自动跟踪发电控制系统的开发与设计

自动跟踪发电控制系统的开发与设计

河南科技大学

硕士学位论文

太阳能自动跟踪发电控制系统的开发与设计

姓名：郎龙军

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：张河新

20100501

自动跟踪发电控制系统的开发与设计

摘要

论文题目： 太阳能自动跟踪发电控制系统的开发与设计 专 业： 机械电子工程 研 究 生： 郎龙军 指导教师： 张河新 副教授

摘　要

太阳能是一种环保的绿色能源，而且是巨量的、可再生的，因此在对新能源

的开发利用上，太阳能发电有着巨大的优势。当前，由于技术条件限制，光伏发电的转换效率很低，严重制约了太阳能发电的发展与普及，因此，在现有条件下，寻求一种实用的方式去提高太阳能的发电效率是非常必要的。实践证明，太阳能的发电效率和太阳能电池板与太阳光线的角度有很大关系，太阳能发电中，太阳能电池板实时和太阳光线保持垂直能在很大程度上提高太阳能的发电效率。

本课题针对如何提高太阳能发电效率的问题，提出了采用自动跟踪的方

法，让自动跟踪系统对太阳的运动轨迹作出实时判断，从而使太阳能电池板实时和太阳光线保持垂直，提高光伏转换效率。

论文具体内容为以下几点：首先，根据太阳能自动跟踪的具体工作要

求提出方案；然后对光线和影子的特性进行详细分析，根据分析得到的结果，设计了符合整体方案的光线偏移感应装置传感器；其次，根据空间位置的变化原理设计并制作了双轴传动机械机构以及根据自动跟踪的要求设计制作了动力控制装置，以保证太阳能自动跟踪动作的进行；最后，编写了基于RS232通信的上位机控制台程序，保证在恶劣天气时，跟光传感器可能失效的情况下，系统使用计算机控制来进行太阳能自动跟踪发电。

经试验，系统整体运行良好，实现了太阳能自动跟踪。

关 键 词：太阳能，自动跟踪，机械传动，自动控制，计算机

论文类型：应用研究

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Specialty: Name: Supervisor:

ABSTRACT

Solar energy is a kind of huge, renewable and environment-friendly green energy.

Thus solar energy has the unique advantage in the exploiting of new energy resources.However, photovoltaic generation has low conversion efficiency based on the current technology limited. Increasing the conversion efficiency is a key problem to the implication of solar energy and it’s necessary to found a practical method to improve the generation efficiency of solar energy. It is demonstrated that the generation efficiency of solar energy is closely related to the angle between solar energy plate and sunbeam. The generation efficiency of solar energy can be considerably increased when solar energy plate perpendicular to sunbeam.

This paper propose a auto-tracking method to solove the problem of how to

increasing the generation efficiency of solar energy. This method increases the generation efficiency of solar energy by real-time tracking the trace of the sun and adjusting the angle of solar energy plate and keeping the generation photosurface perpendicular to sunbeam.

The main works of this paper are presented as follows: firstly, a sensor which

inductive the migration of the lights and fit the whole print is designed based on the analytical results. Then, to ensure the auto-tracking system runing, a mechanical structure of two axis transmission based on the change of spatial position is fabricated and a dynamic control device based on the automatic following require is fabricated . Finally, the program based on RS232 is compiled to controling the system in cases the light sensor actual effect in bad weather.

The whole system is runing well in the testing, and the auto-tracking solar energy

generation is realized.

KEY WORDS: solar energy, auto-tracking, mechanical drive, automatic control, computer

IIDissertation Type: Applied Research

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第1章 绪论

第１章　绪论　

1.1 太阳能发电的实际意义

1.1.1 太阳能是当前能源的替代能源之一　

自工业革命以来，人类的发展迈入了一个新的台阶。然而，这个发展伴随的是对能源需求的不断上升，对资源的无止境索取，对能源资源的过度开采造成的却是环境的污染，资源的破坏。　

