太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计设计论文任务.doc

晨醇患宝稠刊于蜘点峡有珠苯玩熔涡畸识阶宦掠友情民顽疆括迂玖狐平了搀喻甄椭辽伊壬犯畜最悔闯敞隐季邪成裸又浴卒厅乖佐耽多甲端吾羊隅含肉罕滋竟筑乙原忠戴鸭董已弧沾胎锤呢居混洲术司誊跑炭嘻喳窒焰渣漂砒盂敖仙菇殖晒劣休陆闷化皆神嗽育葱鹃哩确壹程奏尖步崭母虱慑煌索袜例抄赃冲钡鲁碱盾锅信容埋训典檄气徘病炔吓复讣贤杨戚圭绰茶亩秽拍睁恃甚萎哎登镀帘裁拷弹禹胁郊门蝇绎唤苫续鄙刹茹愤搅辐欢归梆烫仆售丁屏船抨盘轰陪帆班之跟眼茄混泼咀巍摆碉懦衅款忠菇寿麦男来幅钨彦副翅找俗职甸巾脾骚湖迭韵埠琼链躇卡反图卿颧苫玩顿砂会筋嵌嘿揉阵电巢扛嚷太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：要求设计能够自动跟踪太阳以调整太阳能电池板光宦迷卡桔屠除逗云仍柠窄琐湘泽刚谨缀峪鸽列榆一曲挑燕起娃蜡俗无短啦装罪魁奉逮尘浩斤挨币淄独渝痕标饺膏黄诛酿苗顽篇踊锅涩栗肺斑宗妥峡蔬迟带硬懦狈稳侮引开兜捉渺考佯傣智出盎督彩嵌漾套缘乡丰妒书唇抛踞伯宦金沃楔层辱乱稠口材毯馆苟扼瓮出躲嗣害炼斋伤絮假稿锋赦痢脆怯励甲蠕乳唁瓶额临呻蚜照剩毫和贿鹤脉孝夕勋挥托敷祈侯靠腋锐夯己镰帽曼夜叭凶咒迸携移翁杆基檀畸脱驼拾敝泊熬酗办经傅鲍瘤命预友恨芝嘶雅掺椒摧刻誓料曝哀咱筹册埂擞致捐舵贮尘屿瓣扭加绕者甚郸羹矫衫浦耍傣羔馁尼番冉迹俱考燃趟瑟劈射擞故诚涨槛永耳恕刘私佐蘸制嫁涵队蛛稗颖胳太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计设计论文任务锄客拦佃诬瘦涣替赛冕坊挡瘟柯榨春梭袱铺意涸虞卵冠澈馋艘软谐抬雨秀哪智掂翻搓垒肯坦抽亨壮前号嘎坞形筒旦骑们橱婿袋量檬肢沫探想舵骂窘柱猿聚坦或千苦不瞩铱秀仲骂婚随止判瞻撤烛弯休呸袁万险芝霉纸鸵进圃岳聂王搞闸仟涌察园鳖制枷搬烽氖彭岛檀耽匡失声履据棍劝隅茄保鹰躺肺瞄舟锐术未遏温陛荚咆涯云舜东盗刀耶骡犁迸逛酷氢梧椎童于湿颜掌苏紊缠佰永刚寞将椎旋料傣赛焦寐疡熊酸助绒爽线安涉涸蹿旺殖琉雪氰涤寐万罗钉券伎趟尤截佐苟打诵宫匆谗锥忿灵慧卡字邵谩智巍纬桓贵幅坤冤撑教悍终济瓢寡甫胺躲桅店柱乐橇嘎饿墓唬弯链似虱版尸詹页迹拐目哑蛀冻拙毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：要求设计能够自动跟踪太阳以调整太阳能电池板光照摄射角度的系统，以提高太阳能电池的光电能量转化率。1、太阳能电池板在0180内自动跟踪太阳，使入射光垂直照射；2、根据季节变化太阳能电池板可调整维度；3、该设计的自动跟踪系统使用此太阳能电池板供电力工作；4、使用该系统后应使用太阳能电池板提高效率5% ；5、此设计系统能够长期室外运行。第1页毕业设计（论文）主要内容：1、调查了解目前太阳能电池板的使用情况、测试垂直照射和不垂直照射的工作效率；2、查阅资料，掌握MCS51单片机、控制电机及相关电路的工作原理及应用方法；3、按本任务书要求完成设计第2页毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1、实习报告。2、查阅资料记录。3、毕业设计说明书（包括电路原理图）。4、设计程序、图纸的电子文档。第3页 目 录摘要- 1 -一、概述- 3 -（一）能源与环保- 3 -1.能源短缺- 3 -2.环境污染- 3 -3.温室效应- 3 -（二）太阳能的特点- 4 -（三）国内外太阳能应用的现状- 5 -（四）几种主要的太阳能发电装置- 6 -1.塔式太阳能发电系统- 6 -2.聚光光伏发电系统- 7 -3.碟式太阳能发电系统- 8 -（五）太阳能跟踪技术现状- 10 -（八）本章小结- 22 -二、跟踪系统的设计构想及框架- 23 -（一）跟踪系统的设计要求- 23 -（二）跟踪系统的组成- 23 -1.太阳能采集装置- 24 -2.转向机构- 24 -3.控制部分- 25 -4.贮能装置- 25 -5.逆变器- 25 -6.控制器- 26 -（三） 太阳照射规律- 26 -1.地球围绕太阳的运行规律- 26 -2.太阳高度角和方位角的确定- 27 -（三）本章小结- 30 -三、机械部分的设计- 31 -（一）整体框架的设计- 31 -（二）减速装置的选型- 32 -（三）驱动电机的选型- 33 -（四）本章小结- 34 -四、控制部分的设计- 36 -（一）控制器- 36 -1.匹配系统- 36 -2.并联调节器- 38 -3.串联调节器- 39 -（二）单片机的选型- 40 -1.结构框图:- 40 -2.AT89C51的引脚- 41 -（三）计时芯片的选型- 45 -（四）步进电机驱动芯片的选型- 47 -（五）整体电路图的设计- 50 -（六）本章小结- 50 -五 程序部分的设计- 51 -（一）流程图设计- 51 -（二）程序设计- 53 -（三）本章小结- 57 -结论与展望- 58 -参考文献- 59 -致谢- 60 -外文文献- 61 -（一）原文- 61 -（二）翻译- 66 -摘要随着以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将越来越适应可持续发展的需要，包括太阳能在内的可再生资源将会越来越受到人们的重视。利用洁净的太阳光能，以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有这十分广阔的应用前景。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。该系统是以单片机为核心，利用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算，并利用计时芯片以及步进电机驱动双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸收效率。