太阳光入射角光电检测装置毕业论文.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）摘要世界正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就使太阳能设备对太阳能的利用率不高，对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。太阳光入射角光电检测跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题，据实验在相同条件下, 采用光电检测跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中进行光电检测跟踪是十分必要的。本论文尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光电转化率。在设计中首先对用到的硬件部分进行比较和选取，其次利用仿真软件对整个系统进行仿真和调试。设计中采用四个光敏电阻对比所受光照强度，当该板未对准太阳时，因角度差会造成光敏电阻上所接受的光强不同，从而产生微弱的压差，该压差与标准压差送入电压比较器中进行比较输出，得出四路高低电平的信号变化，该变化信号就是太阳方位的实时反应，这四路信号送入H桥电机驱动芯片中，驱动两电直流电机按相应的方位进行位移，当位移过程中控制板对准太阳时，芯片无输出电机进入锁定状态，最终达到实时跟踪的目的。太阳光入射角光电检测装置不仅可以作为演示实验装置，而且结构简单、成本低、灵敏度高, 受外界环境影响较低，还可以扩展为实用的太阳能发电的自动跟踪系统，有较好的推广应用价值。关键词：太阳入射角；光敏电阻；直流减速电机；光电检测跟踪AbstractThe world is facing a serious threat of depletion of fossil fuels such as oil and coal, and unlimited solar energy as a new energy reserves, the prevalence of use of cleaning, the use of economic advantages, but solar energy and the existence of low-density and intermittent and spatial distribution and changes in illumination direction and intensity with the time changing, which makes the utilization of solar energy equipment for solar energy is not high, a higher demand on the collection and use of solar energy. Solve the problem of solar energy utilization is not high for the sunlight incidence angle photoelectric detection and tracking devices to improve by 35 percent, according to the experiment under the same conditions, using optical detection and tracking in the generating capacity of power generation equipment than the fixed power generation equipment, in the utilization of solar energy photoelectric detection and tracking is essential.This paper attempts to design a way to automatically track the sunlight angle of the dualaxis automatic tracking system to improve the solar cell conversion rate. First used in the hardware section in the design and selection, followed by the use of simulation software, simulation and debugging of the entire system. The design uses four photosensitive resistance compared suffered light intensity, when the board at the sun, the angle difference will cause the photoresistor accepted intensity, resulting in a weak pressure difference, the pressure difference and the standard pressure difference into a voltage comparator to compare the output obtained four high-low signal changes, the change signal is real-time response of the sun position, this four-way signal into the H-bridge motor driver chip, drive two electric DC motor corresponding position displacement when the displacement process in the control panel at the sun, chip-free output of the motor into the locked state, and ultimately achieve the goal of real-time tracking.Sunlight incidence angle optical detection device not only as a Demonstration Device, a simple structure and low cost and high sensitivity, by the outside world with low environmental impact can also be extended to practical automatic tracking solar power system, better promote the use of value.Key words：Solar incident angle；Photosensitive resistance；Dc gear motor；Photoelectric detection and trackingII目 录 摘要IAbstractII第1章 绪论51.1 课题背景51.1.1 能源短缺51.1.2 