在20世纪的世界能源结构中，人类所能利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石性的能源，这些能源本质上是数万年前或数十万年前甚至更长时间以来太阳的光能和热能辐射到地球上的部分能源存储到古生物和古植物中，历经沧海桑田的变化后演化成为今天地球上的能源矿藏。它们是古生物和古植物化石的一种特殊形态，历经人类数百数千年，尤其是近百年的开采消费，这些化石类能源已经被消耗了相当大的比例。随着世界经济的进一步发展、人口的增加和社会生活水平的不断提高，未来世界的能源消耗量将持续增长，世界上的化石能源总量和消费总量总有一天会产生冲突。即化石能源远远达不到人类的消费需求，甚至会被消耗殆尽，日益枯竭的能源和人类无休止的需求形成了一个很大的反差，而这个反差越来越大时，它将会制约人类社会的发展，甚至，会使人类社会的发展产生倒退。因此，可以说，能源和人类的各项经济活动已经紧密的联系在一起。　

在全球的各个国家，几乎都对能源有着很大的依赖。然而，由于全球能源资源的矿藏分布非常不均，导致各个国家的能源资源的拥有量存在很大差异。

中国的能源储量更是危机逼人。按照2000年底的统计，探明中国能源的经济可开发储量约占全世界总量的10.1%，中国人口众多，因此，除太阳能外，中国人均能源资源远远低于世界水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。

人类在开发和利用能源的历史中，以传统化石能源为主的时期，仅仅是一个不太长的阶段，但是，这些能源由于它自身形成的特殊性，终将走向枯竭而被新的能源取代，人类必须要提早寻求新的可替代能源。经研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量相当丰富且分布广泛，并且可以再生，不会对环境造成污染，是国际社会公认的理想替代能源。

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可以说，太阳能发电作为一种新型的能源发展方向，有着它独特的优势。必将成为新世纪能源的发展方向，是替代当前能源的选择之一[1-2]。

1.1.2 太阳能是人类可利用的清洁能源之一　

哥本哈根世界气候会议于2009年12月7日—18日在丹麦首都哥本哈根召开。12月7日起，192个国家的环境部长和其他官员们在哥本哈根召开联合国气候会议，商讨《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案，就未来应对气候变化的全球行动签署新的协议。这是继《京都议定书》后又一具有划时代意义的全球气候协议书。因此，以太阳能为代表的新能源及可再生能源能保护人类生存的环境，它的广泛应用是走经济社会可持续发展的必要条件。

1.1.3 太阳能辐射资源丰富　

太阳能到达地球的能量，每40秒钟相当于210亿桶石油的能量。我国在光照资源丰富的西北地区的荒漠面积达108万平方公里。如果每平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年可发电1.5亿度；如果开发利用1％的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。目前，在我国的北方、沿海等很多地区，每年的日照量都在2000小时以上，海南更是达到了2400小时以上，是名副其实的太阳能资源大国。

1.2 目前国内外太阳能发电现状

太阳能发电方式有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

1．光—热—电转换方式：通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

2．光—电直接转换方式：该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳2

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第1章 绪论

光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

如今，许多国家把太阳能发电作为一个能源发展重点。非常重视光伏发电技术。针对其制定规划，加大投入，大力发展。20世纪80年代至今，即使在世界经济发展的低谷甚至是衰退时期，光伏发电产业仍一直保持在10%～15%的增长速度。新世纪以来，发展更为迅速，已成为全球增长速度最快的新能源技术产业之一。2007年，全球太阳能新装容量达2826MWp，其中德国占大约47%，西班牙约占23%，日本约占8%，美国约占8%。2008 年全球太阳能新装容量将达到5500MWp以上，按地区排名，西班牙名列首位，德国排名第二。2008 年，全球太阳能安装总量已累计达到15GW，西班牙新装量为2.5GW，约占2008 年新增安装量的一半。

图1-1 美国最大的太阳能发电项目

Fig. 1-1 The largest solar generation project of the United States

中国是新能源和可再生能源增长速度最快的国家。我们在保护生态基础上，有序发展水电，积极发展核电，鼓励支持农村、边远地区和条件适宜地区大力发展生物质能、太阳能、地热、风能等新型可再生能源。2005年至2008年，可再生能源增长51％，年均增长14．7％。2008年可再生能源利用量达到2．5亿吨标准煤。农村有3050万户用上沼气，相当于少排放二氧化碳4900多万吨。水电装机容量、核电在建规模、太阳能热水器集热面积和光伏发电容量均居世界第一位。

