畢業論文_太陽光入射角光電檢測裝置(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 產和出口上也取得了一定的進步。 1999 年，美國太陽能發電排在全球前三名，僅次于德國和日本。為了使太陽能的發電取得更多的收益，美國出臺了相關的政策， 加強了硬件設備的科學研發，大大增強了設備的太陽能利用率，太陽能收益也逐年增長 [3]。太陽能 在新資源開發中有著 相當 大 的優勢，據美國 科學家對太陽能開發進行了預測，在 40 年后，核能和太陽能分別占前兩位。 因此未來的社會 ， 太陽能將成為我們生活中必不可少的能源，為此我們要普及太陽能利用知識對太陽能的發展引起重視 [4]。 太陽能 發電是 對太陽能開發的重要形式 ， 各個地區 開發 利用太陽能政策的提出，和“光明 ”工程的落實 ， 太陽能光伏發電技術獲得了很快的 發展 。在我 國遼闊的土地上，有著非常 豐富 的太陽能源。各地地區太陽照 射 能 量 約 為 ? 2/J m a? ，平均 值為? 2/J m a? 。我國太陽能 資源豐富的 地區，年日照時數 約為 1999 h，太陽照 射總量 大約為 ? 2/J m a? [5]。 我國在太陽能光伏發電方面的建設也有所成效，相對大一些的有西藏 雙湖 100KW 發電站， 新疆北塔山牧場作為我國當前最大的新疆發電站每年可以發電 200KW[6]。 總之，大力發展太陽能利用技術， 提高太陽能利用率 是 節約能源和保護環境的重要途徑。 雖然我國太陽能發電水平有了相當程度的提高，但是離大規模的應用推廣還有很大的距離，光伏發電產業還處于成長期 ，我們還應該向發達國家引進最新的技術 [7]。 在不久的將來 隨著 科學 技術的進步， 提高太陽能利用率的系統 成本會越來越低，性能會越來越好，應用的領域會越來越寬廣 [8]。 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 4 太陽入射角光電檢測 跟蹤技術現狀 目前，太陽追蹤系統中實現追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下三 種 檢測 方式： 單軸檢測跟蹤、雙軸檢測跟蹤、高度角 —方位 角光電檢測跟蹤。 單軸 檢測 追 蹤 單軸檢測追 蹤 ： 一般分為非水平放置、 水平放置東西追蹤和水平放置的南北追蹤，3種追蹤方式。 3個形式都為單軸的檢測跟蹤，他們的原理差不多。 單軸檢測裝置的軸線西東方向放置，考慮到太陽角度發生的改變，發電裝置的光電檢測部分隨軸線做上下的運動檢測追蹤太陽光線。如果用此方案追蹤太陽光，太陽能利用率不會特別高，因為在全天中僅有 12點的時候，太陽光線和追蹤裝置的軸線是相互垂直的，這個時間段 裝置的利用率是最高的；但是在上午或者晚上太陽全是斜著照射。單軸檢測追蹤的特點是裝置簡潔，但 是接受太陽能的平面不能始終和太陽光線垂直，因此現實生活中利用率不會很高 [9]。 雙軸 檢測 追 蹤 雙軸檢測 追 蹤 分為兩個形式：高度 方位式追蹤和軸線追蹤。發電裝置的一個軸線和地球水平線垂直，所以叫做極軸；第二個軸線和這個軸相垂直，所以叫做赤軸。 發電裝置 正常 檢測時繞著極軸轉動，它轉動的快慢和地球轉動的快慢同向且大小相等，方向不同從而追蹤其方位角，一般情況下是隨著月份和天氣的改變做出調整，對太陽光更好的進行雙軸檢測，此追蹤方式比較簡單，只是設備的軸線 承重性能需要加強。 高度角 方位角式光電 檢測 追 蹤 高度角 方位角式光電檢測 追 蹤 也叫做坐標系雙軸追蹤。太陽能光伏發電設備的方為軸線和地表垂直， 另外一 個軸線和方位軸相垂直，叫做 俯仰 軸。當太陽能光伏發電裝置隨著 太陽的運行規律圍繞方位軸旋轉并隨其變化，同時發電裝置的傾斜角隨著俯仰軸做相應的旋轉運動，因此太陽能發電設備的光電轉換部分所在平面的主軸線始終和太 陽光線保持平行。高度角 方位角式光電檢測追蹤方式的特點是追蹤靈敏度高，而且太陽能發電裝置的光電轉換部分的承重始終在 主軸線的平面里，因此機械部分的設計不是特別復雜 [10]。 課題研究的目的和意義 本課題靈感來源于向日葵，當太陽光線發生變化時向日葵可以隨著光線轉動，提高齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 5 了光合作用的效率。