本發(fā)明屬于電學(xué)基本電器元件領(lǐng)域，具體涉及一種太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的21世紀(jì)，煤、石油、天然氣等不可再生化石能源正在急劇減少，同時(shí)這些燃料的使用對(duì)環(huán)境的影響也不容小覷，甚至影響到了我們的生活，帶來(lái)一系列環(huán)境問題，能源不足以及環(huán)境問題嚴(yán)重制約著人類社會(huì)的發(fā)展。因此人們迫切需要一種新的能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源。人們逐漸把目光對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)能，目前太陽(yáng)能利用領(lǐng)域十分廣泛，常見的有太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能建筑等等。可見，太陽(yáng)能有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能量，成為新一代的清潔安全能源。一旦太陽(yáng)能的利用能夠滿足大量、廉價(jià)、清潔等要求，很有可能成為今后的新能源，帶來(lái)第三次工業(yè)革命。于此同時(shí)，由于光照強(qiáng)度和光照方向隨時(shí)間不斷改變的特點(diǎn)，提高太陽(yáng)光的接收率成了太陽(yáng)能發(fā)電的一個(gè)必然方向。為此，本設(shè)計(jì)對(duì)于提高發(fā)電效率有著很重要的意義。

我國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一。我國(guó)特別指出“要因地制宜的的推廣和開發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能、火能、生物質(zhì)能、潮汐能等清潔能源”。經(jīng)過計(jì)算分析，太陽(yáng)還可以穩(wěn)定持續(xù)燃燒十億年，因此可認(rèn)為太陽(yáng)能是無(wú)盡的。對(duì)太陽(yáng)最廣泛的利用要數(shù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，使其能更好的應(yīng)用到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)。首先是能流密度較低，光照較好時(shí)，能流密度僅為1w/m2。若要大面積采光，只能通過大面積地裝置電池板，從而使占地面積增大，成本增加。其次，受天氣影響較大，陰雨天或是多云時(shí)會(huì)大大減少設(shè)備的發(fā)電量，給太陽(yáng)能電池的推廣與普及帶來(lái)不少困難。此外，太陽(yáng)能的利用隨時(shí)間變化差異大。夜晚、多云等天氣無(wú)法工作或無(wú)法高效工作，即使在晴朗的白天，太陽(yáng)也會(huì)隨時(shí)間不斷改變方向，電池板需要像向日葵般進(jìn)行跟蹤。

太陽(yáng)能發(fā)電主要包括光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。比較常見的電池板都屬于太陽(yáng)能光伏發(fā)電。光伏發(fā)電的原理是光生伏特效應(yīng)，核心單元是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池的發(fā)展帶動(dòng)著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2012年5月26日，德國(guó)光伏電站峰值功率達(dá)到22gw，達(dá)到了全國(guó)正午用電負(fù)荷的一半，這一數(shù)據(jù)表示光伏發(fā)電占據(jù)了全國(guó)很大的比例。截至2011年，我國(guó)國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)3.3gw，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于德國(guó)，在這些累計(jì)裝機(jī)中，有75%都是西部荒漠電站，分布式的用戶端只占到四分之一，而且這四分之一基本上沒能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。德國(guó)的案例可以說明，城市對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電仍有巨大潛力。

對(duì)于太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的研究，我國(guó)于1997年研制除了單軸的太陽(yáng)跟蹤器，實(shí)現(xiàn)了東西方向的跟蹤，但是南北方向任然要通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國(guó)加州研制了atm雙軸跟蹤器，并且在太陽(yáng)能面板上安裝了可以集中陽(yáng)光的透鏡，使效率進(jìn)一步提高。在2002年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，采用鋁材框架結(jié)構(gòu)，重量輕，拓寬了太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。

太陽(yáng)能是被世界各地廣泛且免費(fèi)使用的，但它不是一個(gè)連續(xù)的能量來(lái)源。太陽(yáng)能發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，光作為一種可再生的發(fā)電資源被廣泛接受。廣泛建立的光伏發(fā)電可分為單機(jī)發(fā)電、并網(wǎng)發(fā)電和混合發(fā)電。不同的系統(tǒng)由不同形式的光伏發(fā)電單元組成，如電池、模塊、陣列。無(wú)論哪一種，當(dāng)太陽(yáng)定向垂直于光伏面板時(shí)，光伏發(fā)電機(jī)的工作最有效率。使用太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤器的光伏面板使安裝和運(yùn)營(yíng)成本大幅上升，但在系統(tǒng)中的反饋結(jié)果卻是增加效益。實(shí)驗(yàn)指出，在一個(gè)固定的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，單軸的太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)的使用可以增加20%的能量輸出，同時(shí)增加10%成本，雙軸的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以增加40%的能量輸出，同時(shí)增加30%成本。綜合來(lái)講，提高光電轉(zhuǎn)換效率是一件很有意義的事情。