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2000年以来，我国已开始成功建造100KW级的太阳能并网示范系统，并取得了有益的经验。2004年，在我国深圳建造了一个1000KW级的太阳能发电站示范工程。

经过多年的发展，我国的光伏技术产业链取得较大进步，无论是在产业化方面或是在应用方面都取得了很大的进步[3-4]。如今，在光伏电站、风光互补电站、光伏户用系统和并网发电系统的开发上都取得了一定的经验[5-9]。

图1-2 西藏香茂乡的太阳能发电

Fig. 1-2 The solar generation project of Xiangmao village of Tibet province

1.3 太阳能自动跟踪系统

太阳能发电能在一定程度上解决目前能源短缺的问题。目前，太阳能发电的电池板主要是采用光伏转换，即把光能转化为电能。电池板的主要材料有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种，在这三中材料中，单晶硅材料的光伏转化效率最高，但最高也只能达到20%[10-11]。因此，在没有出现更高效的光伏转换材料之前。如何提高太阳能电池板的发电量是比较关键的。

实践证明，太阳能电池板的发电效率和它相对于太阳的角度有很大关系。当太阳能发电的电池板被太阳光直射时，即电池板的感光面和太阳发出的光线的夹角垂直时，其发电量最大，即发电效率最高。当太阳偏移时，太阳能发电的电池板和太阳光线的夹角会小于垂直时的夹角，其发电量就会变小，而且，随着这个夹角越来越小，发电量也越来越小。

因此，要想提高发电效率，可以去调整太阳能电池板的方向，让它的感光面朝向太阳，使太阳的光斑能一直落在太阳能发电板的中心，并能让太阳能电池板保持这种方向，这种使太阳能发电板和太阳光线实时保持垂直的方法，则是提高发电效率的重要途径，这种实时的使电池板的感光面和光线保持垂直的太阳能发4

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第1章 绪论

电方式，就是太阳能跟踪发电[12-13]。

实现太阳能跟踪发电，对当前的太阳能能源的获取有非常大的促进作用，并且能有效的降低目前的发电成本，能使许多偏远，山区的民用，医用的用电得到保障。

作为一种新的能源获取方式，太阳能发电对环境的污染小，它能对人类可持续发展提供能源保障。当前，国内外大部分的大型太阳能发电站多采用传统的固定式光伏阵列式的光能转化方式。这种方式存在光电转换效率低、光伏发电功率密度低等缺点。因此，探寻大型的太阳能跟踪发电系统是必要的。

本课题的研究就是基于太阳能自动跟踪发电为前提，去设计一套太阳能自动跟踪发电系统，并使这个系统能按设计要求产生电力，能使它能运用于一个大型的太阳能发电系统，最终使它适用在大型的太阳能发电站，使其具备太阳能自动跟踪发电，从而提高传统方式的太阳能发电站的发电效率。

由于地球的空间位置随着太阳的空间位置变化而变化，因此，要想实现太阳能自动跟踪，必须要对太阳能发电板的空间位置作出调整，使太阳能发电板发电的感光面实时的朝向太阳，即感光平面和太阳照射到地球的光线保持垂直。

太阳能自动跟踪发电系统结构如图1-3所示。

图1-3 太阳能自动跟踪系统流程图

Fig.1-3 The system flowchart of auto-tracking solar energy

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1.4 研究内容

本课题以太阳能自动跟踪为主要目标，运用低成本的单片机为控制核心，价格低廉的直流电机为动力源，Delphi为人机交互系统开发环境，设计一种大型太阳能自动跟踪发电系统。

主要研究内容包括

1．太阳能自动跟踪传感器的设计

太阳能自动跟踪传感器是关系到整体跟踪效果的核心部件，跟踪传感器要能对太阳的高度角和方位角变化做出及时准确的判断，主要对光线的偏移作出信号上的采集并把信号及时送入控制系统。

