太陽自動跟蹤系統(tǒng)剖析

1、緒論21世紀是太陽能時代。在未來的 40年中，人類可以實現(xiàn)100%的可再生能源供 電。不再需要中東的石油、西伯利亞的天然氣以及澳大利亞的鈾。實際上，目前在我 們家門口就已經獲得了未來能源的載體：太陽、風力、水力、地熱能，以及來自農田 和林地的生物能。根據(jù)歐盟報告，2050年全球能源供給分配應當為：40%太陽能，30% 生物能，巧風能，10%水能，5%原油。報告論述了如何達到這種經濟、環(huán)保、和平 并且可持續(xù)的能源供給狀態(tài)?？鐕凸?，比如殼牌、惠普等，已經在向著這種能 源供給狀態(tài)發(fā)展。地球上的萬物生長都依賴于太陽的存在， 太陽給我們提供了巨大的能量源，地球 上大部分的能源歸根結蒂也來自于太陽。

2、比如石油、煤炭等化石能源都是過去的動植 物通過吸收太陽能不斷的生長，后來這些動植物被掩埋在土壤下形成的能源，這其實 是太陽能一種形式的轉換，并被存儲了下來，直到今天被人類開采使用。太陽能開發(fā) 利用的潛力是相當巨大，據(jù)統(tǒng)計，全世界人們一年所使用的能量總和僅僅相當于太陽 輻射到地球能量的數(shù)萬分之一。 在化石能源即將枯竭的未來，在未來能源方面，太陽 能給人類帶來新的生機。太陽在一天中不斷改變位置，這造成太陽能存在著密度低、間歇性的特點，且光 照方向和度隨時間不斷變化。傳統(tǒng)太陽能電池板固定在一個角度，不能時刻工作在最 大效率處，而采用雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)的太陽能電池板在功率保持一定的情況下可以 提升36

3、%的發(fā)電量，提高太陽能的利用率。第一章 跟蹤系統(tǒng)的控制方案目前光跟蹤技術主要是兩種方法:1.視日運行軌道跟蹤方法。2.光電自動跟 蹤方法。1.1視日運行軌道跟蹤視日運行軌道跟蹤技術是一種根據(jù)理論計算的太陽運行的軌跡而采取的一 種跟蹤技術，根據(jù)跟蹤的方位它主要分為兩種：單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤單軸跟蹤分為三種方式:1.傾斜布置東西追蹤；2.焦線南北水平布置，東西跟蹤；3. 焦線東西水平布置，南北跟蹤。它們跟蹤原理是相同，即電池陣列繞單一軸轉動，其 轉動方向為自東向西或者南北方向，自東向西單軸跟蹤方式是跟蹤太陽方位角變化， 驅動電池陣列轉動，使電池陣列方位角與太陽方位角相同。這類跟蹤方式結構簡

4、單， 控制容易，在光照強度大和光照相當穩(wěn)定的地方實施這類跟蹤方式比較適宜。但這類跟蹤方式存在一個最大缺點是除了正午這個時刻外在其他時侯不能保持電池陣列接 收光輻射面與太陽光線垂直，這樣大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大， 影響了整個光伏發(fā)電的效率。雙軸跟蹤雙軸跟蹤是一種全方位的跟蹤技術， 它彌補了單軸跟蹤的不足之處，目前視日運 動軌跡的雙軸跟蹤主要分為兩種方式：極軸跟蹤方式，高度一方位角太陽軌跡跟蹤方 式。極軸跟蹤方式:是聚光鏡的一軸指向地球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為 極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉，其轉速的設定 與地球自轉角速度大小相同方向相反用

5、以追蹤太陽的視日運動；反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉動是為了適應赤緯角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調整。這種追蹤方式并 不復雜，但在結構上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設計比較困難。高度一方位角太陽軌跡跟蹤是一種地平坐標系統(tǒng)跟蹤方式，它是當今比較先進的一種跟蹤方式，跟蹤精度較高。高度一方位角跟蹤方式通過計算具體地點和具體時刻 的太陽運動軌跡（高度角和方位角表示運行軌跡），根據(jù)光伏電池陣列的具體位置，先 沿著垂直軸轉動彌補方位角偏差，然后沿水平軸轉動彌補高度角偏差，以保證電池陣 列與太陽運行軌跡一致。這種方式受天氣季節(jié)性影響較小屬于一種理論計算軌跡程序 控制跟蹤方式。由于理論計算軌跡與實

