太阳能自动跟踪系统.docx
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太阳能自动跟踪系统
太阳能自动跟踪系统
浙江省大学生物理创新竞赛“科技创新竞赛”参赛作品（论文）
太阳能自动跟踪系统
浙江工商大学
电子0801汤颖锴
电子0801吕银音
电子0801马英
太阳能自动跟踪系统的设计
汤颖锴吕银音马英
（浙江工商大学信息与电子工程学院杭州310018）
摘要:
本文设计了太阳能全自动跟踪器，首先对达到自动跟踪太阳效果的工作
原理进行整体结构分析，叙述了系统整体的设计思路。
随后分别讨论了比较放
大部分、H桥驱动部分、行程自动开关部分的设计。
最后分析了作品的应用前
景，并提出作品不够理想之处及其相应的改进方向。
关键词:
自动跟踪、H桥式驱动、太阳能
TheDesignofAutomaticTrackingSystemforSolarPower
Ying-kaiTang,Yin-yinLv,YingMa
（CollegeofInformationandElectronicEngineering,ZhejiangGongshangUniversity,
Hangzhou,310018）
Abstract:
Inthispaper,wedesignedthefull-automatictofollowthesolarenergy.Firstly,weanalyzedtheoverallstructuraloftheworkingprinciplethatautomaticallytrackthesun,anddescribedtheoverallsystemdesignideas.Subsequently,discussedandcomparedtoenlargepart,Hbridgedriverpartandtheautomaticallyswitchpart.Finallyweanalyzedtheprospectsofapplication,andpresenttheplacethatisnotidealtoworkandthecorrespondingimprovementdirections.
Keywords:
Followautomation;H-bridgedriver;Solarenergy
1.物理背景
进入21世纪以来，人类对能源的需求快速增长，地球上的不可再生能源已开始耗竭，而大量使用化石能源引起的环境污染日益明显与严重，温室效应带来的全球变暖开始危及人类的生存。
为了缓解这一问题，低碳经济将成为社会经济发展的一个重要方向，受到了国际社会的共识。
在能源领域，清洁能源、可再生能源、光伏发电技术、太阳能集热发电技
[1]术等受到越来越多的关注。
其中，太阳能集热发电技术因发电运行成本低，并可以与化石燃料形成混合发电系统，在可再生能源发电技术中有较强的竞争力。
[2]我国西部荒漠总面积约160万平方公里，约为全国总面积的六分之一，它们是我国太阳能资源量丰富地区，太阳能年总辐射量约为1000EJ，相当于
[2]3300亿吨标煤，为能源植物的大规模产业发展提供了有利的基础。
这样，只要能开发利用1%,2%的荒漠地区，就能满足我国2050年大规模非水能可再生能源发展的需求。
然而，在地面上利用太阳能，受到很大的限制，要提高太阳能转化效率可以从两方面入手，一是仿造植物的叶绿素分子转化和吸收太阳能的方法，改变太阳能板的材料，如制造量子点、量子阱电池等，这个想法在量子物理学研究
[5]界受到了广泛的关注;另一方面，由于太阳能光伏板正对太阳光时，转化得到的电能明显多于斜对太阳光时转化得到的电能，所以可以通过制造自动控制系统，使太阳能光伏板跟随太阳的转动，让太阳光始终垂直照射太阳能光伏板，从而提高太阳能的利用率。
目前我国常规的太阳能利用只是把太阳能板固定朝向一个方向来提供电，如太阳能热水器、太阳能交通灯等。
当太阳光照射太阳能光伏板时，在光线偏离垂直方向?