因此課題研究的主要目的是設計出一種基于光電傳感器的太陽光線自動跟蹤檢測裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能設備的能量轉換部分所在平面始終與太陽光線垂直，使接受到的太陽能始終保持最大化，從而提高設備對太陽能的利用率。 本次課題研究的意義：解決了當下大部分太陽能發電裝置對太陽能應用率不高的問題，使太陽能接受裝置可以對實時發生變化的光源進行跟蹤檢測。為太陽能的利用提出了更有效的方式方法，對于現階段的能源危機提供了 一定的幫助。 論文的 結構 第一章 ， 緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國內外太陽能的利用現狀、太陽追蹤方式的發展現狀。 第二章 ，主要是對太陽光入射角光電檢測系統進行總體的設計，確定了系統最佳的跟蹤檢測方案 。 第三章 ， 主要是 系統硬件部分的設計 ，其中 包括 直流電機、電機驅動器、電壓比較器、三端穩壓器等各個模塊的選取和優點 。 第四章 ， 主要是 系統軟件部分的設計 ，其中 包括 proteus 軟件 的介紹和 每一步的仿真 過程 。 第五章，主要是仿真和調試，其中包括仿真最后的結果和對軟件、硬件的調試。 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 6 第 2 章 太陽 光電檢測系統的 整 體設計 光電檢測系統的設計要求 本系統研制的出發點是更加有效的利用太陽能。對太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池板把太陽能量轉化為電能。對太陽能進行電能轉換的時候，由于太陽的位置是隨著時間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時段有效的吸收太陽能，在其他時段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系 統對太陽進行實時跟蹤是可行和有效的。本課題中采用的是 機電一體裝置，采用兩個 直流減速 電機雙維錯位放置，通過控制板驅動平臺，達到將平臺最終對準太陽的目的 ，從而提高吸收效率。 本系統的整體研發要求是經濟、結構簡單、性能可靠。根據本系統的整體要求，裝置的各組成部分應該選用常用而且性價比與可靠性較高的構件，充分考慮其經濟性 。 在結構設計中，要使系統機構盡量簡潔，避免過于復雜和昂貴，要便于安裝和維護。在控制部分的設計中，要考慮到系統的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強的執行元件，避免頻繁發生系統故障。 太陽照射 規律 地球圍繞太陽的運行規律 大家都知道，太陽每天圍繞南北極的軸線自東向西旋轉一圈。自轉一圈為一個白天和黑夜，一整天可以看成是 24個小時，因此地球平均 1個小時要轉動 15度 [11]。 地球在自身旋轉的同時還要圍繞太陽在一個近似橢圓的軌跡上進行公轉。公轉一次的時間是 1年。地球自身旋轉的軸線與公轉轉動的軌跡平面的垂直方向的 相交的 角度約為 176。2327′ ，而且自身旋轉的方向不會隨著公轉的改變而發生變化，且它會一直朝 向地球的 N極。所以我們的地球 在 自轉和公轉 時在軌道的位置也不盡相同，因此太陽光線照射到地球的各個角落的角度也就不一樣了，這就產生了每個季節的氣候條件都不同的現象。 如果我們在地球的北半面城市，這樣就可以考察到太陽在宇宙空間的運行規律。 每年的 三月十二號是這一年的春分之日 ， 太陽開始自南向 北逐漸向地球的軸線靠近，即 176。0?? ，我們在當地的考察點發現四季中的春天已經來了 [12]。在太陽自轉過程中，太陽從東邊升起而在西邊落下，此時白天和黑天是一樣長的。 太陽在 12點時的角度約為齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 7 176。90 ?? ，其中 ? 可以看做我們考察點得地球緯度。在過了三月十二號之后，太陽在 12點時的角度約為 176。90 ?? ，在這之后太陽 的落下點慢慢往北邊移動，黑天的時間開始縮短，相反白天的持續時間越來越長，在中午時太陽的 176。90 ?? 角度慢慢變大。 每年的六月二號是這一年的夏天來到之日，在中午 12點其高度角是這一年中最大的，白天的持續時間最長，與此同時夏天來臨了。在六月 二號之后，太陽中午高度慢慢變小，而且白天的時間變短。 每年的九月二十三號是這一年的秋天來臨之日。 