6、際運行軌道誤差小，因此該跟蹤方式跟蹤精度 較高，這種方式缺點是受跟蹤系統(tǒng)機械影響比較大，在系統(tǒng)長期運行或者外力影響造 成機械誤差后，會造成跟蹤偏差變大，影響了跟蹤精度。1.2光電自動跟蹤光電跟蹤技術是利用光信號強度的變化轉化成電信號大小的變化，這種變化差異作為一種感知輸入來控制跟蹤裝置跟蹤太陽的一種技術。目前，光電自動跟蹤裝置根據(jù)傳動方式分類有：重力式跟蹤裝置、電磁式跟蹤裝置、電動式跟蹤裝置、壓差式跟 蹤裝置和控放式跟蹤裝置等。光電跟蹤是通過光傳感元件如光敏電阻、 硅光電管等接 受太陽光，由于太陽運動，造成太陽光入射角度的變化，這樣通過多個相同類型的光 傳感器敷設到不同方位，使得傳感器之間產生

7、偏差信號值，此信號經過放大后，輸入 到控制系統(tǒng)單元，控制單元計算位置偏差值，然后控制跟蹤系統(tǒng)驅動裝置調整電池陣 列位置保持它與太陽光垂直。這種方式的優(yōu)點是跟蹤精度高，實時跟蹤性能好，它反 映了實際跟蹤情況，受機械偏差影響小。缺點是受天氣季節(jié)氣候影響大，天陰的情況 下，光傳感元件效果差，極容易產生誤差，嚴重的情況下，會造成驅動裝置誤動作。第二章跟蹤控制系統(tǒng)設計在太陽光的采集過程中，為了能夠最大效率地采集太陽光，要求太陽能板始終與 太陽保持一個最佳角度,因此必須跟蹤太陽。常見的跟蹤控制系統(tǒng)，按照被控制量對 控制量是否存在著反饋可分為閉環(huán)、開環(huán)和混合控制方式。閉環(huán)控制能夠通過反饋來消除誤差，但感光元

8、件在稍長時間段內接收不到太陽光 會導致跟蹤系統(tǒng)的失效，甚至會引起執(zhí)行機構的誤動作 ；開環(huán)跟蹤雖然在任何天氣下 都可以正常工作，但是在跟蹤過程中產生的累積誤差自身并不能消除；混合控制方式結合了兩者的優(yōu)點并克服了兩者的缺點，能夠得到最佳的控制效果。第三章跟蹤控制系統(tǒng)硬件電路3.1控制電路本文以AT89C52為主控制器，實現(xiàn)了一種混合控制，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。主要電路份為三部分：單片機、鍵盤顯示接日芯片和日歷時鐘芯片之間的通信電路；以光敏電阻為感光元件的反饋電路；單片機控制步進電機的驅動電路。控制單元AT89C52控制部件選擇ATMEL公司生產的AT89C52型單片機。AT89C52是一種低功耗、

9、 高性能的8位單片機，片內帶有4KB的flash可編程可擦除只讀存儲器，它采用CMOS 工藝和高密度非易失性存儲器（NURAM ）技術，而且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容。AT89C52是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應用在各 種控制領域。日歷時鐘芯片 DS1302DALLAS公司生產的串行實時時鐘芯片 DS1302,它具有實時時鐘和31字節(jié)的 靜態(tài)RAM，采用串行通信，可方便地與單片機接口。DS1302可提供秒、分、時、日、 星期、月和年，并帶閏年補償，可采用12h或24h方式計時，采用雙電源：主電源和 備用電源供電。3.2傳感器使用兩只光敏傳感器與兩只比較器分別構