2．机械动力机构，提供电池板姿态调整所需动力

跟踪需要的机械机构，采用双轴跟踪系统，能让光伏阵列或太阳能发电板绕两条不同方向的轴线运动。

3．以单片机为核心控制系统

根据自动跟踪传感器采集的信号，控制机械动力机构的动力源，根据需要改变水平轴旋转或垂直轴的旋转，跟踪太阳的高度角和方位角。

4．人机交互计算机程序设计及数据库系统

一个大型太阳能自动跟踪的控制核心，记录由单片机控制在自动跟踪过程中的实时控制过程，包括跟踪的条件信号，控制的转角参数等，保存天文日历跟踪数据，以记录的数据为依据，完成太阳能自动跟踪。

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第2章 太阳能自动跟踪传感器的设计

第２章　太阳能自动跟踪传感器的设计　

2.1 太阳能跟踪的设计方案

2.1.1 常用的太阳能跟踪方案　

由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。然而太阳和地球的相对位移是不能改变的，因此要想保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，就必须调整太阳能电池板的角度，使其能够时刻正对太阳，这样的调整必须需要一个调整参数，这个参数应该能准确地反映出太阳的光照角度，因此，参数必须准确、可靠，参数的传递者需要一个太阳能跟踪传感器，它必须对太阳光照角度的实时变化测量出来，作为太阳能电池板调整的依据。

太阳能跟踪传感器的方案有很多种，其中最常用的方案是天文日立法、主动跟踪法和光线跟踪方法。

1．天文日立法

根据安放点的经纬度等信息计算出一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻太阳相对于安放点的光照角度存储到单片机、PLC、或电脑软件中，使用时，根据存储的光照角度信息调整太阳能电池板的角度，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。

优点：跟踪准确、可靠。

缺点：采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。

2．主动跟踪法

跟踪传感器主动去寻找太阳的位置，采用先垂直后水平的方式搜寻太阳的位置，直到太阳光线能垂直照射到跟踪传感器的中央后停止搜寻，根据搜寻时跟踪传感器的转角去调整太阳能电池板的角度。

优点：定位准确。

缺点：主动搜寻的不确定性，有时容易捕捉的云层边缘的耀斑，阴天和晴天

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的过渡不好捕捉。

3．光影跟踪法

根据光线的影子变化去计算太阳的位置，由于太阳运动时的角度变化会引起的地面物体上的投影长度产生变化，通过投影的变化去计算太阳的角度变化，根据计算的太阳角度变化来调整太阳能电池板的角度。

优点：跟踪准确度高，干扰小。

缺点：跟踪有一定的滞后性，阴雨天可能失效。

2.1.2 太阳能跟踪的方案确定　

通过几个方案的比较，可以看出，在太阳能自动跟踪的跟踪精度上，上述几个方案都可以实现良好的跟踪精度和对太阳的准确定位。综合本课题的设计目的及太阳能自动跟踪实用性考虑，本设计中采用了光影跟踪法和天文日立法、数据库查询跟踪法相结合的方法，可以弥补天文日立法的缺点，同时在一定程度上提高光影跟踪法的即时性。

通过设计新型的光影跟踪传感器，最大程度上提高光影的传感器的跟踪精度，时时捕捉太阳的角度变化，同时把变化的角度数字化，把数字化的结果及时间、调整的变化量等参数送入单片机，由单片机通过通信接口送入计算机，通过计算机编程整理数据，存入数据库，通过存入的数据库的数据，使用友好的上位机人机交互程序界面，可视化的操作功能，调整小型的或大型的太阳能发电中的太阳能电池板的角度，达到实时跟踪的目的，同时根据当地的经纬度等数据计算天文日历数据，结合存入数据库的数据，提供跟踪参数实现自动跟踪，弥补在较重的阴雨天时光影跟踪可能会出现的失效。

2.2 太阳能跟踪传感器的设计

2.2.1 光线和影子的关系　

太阳是一个能量波动变化的天体，虽然太阳辐射中紫外线部分、无线电波部分和微粒子流部分的能量是随太阳的活动变化而剧烈地变化，其变化范围高达几十倍甚至几百倍的范围。但其可见光部分、近紫外线部分和近红外线部分的辐射能量的变化范围却在2.5%之内，而且，太阳光谱中红外光、紫外光和可见光共占据太阳能总辐射量的90%以上，所以太阳的辐射可以看作是稳定的。

