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挑战杯论文

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论文摘要论文摘要

太阳能是一种理想的可再生能源，但由于太阳能资源自身存在一些缺点，使得单位时间内单位面积上太阳光接收器接收到的能量相对较少，对于太阳热能利用设备来说，集热面积等于散热面积，理论上不可能存在很高的温度。

为进一步扩大太阳能的利用范围，将太阳能资源应用到中温领域，本课题设计出一种技术性能良好，使用价值高的智能型太阳追踪系统。

本设计基于16位飞思卡尔微处理器，通过太阳方位角与高度角的计算编写程序，实现自动控制。

论文研究的主要内容包括以下几个方面：

聚光设备采用抛物面反射镜聚光器，实现了提高单位面积入射光强度的目的。

通过调整聚光器的聚光比，可以实现聚焦中心最高温度的设定。

实现高精度追踪是整个控制系统设计的核心问题。

本设计采用的是光电追踪与视日追踪相结合的方法。

光电追踪方式是一种即时系统。

首先是使光敏二极管接收到阳光，然后转化成为电信号来传输给单片机，由单片机判断是否应该改变接收角度方向，然后发出指令控制电机运行。

光电追踪灵敏度较高，但受天气影响很大，如果在较长时间内有乌云等挡住阳光，需要转换到视日追踪模块。

视日追踪方式是根据当地的纬度计算方位角，根据当地的四季变化计算高度角，然后编写程序，由单片机控制电机实现追踪。

实验调试结果表明，系统工作稳定、实时性好，能够正确完成对太阳光照的跟踪。

同时，本设计具有控制装置简单，设计合理，易于实现等特点，可以应用到中温领域。

ABSTRACT

Solarenergyisanidealofrenewableenergysources,DanYouYuTaiYangnengZiyuanzishenCunzaiyixieshortcomings,ShideunittimewithintheunitareaofShangreceiverreceivedtoomuchsunrelativeenergyJiaoshao,forsolarthermalenergyuseShebei,thecollectorareaequaltothermalarea,intheory,notahightemperature.Tofurtherexpandthescopeofuseofsolarenergywillbeappliedtothemediumtemperaturesolarenergyresourceareas,theissueShejiatechniqueXingnenggood,valueofintelligentXingGaoSunZhuizongxitong.ThedesignisbasedonFreescale16-bitmicroprocessor,thesunazimuthandelevationanglethroughthecalculationofprogramming,andautomaticcontrol.Themainthesisincludesthefollowing:

Condensercondenserparaboloidalmirrordevice,realizedtheincidentlightintensityperunitareaincreasepurposes.Byadjustingthecondenserofthecondenserthancanbeachievedthehighesttemperaturesettingfocuscenter.Highprecisiontrackingcontrolsystemdesignisthecoreoftheproblem.Thisdesignisusedonopticaltrackingandtracing,asthemethodofcombining.Opticaltrackingapproachisareal-timesystems.Thefirstistophotodiodereceiveslight,andthentransformedintoelectricalsignalstotransmittotheMCU,theMCUtodeterminewhethertheperspectiveshouldchangethedirectionofreceiver,andthenissuedadirectivecontrolmotor.Opticaltrackinghighsensitivity,butmuchaffectedbytheweather,soifthecloudsblockthesunwithalongerperiod,dependingonneedtoswitchtotrackingmodule.WayastheJapanesetrackiscalculatedaccordingtothelocallatitudeazimuth,calculatedaccordingtothelocalelevationangleseasons,andthenwriteprograms,themicrocontrollercontrolsthemotortoachievetracking.Experimentaltestresultshowsthatthesystemstability,realtime,tocorrectlytrackthesunlight.Atthesametime,thedesignofcontroldevicesissimple,reasonabledesign,easytoimplementandsoon,canbeappliedtothetemperaturefield.

