度提高发电装机容量，2010年更是再创新高，较2003年增加约6倍，取得这些成就的同时日本还将花巨资开展对太阳能的研究。

在地球另一侧的德国对太阳能也情有独钟，德国很早就注意到了太阳能，作为一个老牌发达过，开发其境内的太阳能资源较其他国家都早，经过几十年的发展，德国已经在太阳能使用方面积累了大量经验，并且研发出了一系列高效的太阳能系统。

据德国太阳能产业研究部门的数字报告，在90到97的这几年里，德国研发的太阳能相关产品种类丰富，产量大，科技含量非常高成了全世界学习的模版，遥遥领先其他国家平均水平。

据德国媒体报道，经过多年的筹备建设，在德国建成且已经正式投入运营的大型太阳能发电厂总投资达巨大，全部采用最先进的发电设备，最大限度利用太阳能，发电总容量达12兆瓦，能为几千个个家庭供电，为广大家庭节约了不少电费。

如此大规模的推广太阳能使得4%的德国家庭已经用上了太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油，这对环境有极大的促进作用。

美国是个发达国家同时也是个能源消耗大国，对能源的依赖程度很高，美国一直在寻找研究能替代传统能源的新能源，太阳能作为一种具备这么多优点的香饽饽，美国人民非常用心经营这个行业，用心做产品才能做出好产品才能形成一条成熟的产业，已经实现了从毛料到研发生产，产品的销售售后完备的一套产业链。

软硬件的不断完善，取得的成绩接踵而来，2005年，美国光伏发电总容量创历史新高达到100万千瓦。

取得巨大成就的同时，美国政府没有骄傲忘形，继续埋头苦干，加大对行业投入和扶持，大量花钱用于加快对这个行业新技术新领域的研发，希望能提高所生产的产品的光电转化效率用于占领市场，使太阳能光伏发电系统的生产成本降低，使太阳能较其他的能源更具有优势。

目前，美国对太阳能电站的建设正如火如荼，随着太阳能在美国推广普及，预计到不久的将来，美国光伏发电成本将迎来大的降价，现在的价格将降低5倍，降价幅度之大，可以看出太阳能具有很大的市场潜力。

美国权威机构对世界一次能源替代品做了一次研究，研究结果表明，到21世纪中期，核能将占第一位，太阳能次之，我们都知道核能的危险系数非常高，这种能源的结构到21世纪末会发生变化，将由太阳能取代核能所占据的位置，研究结果说明，太阳能在未来的能源发展中占有相当大的潜力与市场，这也是很多国家加大对太阳能开发利用的原因。

意大利也不甘于其他国家的后面，整个国家开展了大规模的太阳能设备普及，总容量达5万千瓦。

法国每年投入巨资用于其制定的太阳能利用计划，经过多年的发展推广，2006年法国安装了太阳能热水器的用户达已达2万多家，而且每年还不断增加。

目前我国资源和环境都面临严峻的考验，且我国正处于现代化进程中，新能源的推广更因该是不遗余力，太阳能热水器相对我们国家来讲还是相对对其了解还不够，但是我国人民对新事物的接受却非常快，刚开始就取得了销售的好成绩，往后的增长更是迅速。

加上政府的支持，对从事太阳能领域研究的企业进行补贴，经过多年的发展，全中国从事太阳能热水器相关工作的企业达上千家催生了一条完备的产业链。

总之，世界各国都在大力研究太阳能推广太阳能。

第4章光敏电阻和光电池的工作原理

光敏电阻是电阻器件没有极性。

上图为光敏电阻结构图，RG为光敏电阻，当RG两端在通电流且无光照的情况下，RG呈高阻态，回路中仅有微弱的暗电流通过。

光敏电阻较其他电阻有很大的不同，强光照射在光敏电阻上，光能被半导材料吸收生成电子—空穴对，电子向正极移动，空穴移向负极，空穴与电子对相互移动的同时半导体的电阻值迅速减少，电流急剧增大。

