年能源政策法规定，光伏系统投入费用可免税30%。日本政府于2007年年末宣布，要大力普及家庭太阳能发电，计划到2030年使家庭采用太阳能发电的由现在的约40万户扩大到1400万户，相当于日本全国家庭总数的约30％，该项目标已列入日本的“能源革新技术计划”。目前日本住宅用太阳能发电设备的价格在200万日元左右，包括发电成本在内，太阳能发电的低价格化是普及太阳能发电的一大课题。因此，日本政府提出将开发使能源效率比现在提高1-2倍的新型太阳能板，使发电成本大体上与火力发电相当，到2030年其成本由现在的每千瓦46日元降低到7日元。德国是一个能源紧缺的国家，能源供应在很大程度上依赖进口。为摆脱对进口和传统能源的依赖，德国近年把能源政策重点放在节约传统能源和发展新型能源两个方面，以期实现能源生产和消费的可持续发展。虽然目前太阳能占德国的能源供给不到1％，但到2020年将超过5%。比如美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”等。目前，光伏发电已向德国普通家庭推广[5]。
1.4本文拟研究内容
本系统尝试利用三菱电机相关产品：PLC、变频器、伺服放大器、伺服电机等设计、制造一种简单、经济、高效并能实现两轴控制的太阳能电池组件辐照小型追踪系统。
3
第2章 方案论证
2.1追踪方案论证
根据追踪原理的不同主要分为视日运动轨迹追踪（也称程序追踪）和光电轨迹追踪（也称传感器追踪）[6]。目前，国内外主要采用这两种方式对太阳光进行追踪。
2.1.1视日运动轨迹追踪
众所周知 ，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15°[7]。
地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成23°27′的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。
假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述[6]。
每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占?=0°)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90°-? (?为观察者当地的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。
夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值90°-?+23°27′，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。
秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬?=0°)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。
秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值90°-?-23°27′，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高
4
度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道[6]。
图2.1日照图
1、太阳高度角计算 1）、一般时间
太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬（与太阳直射点纬度相等）以δ表示，观测地地理纬度用φ表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），地方时(时角)以t表示，有太阳高度角的计算公式[8]：
sinh?sina?sin??cos?cos?cost （2-1） 2）、正午时间
日升日落，同一地点一天内太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为0， 正午时太阳高度角最大，时角为0，以上公式可以简化为：
sinh?sin?sin??cos?cos?cost (2-2) 由两角和与差的三角函数公式，可得
sinh?cos(???)
对于太阳位于天顶以北的地区而言，h?90??(???)； （2-3） 对于太阳位于天顶以南的地区而言，h?90??(???)； （2-4） 二者合并，因为无论是(???)还是(???)，都是为了求当地纬度与太阳直射纬度之差，不会是负的，因此都等于它的绝对值，所以正午太阳高度角计算公式：
5
[9]
h?90??|???|（2-5）
根据太阳高度角的计算，确定太阳能集热装置的俯仰角，可以预设太阳能集热装置的运动轨迹，这种方式最大的缺点就是不能精确追踪太阳，不能随环境的变化
而变化。
2.1.2光电轨迹追踪
光电追踪是使用光电传感器作为探测组件，实时探测太阳位置并将信号送达PLC、单片机等控制核心进行处理后来完成对太阳位置的探测和追踪。当太阳位置变化时，这些传感器组件会得到不同的输出结果，根据这样的变化情况就可以知道太阳的变化情况或者知道太阳具体的偏差位置，然后由PLC等控制系统控制机械装置运动使太阳光线垂直于发电板，从而实现了对太阳光的精确追踪，增大了对太阳光的利用率。
太阳光 光电传感器 PLC 机械装置 图2.2 光电轨迹追踪原理
2.1.3追踪方案的比较与选择
视日运动轨迹追踪虽然能根据太阳高度角的计算，确定太阳能集热装置的俯仰角，可以预设太阳能集热装置的运动轨迹，但其追踪精度和效率不高，不能随环境的变化而变化（如不能因四季的变化而自动调整），且属于开环控制累计误差无法消除，加入回馈系统后更为复杂成本更高。
光电追踪方式的优点很多，在国内外受到高度的关注。一方面，这种追踪方式属于死循环控制方式，可以时刻检测太阳位置，对系统的初始安装精度要求较低，不会受到累积误差的影响[10] ；另一方面，这种传感器信号少，运算简单。且其追踪精度、灵敏度、效率高，正好弥补了视日运动轨迹追踪的缺点。
综上对两种追踪系统的比较，本系统采用光电轨迹追踪方式来实现对太阳光的追踪。
2.2机械传动方案
目前国内外普遍使用的机械传动机构主要有两种，一种是单轴追踪机构，另外一种是双轴追踪机构。单轴追踪结构简单，相较于固定不动的太阳能接受器件而言，能够一定程度上的提高系统接收光能效率，但是效果并不理想。为了完成
6
精确追踪，必须使用两个电机分别在东西水平方向和太阳高度俯仰角两个不同方向上同时动作，即双轴追踪方式[11]。
图2.3 机械传动方案图
本系统采用双轴追踪方式追踪太阳，分为东西水平方向和俯仰角控制，水平方向最大限位角度为180o，俯仰角度最大90o，在一天当中，机械系统要随时跟着太阳转动，这就要求系统的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齿轮传动，那么电机只能转半圈，装置就转90o，这样相对难控制且精度不高。
图2.4 普通圆柱蜗杆蜗轮
本系统电机和机械装置之间的配合采用涡轮蜗杆传动，传动比30:1，这样电机转30圈，装置才转1圈，这样保证了整个系统的精度。俯仰角度的控制是通过伺服电机来调整，同样要求低速，采用同样的方法，用涡轮蜗杆减速器，减速比30:1。由于伺服电机本身非常精确，在传动机构上采用同步带轮，使用同步带轮可以减少在传动过程中的误差。
2.3控制器论证
控制器能够实现装置自动运算并控制系统工作的功能，常见的控制器有工控机、单片机、FPGA、PLC（可编程逻辑控制器），由于太阳能发电系统可能位于世
7