自适应太阳跟踪装置设计方案.docx
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自适应太阳跟踪装置设计方案
江苏省第四届先进制造技术实习教学与创新制作比赛
作品设计方案书
作品名称：
自适应太阳跟踪装置
作品单位：
徐州工程学院
作者：
杨爱春，张强，田刚
指导教师：
蔺超文，汪菊
2009年9月10日
自适应太阳跟踪装置
徐州工程学院杨爱春，张强，田刚
指导教师：
蔺超文，汪菊
一、背景及意义：
太阳能作为一种无污染、节能、环保、安全的新能源正日益受到重视。
而我国国土面积幅员辽阔，太阳能资源极为丰富，利用价值空间很大。
随着我国城市化进程的加快和新农村建设顺利进行，社会对太阳能的需求量越来越大，无法充分地对太阳能这一环保、经济的能源进行利用，不止是对地球上不可再生资源的浪费，更是对子孙后代赖以生存的环境的污染。
当前，我国对太阳能的利用，主要有三个方面：
单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统。
但是，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。
二、国内太阳能自动跟踪器的研究现状
目前国内传统的跟踪器基本有两大类：
一类是根据地球绕日运行规律计算跟踪运动轨迹的主动式跟踪器；另一类是实时探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪器。
主动式跟踪器有控放式跟踪器、时钟式跟踪器以及采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器三类。
被动式跟踪器有压差式和光敏感应式两类。
控放式跟踪器原理为：
在太阳光接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力。
利用控放装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。
该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。
但是该跟踪器容易产生过跟踪的情况，只能用于单轴跟踪，精度低。
而且跟踪器不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构，这又使得跟踪器的成本提高。
时钟式跟踪器有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法：
根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。
其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低；系统需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源。
采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器需要大规模集成电路以及数据库构成的计算机处理系统来控制工作，成本很高。
所以，它们一般用于天文台和气象台对太阳的观测或者大型发电厂，面向的是多个采光设备组成的阵列，其跟踪系统利用计算机控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。
但对于民用来说，不管是将太阳能转换成热能，还是直接转换成电能，采光设备的面积都较小且数量较少，用该类跟踪器控制跟踪不仅会造成资源浪费，其高价位也很难被广泛接受。
压差式跟踪器的原理为：
当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。
根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式，和液压式。
该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。
但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。
光敏元件比较式跟踪器利用光敏元件在光照时性能参数发生变化的原理，将四个完全相同的光敏元件分别放置于采光板的东南西北方向边沿处。
如果太阳光垂直照射采光板，东西（南北）两个光敏元件接收到的光照强度相同，此时电机不转动。
当太阳光线与采光板的法线有夹角时，光敏元件反应出照度差，信号采集电路采集到光敏元件的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏元件上的光照强度相同。
其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。