10、成兩個光控比較器控制電動機的正反 轉。由于一年四季、早晚和中午環(huán)境光和陽光的強弱變化范圍都很大，所以上述兩種控制器很難使大陽能接收裝置四季全天候跟蹤太陽。這里介紹的是將4個完全相同的光敏電阻分別置于太陽光接收器的東西南北方向，負責檢測這四個方向的光源強 度。如果太陽光垂直照射在太陽能電池板板上，東西 （南北）兩個光敏電阻所接收到 的太陽強度相同，其阻值完全相同，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直 方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減少，再經過運算放大電路和信號調整芯 片輸出電壓，從而驅動電動機轉動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同，稱為光敏 電阻光強比較法。其優(yōu)點在于控制較精確且電

11、路比較容易實現(xiàn)。光電模塊檢測的俯視圖，其由 5只光敏電阻組成。正中央一只，旁邊四只圍成 一圈。第四章 跟蹤系統(tǒng)機械部分太陽跟蹤裝置的載體是太陽能電池板，電池板面積比較大，帶動它所需力量較大， 考慮到跟蹤平臺在輸入功率較小的情況下帶動較大的電池板工作， 機械結構又對會聚 光線的強度存在影響等因素，跟蹤平臺機械部件設計一般應滿足一下要求：(1) 光伏發(fā)電太陽跟蹤裝置的機械執(zhí)行機構能夠進行大范圍的跟蹤，其跟蹤范圍要求大于或等于太陽的運動范圍，并要避免極限位置鎖死；當跟蹤平臺在運動載體上 運行時，載體的運動不確定，可能朝各個方向行駛，相對于跟蹤平臺來說，太陽的運 動變得更加復雜。所以跟蹤平臺兩個方向的

12、跟蹤范圍應該設置的較大，以應對可能出現(xiàn)的情況。(2) 光伏發(fā)電太陽跟蹤裝置的機械執(zhí)行機構還要有較好的防風性。跟蹤平臺一般用于固定安裝的場合，或者安裝在中低速運送的載體上(太陽能車、船)，實現(xiàn)對太陽能雙維大范圍自動跟蹤。在高速運動的載體上工作，如果遇到很大的逆向風，采用 防風性能一般的平臺，極有可能導致平臺被吹動或者吹翻，無法進行正常運轉工作；采用能夠自鎖的機構，如鍋輪傳動或者螺旋傳動機構，遇到逆風情況，跟蹤平臺不會 被風吹動或者吹翻，保持正常運轉。(3) 較大的輸出功率，工作能耗小于給定值；綜合各種傳動結構，齒輪傳動具有 傳動比準確、傳遞扭矩大的優(yōu)點；以上兩種傳動比都較大，能在使用功率較小的普

13、通 電機的同時傳遞足夠大的動力，比較適合在中低速運動載體上運行的需求；但這兩種 結構在傳動時存在間隙，沒有諧波傳動跟蹤精度高。(4) 結構緊湊，可靠性高；如果系統(tǒng)的結構比較松散，長期逆風工作變形會較大， 剛性降低，提高剛性需要加固結構或者使用剛性好的材料，這些都會使成本增加，而 且傳動部件的性能易受到影響，跟蹤裝置的壽命及可靠性降低。 此外，應盡量簡化加 工工藝，進一步提高跟蹤裝置性價比。4.1機械結構簡圖支撐架和齒 輪3步進電機1 齒輪1安裝架一輪齒44步進電機2 齒輪3支撐架nwniiiiiiiini i步進電機、軸承和箱體等未畫出4.2機構受力太陽能電池板面積為100mmx80mm，面積

14、較小，所以忽略風力影響，則整個機 構受外力為太陽能電池板自身重量 10kg，豎直向下。太陽能電池板重力產生的轉矩T = mg cost (a b/ 2)二為太陽能電池板與豎直方向夾角a為齒輪4到太陽能電池板距離b為太陽能電池板寬度 則最大轉矩為Tmax 二 mg (40 30/2) 10 =10 9.8 55 10, =5.39 N M第五章驅動單元設計5.1步進電機現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（PM）、 混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。反應式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子， 其結構簡單，生產成本 低，步距角可以做的相當小，一般為三相

15、，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度, 但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵 磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩，但動態(tài)性能相對較差。永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵， 在其外側配置齒狀定子。用 轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動， 它的出力大，動態(tài)性能好，但步距角一般 比較大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5度 或15度。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛， 它是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料