太阳的辐射由太阳光线的传播到达地球的。而太阳光线的传播特性是以直线8

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第2章 太阳能自动跟踪传感器的设计

形式进行的。地球和太阳的距离大约在1.5亿公里，而地球的直径只有将近1.3万公里，所以，可以认为太阳的光线是以平行线的方式到达地球表面的。

光线在同种均匀介质中沿直线传播，不能穿过不透明物体而形成的较暗区域，形成的投影就是常说的影子，地球上的白天和黑夜就是由于影子的特性而形成的。

光线在被不透光的物体遮挡的情况下，在物体的背阳面会产生物体的影子。这是由于光线的传播特性所造成的。地球每天不停的自转，同时它要围绕太阳作公转，因此，地球和太阳的相对位置是在不停的变化，太阳光照射在地球上的影子也随之变化。因此，如果在地球上的某个位置放置一个不同透光的物体，那么，这个物体在太阳光的照射下就会产生影子，而这个影子的长度也会随太阳和地球空间位置的相对变化而产生变化[14-16]。变化过程如图2-1所示。

图2-1 太阳高度角与光线影子计算图

Fig.2-1 Calculation drawing of sun elevation angle and light shadow

由图2-1可以看出，光线的影子和太阳的照射角度有很大关系，如果把光线和地平线的夹角做个定义，这个夹角就叫做太阳的高角度，在图2-1中，α就是太阳的高度角。物体的影子也会在高度角的变化下产生变化，同时，影子的变化也和物体的高度有关。图2-1中，三个参数的关系是：

d=H×ctgα （2-1）

式中，d表示影子长度；H表示物体高度；α表示太阳高度角。

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从这个公式可以看出，影子的长短和太阳的高度角及产生影子的物体高度有关。这个公式中也可以推导出用影子的长短和物体的高度来计算太阳高角度的公式:

α=arctgd （2-2） H

式中，d表示影子长度；H表示物体高度；α表示太阳高度角。

可见太阳的高度角、方位角变化是和影子的长度相关的，影子的长度和每天的时刻也是相关的，因此影子也可以用来测定时刻，我国古代就是利用日影特性来得时刻的，通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，也叫中立竿，起到遮光并产生影子作用，因此，晷针又叫“表”， 石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。晷面的刻度是不均匀的。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。早晨，影子投向盘面西端的卯时附近。接着，日影在逐渐变短的同时，向北（下）方移动。当太阳达正南最高位置（上中天）时，针影位于正北（下）方，指示着当地的午时正时刻。午后，太阳西移，日影东斜，依次指向未、申、酉各个时辰。

在跟踪传感器的设计中，可以制作高度恒定的遮光物体，通过测量遮光物体在太阳光照射时所形成的影子长度来计算出太阳的高度角。

2.2.2 跟踪传感器的跟踪精度　

通过以上的分析，可以建立太阳能跟踪传感器的跟踪模型，在图2-1中，如果把物体和地面的交点看作物体的中心，分析这个中心和太阳位置关系，可以得出：当太阳的位置处于物体的正上方时，d的长度为0，a的角度为90度。此时，可以认为太阳和这个物体的中心在一条直线上，且这个直线垂直于地平线。如果把H的高度确定在一个固定的值，当物体影子的长短发生变化时，太阳高度角α就会发生变化。当影子的长度越长，高度角越小，反之，当影子的长度越短，高度角越大，如图2-2所示。

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第2章 太阳能自动跟踪传感器的设计

图2-2 影子长度和物体高度之间关系

Fig.2-2 The relationship between then shadow length and the height of objects

图2-2中，可以看出高度角和遮光物体的高度和影子的长度之间的关系，古人就是利用影子的长度变化来计时的[17-24]。从图2-2中可以推导出跟踪角度的精确度，计算公式:

G=(90o arctgH （2-3） d

式中，G表示跟踪精度；H表示遮光物体高度；α表示太阳高度角；d表示影子长度。

例如遮光物体高度是90mm,影子长度6mm,通过公式可以算出，G约等于

3.21度。如果影子的长度为0mm，太阳的光线会直射在遮光物体上。

通过这个公式，根据需要的跟踪精度，设计出需要的遮光板。在太阳能自动跟踪中，影子的长度是一个不停变化的量，把这个长度的变化测量出来，然后去调整影子的长度，使影子的长度趋近于零，就能实现对太阳的自动跟踪，跟踪精度应该控制在5度以内，以保证跟踪的即时性、准确性。