环境污染51.1.3 温室效应51.2 太阳能的特点61.3 国内外太阳能应用的现状61.4 太阳入射角光电检测跟踪技术现状81.4.1 单轴检测跟踪81.4.2 双轴检测跟踪81.4.3 高度角方位角式光电检测跟踪81.5 课题研究的目的和意义81.6 论文的结构9第2章 太阳光电检测系统的整体设计102.1 光电检测系统的设计要求102.2 太阳照射规律102.2.1 地球围绕太阳的运行规律102.2.2 太阳高度角和方位角的确定112.3 太阳光检测跟踪装置的比较和选取122.3.1 视日运动轨迹跟踪132.3.2 天文观测和气象台的太阳光电检测跟踪装置152.3.3 光电压差式太阳检测跟踪装置152.3.4 系统跟踪方式的选择162.4 本章小结16第3章 光电检测跟踪系统的硬件部分设计173.1 系统结构的设计及原理173.2 直流电机的特性和选型183.2.1 直流电机的特性183.2.2 直流电机的选型183.3 直流减速电机驱动芯片的选取193.4 四通道电压比较器的选择213.5 三端稳压芯片的选取223.6 本章小结23第4章 光电检测跟踪系统的软件部分设计244.1 仿真软件Proteus244.1.1 Proteus仿真软件的特点：244.1.2 ISIS智能原理图绘制系统244.2 Proteus仿真步骤254.3 光敏电阻的电路设计274.4 四通道电压比较器的电路设计284.5 LED显示电路设计294.6 三端稳压电路设计294.7直流电机驱动电路设计304.8 本章小结33第5章 系统仿真和调试345.1 系统整体仿真原理图345.2 仿真后的结果显示345.2 硬件和软件的调试375.3 本章小结38结论39参考文献40附录 1 电路图41附录 2 实物图42附录 3 元器件清单43致谢44IV第1章 绪论1.1 课题背景随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。其中能源短缺、环境污染、温室效应使得世界能源问题日益严峻，相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会可持续能源的希望所在。1.1.1 能源短缺世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持200300年。1.1.2 环境污染由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有非常多的硫、氨等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。1.1.3 温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织已经召开多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展，一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭、石油、原子能等，占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的、不可再生的。据有关资料显示：石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为，以1995年世界石油的年开采量计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭；天然气储备估计在，年开采量维持在，将在5765年内枯竭；煤的储量约为，1995年煤炭开采量为3亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中感到不少欣慰。1.2 太阳能的特点太阳是一个巨大的能源，万物生长都要依靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于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。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较。有如下的优点:1.储量的“无限性”太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是 KW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达 KW，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为 KW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为 KW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。2.存在的普遍性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。3.利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。4.利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。1.3 国内外太阳能应用的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。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 KW，占世界太阳能发电装机容量的46%，到2010年达到 KW，增加约6倍之多。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4千瓦，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。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，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。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。在不远的将来，太阳能将取代核能占第一位，因此我们要加强对太阳能的利用和发展的重视。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式，随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施，太阳能光伏发电技术取得了较快发展。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为，中值为。我国太阳能资源丰富和比较丰富的、类地区，年日照时数大于2200 h，太阳辐射总量高于，面积约占全国总面积的2/3以上。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25 KW光伏电站，西藏安多100 KW光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150 KW太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。