為了獲得最大的光伏系統(tǒng)的能量輸出，太陽(yáng)跟蹤器應(yīng)該將光伏板時(shí)刻朝向太陽(yáng)，以補(bǔ)償變化的太陽(yáng)高度角和方位角。還有一些應(yīng)該考慮的方面，如確定包括太陽(yáng)能光伏技術(shù)跟蹤器的使用，太陽(yáng)直接輻射量。在實(shí)際的使用中，太陽(yáng)跟蹤器不可能時(shí)刻跟蹤太陽(yáng)的軌跡，事實(shí)上，偏離目標(biāo)10°只造成1.5%的能量減少。

太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤系統(tǒng)基本上分為單軸和雙軸的。單軸跟蹤可以跟蹤太陽(yáng)的垂直或水平軸。單軸太陽(yáng)能跟蹤有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，因此比雙軸太陽(yáng)跟蹤器控制簡(jiǎn)單。如有少量的控制變量，它更容易為下面的太陽(yáng)的軌跡編寫控制算法。雙軸太陽(yáng)跟蹤器在垂直和水平軸的軌跡跟蹤世界任何地方太陽(yáng)的可見運(yùn)動(dòng)。雙軸太陽(yáng)跟蹤器更準(zhǔn)確的指出太陽(yáng)位置。但是因?yàn)橛袃蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)器需要被控制，控制變量的數(shù)量增加，導(dǎo)致了在軟件和硬件方面一個(gè)更加復(fù)雜的系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行有效追蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高光電轉(zhuǎn)換效率的目的。硬件電路簡(jiǎn)單而模塊化，軟件程序結(jié)構(gòu)明朗有較好的人機(jī)交互力。

整個(gè)系統(tǒng)由主控電路單片機(jī)模塊、太陽(yáng)跟蹤傳感模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、太陽(yáng)跟蹤機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。各模塊之間連接關(guān)系為入射光照射到太陽(yáng)跟蹤傳感模塊光敏電阻上，通過高低電平的不同向a/d轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬信號(hào)，并通過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；主控電路單片機(jī)模塊接收數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)過單片機(jī)分析處理后傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以此控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)的角度，以完成對(duì)太陽(yáng)光的追蹤。

所述主控電路單片機(jī)模塊的核心芯片采用stc89c51單片機(jī)，具有加密性強(qiáng)、低功耗、抗干擾、低成本、可靠性高和速度快的特點(diǎn)，目的是來(lái)進(jìn)行信號(hào)的處理與控制。

所述太陽(yáng)跟蹤傳感模塊采用型號(hào)為t5516的光敏電阻，亮電阻為5—10kω,暗電阻為0.2mω，利用其隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)阻值減弱的特性，進(jìn)行光強(qiáng)的測(cè)量，通過電阻最不同光強(qiáng)所表現(xiàn)出阻值的變化，輸出不同的模擬信號(hào)。

所述a/d轉(zhuǎn)換模塊采用由tlc549芯片構(gòu)成的cmosa/d轉(zhuǎn)換器，其通用控制邏輯，可自動(dòng)或在微處理器控制下工作，具有差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入端，易于實(shí)現(xiàn)比率轉(zhuǎn)換、定標(biāo)以及與邏輯和電源噪聲隔離的電路。

所述太陽(yáng)跟蹤機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)采用高耐壓、大電流的達(dá)林頓陣列——uln2003，由7硅npn達(dá)林頓管組成，具有工作電壓高，工作電流大，輸出還可以再高負(fù)載電流并行運(yùn)行等特點(diǎn)。

主程序設(shè)計(jì)思路為首先判斷此時(shí)是否需要進(jìn)行跟蹤，因此可以避免在夜晚進(jìn)行不必要的跟蹤，節(jié)約電量。進(jìn)行跟蹤時(shí)首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后判斷此時(shí)的光照強(qiáng)度是否可以進(jìn)行光電跟蹤。這樣就大大增加了該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的適用場(chǎng)合，即在光照強(qiáng)度不足的情況下仍然可以使用。采用單片機(jī)而不是其它模擬電路的好處是可以在芯片內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)時(shí)間與地理位置求出電機(jī)的方位角與高度角。在進(jìn)行光電跟蹤時(shí)，首先掃描光敏傳感模塊，再將采集到的電壓信息經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換，據(jù)此求出光源位置，最后控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光電跟蹤設(shè)計(jì)框圖。

圖2是本發(fā)明的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主程序流程圖。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括以下模塊：光敏電阻模塊、A/D?轉(zhuǎn)換模塊（采用?TLC549?芯片）、主控芯片模塊（采用單片機(jī)?STC90C51）、步進(jìn)電機(jī)模塊等。太陽(yáng)能的利用存在著光照方向和光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化等問題，本發(fā)明針對(duì)這些問題提出了一種以單片機(jī)為核心，由光敏電阻檢測(cè)與比較，用雙軸機(jī)械跟蹤定位使電池板與太陽(yáng)光垂直的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化、成本低，而且能自動(dòng)檢測(cè)光強(qiáng)，不用人工干預(yù)，適合天氣變化復(fù)雜和無(wú)人看守的情況，易于功能拓展，能更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤效果，有較好的推廣和利用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：李林澤;楊玉瑾;王增平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華北電力大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.15
技術(shù)公布日：2017.07.11