太阳能跟踪系统设计与安装毕业设计 推荐文档格式.docx
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（2）、余海．太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J]．能源研究与利用，2004，（03）：
2-7
（3）、张顺心，宋开峰，范顺成等。
基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究[J]．河北工业大学学报，2003，32（6）：
44-47
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
太阳能跟踪系统设计与安装
一、课题研究的目的与意义
目的：
实现跟踪系统设计安装，提高太阳能的利用率。
意义：
太阳能是已知的最原始能源，干净、可再生、丰富，而且分布广泛，具有非常广阔的前景，提高太阳能的利用率，能使太用能技术得到普及。
二、课题研究的主要内容
（1）、从硬件和软件方面分析和设计太阳能跟踪系统的设计。
（2）、太阳能跟踪系统的安装。
三、主要研究（方法）论述：
（1）、收集资料学习并了解自动控制器的工作原理、各模块要实现的功能和要求
（2）、按照功能模块进行具体电路设计，确定元器件型号和参数，完成整个跟踪系统设计安装。
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
三、指导教师意见：
指导老师签名：
年月日
四、系部意见：
系主任签名：
年月日
摘要
人类正面临者石油和煤炭等矿物质燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点。
但是太阳能又存在着密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。
太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。
本论文主要对太阳能跟踪系统进行了机械化设计和太阳光自动跟踪系统控制部分设计。
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。
而太阳能是一种免费、无污染且又取之不尽、用之不竭，是一种可以利用来发电的一种相当好的能源。
而目前的太阳能发电效率普遍都不高，所以如何提高太阳能发电系统的发电效率是值得研究的。
【关键字】太阳能光电池跟踪传感器
Abstract
Humanityisfacingaseriousthreartbyoilandcoalandothermineralsfueldepletion,asanewtypeofsolarenergyhasunlimited,widespreaduseofclean,economicandotheradvertages.Butsolarenergydensity,intermittent,andthespatialdistributionoftheshortcomingsoftheever-changing,whichmakesthecurrentseriesofsolarenergyequipmentforsolarenergyutilizationisnothigh.Thesun’srays,automatictrackingdevicetosolvetheproblemofsolarenergyutilizationisnothigh.Inthisthesis,thesolartrackingsystemmechanizeddesignandsuntrackingsystemcontrolpartofthedesign.Activelydeveloplow-pullutionandlow=riskenergyisanurgentintoday’senvironmentalconsciousness.Solarenergyisfree,non-pollutingandbecauseinexhaustible.inexhaustible.onecantakeadvantageofaverygoodenergytogenerateelectricity.Thesolarpowergenerationefficiencyisgenerallynothigh,sohowtoimprovethepowergenerationefficiencyofthesolarpowersystemisworthstudying.
【Keyword】solarbatterytrackingsensor
第一章太阳能跟踪系统综述
太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中，最优化太阳光使用，达到提高光电转换效率的机械及电控单元系统，包括：
电机（直流、步进、伺服、行星减速电机、推杆电机等）、涡轮蜗杆、传感器系统等等。
在太阳能光伏应用方面：
保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，采用太阳能跟踪系统能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。
由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。
目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，都要靠计算该固定地点每一时刻的太阳位置以实现跟踪。
采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新计算参数、设定数据和调整各个参数；
原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。
河北某太阳能光伏发电企业独家研发出了具有世界领先水平、不用计算各地太阳位置数据、无软件、不怕阴天、雷雨、多云等各种恶劣天气、已经预设系统设备保护程序、防尘效果好、抗风能力强、简单易用、成本低廉、可在移动设备上随时随地准确跟踪太阳的智能太阳能跟踪系统。
该太阳能跟踪系统在该公司第一代跟踪仪的技术基础上，综合各地各种环境下的使用情况，对太阳能跟踪系统进行了全面的升级和改进，使该太阳能跟踪系统成为全天候、全功能、超节能、智能型太阳能跟踪系统。
该太阳能跟踪系统具有常态（好天气情况）下的对日跟踪状态和恶劣气候条件下的系统自我保护装态以及从自我保护状态自动快速转为常态对日跟踪三种情形。
增加了GPS定位系统，该太阳能跟踪系统是国内首家完全不用电脑软件的太阳空间定位跟踪仪，具有国际领先水平，能够不受地域、天气状况和外部条件的限制，可以在-50℃至70℃环境温度范围内正常使用；
跟踪精度可以达到±
0.001°
，最大限度的提高太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。
该太阳能跟踪系统可以广泛的使用于各类设备的需要使用太阳跟踪的地方，该太阳能跟踪系统价格实惠、性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用。
把加装了太阳能跟踪系统的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！
1.1太阳能跟踪系统的工作状态
该太阳能跟踪系统的工作状态有四种：
1.常态（好天气情况）下的对日跟踪状态；
2.间歇式跟踪。
如一天当中有一段时间为多云或阴天或恶劣天气时，该系统将甄别为不适宜跟踪，整个系统便处于暂停状态。
待光线和跟踪条件适宜时，系统会有一个快速跟踪指令，使跟踪仪大致对准太阳。
之后，程序会进行另一组信号采集处理，完成精细跟踪；
3.自动回位。
日落后，系统会自动进入休眠状态，并自动回归到太阳升起的方位。
第二天再自动进入新一轮的运转。
4.恶劣天气状态的保护：
当环境风速或降水等因素不适宜系统工作时，跟踪仪会自动停止工作，并使整个大系统的受光面与地平面成平行状态或垂直状态，以避免系统遭到破坏。
1.2太阳能跟踪系统的主要应用领域
该太阳能跟踪系统的主要应用领域：
（1）光伏领域的平板光伏发电和500倍以下的CPV系统；
（2）光热领域的抛物面跟踪（如太阳灶、高温太阳能采暖、太阳能热化工等）；
（3）太阳能槽式集热；
（4）太阳能塔式热电等。
1.3太阳能跟踪系统分类
光伏系统跟踪方式的分类：
光伏系统跟踪方式分为固定式、单轴跟踪和双轴跟踪。
固定式聚光器通常采用线聚光方式，纵轴沿南北向放置。
单轴跟踪主要用在槽式反射镜面系统中，也可用在低倍聚光时的透镜系统。
在二级聚光器的辅助作用下，单轴聚光器也可以达到较高的聚光率。
对于使用透镜或盘式反射镜，并且聚光率超过60倍的系统，需要使用双轴跟踪。
目前所建的聚光光伏系统多数为双轴跟踪。
主要单轴跟踪的分类：
水平轴跟踪---改变倾角
垂直轴跟踪---改变方向角
极轴跟踪----同时改变倾角和方向角
1.4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。
1.5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。
第二章系统总体设计方案
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。
图2.1光电转换电路
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。
第三章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。
STC12C5A60S2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LCD，IO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
3.1.3主程序模块关键程序代码
while
（1）
{
if（（flag_vertical_stop==1）&
&
（flag_horizontal_stop==0））//电机是否水平转动
{
motor_deal_horizontal（）;
//电机水平转动
}
Elseif（（flag_horizontal_stop==1）&
（flag_vertical_stop==0））//电机是否垂直转动
motor_deal_vertical（）;
//电机垂直转动
Else//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=1的时候，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
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