16、，定子則為齒狀的突起 結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點， 步距角小，出力大，動態(tài)性能好， 是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要 素確定，步進電機的型號便確定下來了。（1）步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。 目前市場上步進電機的步距角一般有 0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、 四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。（2）靜力矩的選擇步進電

17、機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選 擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負 載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮， 加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩 應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾 何尺寸）。（3）電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性 曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）。5.2步進電機選擇步進電機1選擇太陽能電池板重力產生的最大轉矩Tmax 二 m

18、g (40 30/2) 10=10 9.8 55 10，=5.39N M所以步進電機1最小轉矩為5.39N M，考慮到其他因素步進電機1靜力矩略大 于太陽能電池板重力產生的最大轉矩。絕緣電阻50QVDC 100MQ Min軸向間隙.乍0.3mm徑向跳動,02rnm Max溫 ?| 5K Max絕緣強度750VAC 1Min環(huán)境溫度-20 r+5O1C絕緣等級B級步進電機選用性能較好86BYG系列永磁兩相混合式步進電機，選用森創(chuàng)公司 85BYG250C-SAFRBC-0302兩相4線制步進電機，該電機采用整步驅動方式，脈 沖移動角度整步方式的1.8度。整步驅動方式在任一時刻只有一相通電，驅動方式

19、的 驅動相序:A'A > BB' > AA、B'B賞物 塢碼規(guī)格里號相數(shù)涉 距(* )靜態(tài)相皚流(A)相 電 感(mH)課持 轉距(hLm)定位 轉矩収則空栽啟動 類率 泮涉方式) (KHz)9恂)轉動-卅)形 團圖00Q19086 BYG2 50A-SAFRBC-020220.1/1 .B21.79.02.50.21”72,015401a00020086BYG250A-SAF RBL-040 22Q.9n.840.43222.50.21.72.01&401b00022086BY G250 B-SAFR BC -02 0220.9/1 LS22島16

20、.0寶0D.2173230001a3 6BYG25DB-SAFRBL-Q4D220.9/1.840.6C4lD5.D0.2173左30001b0(90250S&B YG25DB-BAF RB C -D2022Q.9H.822.B16.05.D0.2173.2300(92a00Q24QS6BYG250B-S AFR BC-Q 30 22Q.9H.831.27.25.00.21.73230001a00026086BY G250C-SAFR BC-03Q220.9/1.831.6267.QD.2174.2445001aB6 BYG 2 50 A-S A F R B C-020 21TTTTT

21、TTTTTl設計代碼招電遭020： 2A030： 3A| 040： 4A按線邸式U引勢兩相4錢C：引線兩相8線尺寸制式M：公制B：英制Hr特殊尺寸tn壷粘狀R：圓用S：方世軸誕母貳Fe鐵扁S；光軸軸伸民度A：標準B：加繪軸伸肆式S=單日：理機身悵度轉子齒數(shù)50：切齒相數(shù)書兩招結構蔚式BYGi jg合式機座號85BYG250C-SAFRBC-0302 結構69.58±'n.l5S7L 塑328SBYG250A-SAFRBKB6BYG25jOB-SAFRBx86BYG250C-SAFRBXL7310413778.522步進電機2選擇 水平方向不受力，對轉矩要求較小。所以選擇:型號

22、：46BYG001相數(shù)：2電壓/V:12相電流/A:0.09步距角(° ): 1.8步進角誤差():± 3每轉步數(shù)：200靜態(tài)轉矩 /(N m):2X 10(2)定位轉矩 /(N m):3.4X 10(3)5.3步進電機驅動驅動器驅動步進電機有專用的驅動器，如 SH-20809N,SH-20803N,SH-20504,SH-21006等。85BYG250C-SAFRBC-0302 選擇使用 SH-21006C 驅動器驅動。 60V WOV電，適應惡劣電網(wǎng)環(huán)喘 H橋雙駅恒相流囉動最大輸出駆動電流甘如相改養(yǎng)半步逗廳?；蜉斎?輸出怙號光電隔離過伍"錯相保護 捉供節(jié)能的自