1，绪论

能源是人类经济发展的重要支柱，历史上煤炭和石油的发现及利用都极大地推动了经济的快速发展。

当前，经过人类多年掠夺式的开发，化石能源的开采存储量已经持续不了多少年，寻找新的清洁的可再生能源和替代能源己成为支持经济可持续发展的唯一选择。

按照目前的能源消费增速，我国的传统能源储量不足的问题将越发突出，能源供给将成为我国经济中长期发展的瓶颈，开发可再生能源和替代能源是必然的选择。

太阳能是一种清洁的绿色能源，是最丰富的可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。

太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源，将是未来最理想的绿色新能源，目前其利用的有效途径便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能。

嵌入式系统就是内嵌到对象体系中的微型专用计算实际系统。

它具有比通用计算机更简洁、更个性化的功能，可以运用操作系统，又兼有单片机体积小、功耗低等优点，是目前最热门的和应用最广泛的技术之一。

本文设计了太阳能追光系统。

该系统以嵌入式技术为基础，采用两种控制方法相结合准确追踪太阳位置，并进行同步跟踪，以保证获得最大效率的太阳能。

1.1，太阳能利用现状及趋势

地球上的化石能源主要有石油、煤、天然气和海底甲烷水合物。

目前，人类使用的能源主要是化石能源。

由于这些矿物燃料的大量消耗，已导致全球气候变暖，引起严重的生态环境问题，而且化石能源贮量有限，分布不均，有朝一日，必然枯竭。

人类今后使用何种能源，这已成为摆在我们面前的问题[4]。

太阳能遍布地球，取之不尽，用之不竭，对环境无污染，这是人类未来能源的最佳选择。

虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的

能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。

太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制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，对环无任何污染。

但太阳能也有两个主要缺点:

一是能流密度低;二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。

这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。

尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75x102喻）的22亿分之一，但已高达173，000Tw，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。

地球上的能流图如图1一1所示:

图1-1地球能流图从图1一1上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

我国太阳能资源分布的主要特点有：

太阳能的高值中心和低值中心都在北纬22度到35度这一带，青藏高原是高值的中心，四川盆地是低值的中心；太阳年

辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾多雨，在北纬30度到40度地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。

目前人类对能源资源的开发和利用进入一个新的时期，即以太阳能、核能为主体的多样化能源新时期。

国内外己经把太阳能应用到各个领域，主要包括:

太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电。

太阳能热利用包括太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能厨房、太阳能制冷、太阳能空调等降川;太阳能热发电是用吸收到的太阳能量加热水，产生具有一定温度和压力的蒸汽，推动汽轮发电机组发电;太阳能光发电是应用太阳能电池，将太阳辐射能直接转换为电能。

太阳能技术是发展潜力最大的可再生能源技术，代表着世界能源工业的发展方向。

在过去的25年间，太阳能发电成本下降了95%。

目前，美国太阳能光伏发电己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Kw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分/KWh降到6美分/KWh。

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c.Marchetin博士对世界第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高度重视。

日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能利用技术强国。

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KW，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KW，增加约6倍。

由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和2010年规划》中，我国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1996一2020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6.6万KW和30万KW。

由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站—安伏电站，总装机容量IOOKW，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，是节约能源和保护环境的重要途径。

从世界范围内看，绿色能源和可持续发展问题是二十一世纪人类面临的两个重大课题，在有限资源和环境保护双重制约下发展经济已成为全球热点和难点问题。

而这其中能源问题将更为突出，这不仅仅表现在常规能源的匾乏，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列诸如环境污染，温室效应等问题。

因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生的清洁能源。

从中国国内情况来看，能源也是国民经济发展的重要基础之一。

随着国民经济的发展，能源变的越来越缺乏，能源安全及能源在国民经济中的地位越显突出。

但我国是世界上少数几个能源结构以煤为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国，燃煤造成的环境污染日益突出。

