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华北科技学院I 摘要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断的消耗，将越来越不适应可持续能源的发展的需要。加速开发以太阳能为主体的可再生能源以成为人们的共识。太阳能作为一种作为一种清洁能源，倍受人们重视。精确跟踪太阳，对太阳能利用率的提高是显著的，市场上急需一种高精度，高稳定性的跟踪控制器。跟踪太阳的方式主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。光电跟踪主要控制过程是由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。视日运动轨迹跟踪将太阳位置受时间、季节、所在地区经维度等因素综合考虑。本设计采用光时互补的跟踪方法，即是以视日运动轨迹跟踪为粗调，从时钟模块读出当前时间计算出太阳的空间位置，并根据经纬度进一步计算出太阳的方位角和高度角。由单片机发出驱动信号控制步进电机转动，到达指定位置。先大致定位太阳的位置。当转到既定位置之后再采用光电跟踪方式，精确定位。这样可以互相弥补不足。为完成本设计，本文对跟踪方式进行了深入的研究，并在此基础上主要采用 CDS 光敏电阻， STC12C5A 单片机与步进电机完成跟踪器的设计。首先根据设计要求和指标，提出系统的设计方案并确定方案性原理上的可行性。根据要求和各个模块的功能，完成主要器件的选型。在硬件系统设计的基础上，使用汇编语言完成软件程序的程序编写。最后，论文还对整个课题设计进行总结，并对课题中存在的问题提出了改善措施和进一步完善本系统的建议。主要工作包括以下内容（ 1）设计太阳能电池板自动跟踪的电路原理图 ;（ 2）设计单片机的外围电路，光电转换电路，步进电机驱动控制电路 ; （ 3）设计整个系统的电路原理图 ;（ 4）软件的设计使用 C51语言实现了单片机的控制程序设计 ; 关键词光电跟踪 ; 视日运动轨迹跟踪 ; 光敏电阻 ; 单片机太阳能电池板自动跟踪系统设计II Abstract As the consumption of natural resources based on conventional energy sources in energy structure, it will not become more and more able to meet the requirements for sustainable energy development. It becomes our common views to accelerate the exploitation of the solar energy which is the the main body of the renewable energy. As a kind of clean energy, the solar energy is becoming much appreciated. Therefore, tracking the sun precisely is significant to improve the utilization rate of solar energy and the market need a high-precision, high stability tracking controller. There are mainly two ways to track the sun , including tracking the sun by photosensitive sensor and tracking the sun’ s trajectory. The process of tracking by sensor is mainly the sensor receive the signals which are the position discrepancy between the sunlight and the solar panel， in other word ,that is the position of the horizontal and vertical direction deviation. And feedback to the data processor and controller, then process the data and amplify , output driving signal . At last ,through the rotation of the stepper motor controlled by driving circuit and reduction box , it just adjust the angle until the sunray is completely perpendicular to the solar panel. The sun trajectory tracking mode is made ,given some other comprehensive factors such as time, season ,latitude and longitude . This design use both tracking methods which are complementary . In other words ,it depends on the trajectory tracking for coarse adjustment ,which locate the sun. When it rotate on