微电影迷失的大学生的过往及太阳能自动跟踪系统设计

1设计背景太阳能的发展现状及本设计的发展前景太阳能的发展现状近两年来国内太阳能电池产业发展很快，特别是受无锡尚德公司在美国上市的影响，太阳能电池企业蜂拥而上。现在，我国大大小小从事太阳能电池硅材料，硅片、电池及组件的生产厂家已不下百家。太阳能电池产量：江苏无锡尚德太阳能电力有限公司，宁波太阳能电源有限公司、中电电气南京光伏科技有限公司、云南天达光伏科技股份公司、上海交大泰阳绿色能源公司等主要的十多家公司总产量约为110MW。太阳能电池组件生产量：天威英利新能源公司、上海太阳能科技有限公司、江苏林洋新能源公司、新疆新能源公司、浙江昱辉阳光能源公司、西安佳阳能源公司、力诺光伏高科技有限公司、上海超日太阳能科技公司、无锡佳诚太阳能科技有限公司、常州天合光能有限公司、无锡国飞绿色能源有限公司、深圳能联电子有限公司等十多家公司总产量达220MW以上。太阳能电池用硅材料产量：河北宁晋单晶硅基地、江苏顺大半导体发展有限公司、四川峨眉半导体材料厂、洛阳中硅高科技有限公司、常州天合光能公司、宁波晶元太阳能有限公司、绍兴精工太阳能有限公司、常州亿晶光电科技有限公司、江苏华日源电子科技有限公司第十多家公司总产量约为700吨。太阳能电池制造技术方面：由于硅材料缺乏，价格飞速上涨，极大地促进了硅太阳能电池薄片技术的发展，目前硅片厚度已普遍地从370μm降到240μm，有的厂家已减薄到220μm，仍能保持较高的成品率，同时也促进了太阳能电池转化效率的提高，多晶硅太阳能电池一般效率已达到13－14％，有的企业已能批量生产15％的产品；而单晶硅电池效率已普遍达到14－15％，有的企业已能批量生产16％的产品。此外，北京企业星华创股份有限公司已能制造和生产硅太阳能电池和组件的制造设备，特别是一些国产的单晶炉和太阳能电池封装设备已有较高的技术水平。1.1.2太阳能的发展前景现阶段人类面临的最大问题就是能源短缺问题，而环境保护又是现阶段人们所努力倡导的重要任务。解决这两个问题的最有效便捷的途径就是大力发展太阳能的利用，地球每天收到的太阳能约4×1015千瓦时，假如能把这些能源充分利用那将相当于节省了2.5×108万桶石油，这不仅对解决了能源短缺的问题，而且在一定程度上保护了环境。太阳能清洁无污染、取之不尽、用之不竭，这是其发展迅速的最直接原因而我国每年接收到335～873千焦每立方厘米，这将是我国不可多得的无污染能源。所以大力发展太阳能才是解决二十一世纪我国乃至全球的最重要任务。太阳能虽然取之不尽但是它有一定的分散性、方向性和不稳定性，怎么样将其发挥到最好，怎么样更充分的利用这用之不竭的能源才是现阶段太阳能事业发展的最客观的问题。1.2目前使用的跟踪系统现阶段市场上使用的跟踪系统有单轴太阳能自动跟踪器、步进式太阳能自动跟踪、可自动跟踪的太阳灶、五像限法太阳自动跟踪仪、单轴液压式自动跟踪、极轴式跟踪。不足：结构复杂，跟踪精度不高，不能全自动跟踪。1.3本设计意义本设计可使太阳光永远垂直照射在接收面上（能量积分），提高了太阳能的吸收率和转化率，设计结构简单成本低廉，单片机控制稳定，能自动跟踪阳光，最大面积地吸收太阳光能，合理利用了资源。2设计方案简述本设计以AT89S51单片机为控制中心，运用光敏电阻采集光线，用运放LM358对采集的光线做进一步处理并将最终数据传输给单片机，单片机进行进一步处理并将处理数据传输给电机驱动系统，控制两路电机进行调节电池板的水平方位调整及垂直高度的调整。本设计寻光系统采用单片机作为主控芯片，光敏和运放LM358组成光信号采集模块，继电器控制电机的正反转进行电池板的微调。具体控制框图如图2.1所示：AT89S51光线检测LM358电压比较M1M2继电器控制组AT89S51光线检测LM358电压比较M1M2继电器控制组图2.1系统控制框图3详细设计3.1单片机概述单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU(Centralprocessingunit)。随机存储器RAM（Randomaccessmemory）。只读存储器ROM（Readonlymemory）。中断系统、定时器/计数器以及I\O（Input/output）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为单片微型计算机SCMC（Singlechipmicrocomputer），简称单片机。单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（Microcontrollerunit）。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU（Embeddedmicrocontrollerunit）。在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。3.1.1单片机基础根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和IC卡读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化。3.1.2单片机与单片机系统单片机通常是指芯片本身，它是芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。3.1.3MCS-51系列单片机介绍单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU(Centralprocessingunit)。随机存储器RAM（Randomaccessmemory）。只读存储器ROM（Readonlymemory）。中断系统、定时器／计数器以及I\O（Input/output）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为单片微型计算机SCMC（Singlechipmicrocomputer），简称单片机。单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（Microcontrollerunit）。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU（Embeddedmicrocontrollerunit）。