23、動半電流鎖定功能盼機保持功能自繭試機功能翔入倍號5V 24V 口可饋注宜：詢可丸記址攢皚機抽引進應窩傭 線忖imn/以上的既燼為了車婷的便川木卑動器川戶在 至統(tǒng)侯謹時應連領序卓愷4肌相這 門數(shù)纜與再it!佢甘纜少幵的盤乳.収 遁免拒融信=械丁擾在無注分到布址 應畫強干擾灣變頻條赳鎰瀾畀冇 在笑情況下，捲奸低川同ifi電惓憐空控 祗憎號：星用観言電平的控制博號時攤 拄豐哉也衣一龍祐35愛驅動芯片驅動SGS公司的L297單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四 相單極性步進電機的控制，與兩片H橋式驅動芯片L298組合，組成完整的步進電機 固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動器。L297產生

24、四相驅動信號，用以控制雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機，可 以采用半步、兩相勵磁、單相勵磁三種工作方式控制步進電機， 并且控制電機的片內 PWM斬波電路允許三種工作方式的切換。使用L297突出的特點是外部只需時鐘、方向和工作方式三個輸入信號，同時 L297自動產生電機勵磁相序減輕了微處理器控 制及編程的負擔。L297具有DIP20和SO20兩種封裝形式，可用于控制集成橋式驅 動電路或分立元件組成的驅動電路。L297主要由譯碼器、兩個固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成， 其內部結構圖如圖所示。半全步方向（順時針方向反駛旺針方向*時鐘出發(fā)點變検器A I B C 2 D地轉憊I

25、參考枝恿2捱游器電壓L297另一重要組成是PWM斬波器控制相繞組電流，實現(xiàn)恒流斬波控制，以獲 得良好的轉矩-頻率特性。每個斬波器由一個比較器、一個RS觸發(fā)器以及外接采樣電阻組成（見圖2）內部設有一公共振蕩器，向兩個斬波器提供觸發(fā)脈沖信號，脈沖頻 率是由外接的RC網(wǎng)絡決定，當時振蕩器脈沖使觸發(fā)器置“ 1”電機繞組相電流上升，采樣電阻RS的電壓上升到基準電壓 Vref時，比較器翻轉，使觸發(fā)器復位，功率晶 體管關斷，電流下降，等待下一個振蕩器脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出是恒頻的 PWM信號，調制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由 Vref決定。 CONTROL信號用以選擇斬波信號控制。當它為低電平

26、時，斬波信號作用于兩個禁 止信號，高電平時，斬波信號作用于 A、B、C、D信號。前者適用于單極性工作方 式，而對于雙極性工作方式的電機，這兩種控制方式都可以采用。利用L297的SYNC引腳可實現(xiàn)多個L297同步工作，其連接方式如圖3所示，只將RC網(wǎng)絡接于一芯片 上，而其余芯片的OSC引腳均接地，這樣可避免接地雜波的引入問題。SGS公司的L298芯片是一種高電壓、大電流雙 H橋功率集成電路，可用來驅 動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載。它具有兩抑制輸入來使器件不受 輸入信號影響。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應的外接線端可用來連接外 設傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電

27、壓下工作。采用L297和L298實現(xiàn)的步進電機驅動電路見圖4，該電路為固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動方式， 適用兩相雙極性步進電機，最高電壓 46V，每相電流可達2A。用兩片L298和一片297配合使用，可驅動更大功率的兩相步進電機。 L297和L298的步進電機驅動電路圖垃T心RS1刊3昌陽 ?0.1胖0POjWAM 嗆&鼻図 PO.7JAD7PSENp?.ix*a 躋恂AJJE EAP2.4W12P2國申pions Fl 1/T2EXP2.7ZA15P3.呼昭>F3.1HX1DPl 2P3 2/1NT0P1J3P33/1NT1書P3 5/T1PI BF-S.diMjR門7P3 7iR&U3 口2_'亠a£>=iEffeCDHTFt 口 LyREF D&CVCCGNDSYNCU2e7«W-"312-U1APDiN1訓XV5IN2OUT1IN3：!N4OW