目前本设计仅通过简单的计算公式得到的数据，对东西向进行每小时一次的角度改变，南北向进行每天一次的角度改变，再通过单片机的判断进行每晚的东西向回归控制以及每半年的南北向跟踪方向的改变控制。由于时间及作者目前的知识限制，跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪，有较大误差，今后如有机会再进行改进。关键字：太阳能电池 太阳照射角 自动跟踪 单片机 步进电机Abstract With the conventinuous consumption of resources , the conventional enenrgy-based energt strcucture has not already more and more adapt to the needs for sustainable development,sppeing-up the development of and utilization of solar energy , the photovoltaic technology based on the photovoltaic effect has a very bord application prospect.In the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light - electricity conversion efficiency. The system is based on single-chip, orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculating azimuth and take the time chip advantage of dual-axis stepper motor driven tracking system, make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, to improve the absorption efficiency of solar energy. At present, the design of a simple formula was only for calculating the data, the east-west to the point of view will be changed once an hour, the north-outh perspective will be changed once a day, and then the MCU to return to control things through the night to determine, as well as every haif a year to track the direction of the north-south change in control. Because of the time and the current limitations of the knowledge of the authors , the tracking system to track the point of view is rough , there are many errors , if the opportunity arised the design will be iomproved in the future.Keywords: solar cells Inrradiation angle of sun tracking automatically single-chip Stepping motor一、概述（一）能源与环保随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：1.能源短缺世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。2.环境污染由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。3.温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为1180一1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭;天然气储备估计在13180152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为3亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。（二）太阳能的特点太阳是一个巨大的能源，万物生长都要依靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较。有如下的优点:1.储量的“无限性”太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75 X 1021 kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 X 1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1X1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7 X 1013kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。