光伏发电智能追日系统的设计.docx

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光伏发电智能追日系统的设计

摘要

人类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，空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一些列太阳能设备对太阳能的利用率不高。

光伏发电智能追日系统解决了太阳能利用率不高的问题。

本文对追日系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分的设计。

第一，机械部分设计：

机械结构主要包括底座，主轴，齿轮等，当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1通过减速器带动Z向主轴转动，实现水平方向跟踪，同时控制信号驱动步进电机2带动齿轮1，齿轮1带动齿轮2和Y向主轴转动，从而使太阳能电池板实现垂直方向转动，通过步进电机1，步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。

第二，控制部分设计：

主要包括信号转换电路，单片机系统和电机驱动电路等。

系统采用电压检测模式实现对太阳的跟踪。

将太阳能电池板用两块遮光板隔开，当太阳能电池板接受的光强度不同时，输出电压不同，通过比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。

关键词:

太阳能,跟踪,单片机,步进电机

Abstract

Thehumanityisfacingfossilfueldepletionandsoonpetroleumandcoalthreatenseriouslies,thesolarenergytakesonekindofnewenergytohavethereservesinfinite,theuniversalexistence,theuseisclean,meritsandsoonuseeconomy,butthesolarenergyhasthelowdensity,theintermittence,thespatialdistributionchangesunceasinglytheshortcoming,thiscausesthepresentsomerowsolarenergyequipmentnottobehightothesolarenergyusefactor.Thelightbentdowntheelectricitygenerationintelligencetopursuethedatesystemtosolvethesolarenergyusefactornothighproblem.Thisarticletopursuedthedatesystemtocarryonthemachinedesignandtheautomatictrackingloopcontrolsectiondesign.

First,themechanicalpartofthedesign:

Mechanicalstructureincludingabase,spindle,gear,etc.,whenthesun'sraystodeviatefromthecontrolparttoissuecontrolsignalstodrivesteppermotordrivenbyreducerZtospindlerotation,thehorizontaldirectiontracking,whilecontrollingthesignaltodrivesteppermotoradrivengear,thegearadrivegear2andYrotationtothespindle,sothatthesolarpanelsperpendiculartothedirectionofrotationbyasteppermotor,steppermotorworktogethertoachievethetrackingofthesun.

Second,thecontrolpartofthedesign:

Includingthesignalconversioncircuit,microcontrollerandmotordrivercircuit.Thesystemusesavoltagedetectionmodetoachievethetrackingofthesun.Solarpanelswillbeseparatedbyatwoshadewhenthelightintensityisnotacceptedbythesolarpanelsatthesametime,theoutputvoltagesignalissenttothemicrocontrollerthroughthecomparisoncircuitdriveasteppermotor,solarpanelstothesuntracking.

Keywords:

solarenergy,tracking,microcontroller,steppermotor

1.绪论

1.1课题来源

本课题来自科研课题和社会需要，是设计一种自动调节太阳能电池板角度以加强对光能的利用率的系统，基于单片机控制，实现太阳角的测量、步进电机的驱动，可实现自动控制，精确定位等功能，显著提高太阳能光伏组件的发电效率。

1.2课题目的

太阳能是资源丰富、无污染的能源替代品，如何提高对太阳能的利用率逐渐成为了各国关注和研究的焦点。

太阳能的利用主要存在以下问题：

首先，太阳能虽然资源非常丰富，但能量比较分散，集中在某点的能量较少，并且太阳光照的方向决定了较长时间内不可能在固定方向一直获取较大的能量；第二，太阳能受环境条件的制约，只有在白天太阳光线较好的情况下，才能获得稳定的太阳能；第三，太阳能电池板的转换效率不高，目前世界上太阳能电池板的转换效率最高也只有30％，而国内使用的转换效率大都在20％左右[1]。

追日跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，与固定式相比，追日跟踪系统将增加大于35%的太阳辐射接收量，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率[2]。

