建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量千瓦，于年月建成发电。这也是世界海拔最高中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。另外，据对世界次能源替代趋势的研究结果表明，到年后，核能将占第位，太阳能占第二位，世纪末，太阳能将取代核能占第位，多以很多国家对太阳能的利用加强了重视。太阳能也必然会成为利用最广泛的能源。太阳追踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在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，接收器的接收效率提高了。年美国加州成功的研究了两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，使效率进步提高。年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，大大拓宽了跟踪器的应用领域。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式种是光电追踪方式，另种是根据视日运动轨迹追踪前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。论文的研究内容本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围高精度跟踪。论文的主要工作包括分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。机械部分也是实现追踪目的的关键，主要是机械设计和计算，装配图及其零件图。分析传感器工作原理，分析该传感器大范围高精度跟踪的可行性，还要设计光电转换电路。选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。太阳能自动跟踪系统总体设计太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的个度的夹角，引起了太阳赤纬角在年中的变化。冬至时这个角为度分，然后逐渐增大，到春分时变为并继续增大，夏至时赤纬角最大为度分，并开始减小到秋分时赤纬角又变为，并继续减小，直到冬至，另个变化周期开始。跟踪方案的比较选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式视日运动轨迹跟踪光电跟踪视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做个简要的介绍和比较。视日运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法算法，采用中国国家气象局气象辐射观测方法算法，采用世界气象组织气象和观测方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。太阳在天球上的位置可由太阳高度角和太阳方位角确定。太阳高度角又称为太阳高度或太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角，可由下式计算得出式中各角度单位均为度。其中，ν为当地纬度角为太阳赤纬角，春分和秋分时，夏至时，冬至时为时角，是用角度表示的时间为年中的日期序号，从月日开始每往后加天，即。太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，即式中的赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。由于太阳在年中的时角运动很复杂，日常生活中的钟表时间采用平均太阳时简称平太阳时即太阳沿着周过狭缝照射在探测器上，通过计算太阳成像偏离中心的位置来计算太阳光的夹角。其工作波段多采用的可见光波段。虽然数字式太阳敏感器的视场很大，但真正用到的只是其中的小段，在实际工作中它只对靠近光轴的主要区域重点探测，远离光轴的两侧只在较少时候进行探测另外，为了避免被太阳能电池帆板等反射的太阳光干扰，太阳敏感器对偶然出现的较强信号也会将其滤除最后，数字式太阳敏感器般在的前面要加滤光片，用来衰减太阳光强，使其不至于工作在饱和状态。光电传感器的确定通过我们对上述种传感器的比较，我们最终选择了序号传感器，即高精度光敏传感器理由如下从控制系统的角度来说，光电探测器，典型光敏电阻传感器，日晷式太阳传感器无法精确测量出太阳的具体的方位角以及高度角，对实现对步进电机的精密控制造成了定的困难。相对而言，高精度光敏传感器，五象限光电传感器，太阳敏感器可以实现此功能。就精度的方面要求而言，高精度光敏传感器，太阳敏感器测得太阳位置角的精度相对于五象限光电传感器更高。价格方面，由于使用环境以及使用领域般为航天领域，故太阳敏感器在价格上远远高于高精度光敏传感器，对于普通民用设备而言，代价太高，不易普及。本文选用的高精度光敏矩阵传感器既有大角度搜索功能，防止了在特殊情况下系统无法接收到阳光以至于无法运行的情况，又有高精度传感器来提高系统的控制精度，故适用于此太阳能跟踪系统。另注在原传感器基础上加两个光敏电阻用来测光强。风速传感器由于风速传感器种类和功能均较为单，且对于此系统而言，要求并不高，故在此我们没有作过多的选择，选了个较为便宜的且符合要求的风速传感器。样本和具体参数如下风速部分测量范围分辨率准确度实际风速起动风速距离常数抗风强度输出信号风向部分测量范围分辨率准确度起动风速距离常数阻尼比抗风强度输出信号电源和工作环境电源工作环境自动跟踪系统设计系统总体结构本系统包括光电转换器步进电机单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度。控制机构将分别对水平方向与垂直方向进行调整。单片机加电复位后，垂直和水平方向都将处于旋转待命状态，单片机将对采样进来的信号进行判断，并调整系统做出相应的动作。系统结构如下传感器光电转换单片机驱动器步进电机电源图系统总体结构系统流程图系统主流程图风速测试子流程图光照强度测试子流程图系统控制图太阳角单片机偏差角度脉冲分配器控制脉冲功率放大器号步进电机减速器减速器太阳电池板传感器外围电路电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。系统电源设计是单片机应用系统设计中的项极其重要的工作，它对整个单片机系统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率电平及抗干扰等问题。电源功率必须能满足整个系统的需要。在系统电路中，除单片机系统需要直流电源外，步进电机和驱动器还需要定值的模拟电源。选用印刷线路板焊接式电源变压器将交流电压变换。这种变压器结构紧凑坚固抗震防潮阻燃，外型美观，使用方便，抗电强度高。它的初级是次级既可以是单路输出，也可以双路输出。由于这种变压器变出的电压仍是交流电压，且又不十分准确和稳定，所以再利用全桥整流，电容滤波电压稳定后，分别用三端稳压电源模块输出电压。电路在和的输入端分别接上的电容的电解电容和的电容的电解电容。电容可以滤掉高频干扰，电解电容组合可以滤掉低频干扰。在输出端接上瓷片电容，对输出的电源再次进行滤波，以得到干净的电源。图电源管理部分电路图步进电机接线示意图步进电机电源步进电机驱动器相关理论性能指标分析与计算分辨率步距角计算齿轮由经验可得般步进电机的精度为步进角的故精度为齿轮精度为发电效率地球单位面积上的太阳直射能量设每天工作小时，则总电机的功率电电机的功率电若假设驱动器的效率为系统总功率驱驱总系统日耗电量总总经查阅相关资料，太阳电池板的转换效率为则日发电量为总总系统运转角度经简单计算，太阳水平运行角度和垂直调整角度均满足系统要求电机负载启动频率由公式可得其中为空载启动频率为导轨摩擦折算至电机的转矩为切削力折算至电机力矩为起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩为电机自身惯量为与负载惯量但由于电机参数中没有给空载启动转矩，需要实验所测，故在此不进行计算，仅给出相应的算法。成本分析及收益计算电机驱动器电机元驱动器元光电传感器元风速传感器元太阳能板元其余杂费费用元总价元天发电收益约为元度度元预计此系统能工作年以上元元除去保养费用大约元，在此系统使用寿命范围内可收益元元结论设计过程的概述详细分析了国内外目前的太阳追踪方式，比较之后，选择了以闭环控制为辅，单片机控制为辅的自动控制系统，由于光电检测追踪模式和太阳轨迹追踪都有各自的优缺点，因此，经过比较，综合两者的优点，最终选择了光电检测和太阳轨迹追踪的混合式追踪方式。综合系统整体构思以及追踪方式，由现有大多数跟踪器执行机构比较设计出整体机械部分，并进行相关的校核。通过比较不同种类电机的优缺点，并考虑系统的特征和需求后加以分析，最终选择步进电机，并通过计算相关参数，经过对比筛选选出电机的型号。经查阅相关资料，了解了市面上各种光电传感器的不同，最后由系统需求以及成本等问题选择了高精度光敏传感器作为系统的光电传感器