the setting position ,it will activate the photosensitive sensor to adjust the panel ’ s position accurately. And it can offset the both imperfections . To complete this design, this paper makes a deep research . And on this basis, we mainly use the Photosensitive resistance-CDS ,STC12C5A and stepping motor to complete the design of the tracker.First of all, according to the design requirements, we put forward system design plan and determine the feasibility of the project in principle. According to the requirements and function of each module, we complete the selection of main device. On the basis of the hardware system,use the assembly language to complete this programming. Finally, the paper summarizes the whole 华北科技学院III project design, and puts forward improvement measures on the problems existing in the subject and suggestions to improve. Main work includes the following contents 1 Design Automatic tracking solar panel of the circuit diagram; 2 Design the MCU peripheral circuit , photoelectric conversion circuit, stepper motor drive control circuit; 3 Design circuit diagram of the entire system; 4 The design of the software use C51 language to realize the control program design by single chip microcomputer ; Key words sun tracking of using photosensitive sensor ; sun’ s trajectory tracking ; Photosensitive resistance; Single chip microcomputer 太阳能电池板自动跟踪系统设计IV 目录摘要 . IAbstract . II 第 1 章绪论 1 1.1 太阳能电池板自动跟踪系统设计的背景及意义 1 1.2 太阳光自动跟踪系统的国内外研究现状 2 1.3 项目研究的主要内容及预期目标 5 第 2 章太阳能电池板跟踪相关理论研究 6 2.1 太阳的运行规律 6 2.1.1 太阳高度角，方位角及时角介绍 6 2.1.2 太阳高度角及方位角计算公式 6 2.1.3 太阳能电池板跟踪参考坐标系 8 2.2 光伏电池的特性分析 9 2.2.1 光伏电池的光伏效应 9 2.2.2 温度对光伏电池输出特性的影响 9 2.2.3 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 10 2.2.4 光伏电池的 I-V 和 P-V 特性曲线 11 第 3 章太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案 12 3.1 控制方案选择 12 3.2 控制方案设计 13 3.2.1 光敏电阻设计的传感器 13 3.2.2 跟踪控制系统整体原理框图 14 3.2.3 太阳能自动跟踪装置设计 15 第 4 章电池板跟踪系统硬件设计 16 4.1 关键器件介绍 16 4.1.1 STC12C5A60S2简介 . 16 4.1.2 步进电机介绍 18 4.1.3 光敏传感器及元件 20 4.2 CPU 模块设计 . 21 4.2.1 CPU硬件模块结构框图 21 4.2.2 CPU 模块电路原理图 . 22 华北科技学院V 4.2.3 复位电路 23 4.2.4 晶振电路 23 4.2.5 发光二极管 24 4.3 光电传感模块 24 4.4 实时时钟模块 27 4.5 RS232通讯模块 28 4.6 EEPROM 存储模块 29 4.7 系统电源设计 30 4.8 步进电机驱动电路 30 第 5 章太阳能电池板跟踪系统软件设计 31 5.1 Keil C51 软件介绍 . 31 5.2 软件总体设计及流程图 32 5.2.1 软件总体设计 32 5.2.2 软件流程图设计 33 5.3 软件关键模块设计 34 5.3.1 串口通信程序设计 34 5.3.2 EEPROM的读写程序核心代码 34 5.4 程序设计要点及注意事项 36 第 6 章实验及结论 40 第 7 章总结及展望 41 7.1 总结 41 7.2 展望 41 第 8 章附录 42 8.1 控制板原理图 42 8.2 部分数据结构 42 8.3 部分软件代码 46 参考文献 53 致谢 54 华北科技学院第 1 页共 54 页第 1章绪论1.1 太阳能电池板自动跟踪系统设计的背景及意义英国的工业革命推动生产力的极大发展，而工业化需要能源作为保障的。