太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引 言
太陽能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關(guān)心的話題，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了太陽能的利用效率。
跟蹤太陽的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據(jù)入射光線的強(qiáng)弱變化產(chǎn)生反饋信號到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序調(diào)整采光板的角度實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便；缺點(diǎn)是受天氣的影響很大，如果在稍長時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，會導(dǎo)致跟蹤裝置無法跟蹤太陽，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。而視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，所以本設(shè)計(jì)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)，通過對跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制，實(shí)現(xiàn)對太陽的全天候跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種需要跟蹤太陽的裝置。該文主要從硬件和軟件方面分析太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文介紹的是一種基于單片機(jī)控制的雙軸太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由平面鏡反光裝置、調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統(tǒng)電路控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

任意時(shí)刻太陽的位置可以用太陽視位置精確表示。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽的位置。上位機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整，俯仰方向的調(diào)整，太陽的跟蹤及手動(dòng)校準(zhǔn)等功能。