太陽自動跟蹤系統的設計

0 引 言
太陽能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關心的話題，太陽能自動跟蹤系統的設計為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了太陽能的利用效率。
跟蹤太陽的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據入射光線的強弱變化產生反饋信號到計算機，計算機運行程序調整采光板的角度實現對太陽的跟蹤。光電跟蹤的優點是靈敏度高，結構設計較為方便；缺點是受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現烏云遮住太陽的情況，會導致跟蹤裝置無法跟蹤太陽，甚至引起執行機構的誤動作。而視日運動軌跡跟蹤的優點是能夠全天候實時跟蹤，所以本設計采用視日運動軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅動，通過對跟蹤機構進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現對太陽的全天候跟蹤。該系統適用于各種需要跟蹤太陽的裝置。該文主要從硬件和軟件方面分析太陽自動跟蹤系統的設計與實現。

1 系統總體設計
本文介紹的是一種基于單片機控制的雙軸太陽自動跟蹤系統，系統主要由平面鏡反光裝置、調整執行機構、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統電路控制結構框圖如圖1所示，系統機械結構示意圖如圖2所示。

任意時刻太陽的位置可以用太陽視位置精確表示。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角兩個角度作為坐標表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當地的光線與當地水平面的夾角。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統采用水平方位步進電機和俯仰方向步進電機來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實時精確追蹤太陽的位置。上位機負責任意時刻太陽高度角和方位角的計算，并運用軟件計算出當前狀況下俯仰與水平方向的步進電動機運行的步數，將數據送給跟蹤系統驅動器，單片機接收上位機送來的數據，驅動步進電機的運行。系統具有實現復位、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽的跟蹤及手動校準等功能。