据统计人类前 5000 年都没有近 300 年对能源需求的迫切。随着现代文明的发展需要更多的能源满足人们的需求尤其是正处于发展高速期的我国更是对能源的需求更加旺盛；预计全球对各种能源的需求年均增长约 1.7，到 2030 年日需求量将从目前的约 2.2 亿桶油当量增加到约 3.35 亿桶油当量。这样巨大的能源增量远远超出今天所消耗的能源数量，以油当量计算，大约是目前沙特阿拉伯石油产量的 10 倍中国能源消费目前已经占世界总量的 13.6使得世界越来越将能源的话题聚焦在中国和亚太地区；能源危机已经开始显现。能源的危机对我国经济增长是致命的。发达国家美国对石油极其的敏感。各国多石油的争夺日趋激烈化，众所周知的伊拉克战争，现在的北极之争等都是以能源争夺作为背景的因此对资源的争夺，仍将是未来几十年世界动荡的主要原因之一。太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式电能，从而具有热利用不可比拟的优势，同时光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点1. 太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能6000 倍。光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。2. 太阳能随处可得，就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失。3. 太阳能不用燃料，运行成本很小。4. 发电部件不易损坏，维护简单。5. 光伏发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。安装 1KW 光伏发电系统，每年可少排放二氧化碳 600～2300kg，一氧化氮 16kg，二氧化硫 9kg 及其他微粒 0.6kg。一个 4KW 的屋顶家用光伏系统，可以满足普通美国家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳数量，相当于一辆家庭轿车每年的排放量。太阳能电池板自动跟踪系统设计第 2 页共 54 页6. 光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。由于太阳能发电的成本比较高是照成光伏发电没有高速发展的主要原因之一，所以为了降低成本提高太阳能利用率显得极其重要。又由于新技术的发展即聚光技术的发展极大的提高了太阳能利用率，目前最新技术最高达到 3～ 4 倍。但是聚光对于但是聚光组件对太阳入射角度要求很高，要求光线要几近垂直的照射到电池板上，所以太阳跟踪技术显得愈加重要了。有了跟踪器加上聚光技术使得太阳能利用率有很大的提高。所以对太阳能电池板的跟踪技术的研究就显得十分必要了。而目前市场上的太阳电池板跟踪器的跟踪精度普遍不高，而且价格比较昂贵尤其是光电传感器。本设计为一种高精度的跟踪系统，而且尽可能的降低成本。因此，从能源利用及经济性等方面综合考虑，低成本的太阳光线跟踪技术具有重要意义。1.2 太阳光自动跟踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在 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，接收器的接收效率提高了。 1998年美国加州成功的研究了 ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。 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。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究， 1992 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，完成了单向跟踪。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一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪（也叫程序跟踪）；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。从上世纪 80 年代美国的 Solar One到 2005 年西班牙的 PSIO 均采用程序控华北科技学院第 3 页共 54 页制方式。该跟踪方式优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定的跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具有很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，该跟踪系统还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，成本较高。根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置分为单轴和双轴两种。（因为大都采用双轴跟踪，故下面主要讲后者）1．单轴跟踪单轴跟踪装置一般采用三种方式1 倾斜布置东西跟踪 ; 2 焦线南北水平布置，东西跟踪 ; 3 焦线东西水平布置，南北跟踪 ; 2．双轴跟踪如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式极轴式全跟踪和高度角 - 方位角式全跟踪。