在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。3.1.4单片机基础根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和IC卡读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化，3.1.5单片机与单片机系统单片机通常是指芯片本身，它是芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。3.1.6单片机应用领域现在单片机的应用已经很广泛，下面就一些典型方面进行介绍。（1）工业自动化方面。自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，单片机将发挥越来越大的作用。（2）仪器仪表方面。现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化方向发展。此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强抗干扰的能力，便于增加显示、报警和自诊断等功能。（3）家用电器方面.当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机，电冰箱，空调机，微波炉，电视机和音像视频设备等，这里说的电脑实际上就是单片机。智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更加丰富多彩。（4）信息和通信产品方面.信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与，例如计算机的外部设备和自动化办公设备中，都有单片机在其中发挥着作用。（5）军事装备方面。科技强军、国防现代化离不开计算机，在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上，都有单片机深入其中。3.2单片机最小系统最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。AT89S51的最小系统如图3.1所示。图3.1单片机最小系统电路图3.2.1定时与中断的概念中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。向CPU发出中断请求的来源称之为中断源。MCS-51是一个多中断源的单片机，以80C51为例，有三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。外中断：外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断“0”和外部中断“1定时中断：定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。串行中断：串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。中断控制：这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些专用寄存器。在MCS-51单片机中，用于此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。定时器控制寄存器（TCON）：该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。寄存器地址88H，位地址8FH～88H。表3.1寄存器位地址表1位地址8F8E8D8C8B8A8988位符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0这个寄存器既有定时器/计数器的控制功能又有中断控制功能，其中与中断有关的控制位共六位：IE0和IE1、IT0和IT1以及TF0和TF1。中断允许控制寄存器（IE）：寄存器地址A8H，位地址AFH～A8H。表3.2寄存器位地址表2位地址AFAEADACABAAA9A8位符号EA--ESET1EX1ET0EX0其中与中断有关的控制位共六位：EA、EX0和EX1、ET0和ET1、ES。中断优先级控制寄存器（IP）：MCS-51的中断优先级控制只定义了高、低两个优先级。各中断源的优先级由优先寄存器（IP）进行设定。IP寄存器地址B8H，位地址为BFH～B8H。寄存器的内容及位地址表示如下：表3.3寄存器位地址表3位地址BFBEBDBCBBBAB9B8位符号PSPT1PX1PT0PX0其中PX0外部中断0优先级设定位；PT0定时中断0优先级设定位；PX1外部中断1优先级设定位；PT1定时中断1优先级设定位；PS串行中断优先级设定位；为0的位优先级为低，为1的位优先级为高。定时器/计数器的控制寄存器：与定时器/计数器应用有关的控制寄存器有：（1）定时器控制寄存器（TCON）TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。其中有关定时的控制位共有四位：TF0和TF1、TR0和TR1。图3.2单片机管脚图（2）工作方式控制寄存器（TMOD）TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/计数器的工作方式。但TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。3.2.2AT89S51的芯片概述AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，4个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，内部集成看门狗计时器片内时钟振荡器。其工作电压在4.5－5V,一般我们选用＋5V电压。图3.3为89s51的核心电路框图：图3.3AT89s51结构框图3.3光电检测原理硬件设计中光电检测是本装置的主要部分，也是太阳能电池板寻光的主要控制元件，设计中为了使太阳能电池板始终对着太阳则需要四个光敏对阳光强弱进行检测，如图3.4所示光敏均采用垂直于太阳能电池板板面安装，而其检测的精度依靠调节光电检测电路中的滑动变阻器来实现。