总之，大力发展太阳能利用技术，提高太阳能利用率是节约能源和保护环境的重要途径。虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏发电产业还处于成长期，我们还应该向发达国家引进最新的技术。在不久的将来随着科学技术的进步，提高太阳能利用率的系统成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。1.4 太阳入射角光电检测跟踪技术现状目前，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三种检测方式：单轴检测跟踪、双轴检测跟踪、高度角方位角光电检测跟踪。 1.4.1 单轴检测跟踪单轴检测跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，根据事先计算的太阳方位的变化，太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时太阳能接收率最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行，接收太阳能的效果并不理想。1.4.2 双轴检测跟踪双轴检测跟踪又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度方位角式全跟踪。太阳能设备的能量转换部分的一轴指向天球北极，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。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角：反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，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。1.4.3 高度角方位角式光电检测跟踪高度角方位角式光电检测跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪。太阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。1.5 课题研究的目的和意义本课题灵感来源于向日葵，当太阳光线发生变化时向日葵可以随着光线转动，提高了光合作用的效率。因此课题研究的主要目的是设计出一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪检测装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，使接受到的太阳能始终保持最大化，从而提高设备对太阳能的利用率。本次课题研究的意义：解决了当下大部分太阳能发电装置对太阳能应用率不高的问题，使太阳能接受装置可以对实时发生变化的光源进行跟踪检测。为太阳能的利用提出了更有效的方式方法，对于现阶段的能源危机提供了一定的帮助。1.6 论文的结构第一章，绪论主要阐述了课题的研究背景、目的及意义，以及国内外太阳能的利用现状、太阳追踪方式的发展现状。第二章，主要是对太阳光入射角光电检测系统进行总体的设计，确定了系统最佳的跟踪检测方案。第三章，主要是系统硬件部分的设计，其中包括直流电机、电机驱动器、电压比较器、三端稳压器等各个模块的选取和优点。第四章，主要是系统软件部分的设计，其中包括proteus软件的介绍和每一步的仿真过程。第五章，主要是仿真和调试，其中包括仿真最后的结果和对软件、硬件的调试。第2章 太阳光电检测系统的整体设计2.1 光电检测系统的设计要求本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用，在本研究中，确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。对太阳能进行电能转换的时候，由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的，如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下，因此，要使太阳能的吸收效率提高，采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的。本课题中采用的是机电一体装置，采用两个直流减速电机双维错位放置，通过控制板驱动平台，达到将平台最终对准太阳的目的，从而提高吸收效率。本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性。在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护。在控制部分的设计中，要考虑到系统的全天候性要求，选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。2.2 太阳照射规律2.2.1 地球围绕太阳的运行规律众所周知，地球每天围绕通过南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为二十四小时，所以地球每个小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面法线倾斜成2327的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于(为观察者当地的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。2.2.2 太阳高度角和方位角的确定太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士2327的范围。夏天最大变化到夏至日的+2327；冬季最小变化到冬至日的-2327。太阳赤纬随季节变化，按照Coper方程计算： （2-1）式中n为一年中的天数，如:在春分，n=81，则，自春分日起的第d天的太阳赤纬为: （2-2）太阳角的计算：如图2-1所示，指向太阳的向量S与天顶Z的夹角定义为天顶角，用表示；向量S与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；向量S在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用表示。太阳的时角用表示，它定义为:在正午时，每隔一个小时增加15，上午为正，下午为负。图2-1 太阳角的定义（1）太阳高度角计算太阳高度角的表达式为： （2-3）式中，沪为地理纬度；占为太阳赤纬；口为太阳时角。正午时 ，(2-3)式可以简化为：因为，所以 （2-4）正午时，若太阳在天顶以南，即，取从而有， （2-5）在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有，从而h=90。（2）太阳方位角太阳方位角按下式计算， (2-6)也可用下式计算， (2-7)根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式(2-6)或者式(2-7)中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。