1.3课题意义

随着人类发展的速度加快，社会现代化、能源化的进步，世界各国各地对能源的消耗量和需求量越来越大，对能源的开采也越来越凶猛，已经达到了肆无忌惮，完全不顾虑可再生和环境问题了，造成了世界范围内的能源危机，而能源危机直接影响到了人类的发展延续，如果在地球上所有储备的化石能源（石油、煤炭等）消耗完之前找到可以替代的大规模绿色安全能源，不要说人类文明的停滞，出现战争也是不可避免的。

因此，能源危机现在不仅仅是当今世界关注的热点问题，还已经成为了各国发展的焦点问题了[3]。

按照可持续发展的目标模式，我们不能单靠消耗矿物原料来维持口益增长的能源需求。

因此越来越多的国家都在致力十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具有能源巨大，接收面广，供应几乎无时间限制，具有广阔的开发前景，在人类能源科学尚未出现突破性进展的前提下，这几乎就是最绿色有效的能源了[4]。

太阳能有以下几点好处:

（1）普遍性

太阳光照射的面积散布地球大部分角落，除了南北极外几乎不会有死角，而在平均太阳照射最强烈的赤道上，又大多数地带是海洋，属于世界上可以共同开发的地区，不会出现什么技术垄断，地域端争端的问题[5]。

（2）永久性

太阳的寿命安全期就有50亿年，因此几乎不用考虑其寿命，即可以视太阳能为永久能源。

（3）无污染性

现今使用最多的矿物能源（石油、煤炭、木材等），滋生的问题几乎都是废物的处理，所谓物质不灭，能源消耗越多，产生污染也急剧增加，太阳能则无危险及污染，在人与自然和平共处的原则下，使用太阳能最和谐[6]。

煤炭、石油等矿物燃料产生大量有害气体和废渣，而使用太阳能则不会带来污染，不会排放出任何对环境不良影响的物质，是一种清洁的能源。

不过，大量的使用太阳能，由于太阳能的充分利用，结果会使环境的温度稍微升高，但是放射到地球的太阳能总量是一定的，人类保留太阳热量达不到温室气体的效果，所以不致对环境造成不良影响[7]。

（4）太阳能安全可靠性

核能发电会有核泄漏的危险，一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机，而太阳能绝没有这种情况，是十分可靠的。

（5）节省运输费用

太阳能发电如果能普及，那么除了极少的地区，大部分城市和农村都可以有自己的太阳能发电基地，节约了大量的管道线路架设、维护、防盗费用，就算主要传输线路被切断，或者交通、通讯被切断，只要太阳还能照射到这里，那么生产生活就可以继续维持，也是人类文明安全系数提高的表现[8]。

太阳能是“取之不尽，用之不竭”的，无污染的可再生能源。

在人类出现之前到现在这很长一段时间内，太阳能大部分从我们身边溜走，只有及少的转化为化学能保留了下来，但人类就依靠这亿万年以来残留的极少部分能源发展到了现在。

随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保能源之一。

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，该系统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的智能追日系统的研究与发展，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，大力发展太阳能，对节约能源，保护环境也具有重大的意义[9]。

太阳能是一种低密度，间歇性，空间分布不断变化的能源[10]，这样的特点对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

尽管各国相继研发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，但是太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是对太阳能的利用率不高。

就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高对太阳能的利用率，仍为国内学者研究的热点问题，解决这一问题可以从以下两个方面着手[11]，一是提高太阳能装置对太阳能量的转换率，二是提高对太阳能的接受效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者则可以利用现有的技术来解决。

光伏发电智能追日系统为解决这一问题提供了可能。

1.4国内外研究现状与发展趋势

虽然我国有着十分丰富的太阳能资源，尤其是西部地区由于地理位置较好，太阳辐射总量很大，但是我国的太阳能事业还处于起步阶段，现在也只是开发了一些小型的太阳能设备。

比如：

太阳能热水器，太阳灶，太阳能热发电系统和小型太阳能光伏发电系统，这些太阳能设备只能满足一小部分人的需要[12]。

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，接收器的接受效率提高了。

19998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器[13]，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退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，大大扩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，但是可以概括为以下两种：

一种是光端追从方式，另一种是根据视