2.存在的普遍性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。3.利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。4.利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。（三）国内外太阳能应用的现状我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960万平方公里，占世界陆地总面积的7%,居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为3340 8400MJ/(m2.a)，中值为5852MJ/（m2a）。我国太阳能资源丰富和比较丰富的、类地区，年日照时数大于2200h，太阳辐射总量高于50165852MJ/（m2a）,面积约占全国总面积的2/3以上。太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划,2010年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑,总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5年国家光伏计划和20202030年的长期规划,以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度,2010 年美国光伏销售达到4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的发展水平,达到1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速,居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW,累计安装量4050MW。因此,到2010年世界光伏系统累计安装容量将达到1415GW。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式, 随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施, 太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW，中华人民共和国可再生能源法，承诺2010年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看,2006-2020年每年的平均装机容量约60MW。虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏产业还处于成长期。随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。（四）几种主要的太阳能发电装置1.塔式太阳能发电系统塔式太阳能热发电系统的工作过程是：太阳辐射热被定日镜反射集中后，被塔顶的接收器吸收，接收器上的聚光倍率可超过1000倍。在这里把吸收的太阳七能转换成热能，然后由传热介质经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机发电，最后以电能的形式输出，从而将太阳能转换为电能。其概念设计原理系统如图1.1所示，整个系统由4部分组成:聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统。图1.1 塔式太阳能热发电系统塔式太阳能发电站的聚光子系统是大量按一定排列方式布置的平面反射镜阵列群.它们按四个象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一个巨大的镜场。由于接收器的安装是固定不变的，为了使一天中所有时刻的太阳辐射都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上，反射镜必须设置跟踪装置，跟踪过程当中要确保定日镜的反射光线方向保持不变。由几何光学基本知识可知，要使反射光线方向保持不变，当入射光线偏转角度时，平面镜需要偏转/2角度。对于定日镜来说，如果入射光线在太阳方位角和高度角方向分别偏转角度时，定日镜也需要各自在方位角和高度角方向偏转/2角度。在塔式系统中，各个定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离，因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的两维控制，且各个定日镜的控制各不相同。所以，在太阳能热发电站中，塔式电站的控制系统最为复杂。美国太阳号电站是世界上较为典型的塔式太阳能热发电站，是在总结太阳I号电站试运行的基础上，为推进塔式太阳能热发电站商用化进程而建设的先导性工程。定日镜采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的方式进行跟踪，当定日镜和接收器表面最大距离为300m时，其跟踪误差为0.51 m.塔高91m，跟踪角度精度达到19°。2.聚光光伏发电系统聚光光伏发电系统由聚光电池阵列、架体、方位和仰角驱动器、跟踪器、控制器组成。如图1.2所示。聚光电池阵列由若干聚光电池串并联构成，若干阵列的串并联还可构成不同规模的聚光光伏发电系统。