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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。
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太阳能电池板自动跟踪系统设计
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
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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。
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太阳能电池板自动跟踪系统设计
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。
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