1 极轴式全跟踪极轴式全跟踪是指聚光镜的一轴指向地球北极，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。反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。2 高度角 - 方位角全跟踪高度角 - 方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。太阳能电池板自动跟踪系统设计第 4 页共 54 页程序跟踪是根据当地地理位置和时间等利用程序计算出当前太阳位置，并根据计算结果驱动聚光器向目标点运动，程序跟踪的优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定地跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，程序跟踪还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，程序跟踪系统成本较高。程序跟踪方法的控制系统构成是采用开环控制方法，由于跟踪装置结构不稳定性导致跟踪存在累积误差，需要定期校正；在跟踪过程中，系统自身无法对机构的传动误差、地基及天体运行轨道的变化产生的误差进行修正，跟踪精度会随着时间的推移而降低，因此也需要定期校正。传感器跟踪是利用传感器实时检测太阳光线的入射角，当入射光线与传感器主光轴的偏差超过设定值时，通过电机驱动跟踪机构运动，减小偏差，传感器跟踪的优点是能够实时检测太阳光线的入射方向，无累积误差。但高精度的传感器跟踪系统受光学系统的限制，在太阳光线偏离传感器基准轴线一定角度后就无法跟踪。程序跟踪和传感器跟踪相结合的方式是指跟踪系统应用程序、传感器混合控制的方法，采用简化的太阳位置算法对太阳光线粗略跟踪，当粗跟踪结果满足精确跟踪要求，即精确跟踪传感器能够捕捉到太阳光线时，再利用光线跟踪传感器精确定位。由于粗跟踪采用了简化的数学算法，因此可以用成本较低的控制器代替昂贵的控制器。程序跟踪可以克服单一的传感器跟踪存在的跟踪范围窄，粗跟踪不稳定的问题，而传感器精确跟踪避免了程序跟踪需要定时修正的问题。目前比较先进的程序跟踪方法是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 GPS 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。从目前来看国内外开发跟踪系统以双轴跟踪系统为主，比较前沿的技术大都采用程序跟踪与传感器跟踪相结合的跟法。考虑到成本问题单轴跟踪系统也有研究。华北科技学院第 5 页共 54 页1.3 项目研究的主要内容及预期目标基于单片机的太阳能跟踪器开发出来并且投入市场。它们也都具有双轴跟踪，自动调整，适应能力强等特点。但是同时存在一些不足，比如精度不高，价格昂贵。不具备程控接口，不利于扩展。本设计提出一种有通信功能的跟踪器，具有程序变更容易，精度可调，使用方便，结构简单。该系统采用光时互补的方法，单片机从外接时钟模块读入当地时间，计算出太阳的空间位置。然后从电脑中即上位机输入当地地理信息即经纬度，结合以上计算的太阳空间位置，计算出太阳高度角与方位角，经过单片机处理之后输出驱动信号调整角度到指定位置，再启动光电跟踪程序，对角度进行微调。当变更地理位置时只要用电脑，改变特定地理位置对应的输出数表，将数据传入到存储器中即可。总之该跟踪器具有跟踪精度高，使用灵活方便，抗干扰能力强。有着较广阔的市场前景。本次设计是采用 STC12C5A60S2 作为 CPU，要实现光电传感模块的设计以GL5516 光敏电阻作为基本元件设计出光电传感器，其可以不仅可以将东西，南北方向的光强差传化为电压信号，还要将光照强度信号传入单片机，供单片机识别是否有云雾遮挡，以此来决定是否停止光电跟踪程序；还要设计稳定可靠的CPU 模块，包括外围的晶振电路，供电电源，复位电路等；步进电机的选型，以及它的驱动电路设计，而且由于本设计中跟踪精度要求很高，所以要求选择精度较高的步进电机。另一个很重要的就是控制程序的编写，要实现视日轨迹跟踪粗定位，光电跟踪作为补充。预期实现电路相对简单，结构紧凑，硬件成本较低，的硬件电路。采用上位机通信，地理信息调整方便可靠，灵活。太阳高度角采用 30 分钟调整一次，方位角采用 30 分钟调整一次。这样可以避免电机盲目转动，大大的节省电机转到带来的能耗。从而使跟踪系统更加高效率。可以自动调整误差，当乌云遮挡时可以自动停止跟踪，夏天早晨 6 点启动系统，当光照强度足够时，追踪系统程序启动，晚上光照低于一定程度时。将太阳电池板自西向东调整到原位停止系统。太阳能电池板自动跟踪系统设计第 6 页共 54 页第 2章太阳能电池板跟踪相关理论研究2.1 太阳的运行规律2.1.1太阳高度角，方位角及时角介绍太阳视位置指从地面上看到的太阳的位置，用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在 0° 到 90° 之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为 90° 。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为 -90° ，在正东北方时，方位为 -135° ，在正西方时方位角为 90° ，在正北方时为 ± 180° 。太阳高度角与地面的太阳光强弱密切相关。早晚与中午的光强有很大的差异，原因就在于太阳高度角的不同。在晴天条件下，太阳光的强弱与太阳高度角的正弦成正比。因此了解太阳高度角对分析地面的太阳光强有重要的意义。日面中心的时角，即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。