這時太陽一般都在正東方向升起在西面下落，此時白天和黑天持續的時間相等，證明北半球的秋天慢慢來了。二十三號之后，每天太陽升起和降落的地點逐漸向南邊偏移。白天持續 時間 變小 ， 黑天時間變長，中午 12點其高度慢慢變小。 每年的十二月二號是這一年的冬天來臨之日。在中午 12點時高度趨近最小值，此時白天的持續時間最短，相反黑天最長，說明了寒冷的冬天就要到了。冬至之后，太陽中午的高度慢慢變大，白天持續的時間變長， 太陽每天的升起和下 落點又逐漸接近正西和正東，一直到春分之日又開始循環 [32]。 太陽 方位角 和 高度 角的確定 太陽照射在赤道平面上的夾角交角即為太陽的赤緯角，用 ? 表示。一年里 ，太陽赤緯 角度每天都發生變化，但不會大于 176。2327? ′ 。夏天最大 的角度變化為 夏至 值 日的176。2327? ′ ； 冬季最小 的角度變化為 冬至 之 日的 176。2327? ′ 。 季節改變的同時 太陽赤緯 也隨之改變 ， 根據 Coper公式得到 ： 2842 3 .4 5 si n ( 3 6 0 )365 n? ??? (21) 式中 n是每年里有多少天 ， 例 如 ： 在春分 之時 ， 81n? 得到 =0? ，從春分那天開始 第d天的太陽赤緯 角度 為 ： sin 365d?? ? (22) 太陽角的計算 ： 如圖 21所示，指向太陽的 光線相平行的 S和 天頂 Z的夾角被叫做 天頂角， 符號為 Z? ；太陽光線 S與地平面的夾角被叫做 太陽高度角， 符號為 h； 太陽光線 S在地面上的投像線和 南北方向線之間的夾角 被叫做方位角 ， 符號為 ? 。太陽的時角用 ? 表示，它 可以這樣表示：在中 午 0?? ，每隔一個小時 增加十五度，早 上是正的，下午是負 的 。 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 8 圖 21 太陽角的定義 （ 1） 太陽 的 高度角 其高度角的函數式如下： si nh si n si n c os c os c os? ? ? ? ??? (23) 式中， ? 是地球的緯度； ? 是太陽的赤緯； ? 是太陽的時角。 中午十二點 ， 0?? ，cos 1?? ， 由 (23)可以得到： si nh si n si n c os c os c os( )? ? ? ? ? ?? ? ? ? 由 c os( ) sin[ 90 ( ) ]? ? ? ?? ? ? ?可得出： s inh s in[90 ( )]??? ? ? (24) 中午十二點 ， 如果其方向在赤道的南邊， ? ? s inh s in[90 ( )]??? ? ?可 以得到 ， 90h ??? ? ? (25) 若再中午十二點時太陽正對遲到中心，由 ??? 可以得到 h=90176。 （ 2） 太陽 的 方位角 方位角度的函數式如下： s in h s in s inc o s c o s h c o s??? ??? (26) 或者這樣表示： cos sinsin cosh??? ? (27) 根據地里緯度，太陽赤緯以及觀測時間，根據 式 (26)和 (27)其中的任何一個可以求出任何地區，任何季節某個時間段 的太陽方位角。 利用太陽 方位角 和高度角的數學計算公式 ，就可以在固定 的 緯度，固定 的時段計算出太陽在這個條件下的位置。所以能夠控制將 光伏 發電裝置始終正對著 太陽 的 位置 ，同時對它進行檢測追蹤 ， 進而 提高 了裝置的光電轉換 效率。 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 9 太陽光檢測跟蹤裝置的比 較和 選擇 目前，國外 諸多科學家對太陽光自動追蹤設備都有所研究，美國的一個科學家叫做Blackae，他于 2021年研究出了一種單軸檢測追蹤裝置，并且成功實現了由東向西的自動追蹤，南北的方向可以由操作 人員改變，此裝置使得太陽能得利用率增長了 15個百分點。第二年于美國達拉斯研究所順利研發出了雙軸追蹤裝置，并且在接受板上安裝了有聚光效果的鏡片，這樣 就可以聚集 更多的能量，從而提高了光電轉化利用率 [13]。 Godman 也研發了一套追蹤設備，它可以經過軸線做一個大的旋轉平臺能夠完 成由東向西的追蹤太陽光線，它的軸線運行長度非常的大，其裝置的表面 由許多接受器構成，這樣能夠大量增加夏天光電轉換的利用率 [14]。 1999年 3月德國一所高校研發了一