但是这类跟踪器价格昂贵，且不能适应自然界中光线的变化，跟踪效果不太理想。
为了解决传统跟踪器存在的问题，满足复杂多变的光线照射情况，本作品研究了一种自适应太阳跟踪装置。
该装置能自动检测光源的运动方向，通过对其X和Y方向二维的实时调节，保证其始终与光源对正，实现大范围和较高精度的跟踪，以提高太阳能的利用效率。
该跟踪装置从跟踪控制系统到机械执行部件的设计都考虑了经济性问题，在保证工作性能的同时大大降低了成本提高了性价比。
跟踪平台可安装在固定地点工作，也可安装在运动载体上工作。
其适用范围广泛，除了适用于太阳能屋顶发电、太阳灶、太阳能热水器、太阳能空调等场合，还适用于太阳光照明、太阳能车船等新兴太阳能产业。
三、太阳光跟踪装置方案设计
系统主要由驱动控制器和跟踪器机械构件两部分组成，驱动控制器完成对太阳位置的检测，并通过一定算法转换成控制信号输出，以驱动方位角电机和高度角电机旋转；机械构件主要完成动力的传递和支撑太阳能转换装置。
1、驱动控制器硬件总体设计方案
硬件总体方案如图1。
太阳跟踪与驱动控制器以单片机80C51为核心建立应用系统。
光电传感器输出的误差信号经过调理输入到差动转换电路,为跟踪提供依据。
外部时钟为系统提供准确的时间，以便阴天采用定时跟踪。
当跟踪装置转到极限位置时，为了保护设备同时为第二天跟踪做好准备和避免电缆缠绕，需返回初始位置。
可以采用限位开关来复位，当机械设备转到极限位置时，限位开关向单片机系统发送个脉冲，单片机响应此操作，进行中断处理，跟踪装置归位。
1）太阳位置传感器结构
传感器主要是由8只经过挑选的性能优良的光敏元件和8只电阻组成，其结构见图2。
设置一个暗筒（不透明），暗筒内侧为圆形，外侧为方形，暗筒对外界环境的散射光线及其他干扰光线进行屏蔽，使得外界干扰光线对跟踪效果的影响降到最低。
在暗筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4片光敏元件；其中一对光敏元件（E、G）东西对称安装在暗筒外侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角；另一对光敏元件（F、H）南北对称安装在暗筒外侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角；在暗筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光敏元件；其中一对光敏元件（A、B）东西对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；另一对光敏元件（C、D）南北对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度。
图2
太阳位置探测单元的工作原理：
以东西方向（即方位角）为例，假设太阳的高度角是不变的，即假设暗筒在高度方向始终对准太阳。
当早上太阳从东方升起的时候，光敏元件E接受到的光强（阳面）大于G接受到的光强（阴面），因此输出一个正的差动信号给窗口形成电路，经过处理后驱动电机使跟踪平台向东转动。
当转动到一定的精度范围内，太阳偏离不太远时，与E并联的A（暗筒屏蔽了环境散射光干扰）开始起主导作用，使暗筒精确对准太阳。
当太阳向西偏移时，G和B分别起作用使平台向西跟踪太阳，当遇到云层遮住太阳或者下雨等其它原因导致太阳偏离较远时，G起主导作用进行较大范围的搜索跟踪，到一定精度后A慢慢起主导作用进行精确跟踪。
高度角的跟踪基本原理及工作方式与之类似。
2）信号调理与差动转换电路
光敏电阻将阳光强度的变化转变为电阻阻值的变化，信号处理电路处理的是电阻的变化。
由跟踪原理知，当两个光敏电阻的照度差（有正有负）较小或为零时（精度范围之外），信号处理电路是不会输出信号的；当相应的两个光敏电阻的照度差（有正有负）达到一定数值的时候（精度范围内），信号处理电路应输出信号驱动平台跟踪。
此部分电路包括东西方向和南北方向两路，原理相同，以东西方向为例说明电路的工作原理和过程，电路如图3所示。
图3
首先，将光敏电阻的阻值变化转变成电压信号的变化，其中暗筒内部的两个光敏电阻A和E并联，暗筒外部的两个光敏电阻G和B并联，太阳从东边升起后，暗筒外的光敏电阻A和E首先起作用，当暗筒基本对正太阳时，内部的光敏电阻G和B开始起到主要作用。
转变后的电压U1和U2分别输入到差动转换电路的正负两个输入端，经过第一级运放电路，将两路电压信号的电压差放大20倍。
经过放大后的信号为正电压，则经过第一路电压比较后，输出正向旋转信号，若放大后的信号为负电压，则先经过反相器，将其1：
1反向输出，然后再经过另一路电压比较，输出让电机反向转动的信号。
电压比较器的参考电压Vref1和Vref2可以通过电路进行调节，以设定跟踪的精度范围。
3）开关量输入电路
为了是跟踪平台在方位角方向上夜间归位，安装一个行程开关（限位开关），用于控制机械设备的行程及限位保护。