以地球为例，在地球上，同一时刻，对同一经度，不同纬度的人来说，太阳对应的时角是相同的。单位时间地球自转的角度定义为时角 w，规定正午时角为0° ，上午时角为负值，下午时角为正值。地球自转一周 360° ，对应的时间为 24小时，即每小时相应的时角为 15° 。2.1.2太阳高度角及方位角计算公式根据下图所示，设天球半径为 R，则太阳在坐标系二中的坐标为x R · cosω ， y R · cosδ sin ω， z R · sin δ 1 坐标系二绕 Y 轴的旋转矩阵为 2 0 00 0cos90 0 sin90 0 1 0sin90 0 cos90 A华北科技学院第 7 页共 54 页根据 [x, y, z] [x , y , z ]A ，可得太阳在坐标系一中的坐标x Rcos δ cosω sin Ф-sin δ cosФy R · cosδ sin ωz Rsin Ф sin δ cosФ cosδ cosω因此，可求得太阳高度角 h，方位角 A 计算公式分别为sinh z/R sin Ф sin δ cosФ cosδ cosω 3cosA-180 ° x/R ·cosh cos δ cosω sin Ф-sin δ cosФ /cosh sinh · sin Ф-sin δ /cosh · cosФ 4sin A cos δ· sin ω /cosh 5 图 2.1 太阳位置示意图对某一地点来说当地地理纬度 Ф 是确定的，太阳赤纬角 δ 、太阳时角 ω 是太阳在赤道坐标系中的位置，只要算出 δ 、 ω 两个参数值便可得出太阳在地平坐标中的位置。上图中 τ 即时角 ω 。实际应用中，全球定位系统 GPS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。这是比较先进的跟踪系统。考虑到成本本设计没有采用定位系统。而是采用通讯的方法。图 4 太阳位置示意图Fig.4 Sun position illustratio n900-Фδh τA 地平圈天赤道天球南北 X X’YY ’ Z Z’ 太阳太阳能电池板自动跟踪系统设计第 8 页共 54 页2.1.3太阳能电池板跟踪参考坐标系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一个23° 27′的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为 -23° 27′，然后逐渐增大，到春分时变为 0° 并继续增大；夏至时赤纬角达到最大的 23° 27′。并开始减小；到秋分时赤纬角又变为 0° ，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。赤纬角可由 Cooper1969的近似计算公式求得δ 23 45sin[360 284n/365] （ 6）式中， δ - 赤纬角， n- 年中的第几天。在一天当中，太阳赤纬变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由太阳时角ω 表示，太阳在正午时为 0° ，每小时变化15° ，上午为正，下午为负。因此有ω 12-T 150 （ 7）式中， T- 当地时问。图 2.2 地平坐标跟踪系统图图 2.1 为地平坐标跟踪系统，水平面为基本面，坐标为高度角用圆弧 GG′表示和方位角用圆弧 SG′ 表示，在跟踪过程中，铅垂轴 jj ′相对于地平坐标系为静止状态，水平轴 dd′ 则在水平面内绕铅垂轴转动。图 2.2 为极轴坐标跟踪系统，天文赤道面为基本面，坐标为时角用圆弧 S′ G′表示和赤纬用圆弧 GG′ 表示，跟踪过程中极轴 jj ′相对于极轴坐标系为静止状态，赤纬轴 dd′则在赤道面或其平行面内绕极轴转动。因为在天球上的所有圆圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾画出的圆。同时由于铅垂线所具体代表的垂线，以及由水准仪所定出的水平线是在几何坐标系中惟一能容易直接观测的参考方向，所以地平参考系一直是实用中必不可少的媒介系统。在实际观测中，最重要的几何坐标系就是以地方天文地平作为基本参考圈的地平坐标系。因此目前多种太阳能发电装置均采用地平坐标。华北科技学院第 9 页共 54 页2.2 光伏电池的特性分析2.2.1光伏电池的光伏效应当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。例如，当光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N 结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子电子和空穴。由于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使 P 区电势升高， N 区电势降低， P-N 结两端形成生电动势，这就是 P-N 结的光伏效应。如将 P-N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路， P-N 结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。2.2.2温度对光伏电池输出特性的影响图 2.3 不同温度下的光伏特性（ a）光伏电池的伏安曲线；（ b）光伏电池的功率电压曲线温度上升将使光伏电池开路电压 Voc 下降，短路电流则略微增大，日照强度不变时，不同温度下的光伏电池的效率变化很大。由公式 MMPPSpp 可知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。