光电流的大小变化控制电路中的电压电流变化。

反之，当强光停止照射在光敏电阻上时，自由电子与空穴重新复合，电阻值增大，电路中只有微弱暗电流通过。

光电池（有源器件）

光电池与光敏电阻的工作原理有点类似都是基于光生伏特效应，只要有光照射在光电池上它能直接将光能转换成电能。

它的运用广泛，目前主要应用于航天等高科技领域。

结构原理：

光电池实质类似于一个放大了的PN结，其结构如下图所示，光电池有两个电极：

上电极和下电极，上电极为栅状受光电极用于接收太阳光，为了提高光电转化率，更好的吸收太阳光，减少光线的反射散失，栅状电极下涂有一层抗反射膜，下电极是一层衬底铝。

光照射到硅光电池的P区时，硅光电池接收到的太阳光越多，在P区产生电子-空穴对越多，同时在内电场的作用下，电子向内扩散，在复合前到达P-N结过渡区，内电场的作用将这些电子推向N区。

于是光照产生的电子-空穴对中的电子流向N区。

第5章　太阳能跟踪控制系统

5.1目前国内外采用的常见跟踪太阳的方式介绍：

（1）视日运动轨迹跟踪；

（2）光电跟踪；

（3）结合法；

5.1.1视日运动轨迹跟踪

太阳跟踪装置一般采用的方式土，比较地平坐标系，这个一个古板耗费精力但是一目了然的方法，但也因为没有具体公式可以直接对轨迹坐标进行计算，使得计算过于繁杂。

又因太阳与地球运动有着密切关系，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各种参数值都已知，于是可以通过天文学上的常用的三角形之间的关系式经过一番计算分析推算出太阳和观测者的经纬坐标从而得出他们位置之间的关系。

5.1.2光电跟踪

光电跟踪是最常用的一种跟踪方式，应用最广，它的组成方式模块化主要由三大部分组成:

位置检测器、控制组件、跟踪头。

5.1.3结合法

结合法是由两部分构成可以简单的理解为:

视日运动轨迹跟踪和高精度角度传感器组成的。

5.2本跟踪系统的原理介绍

对三种控制系统的介绍和比较，且考虑实际情况，采用光电追踪系统最为合适，本跟踪系统的控制电路由两个电压比较器组成，其输入端的组成非常特别，两只光敏电阻为主要元器件然后以串联交错的组合成构成了光敏传感器，且每一组两只光敏电阻的作用互相不同其中的一只担当比较器的上偏置电阻的角色，另一只为担当下偏置电阻的角色。

电路详解原理图如下

该电路首先的结构是电压比较器，由双运放LM358与R1、R2构成主题，四个光敏电阻和两个电位器构成的光敏传感电路较其他电路的特殊之处在于它能灵活变通，当光照很弱时会补偿光线达到设备的基本运行要求，减少了自然因素对系统的干扰。

根据图2我们就知道，RT1和RT3安装的位置与其他2个光敏电阻的完全不同，2组光敏电阻一组在另一组的相反侧。

当四个光敏电阻同时受太阳光的照射时，两个电位器的中心点不受影响更不会影响电压的阻值。

如果只有前两个光敏电阻工作接受到太阳光的照射系统的运行会很不一样，首先反应比较快的RT1反应最为激烈它的内阻会减小，其次LM358也会根据光敏电阻的变化做出相应的变化最明显的是它的各电位脚之间产生的微妙变化③脚电位升高，它的另一个电位脚①脚输出一个比较高的电平，各元器件都跟着变化三极管当然不会保持不变VT1也迅速改变状态，饱和导通，紧接着继电器K1也迅速反应导通，其转换触点最明显的变化就是3与触点1闭合。

虽然这2个光敏电阻是同一组但是RT3的变化却是相反的内阻没有像它一样反而减小，同样也是LM358的⑤脚发生了不同于其它的变化电位下降，因为这一系列的运行结果不同导致K2不动作，其转换触点开始运行3与静触点2的运行结果是闭合，最后的结果是电机M根据元器件的指令发生正转，反之亦然，整个系统就这样随着太阳的变化变化着。

这个系统电路的值得称赞的地方就是，当LM358的③脚发生变化时如电位升高，其它的电位脚如⑤脚电位不升反而降低，反过来的话结果也是反过来的，这样的结果是使电机的正反转干脆可靠；