每当方位轴转向正西方向的时候，便会撞击行程开关，将此机械信号转化为电信号，输入到单片机，单片机根据此信号发出回转180度指令，是系统在方位角方向回到东方，等待第二天太阳升起。
在高度角方向上不存在夜间归位的问题。
因为高度角在中午的时候最大，早晚的高度角相差不大。
本跟踪系统方位角转动范围是±90°，高度角是0~90°。
行程开关的连接电路图如4所示，S1表示行程开关，它处在常开状态。
本系统采用光电隔离耦合器，实现行程开关和单片机电路的电气互连。
使用光耦主要是基于以下考虑：
①响应速度加快。
电磁继电器响应延迟时间要几毫秒，而光电隔离藕合器的响应延迟时间只有左右。
②抗干扰能力加强，稳定性得到提高。
光电隔离藕合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻却很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电隔离耦合器馈送到另一边去，从而被有效的抑制了。
图4
行程开关S1处于常开状态，机械装置的方位轴在正常的工作范围内时，发光二极管不发光，三极管处于截止状态，因而输入单片机/INT0端口的是高电平；当机械装置的方位轴转到极限状态时，行程开关S1的机械触头动作，使常开状态的行程开关闭合，发光二极管导通发光，从而使得三级管导通，/INT0变为低电平。
可以看出，方位轴在正常的工作范围到极限位置时，单片机/INT0端口会接受到一个负脉冲。
正好把单片机的外部中断0（/INT0）设置成下降沿触发输入，并且中断优先级设置成高级。
每当单片机/INT0口扑捉到下降沿，系统便立刻响应最高级外部中断，调用中断处理程序，使跟踪平台向东方，回归初始位置。
4）外部时钟电路
由于系统中要进行时间的控制，因此需要使用时钟电路。
若使用单片机计时，则时间长了会引起较大的误差，需要使用串行实时时钟芯片。
我们选择DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，外围只有一32.768KHz晶振，使用灵活。
DS1302实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，具有31×8RAM，可供保存有用数据。
用于时钟或RAM数据的读/写具有单字节或多字节（也称脉冲方式）数据传送方式。
采用双电源（主电源和备用电源）供电。
图5
DS1302慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM，经过一个简单的串行接口与单片机通信。
实时时钟/日历提供秒、分、时、日、月和年等信息，对小于31天的月末的日期进行调整，还包括闰年的校正功能。
时钟的运行可采用24小时或带上午和下午的12小时格式。
DS1302与单片机的通信仅需三根线即SCLK（串行时钟线）、I/O（数据线）、RST（复位线）。
数据可以按每次一个字节或多达31个字节的形式传送到时钟RAM或从中送出。
DS1302还有另外的功能：
即用于主电源和备用电源相连接的双电源引脚VC1和VC2。
DS1302由VC1和VC2两者中较大者供电，当VC2大于VC1+0.2时，VC2给DS1302供电。
当VC2小于VC1时，VC1给DS1302供电，使系统在没有主电源的情况下也能保持时钟的连续运行。
此外，它还提供可编程的VC1慢速充电功能，从而对备用电池进行充电。
DS1302主要引脚有：
X1，X2连接32.768kHz晶振。
GND：
电源地。
RST：
复位，用于对芯片操作。
I/O：
数据输入、输出引脚。
SCLK：
串行时钟输入VCC1，VCC2：
后备电源和主电源。
电路图如55所示，才用BT1电池供电，当单片机断电时，能启动后备电池对DS1302供电，需保证时钟能正常运行，所以采用了双电源技术。
5）步进电机驱动电路
步进电机是纯粹的数字控制电机，它是一个将电脉冲信号转变成角位移（或直线位移）的执行机械，即给定一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。
用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到准确定位的目的。
步进电机的驱动控制器主要是由脉冲发生器，脉冲分配器和功率放大器等环节组成，如图6所示。
脉冲发生器产生某些频段连续变化的脉冲信号。
图6
结合本产品的使用特点，对改变方向角的动力机选用了北京斯达微步控制技术有限公司的23H2001两项混合式步进电机，在30转/分的转速下能达到0.92Nm的转动力矩，可以满足本装置的使用要求；电机控制选用了MS-2H057M步进电机控制器，如图7所示，它采用DC24-40V电压供电，输出电流范围0.2-3.0A，具有16种细分最大步数40000步/周，还具有自动半电流保护、过温保护、过流保护、欠压保护、输出电流设定、单/双脉冲设定、相位记忆等功能，适合各种中小型自动化设备和仪器。