目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亚氮等造成温室效应的气体的排放量也位居世界前列。

从我国目前能源生产及能源消费的实际状况出发，发展新能源及高效节能的技术及产品是保证我国可持续发展的重要条件。

太阳能有极其广泛的使用价值，由于太阳能在能源发展中的独特优势和广阔的发展前景，世界许多国家都非常重视太阳能的开发利用。

但是目前全世界太阳能电力占总发电量的份额还不足0.5%。

如此看来太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将在二十一世纪得到前所未有的发展。

尤其是太阳能电池在使用中不会释放包括二氧化碳在内的任何有害气体，这将极大的改善生态环境、解决地球温室效应的问题，因此太阳能电池有望成为二十一世纪的主导新能源，并终将在世界能源结构中占有主导地位。

1.2，太阳能追踪技术国内外发展现状

据试验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追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，有必要进行太阳追踪。

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。

1.2.1，光电追踪

目前，国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。

这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。

在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。

通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电管处于阴影区;当太阳西移时遮光板的阴影偏移，硅光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使追踪装置对准太阳完成追踪。

光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单;但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照射到硅光电管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动。

1.2.2，视日运动轨迹追踪

视日轨迹追踪的原理是根据太阳运动轨迹，利用计算机（由天文学计算公式计算出每天中日出至日落每一时刻的太阳高度角与方位角参数）控制电机转动，带动跟踪装置跟踪太阳。

此跟踪方式通常采用开环控制，由于太阳位置计算与地理位置（如纬度、经度等）和系统时钟密切相关，因此，跟踪装置的精确度取决于一是输入信息的准确性，二是跟踪装置参照坐标系与太阳位置坐标系的重合度，即跟踪装置初始安装时要进行水平和指北调整。

视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。

一、单轴追踪单轴追踪一般采用:

①倾斜布置东西追踪;②焦线南北水平布置，东西追踪③焦线东西水平布置，南北追踪。

这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。

图1一2是第2种追踪方式的原理，追踪系统的转轴（或焦线）南北向布置，根据事先计算的太阳赤纬角的变化，柱形抛物面反射镜

绕转轴作俯仰转动追踪太阳。

采用这种追踪方式，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，此时热流最大;而在上午或下午太阳光线都是斜射。

单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效并不理想。

图1—2二、双轴追踪

单轴焦点南北水平布置

如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。

双轴追踪又可以分为两种方式：

极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。

（1）、极轴式追踪极轴式全追踪原理:

聚光镜的一轴指向地球北极，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。

工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。

这种追踪方式并不复杂，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。

（2）高度角—方位角式太阳追踪高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪，其原理如图1—3所示。

聚光器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。

工作时聚光器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴做俯仰运动改变聚光器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。

这种追

踪系统的特点是追踪精度高，而且聚光器装置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。

图1—3

高度角—方位角式全追踪

由上文得知，目前的几种太阳追踪方式各有优缺点，要想进一步提高太阳能利用率，完善太阳追踪系统，需要更深一步地研究和探讨。

本文就是在此基础作的进一步的研究。

我国国内太阳能自动跟踪器主要有:

压差式太阳能跟踪器，控放式太阳跟踪器，时钟式太阳跟踪器，比较控制式太阳跟踪器。

由于纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低，因此，本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳。

1.3，论文的主要工作和总体结构

本文以嵌入式技术为背景，应用嵌入式芯片MC9S12A128，设计了一个结合多种控制方式的全天候无人值守的太阳能自动追光系统。

本论文总体上划分为6章：

第一章绪论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等情况；第二主要是对智能型太阳追踪系统进行了总体设计，确定了系统中使用的计算太阳高度角和方位角及日照时间的计算方法；

第三章主要描述了系统中各模块的设计方案以及实现原理；第四章阐述了此次系统设计的结论与分析。

2，智能型太阳追踪系统的总体设计及算法介绍

本系统的设计目标是通过控制电机的转动，从而控制云台上的太阳能电池板对准太阳，使太阳光能的吸收效率最大。

目前，太阳追光系统的方法有很多。

例如:

