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摘 要

太阳能是一种可以持续被人们所利用的清洁可再生能源，开发应用前景广阔。但是光伏电池的输出特性受到外界环境影响较大，加之目前市面上的光伏电池光电转换效率低，价格贵。因此研发能自动跟踪太阳的装置用以提高太阳能的利用率，降低发电成本很有必要。研发能自动跟踪太阳的装置，可使更多的太阳光线被光伏电池所接受，从而提高发电量。

本课题介绍了一种两轴的太阳能自动跟踪装置。对自动跟踪装置的功能及其结构进行了仔细地研究与分析。使用单片机STC89C52作为控制芯片，设计了这套自动跟踪太阳的装置。所设计出的装置具有小体积、低功耗、低成本、强抗干扰能力等优点。

关键词：光伏系统；太阳角自动跟踪；双轴跟踪系统

Design of automatic tracking and control system for solar photovoltaic cells

Abstract

Sustainable use of solar energy as a can of green renewable energy, has great potential for the development and application. However, the output characteristics of photovoltaic cells and changes in environmental factors closely related to the current mass production of photovoltaic cells conversion efficiency remains low and high price. Automatic tracking photovoltaic solar power plant is to increase utilization, reduce the cost of photovoltaic power generation an effective way. Of accurate solar tracking device, photovoltaic panels can receive more solar radiation energy, to increase capacity.

This thesis mainly describes the method of double axis solar energy automatic tracing system. Every part of this automatic system and its function are analyzed in detail. A set of automatic tracing device is designed with Microcontroller STC89C52. This system has four characteristics, such as smaller cubage, lower power, and lower cost, more robust despite strong interfere.

Key words: Photovoltaic system; Solar angle automatic tracing; Double axis tracing system

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 太阳能利用的方法 1

1.3 太阳能跟踪系统的国内外研究现状 1

1.4 太阳能跟踪系统的研究意义 2

第二章 系统的设计与方案规划 3

2.1 太阳直射角变化的成因 3

2.2 太阳跟踪方式的对比 3

2.2.1 视日运动轨迹跟踪 3

2.2.2 光电跟踪 3

2.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪有机融合 3

2.3 太阳跟踪的方案规划 4

2.4 太阳跟踪的研究内容 5

第三章 系统的硬件设计 6

3.1 器件选型 6

3.1.1 STC89C52单片机的选用及简介 6

3.1.2 PCF8591芯片的选用及简介 9

3.1.3 LCD1602液晶屏的选用及简介 11

3.1.4 SG90舵机的选用及简介 12

3.2 光电转换电路设计 14

3.3 AD转换模块电路设计 16

3.4 系统机械部分设计 17

第四章 系统的软件设计 19

4.1 主程序设计模块 19

4.1.1 程序设计思想及说明 19

4.1.2 主程序模块关键程序代码 19

4.2 光强检测模块 20

4.2.1 程序设计思想及说明 20

4.2.2 光强检测模块关键程序代码 21

4.3 太阳能板角度调整模块 22

4.3.1 程序设计思想或说明 22

4.3.2 电机水平转动控制模块关键程序代码 22

4.4 电机驱动模块 23

4.4.1 程序设计思想及说明 23

4.4.2 垂直电机控制模块关键程序代码 24

4.5 系统显示模块 25

4.5.1 该模块程序设计思想或说明 25

4.5.2 LCD显示模块关键程序代码 26

第五章 系统的制作与调试 28

第六章 结论与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

附 录 33

1. 绪论
   1. 课题背景

21世纪，能源是社会进步和经济发展的基础。从工业社会至今，人类一直在使用化石能源，但是储量有限，大量地使用也给环境和气候带来了恶劣影响，例如温室气体的浓度大幅上升，造成气温升高、海平面升高，已威胁到了我们的生存。而今人们越来越注重环保，尽早开发污染低及危险性低的能源已迫在眉睫。

虽然在不久的将来，煤炭、石油、天然气等传统能源仍会被广泛使用，但是人们已不再像过去那样忽视太阳能、风能、地热能等可再生能源的利用。我们可以明显察觉到，在中国，越来越多的新能源发电厂投入使用，能源结构渐渐得到调整。根据可信数据，上世纪90年代，全世界传统火力发电年发电量增值只有1%，远远小于太阳能发电年发电量增值的20%，不过年发电量增值最大还是风电，高达26%。在可预见的未来，可再生能源将抗衡传统能源，结束传统能源消耗量大的局面。

目前化石能源越来越紧缺，太阳能才是未来社会能源的希望。

• 1. 太阳能利用的方法

现今，太阳能的利用手段主要是光伏发电，但该手段所需要的能量转换设备价格贵，转换效率低，一直使其利用不尽人意。而且，太阳能存在间歇性，光照方向和强度随时间改变也是不可忽视的问题，这对太阳能的收集和利用提出了更加苛刻的要求。平常我们大多时候看到的太阳能电池板阵列都是固定不动的，这就造成了不能充分地利用太阳能资源。因此，在没有研发出一款高效的太阳能电池板前，研制价格相对低廉的太阳聚光器及自动跟踪系统等实用设备，是广泛应用太阳能的好办法。

本课题中我设计了一款能够自动跟踪太阳的装置，来保持太阳能电池板一直正面朝向太阳光线，使得尽可能多的太阳光转换为电能。本装置是一种基于单片机的自动跟踪太阳的新科技，它能够自动检测太阳光方向，从而通过一系列的传动结构做到太阳能电池板朝向的调节。构造简单，价格低，过程无需人工操作，在天气变化比较复杂和无人值守等情况下都能稳定运行，这就使得太阳能的利用效率大大提高，所以说该装置很具有推广应用价值。

• 1. 太阳能跟踪系统的国内外研究现状

全球很多国家都在致力于太阳能跟踪器的研究，例如我国在1997年成功研发制造了能完成东西方向自动跟踪太阳的单轴太阳跟踪装置，太阳光的接收效率得到了明显提高，但南北方向还是需要人工手动调节。美国加州研制的ATM两轴跟踪器在1998年获得了成功，并将具有集光作用的透镜装在了太阳能电池板上，使面积很小的一块太阳能电池板收集的太阳光更多，效率进一步上升。美国亚利桑那大学研发的太阳能跟踪器在2002年2月问世，这个设备通过控制电机来实现跟踪，整个装置使用铝材制作框架，框架安排合理，重量轻，使得跟踪器使用于更多的场合。近些年，仍有很多的专家学者义无反顾地投身于太阳能跟踪器研究事业，取得了一定的成果，例如在92年成功研制的太阳灶自动跟踪器，在94年成功研制的基于单轴液压系统的太阳能自动跟踪器等等。现今，追踪太阳的手段层出不穷，但归根究底无外乎两种手段：一种手段被称为光电追踪，另一种手段被称为视日运动轨迹追踪。第一种手段采用了闭环控制，而第二种手段采用了开环控制。

• 1. 太阳能跟踪系统的研究意义

能源短缺，环境恶化是被人们所关注的重点问题。从联合国环境规划署提供的资料我们可以了解到，现今世界商业生产中所使用的能源95%来源于化石燃料，而它的使用多年来仍一直以每年2%的速率增长。恰恰温室气体来源于这些化石燃料的燃烧，为了可持续发展，全部依靠化石燃料来提供迫切的能源需求不是长久之计，致使越来越多的国家在可再生能源的开发和利用方面更加重视。日本经济企划厅和三泽公司通过多年的研究，提出了到2030年，太阳能将为我们的世界提供一半的电力的观点。

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