所以在应太阳能电池板自动跟踪系统设计第 10 页共 54 页用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。2.2.3太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图 2.4a中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。图 2.4b是温度不变时，不同日照强度下的光伏电池的特性曲线。图 2.4 不同日照强度下的光伏特性（ a）光伏电池的伏安曲线（ b）光伏电池的功率电压曲线从上图曲线中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从200-1000W/m 2 开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大，而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为 0。而短路电流是随光强的增加而成正比的增加。所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本，但是聚光器对光照条件要求比较高，最主要是要求光线要近乎垂直地照射到太阳能电池板上。所以太阳能跟踪系统就显得十分有必要，而且该跟踪系统的精确度直接影响到发电效率。华北科技学院第 11 页共 54 页2.2.4光伏电池的 I-V 和 P-V 特性曲线光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的 P-N 结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率 P，即 PVI。如图 2.5 所示。图 2.5 光伏电池的 I-V 和 P-V 特性曲线可以看出，此 I-V 曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第四章中将对此问题进行研究。在 P-V 特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟 I-V 曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。太阳能电池板自动跟踪系统设计第 12 页共 54 页第 3章太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案3.1 控制方案选择目前比较先进的程序跟踪方法是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 GPS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。但是上述方法是有一些缺点的，主要是程序的计算量太大，从而影响到响应的速度，而且对 CPU 要求很高。另一方面就是成本问题， GPS提供数据，成本会大大的提高，所以综合考虑整体运用通讯的方法将数据提前存储到存储器中，单片机只需从存储器中读取数据即可。跟踪系统具体参数如下图所示跟踪精度 ± 0.1 ° 光敏电阻型号 GL5516 单片机 STC12C5A 最大跟踪角度方位角 ± 180°光敏电阻工作环境温度-30 ° ～70°夏天启动时间6 点最大跟踪角度高度角 75° 亮电阻 5-10kΩ冬天启动时间8 点步进电机功率 120W 暗电阻0.5 - 1MΩ存储器 93LC66A 步进电机电压 DC24V 光敏电阻尺寸 5 mm 减速器 PG120L3 图 3.1 跟踪系统具体参数该控制系统采用光时互补的控制方案，即以程序跟踪做为粗调，光电跟踪作为细调。其中程序跟踪的控制方案为根据天亮时间，比如夏天的时候 6 点天亮，这样就要使程序定在 6 点的时候启动跟踪系统。而冬天的时候要等到 8 点才启动。华北科技学院第 13 页共 54 页天黑时方案同理，将系统关闭，夏天和冬天关闭的时间是不一样的。同时关闭系统之前将电池板从最西方调整到最东方等待下一天太阳的升起。当启动后采用30 分钟调整一次，可以防止电机盲目转动又可以节省电机耗能。将程序的参数通过通讯存储到 EEPROM 中。程序的数据可以修改，使用灵活方便。可以自动调整误差，可以避免灰尘等其他因素照成的误差，即不受外界干扰。光电跟踪作为程序跟踪的补充，对电池板位置进行精确的调整。设计光电跟踪时首先涉及到硬件，光电传感器用光敏电阻来设计，选用 GL5516 型号电阻。当乌云遮挡时根据光电传感器的光强信号可以自动停止光电跟踪。还有步进电机，采用 DC24V， 120W 的步进电机适合驱动 4 4m 的电池板。 PG120L3 减速器减速比301 可以将步进电机的每一步角度降得很低。可以满足 0.1 的精度要求。3.2 控制方案设计3.2.1 光敏电阻设计的传感器图 3.2 光电传感器镜筒图θ 为太阳入射光线与主光轴的夹角， d 为光电传感器上的太阳像直径。根据几何光学原理可得光电传感器直径为 25mm，可计算出光电池的检测范围为 1.48 °，太阳像直径约为 3.8mm, 即当粗跟踪将传感器主光轴与太阳入射光线间的夹角调节至1.48 °以内时，太阳像便能全部呈现在光传感器筒内电阻上。由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号ACBDE太阳能电池板自动跟踪系统设计第 14 页共 54 页与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器单片机，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。直到太阳光线完全垂直照射电池板。