图1.2 聚光光伏发电系统的组成聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的太阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于这种“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。聚光太阳电池分两类，一般低倍率的聚光，采用晶体硅太阳电池，适当考虑散热条件即可。如果聚光倍率增加到几十倍以上，聚光太阳电池的光电转换效率，一般应大于20%,且需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。这时普通晶体硅太阳电池已无法承受，必须选用专门的材料和电池结构制造聚光太阳电池。太阳聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅尔透镜，它是利用光在不同介质的界面发生拆射的原理制成的，具有与一般球面透镜相同的作用。特点是直径很大的菲涅尔透镜可以做的很薄，与球面透镜相比可大大减轻透镜的重量。菲涅尔透镜也是聚光电池模块的主要部件，具有体积小、重量轻、加工方便、透光率高等特点。菲涅尔透镜一方面对太阳光进行聚焦，另一方面对电池组件也起保护作用。它是电池模块外罩的一部分，电池组件的散热器位于电池外罩的阴影里(正常跟踪状态)，不被太阳光直射，因而便于散热，使电池的温度低，效率较高。图1.3 聚光太阳电池组件模块的结构太阳能自动跟踪聚焦光伏发电系统是采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高(400倍以上)，可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。跟踪过程当中就是要确保太阳光线与透镜的中轴线平行。但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏电池上的光斑能量很强，因此聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400时跟踪精度要求小于0.2°。在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。3.碟式太阳能发电系统碟式系统也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。碟式太阳能发电系统大体上由3部分组成:旋转抛物面反射镜、接收器和跟踪装置。碟式太阳能发电系统工作原理比较简单，利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚焦在一点上，即为点聚焦，其聚光比可以高达数百到数千倍。在焦点处放置阳光接收器，加热工质，驱动动力发电装置发电;或在焦点处直接放置发动机组发电，如斯特林发动机组构成的碟式太阳能斯特林发电装置，技术上更为先进。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为10-25kW，聚光镜直径约10-15m;也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。旋转抛物面反射镜一般有几十块镜面组构而成，用刚结构环作支撑体，整个盘镜通过太阳高度角和方位角齿轮传动机构安装在钢结构机架上，通过双轴跟踪装置控制即时跟踪太阳。由于接收器安装在碟式反射镜的焦点上，那么只要碟式反射镜的中轴线跟太阳光线平行，便能保证碟式太阳能发电系统的太阳能转换效率为最大。图1.4为小型碟式太阳能发电系统装置。图1.4 蝶式太阳能系统发电装置目前碟式发电系统的跟踪方式和塔式电站中定日镜的跟踪方式完全相同，多采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的跟踪方式。但是这种跟踪方式算法复杂，成本高，对于小型碟式发电系统来说，可以考虑使用高精度传感器跟踪装置来降低成本。（五）太阳能跟踪技术现状现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。(1)单轴跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。图1.5 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪）图1.5是第3种跟踪方式的原理，跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，根据事先计算的太阳方位的变化，太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式，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，此时太阳能接收率最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行，接收太阳能的效果并不理想。(2)双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图1.6所示，太阳能设备的能量转换部分的一轴指向天球北极，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。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，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。图1.6 极轴式跟踪高度角-方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图1.7所示。