5.3跟踪系统控制部分介绍

5.3.1信号采集部分

系统使用了4个光敏电阻来采集信号，电路的输出信号只与两只光敏电阻上光照强度差有关，免于受其它外界因素的干扰，增加了系统的灵敏度准确性。

5.3.2数据处理部分

数据处理部分采用了双运放LM358与R1、R2组成的电压比较器，利用两个光敏电阻光照强度差影响电位器的电压，使得LM358对输入信号进行判断，当获得高电平信号时，三极管导通值，继续给继电器发出信号使电机转动，反之，提供低电平信号，这样使整个系统更大稳定更加准确免于受外部环境的影响，抗干扰能力更强。

5.3.3控制单元

根据电压比较器送出的触发信号，电动机按照指令运转。

由于继电器在运行过程中需要的吸合电流比较大大，从此会导致运行的整个电路电流增大，另外继电器对整个系统的反应速度很慢，灵敏度不高，会降低整个系统的灵敏度对光电转化率产生影响。

第6章系统的安装调试及电机类型的选择

6.1系统的安装调试

本系统的理论接收装置的结构（如图2）外壳由无反射的深颜色材质制成，该外壳还有一个优点是可以兼作垂直遮阳板，它减少了材料节约了成本。

在选择光敏电阻时所选的光敏电阻的各种参数要保持一致，使得电路在运行时亮、暗电阻相等且成线性变化这样会使整个系统更加精确。

在系统的安装调试时有几点要特别注意，因为太阳光的原因，光敏电阻的安装要尽量往里面缩至少也要外壳保持在一条水平线上，光敏电阻凸出外壳的话会散射太阳光不利于信号的采集，将垂直遮阳板（控制盒）安装在接收装置的边缘，这样的话有很多优点，遮阳板转动顺畅且即使强烈的反射光照射也没有什么影响。

调试时，由于光敏电阻反应反应灵敏，在系统没有运行时各种元器件不能有数据，所以不能把四只光敏电阻暴露在太阳光下，各个器件安装好了后，然后调节电位器RP1、RP2，使LM358两正向输人端的电位相等且高于反向输人端0.5V－1V。

调试参数达到要求后，将垂直遮阳板上至于太阳光下采集数据参数，检查整个系统是否正常，到各项指标正常后跟踪系统就可以工作了。

6.2电机类型选择

直流电机在我们日常生产生活中应用非常是常用的一款产品。

因为要对太阳的光线进行全天候的跟踪，这样的操作就必要要求所设计的电路能进行转动控制和立刻停止控制，工业生产中一般采用微控制器和专用IC芯片达到所要的效果，直流电机不能单独实现精确的定位控制，不能达到本设计所需要的效果只有当它与旋转编码器组合起来时，才能实现精确的位置控制和速度控制，但是这样的组合过于繁琐，不利于大规模推广。

步进电机是一种能够根据脉冲（通常为方波）控制转角和转速、并适合微控制器控制的电机也是一种跟踪给定脉冲信号转动的电机，只给它施加电压电机不会转动的，它转动必须依靠控制电路，当控制电路给它信号时它才会转到，它的这种机械特性刚好符合本设计，况且步进电机能根据给定的脉冲信号实现精确的定位控制，而且即使在停止时也有制动转矩，这些优点能更好的对太阳进行全天候的跟踪。

太阳时时刻刻都在运动且太阳离地球非常遥远，而对系统的要求是时刻追踪太阳的角度变化，但实际上要在很短时间内，检测出太阳光线的变化难度很大，系统几乎不能立刻对太阳的运动作出反应，需过一段时间才能对太阳偏移了的位置做出反应这就要求电机遵循实际的运行情况，在一段时间后太阳偏离原来位置有一个角度后转一个相同的角度后马上停下来，经过这些对直流电机和步进电机的分析，步进电机更符合设计要求。

图2

第7章结论

本论文先介绍了太阳能在国内外的发展现状及太阳能在我国的分布情况，从中可以发现太阳能作为一种新能源具有很广的发展潜力，利用好了太阳能不仅可以获得巨大的经济利益，而且还能遏制环境污染。

在现实环境如此恶劣的情况下，大力发展推广太阳能具有很强的现实意义。

其次文章对太阳能跟踪控制系统的详细介绍，相信大家对太阳能跟踪系统有了进一步的认识，可以清晰的发现本控制系统是一套切实可靠，可以大规模推广的系统。

太阳能是清洁无污染可再生的资源，在现今环境与资源