图7
对高度角的控制，本作品选用了温州惠丰电器有限公司生产的HF系列线性执行器，它具有安装不受地形、距离限制，是取代液压、气压等传统机械推拉的理想产品，既节省能耗，又不污染环境，又可通过微机控制,便捷实现自动化。
结合应用要求，最终选用了HF-TGA-5，推出行程50MM、电机DC12V、速度4-40mm/s、负载75kg、电流0.2-3A、嗓音60分贝以下。
2、机械构件设计方案
为了实现跟踪太阳从而提高太阳能的利用率，机械部件设计应该满足以下要求：
①机械执行机构能够进行很大范围的跟踪。
因此，机械执行机构的运动行程应满足跟踪范围的要求，并要避免极限位置锁死；②尽量简化结构和加工工艺，提高技术经济性。
本设计的跟踪平台采用方位---俯仰跟踪方式，该机构是以地平面为基准面的。
下轴垂直于地面，称方位轴；上轴与方位轴垂直（水平轴），称俯仰轴。
这种跟踪平台结构紧凑，承载能力大，调整方便，能实现对太阳的双向跟踪。
该跟踪平台是用立轴（方位轴）支撑太阳能聚光器和方位转动部分，立轴用上下轴承支撑。
为了抗倾覆和保证轴系精度，上下轴承应有适当的间距。
传动结构采用齿轮传动，结构紧凑，步进电机得电期间，有一定的自锁能力。
立轴式跟踪平台示意图如图7所示。
步进电机通过传动齿轮副带动中心轴转动，实现方位角的调整。
中心轴通过上下两个轴承与套筒连接，其中下部轴承采用圆锥滚子轴承，承载了平台的主要重量，上部采用深沟球轴承，主要对中心轴的转动进行支撑。
图8
高度角驱动机构包括主要由电动推杆和相关的铰链机构组成，本作品中设置电动推杆的初始角度与中心轴成45°角，太阳能板初始呈水平状态，电动推杆完全伸出后，可以使太阳能板与水平面呈50°角，基本满足了一般地区的高度控制。
四、系统控制软件设计
本系统应用程序由中断服务程序，和若干子程序组成。
子程序有：
时钟读写
程序，电机驱动程序，滤波程序，软件流程如图8所示。
主程序模块实现系统的初始化，获取系统状态信息，综合处理各模块的数据
等功能。
在主程序中，首先需要对系统进行初始化，系统初始化的目的是为系统
的正常运行建立运行环境，包括硬件环境和软件环境。
图9
采用传感器跟踪太阳精度固然高，但有个缺点就是在阴天多云的情况下，太阳辐照度较弱，光电池很难响应光线的变化，会致使系统工作不稳定，为此在阴天或者有乌云的情况下采用定时跟踪模式。
在晴天时，太阳辐照度较强，系统便切换到传感器跟踪模式。
定时跟踪是利用地球以每小时自转15度的规律。
单片机每12分钟驱动步进电机对太阳能跟踪装置进行一次方位角调整。
即每个小时驱动5次，每次转动3度。
其余时间单片机处于休眠状态。
在每日8时到18时之间电机驱动太阳能跟踪器进行50次角度调整。
在阴天时忽略太阳高度角的变化，只对方位角进行调整。
定时跟踪模式也有缺点，就是存在积累误差，而且自身不能消除。
为了有效克服两种跟踪模式的缺点，针对光敏电阻的输出设置一个阈值，当输出大于该阈值时，系统认为是晴天。
在晴天的时候用传感器跟踪，当判断是阴天（乌云遮挡太阳）的时候采用定时跟踪，当太阳重新出现后，再重新切换到传感器跟踪，这样能够得到最佳的控制效果。
当跟踪装置转到极限位置时，限位开关给控制器送一个负脉冲信号，单片机机响应该中断后使跟踪装置复位，为跟踪装置提供基点且避免了电缆缠绕。
五、设计总结、展望
本创新制作主要进行了以下工作：
与传统的跟踪装置相比，我们采用了优化布置的普通光敏电阻来控制调节平板。
在操作中我们将不同的感光部分的受光面进行了优化布置，从而使调节精度较传统的光跟踪器提高，调节时差降低。
利用双轴同步电机的调节使得调节快速、
1.研究了提高太阳能利用率的主要途径，分析和对比了目前太阳跟踪方法的优劣，采用了传感器跟踪和定时器跟踪相结合的方法，并且两种跟踪方式根据天气状况可自行切换，在提高了太阳能利用率的同时，系统工作更稳定。
2.设计出了用于大范围跟踪太阳的传感器，能够适应太阳光线复杂多变的照射情况。
完成了太阳跟踪控制器硬件电路设计和软件设计。
3.设计了立轴式太阳跟踪转动机构，优化了传动系统，使转动机构既能在运动载体上运行，又能在固定地点运行。
灵巧美观，经济耐用。
我们对太阳跟踪及驱动系统进行了研究与开发，取得了预期的效果。
但是，对于把跟踪装置作为一个工业产品进行实际应用来说，还有许多实际问题需要探索。
1.我们对装置的使用条件进行了假设，虽然已经考虑的许多的外界影响因素，但是仍然存在着许多的未知因素会影响系统准确和平稳的运行，因此需要在不断应用中进行改进和完善。
2.本设计的跟踪平台是针对采光设备体积较小的应用，只能满足民用产品的需求，对于工业太阳能应用中较大采光设备的跟踪需求无法满足。
而且系统中没有防风措施。
本课题的下一步任务就是开发出防风大中型的跟踪平台执行机构。
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