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以内，太阳能光伏板利用太阳能的效率比较高，因此跟随太阳转动的太阳能板供电装置比固定式太阳能供电装置光能利用率高，大约每天高5倍。
可见，固定朝向的太阳能板供电装置受光照方向转变的影响较大，转化效率和转化功率受到很大限制。
针对这个现实，本文设计了太阳能光伏板自动跟踪太阳光转动的系统，并完成了作品的制作。
此作品采用2W太阳能光伏板将太阳光能直接转化为直流
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电，然后经蓄电池缓冲储能。
为使太阳能利用效率始终保持最高，在太阳能板同一平面上安装光电池，利用光电池来检测该平面的法线与太阳垂直入射角偏离的情况，及时调整保证太阳光直射光伏板，类似电子向日葵。
2.工作原理
本系统由一个绕固定转轴旋转的小车和一俯仰角可变的平台组成，太阳能光伏板放于平台上，接收太阳能并转化成电能存储到蓄电池中。
小车上的滚轮和涡杆可改变太阳能光伏板水平和竖直方向的朝向。
2.1转动原理
根据欧几里得平面几何知识推理发现，在三维空间中，假设有一条确定的直线和一个确定的平面，如果对平面进行一定的旋转，使得直线和平面垂直，那么平面的旋转可以分解为水平方向的旋转和垂直方向的旋转的叠加，证明方法是作平面的垂线，旋转垂线使得该垂线和原先确定的直线平行。
xxyyzz,,,000,假设有确定的直线，其方程为，平面的方程为,,labc
Ax，By，Cz，D,0，设平面为水平面，则与平面垂直的平面都是竖直面，xyxy
如图一所示。
图一三维坐标中的线面图
直线的方向向量为:
（1）m,（a,b,c）
该直线与水平面的夹角:
2
c,arctan（）,
（2）1122a，b
平面法向量:
（3）n,（A,B,C）
该向量与水平面的夹角:
C,,arctan（）（4）2122A，B
过已知直线做竖直面,:
1
b（5）,（x,x），（y,y）,000a
n过,做竖直面:
2
B（6）,x，y,0A
将平面,Ax，By，Cz，D,0在平面上沿逆时针方向旋转度，然后在竖xy1
xxyyzz,,,000,n直平面上沿逆时针方向旋转度，就可以使和直线平,,2abc
,,,,,行，即平面和直线垂直，其中是竖直面和竖直面的夹角，是和12111221的夹角，即:
bB,,（7）,arctan（）arctan（）1aA
Cc,,,arctan（）arctan（）（8）22222A，Ba，b
根据以上推理，当太阳光线确定时，适当调整太阳能光伏板的水平方向朝向和竖直方向朝向，一定能把太阳能光伏板调整到一个与太阳光线垂直的方向。
自动跟踪小车的两个电机分别驱动控制水平方向转动的轮子和控制太阳能
竖直方向转动的涡杆，水平方向转动的示意图如图二所示:
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z
y
图二太阳能蓄电自动跟踪器水平旋转示意图
太阳能自动跟踪器小车由一个固定的支撑点（点P）和一个轮子支撑起来。
滚轮转动（电机M2驱动）时，以点P为圆心，带动整个装置绕P点转动。
从图二可知，此时滚轮在水平面xy上经过的轨迹是一个以支撑点P为圆心的圆。
竖直方向转动示意图如图三所示:
图三太阳能蓄电自动跟踪器竖直方向旋转示意图
太阳能光伏板固定在A板上，电机M1驱动涡杆转动，涡杆的位置固定，只允许绕z轴转动，在xy平面内不发生位置移动。
涡杆上套有一个升降平台（升降平台连接太阳能光伏板A板的一端，并与之固定），升降平台因与A板一端相连而不能进行水平方向上的旋转。
因此，电机驱动涡杆转动时，升降平台只能进行上下移动，即升降平台上任意一点只有z的坐标值会变化。
升降平台带动A板一端在竖直方向上下移动，而A板另一端架在高度不变的平行板B的平面上，可以在B平面上滑动，使得A板与B板的夹角Q发生
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变化（图三所示），从而实现太阳能光伏板平面（A板）在竖直方向上角度的变化。
作品实物图如下图:
图四太阳能蓄电自动跟踪器实物图
经测量，此作品的太阳能光伏板在水平方向上角度变化范围是0?