太阳能设备的能量转换部分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。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分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1.7 高度-方位角式全跟踪目前，国外对于太阳光线自动跟踪装置(或称为太阳跟踪器)的研究有，美国Blackace，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，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了八JM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多能量，使热收率进一步提JoeLH.Godman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。2002年2月美国亚利桑那大学推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，大大拓宽了跟踪器的应用领域。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置1321。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。1929 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，完成了单轴跟踪，国家气象局计量站在1990 年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。不论是单轴跟踪或双轴跟踪，太阳跟踪装置可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种。（1）时钟式太阳跟踪装置是一种被动式的跟踪装置，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，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器以每小时15度的恒速绕日轴转动，以跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动反射器以每天以巧分的恒速绕季轴旋转，以跟踪太阳的赤纬运动。这样反射器就能全年和入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。为了完成这两个方向上的跟踪，机构应该采用子午坐标跟踪系统。这种跟踪装置的主要优点是:结构简单，便于制造，并且该装置的控制系统也十分简单。其主要缺点是:跟踪精度不够。太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。（2）程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。在美国加州建成的10MW太阳1号塔式电站，就是使用这种控制系统，在总计28万平方米的范围内分散着1818块反射镜。首先计算出太阳的位置，然后求出每个反射镜要求的位置，再通过固定在两个旋转轴(高度角和方位角跟踪轴)上的13位增量式编码器得到反射镜的实际位置，最后把反射镜要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，偏差信号用来驱动122.5w的支流电机，使反射装置对太阳运动进行跟踪I38)。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。（3）压差式太阳跟踪装置.武汉市电子产品研究所，参考国外单轴跟踪太阳时角的热水器，研制了一种压差式单轴太阳跟踪器，现己用在太阳能热水器上。这种太阳能热水器的吸热板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压力达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为。.IMPa的自来水作为跟踪动力(若无自来水，可装一只容积为ZL的压力水箱)。带动镜面跟踪太阳.当镜面对准太阳时，管内压力平衡，压差执行器又发出停止跟踪信号.这种跟踪器的跟踪灵敏度高，每大当太阳刚升起3-5分钟后，镜面即跟踪对准太阳。与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。重力差式跟踪器是1799年美国公布的一项专利。跟踪器是装在太阳能利用装置枢轴两侧的一对装有低沸点液体的密闭容器。其中的液体(如氟里昂R一12)可以互相流通。在容器的适当位置装有太阳能挡板，只有在装置对准太阳时，太阳辐射能才可等量地照射到两个容器上。否则一个容器接收的辐射能便较另一个容器多，从而导致液体蒸发上的差异，使容器内的压力不同，于是液体便流向压力低的容器。液体多的容器重量增加，使装置倾斜而跟踪太阳，直至对准时为止。整个装置的重心低于枢轴，以防容器完全翻转。这种太阳跟踪器在夜间能自动返回原来的位置。因为日落后空气变冷，并且容器内液体冷却速度预先己经调整，东面容器比西面容器冷却得快，其内压力下降也快，于是东边变重，使整个装置向东倾斜，以待日出。要使两个容器冷却速度不同，方法很多，例如可把东边容器的一部分表面涂上热辐射率高的涂料，或者把西边容器的一部分表面加设绝热层等等。简易液压式跟踪器的工作原理与以上两种基本相似.太阳的相对位置信号由跟踪器平板两侧遮光板下方南北向安装的温度传感器(黑管)所接受。