压差式太阳能跟踪器，控放式太阳跟踪器，时钟式太阳跟踪器，比较控制式太阳跟踪器。

通过研究表明这些太阳追踪系统存在着不少缺点，比如由发条、变速机构和执行机构实现的太阳追踪系统追踪精度不够，容易出现误差积累;通过蒸汽压力来实现追踪的自动追踪系统比较笨重，使用时不方便;基于纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器的太阳追光系统精度偏低;而基于单片机系统的太阳能追光器，由于单片机的运算速度和端口数量的限制，完成不了复杂的运算工作。

而且，单片机系统扩展起来也比较繁琐，扩一展能力有限。

而基于freescale的追踪方式就可以克服单片机的缺点，由于freescale芯片的端口丰富，计算速度快，易于扩展。

更加适用于太阳能追光的控制。

一般基于freescale或者通过芯片控制的追光系统主要有如下的两种追光方式，第一种为太阳运动轨迹模式，第二种为光电检测追光模式。

下面介绍两种追光模式。

太阳运动轨迹追光模式是一种基于对太阳高度角和太阳方位角的计算而进行追踪的控制模式。

在这个追踪模式下，系统从内部时钟RTC读取时间，读取当前位置的经纬度。

利用这个时间和经纬度来计算当时的太阳高度角和太阳方位角，每隔一段时间读取一次，计算一次太阳角度值。

同时计算出两次之间的角度差，利用这个角度差来控制电机的转动时间。

光电检测追踪模式是首先通过光敏传感器将光信号转换为电信号freescale芯片接受到电信号，进而控制电动机转动。

采用光敏电阻作为光电传感器，利用光敏电阻遇到光照电阻变小，从而电流导通的特性，对电路进行控制。

通过特殊的装置使4组光敏二极管分别检测4个方位，通过判断4组光敏二极管中任意一个是否受到光照而判断太阳的方向。

配合机械装置，达到追踪太阳光的效果。

本设计的控制方式结合了以上两种控制方式的特点，将两种模式结合在了一起。

首先，系统通电以后，先校对系统的时间，如果系统时间在日出时间之前或

日落时间之后，系统不启动，进入休眠状态;如果系统时间在日出时间之后或日落时间之前，系统启动。

系统启动后，系统先进入太阳运动轨迹追光模式，使装置对准太阳。

这时，系统读取光敏电阻连接的端口的电平值，当遇到阴天的时候，系统继续在该模式下运行;如果是晴天，系统转为光电检测追踪模式。

当云把太阳遮住，系统切换为光电模式。

云飘走后，系统会在两种追踪模式间自动转换。

当日落时间到来时，系统复位，进入休眠状态，等待第二天日出。

这样两种方式结合，可以综合两种控制方式的优点，克服两种控制模式的缺点。

两种追踪方式互相补充，使系统运行更加稳定，提高了系统追踪的精度。

2.1，日照时间和太阳位置的计算

一、系统工作原理及总体结构本文首先通过对太阳运动规律的分析给出太阳在天空中未知的确定方法，其次选择跟踪控制方法和跟踪系统的坐标系，最后给出系统原理框图并说明各部分的功能。

二、地球的自转和地球太阳的公转导致了太阳位置相对地面静止物体的运动。

这样变化是周期性和可预测的。

图2—1太阳位置参考坐标系a）地平坐标跟踪系统b）极轴坐标跟踪系统三、太阳能中天文参数的计算1.日地距离由于地球绕太阳的运行轨迹是一个椭圆，所以地球与太阳之间的距离在一年

之内是变化的。

日地平均距离及最大最小距离列在表1.1中。

到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方（r/r0）成反比。

r0为日地平均距离，r为任意时刻日地距离的准确值。

2

（r/r0）2=1+0.033cos

360n365

（2.1）

表2.1日地距离地变化

2.太阳赤纬角δ日地中心的连线与赤道面间的夹角每天（实际是每一瞬间）均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。

δ=23.450sin（360×

284+n）365

（2.2）

式中，n为一年中的日期序号，从每年1月1日算起。

太阳赤纬随日期序号的变化见图1.2。

春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道,即天赤道的δ=0。

北半球夏至的正午时刻太阳直射北回归线，δ=23.45°。