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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。
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太阳能电池板自动跟踪系统设计
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·cosδsinω，z'=R·sinδ (1) 坐标系二绕Y轴的旋转矩阵为:
?cos(900??)0sin(900??)? (2) ??A??010?00??sin(90??)0cos(90??)?
??
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根据 [x, y, z] = [x', y', z']A，可得太阳在坐标系一中的坐标： x = R(cosδcosωsinФ-sinδcosФ) y = R·cosδsinω
z = R(sinФsinδ+cosФcosδcosω)
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 = sinФsinδ+cosФcosδcosω (3) cos(A-180°) = x/(R·cosh) = ( cosδcosωsinФ-sinδcosФ)/cosh = (sinh·sinФ-sinδ)/(cosh·cosФ) (4) sin A= cosδ·sinω/cosh (5)
Y(Y’) 图4 太阳位置示意图 Fig.4 Sun position illustration 北 地平圈 天赤道
A 天球 Z’ Z τ 太阳 δ h X’ 900-Ф 南 X 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。
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太阳能电池板自动跟踪系统设计
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Cooper(1969)的近似计算公式求得：
δ=23×45sin[360×(284+n)/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。
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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???MPP?pMpS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
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