2.3 太阳光检测跟踪装置的比较和选取目前，国外对于太阳光电检测跟踪装置(或称为太阳跟踪器)的研究有，美国科学家Blackace，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，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了八JM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多能量，使热收率进一步提高。JoeLH.Godman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。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。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置1321。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。1929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，完成了单轴跟踪，国家气象局计量站在1990年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。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)天文观测和气象台的太阳光电检测跟踪装置。下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。2.3.1 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。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法:算法l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。太阳在天球上的位置可由太阳高度角和太阳方位角确定。太阳高度角又称为太阳高度或太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角()，可由下式计算得出： (2-8) （2-9）式中：各角度单位均为度。其中，为当地纬度角；为太阳赤纬角，春分和秋分时 ，夏至时，冬至时；为时角，是用角度表示的时间；n为1年中的日期序号，从1月1日开始，n=1，每往后加一天，即n=n+1。太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，即： (2-10)式(2-8)和(2-10)中的赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。由于太阳在一年中的时角运动很复杂，日常生活中的钟表时间采用平均太阳时(简称平太阳时，t)，即太阳沿着周年运动的平均速率。真太阳时(即太阳时，)与平太阳时之差即称为时差，在工程计算中就会存在时差问题。因此，必须采用真太阳时，以达到实际计算中的精度要求。为了得到准确的真太阳时，可以根据定时标准来校正时差值，我国区域的时差e确定如下： (2-11) (2-12) (2-13)式中：longitude为光伏发电地点的地理经度，中国地区的北京标准时间的经度为 120；t为北京时间。因为地球每24 h自转1圈，所以每15为1h；且正午时，时角，上午时，下午时，则可由下式计算得到，即： (2-14)当太阳在正南方向时，式(2-10)中的方位角；正南以西时，；正南以东时，。为有效跟踪太阳的位置，除了要计算出太阳的实时位置外，还需要知道具体某天的日出时角和日落时角。由于日出日落时，太阳高度角，因此由式 (2-8)可计算出： (2-15)且根据时角 (上午时，下午时)，得到日出时角的表达式为： （2-16） （2-17）计算出日出时角和日落时角后，由式(2-14)可得出日出时间和日落时间，即： （2-18） （2-19）2.3.2 天文观测和气象台的太阳光电检测跟踪装置太阳跟踪装置除了用作太阳能利用装置以外，还常用于天文台和气象台对太阳活动的跟踪观察。随着天体光学的发展，十九世纪中叶之后，相继出现了折轴望远镜、定日镜、定天镜等。这些装置靠互相垂直的两条轴旋转跟踪天体，最常用的两轴装置有地平式和赤道式两种。自人造天体发射后又出现了三轴、四轴式跟踪器。这些跟踪器主要分为两类:一类是望远式，它接受太阳的垂直入射;另一类是定日式，它将太阳光反射到所设计的固定方向，太阳作周日视运动，赤道装置绕极轴按周日角速度匀速运动，抵消地球自转，使仪器法向保持指向天球某一固定的赤经方向，纬轴则保证仪器法向的赤纬和太阳赤纬相同，实现跟踪。这种跟踪装置主要应用于科研，因此最应保证的是机构的精度，其造价相对也比较昂贵。未来的太阳跟踪装置应采用全自动跟踪阵。全自动太阳跟踪装置根据地平坐标、双轴跟踪原理，机构设计朝着高精度，大范围跟踪方向发展，在有限的接受面积上最充分的应用太阳能，降低装置的成本;控制采用光、机、电一体化技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，可广泛应用于农业、电信、气象等领域中。装置由光敏探头检测太阳光强，通过跟踪控制器，采用模拟压差比较原理进行比较，发出命令，驱动机械部分转动。限位装置有东、两、上、下四个极限限位功能，跟踪精度高，范围宽，有自动返回功能。计算机测控系统实现了对充电电压，充电电流，跟踪光强、风速、电瓶温度等模拟量进行采集、处理、显示和打印，根据各模拟量的瞬时值，实现防风，报警控制，蓄电池的充电、放电和分级控制等功能，对设备统一监控管理。2.3.3 光电压差式太阳检测跟踪装置光电压差式太阳检测跟踪装置，采用两个电机双维错位放置，通过控制板驱动平台转动，达到将平台最终对准太阳的目的。控制系统原理：采用四个光敏电阻交叉对比所受光照强度，当该板未对准太阳时，因角度差会造成两两对应的光敏电阻上所接受的光强不同，从而产生微弱的压差，该压差与标准压差送入电压比较器芯片中进行比较输出，得出四路高低电平的信号变化，该变化信号就是太阳方位的实时反应信号，这四路信号送入H桥电机驱动芯片中，驱动两电直流电机按相应的方位进行转动、位移，当位移过程中，控制板对准太阳时，芯片无输出，电机进入锁定状态，进而实现了对太阳光的实时跟踪。2.3.4 系统跟踪方式的选择由上述可以看出，前两类视日运动轨迹跟踪方式的算法过程十分复杂，它们的计算量的增大会增加控制系统的成本，为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器是否正确安装的关系极为密切，该种方式在国内应用很少，相比之下第三类光电压差式跟踪检测方案更加简单实用。所以在这里我们选用的是第三类光电压差式跟踪方案，系统采用两个电机双维错位放置，通过控制板驱动平台转动，达到将平台最终对准太阳的目的。这种跟踪方案在实际中应用比较广泛，其主要的优点是：整体结构比较简单实用，制作费用低，精度比较高，抗干扰性强，甚至可以在阴雨天等恶劣环境下工作，有足够的工作空间，虽然承受的重量有限，但特别适用于小型的太阳能接受装置和光电检测跟踪演示实验。2.4 本章小结本章节对课题研制的太阳能光伏发电系统提出了具体的要求，即经济、结构简单、性能可靠等，此次设计的研究要以此为方向。并且研究了系统组成部分的构成，材料尽量选取经久耐用、技术成熟、性价比高、普遍可见的设备，来提高系统性能，降低系统成本。本章还简要的叙述了太阳光入射角光电检测系统的基本构成，阐述了太阳能的照射规律从而为以后的检测系统的