实际上，只要能把光线的微弱偏移所引起的影子长度不停的调整在近可能小的范围，就能实现对太阳的自动跟踪，影子的长度测量可以用传感器来实现，影子内的光照强度和直射的光照强度是有很大差别的，为影子长度的自动测量提供了可靠的手段。

2.2.3 太阳能跟踪传感器方案确定　

根据光线和影子的关系及推导出的公式，可以设计不同的太阳能跟踪传感

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器。由于太阳和地球的在相对位置是空间的，所以，太阳能跟踪传感器必须具备空间姿态自我调整的能力，这个调整就是水平姿态的调整和垂直姿态的调整。

根据光线和光线的影子特性及跟踪的要求，要想实现太阳能跟踪就必须对太阳的高度角和和方位角同时进行跟踪，根据以上的分析，可以设计一种简单的方案对太阳进行自动跟踪，这种方案如图2-3所示。

遮光板

图2-3 四象限式跟踪装置示意图

Fig.2-3 Schematic diagram of tracking device for four-quadrant

这个方案中，太阳如果直射在感光板上，可以看作是跟踪结束。当太阳在运动过程中产生偏移，由于遮光板的作用，光线会形成影子，它会在图中的四个象限内形成不同的影子。从图2-3中，看以看出，当太阳沿图中1和2中间的遮光板上方从右向左移动时，当太阳移动至1、3中间的遮光板左边时，太阳光只能照射在3位置所处的象限。由于1和3中间遮光板的作用，会在1所处的象限形成影子，且这个影子会随太阳持续向左移动而变长，由此可以看出，如果在太阳移动时，调整感光板的角度，使1处形成的影子尽可能的短，就能跟踪太阳从右向左移动的轨迹。调整感光板的角度的参数，可以用来作为调整太阳能电池板水平姿态调整的角度依据。

同理，从图2-3中，当太阳沿图中1和3中间的遮光板右方从上向下移动时，当太阳移动至1、2中间的遮光板下边时，太阳光只能照射在2位置所处的象限。由于1和2中间遮光板的作用，会在1所处的象限形成影子，且这个影子会随太阳持续向下移动而变长，由此可以看出，如果在太阳移动时，调整感光板12

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第2章 太阳能自动跟踪传感器的设计

的角度，使1处形成的影子尽可能的短，就能跟踪太阳从右向左移动的轨迹。调整感光板角度的值，可以用来作为调整太阳能电池板垂直姿态的参数。

这种方式的太阳能跟踪传感器的设计方案，可以实现太阳能电池板调整所需的参数。

通过上面的传感器方案，可以看出，这个方案的目的，是去比较各个象限的光影，实现对太阳位置的跟踪，跟踪方式就是不停的比较、调整。

根据太阳在白天的运动方向，可以改进这个方案作为本课题中太阳能传感器的设计。太阳的运动轨迹每天都是自西向东，因此，可以设计一个三象限的光影传感器，去对太阳进行跟踪，改进的方案设计如图2-4所示。

由图2-4可以看出，太阳从东面升起，自东向西运动，在图中是自右向左运动，光线只照射在1位置上，由于1、2之间遮光板的作用，光线不能到达2的位置，此时，调整传感器的垂直角，图示中以遮光板的圆心为轴心做逆时针转动，直到光线能同时照射在1和2上，此时，光线是和1、2之间的遮光板平行的，垂直角调整结束。

当垂直角调整结束后，再去判断光线是否同时照射在2和3上，可以调整传感器的水平角。这样，先垂直后水平的调整，就完成了对太阳的跟踪。

遮光板

图2-4 三象限式优化跟踪装置示意图

Fig.2-4 Schematic diagram of optimizing tracking device for three-quadrant

在这个方案中，由于太阳移动缓慢，而且是一直自东向西运动，这样的运动轨迹，每隔一定时间会在图2-4中1的位置产生影子，因此，1位置可以作为一

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