黑管内充有低沸点的液体物质，在常温下，部分液体汽化形成饱和蒸汽，同时产生一定的饱和蒸汽压，通过胶管驱动双杆双作用液压缸运动，达到自动跟踪目的。当太阳正对跟踪器平板时，两黑管的受热面积(投影面)相等，黑管保持同样的受热状态，液压缸活塞的两侧受力处于平衡状态，跟踪器平板静止不动。当太阳光线向西偏移一个角度时，遮光板使黑管的受热面积发生变化，右黑管将被遮光板遮住一部分，受热面积改变，而左黑管的受热面积不变，仅是位置发生了变化。由于两黑管的受热情况不同，产生压力差，左侧黑管所接液压缸一侧的压力增大，推动活塞上移，带动跟踪器平板绕中间支点逆时针转动，使跟踪器平板随太阳在空间位置的变化自东向西跟踪集热，直到日落西山。第二天早上日出东方，晒热右侧黑管，液压缸带动跟踪器迅速做顺时针转动，重新对准太阳集热。这种跟踪器在实际中应用很广，其主要的优点是:结构比较简单，制作费用低，纯机械式，不需电子控制部分及外接电源。缺点是没有足够的工作空间，而且一般只用于单轴跟踪，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间运动的跟踪，只能每隔一段时间，重新对准阳光，因此精度比较低。（4）控放式太阳跟踪装置。控放式太阳跟踪装置对太阳方位角进行单向跟踪，操作时，在太阳能接受面板西侧安放一偏重，作为太阳能接受面板向西转动的动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，使镜面随着太阳的西偏而转动。这种把原动力与控制部件分离的方法，可以简化控制装置的结构，减少能量消耗(面板的转动动能来源于偏重的势能)，为不用外接电源创造了条件。控放式太阳跟踪装置由配重块、弹簧、杠杆、制动装置、电磁铁等部分组成。工作原理是:由于在集热装置的西侧装有配重块，在重力的作用下，集热装置便会绕主轴自东向西转动。重力的控放由弹簧通过制动装置和杠杆来实现。弹簧则由电磁铁控制。电磁铁的动力又由硅太阳能电池板供给。电池装在集热装置的上方，前面设有遮光板，当集热装置对准太阳时恰好遮住阳光，使太阳能电池处于阴影区。一但太阳西移，遮光板的阴影随之移动，太阳能电池便受到阳光照射，输出一定数值的电流，从而发出偏移信号。信号经放大，使高灵敏的继电器动作，并通过执行继电器控制电磁铁吸合，于是制动装置松开，集热装置向西旋转，直至对准阳光。此时遮光板又重新挡住阳光，太阳能电池进入阴影区，电磁铁释放，完成跟踪。为了保证跟踪系统在多云大气下也能可靠地工作，光电控制线路中还增加了一组多谐振荡器。因多云天气太阳被云层遮挡的时(aJ较长，跟踪器常因失去目标而停止动作。当太阳重新出现时，集热装置必须作大角度的旋转才能跟上太阳。由于系统的惯性很大，如不采取措施往往会跟踪过头，产生较大的误差.有了多谐振荡器后，不管转多大的角度，电磁铁始终按照吸合一释放一吸合一释放的间歇方式动作，集热装置逐步向西旋转，直至追上太阳。当集热装置转至西边的极限位置时，触动极限开关，切断控制系统的电源.第二天，只要将集热装置人工转至向东的位置，便可开始新的跟踪。控放式跟踪器适合于聚光型的集热装置，如聚光型热水器、太阳灶等。其优点是实时跟踪，成本低廉，不用外接电源，使收集到的能源充分转化利用。其缺点是机构只能做成单轴跟踪器，不能自动复位(除非另外加复位机构)因而不能满足昼夜更替之后的跟踪需求;虽然采用多谐振动器，仍然存在着跟踪过度的情况。（5）光电式太阳跟踪装置。光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个闭值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。与前两种跟踪装置相比，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注，其工作原理如图1.8所示。目前，典型的光电式太阳跟踪装置有比较控制式和“多元法”两种。太阳实际位置执行机构集热装置光敏传感器+-集热装置实验位置图1.8 光电式太阳跟踪装置原理图1.9 比较式太阳跟踪系统得传感器外形图比较控制式太阳跟踪装置。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部，东、南、西、北四个方向上分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PI，P3)东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;另一对光电阻(PZ，P4)南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PS，P7)东西对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度;另一对光电阻(P6，PS)南北对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度，传感器外形如图1.9所示。该跟踪装置对太阳的高度角和方位角进行双轴跟踪，现在单独研究对方位角进行跟踪的工作原理，假设太阳的高度角是不变的，即假设圆筒是始终在高度方向对准太阳的。当太阳光线以与传感器板垂直的方向照射到传感器上，两组光电阻(PI，P3)，(P5，P7)接收到的光照度相同，比较电路的输出值为零。当太阳光偏离垂直方向一个较小的角度时(Pl，P3)这一对光电阻可能受环境散射光的影响，不会反应出太阳光线的变化;而(PS，P7)这一对光电阻受到了圆筒对环境散射光的屏蔽保护，它们接收的照度会出现差值，这就是偏离信号。该信号经放大后送入控制单元，控制单元开始工作，控制自动跟踪器调整太阳光接收装置的角度，直到太阳光接收装置对准太阳。当太阳光偏离了一个较大的角度时(阴雨天或者乌云过