360?
，竖直方向上角度变化范围是32.26?
86.31?
，其平面包含的朝向范围广泛，在地面上，无论太阳光的入射方向如何，与之垂直的面基本都在此作品光伏板所能变化得到的面的范围内。
2.2系统结构及自动跟踪原理
采用电机驱动太阳能光伏板的方位移动分为水平面方位控制和竖直面方位控制。
根据光线方向实现自动转移跟踪的思路是在太阳能板的上方平面放置四片小型光电池，由于光电池接收到的光能随太阳照射角度改变而改变，所以当太阳光照射角度随时间转动时，此光电池采集及送出的电压大小会变化。
电路采样此四片小型光电池输出的电压，以确定太阳的移动方向，当太阳的移动角度大于一定值时，控制电机M1转动以实现光伏板竖直方向的角度改变，控制
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电机M2转动以实现光伏板水平方向的角度转变。
电机以顺时针转或逆时针转来控制光伏板朝向的各角度变化。
水平方向自动跟踪和竖直方向自动跟踪原理相同，以水平方向为例，系统总体结构如图五所示:
图五太阳能蓄电系统水平跟踪模块结构图
系统水平方向基本工作原理:
该系统由左右光电池、比较放大器和驱动执行机构三部分组成，左右光电池安装在太阳能光伏板同一平面上，与其同步运行，四片光电池做在一个开口的小盒内，小盒的四个盒壁是由遮光片做成。
光
（V,V）源方向一旦发生改变，则左右光电池输出电压产生差，经过LM324芯12
片内电路比较放大以后输出相应信号:
当右边光强大于左边时，由于右边遮光
V,V片挡住了右边的光电池，导致左光电池接受的光大于右光电池，即时，12驱动电路1导通，电动机正转，带动系统向右转;当左边光强大于右边时，右
V,V光电池接收到更强的光，，驱动电路2导通，电动机反转，带动系统向12
右转。
当左右光电池无电压差即光源在水平方向已垂直入射光伏板时，驱动电路1和驱动电路2都不导通，电动机停止转动，此时水平方向达到最佳入射角。
竖直方向原理与水平方向原理完全相同。
上下光电池接受光源产生电压差，经比较放大后分别驱动电机正转和反转，从而调节光伏板竖直方向的倾斜角度，当竖直方向达到最佳入射角时，电动机停止转动。
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3（技术分析
水平方位自动转动跟踪电路原理图如下（竖直方位原理图完全相同）:
图六水平方位自动转动跟踪电路原理图*
前半部分是放大电路，用以放大两片光电池的出入电压差。
当IN1输出电压大于IN2时，经过运算放大器和比较器后，输出A为高电平，B为低电平，高电平A使三极管Q1、Q4、Q6、Q7导通，电流从左到右流过电动机，即驱动电路1导通（电动机向右转动，图中用实线表示）当IN2输出电压大于IN1时，经过运算放大器和比较器后输出，高电平B使三极管Q2、Q3、Q5、Q8导通，电流从右到左流过电动机，即驱动电路2导通（电动机向左转动，图中用虚线表示）。
为电路调整的方便，在图六中设置S1、S2手动控制电路，即电源通过两个开关到两个二极管再到A、B通道，如图七所示。
图七手动开关
*IN1为左边光电池输出，IN2为右边光电池输出
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电路调试时，闭合开关S1使A点为高电位，等效于光电池阵列的左电压大于右电压。
竖直方向同理。
3.1直流电机驱动电路
直流电机驱动电路采用H桥式，其电原理图如图八所示。
图八H桥驱动原理图
H桥式电机驱动电路很方便实现直流电机的正转和反转。
其中S3、S5为一组控制开关，S4、S6为另一组控制开关，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关闭。
当S3、S5闭合，S4、S6断开时，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转;当S4、S6闭合，S3、S5断开
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