其中光电检测A对左远离光线进行检测，当光线远离电池板时A检测会给单片机信号，单图3.4光电检测示意图片机驱动继电器控制电机M1正转使电池板跟随光线左转。光电检测B对右远离光线进行检测，当光线远离电池板时B检测到并实时传输给单片机信号，单片机驱动继电器控制电机M1反转使电池板跟随光线右转。光电检测C与D对太阳垂直角度的变化进行检测，并将检测到的光线变化信号传输给单片机，单片机进行进一步处理后控制继电器驱动电机M2的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。考虑到太阳四季垂直角度变化的速率很小，所以电池板垂直角度的调整电机M2加了个减速箱使其变化速率也非常小，不至于因变化太快使得光电检测误检，否则会导致电池板在垂直方向不停的摆动。3.3.1电压比较器的电路介绍电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平。当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。可用作电压比较器的芯片有：LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。而本设计中光电检测中运用的电压比较器采用LM358芯片，其管脚图如图3.5所示。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM358特性：（1）内部频率补偿（2）直流电压增益高(约100dB)（3）单位增益频带宽(约1MHz)（4）电源电压范围宽：单电源(3～30V);双电源(±1.5～±15V)（5）低功耗电流，适合于电池供电（6）低输入偏流（7）低输入失调电压和失调电流（8）共模输入电压范围宽，包括接地（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围（10）输出电压摆幅大(0～1.5V)图3.5LM358管脚图本设计中具体的寻光电路如图3.6所示，电路中采用光敏电阻作为寻光的传感元件。图3.6光电检测电路3.3.2寻光元件图3.7光敏电阻器结构 光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图3.7所示。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：图3.7光敏电阻器结构紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。3.3.3寻光执行机构本设计采用5V直流电机用来调整太阳能电池板的支架,直流电机具有以下特点:（1）调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。（2）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。为了得到理想的转速,本设计没有直接用直流电机输出的动力来控制电池板支架,而是通过一个简易的变速箱来调整传输比.进而达到速度理想、扭距大的效果。3.4电机驱动设计中电机驱动电路采用继电器驱动的方式，每一个电机的正反转均由一个单路和一个双路继电器完成，其中单路继电器控制相应电机的驱动电源的通断，双路继电器则用控制电机的正反转。其原理图如图3.8所示。图中IN4007二极管的作用是续流，防止继电器线圈产生的回流将三极管击穿。图中三极管的作用是隔离放大作用。图3.8电机驱动电路继电器主要产品技术参数：（1）额定工作电压：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。（2）直流电阻：是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。（3）吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。（4）释放电流：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。（5）触点切换电压和电流：是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。3.5寻光程序流程图图3.9寻光程序流程图3.6供电系统设计为了不影响单片机的正常工作设计中采用两组电源对控制系统和电机工作进行分别供电。其原理图如图3.10和图3.11所示。图3.10控制系统总电源图3.11电机总电源其工作原理是利用9V变压器将220V交流电降压至9V，然后9V交流经过整流全桥整流成9V直流电源，其中C1和C2为初级滤波电容，9V直流经过LM7805稳压芯片后变成5V电源，再经过C3和C4滤波电容后为系统的稳定工作进行恒定供电。3.6.1LM7805简介LM78XX系列是三端1.5A电源稳压电路，其封装形式为TO-220。它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区得保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。LM7805引脚功能图如图3.12所示。LM7805特点：最大输出电流为1.5A。输出电压为5V。热过载保护。短路保护。输出晶体管安全工作区保护。图3.12LM7805管脚功能图4设计系统调试系统调试及性能分析是开发过程的重要环节。当完成了系统的软、硬件设计和硬件组装后，便可进系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，使系统能正常工作。应该在方案设计阶段就要考虑调试问题，如采取什么调试环境方法、使用何种测试仪器等，以便在方案设计时将必要的调试方法综合到软、硬件设计中，提早做好调试准备工作。系统调试包括软件调试、硬件调试及系统调试。根据不同调试环境，系统调试可分为模拟调试与现场调试。各种调试所起的作用不同，所处的时段也不一样，但目标是一致的，都是为了查出系统中的潜在错误，提高可靠性，完善系统功能。4.1硬件部分调试每个单片机应用系统都要经过硬件的调试，不同的系统只是调试过程的繁简而已。硬件调试一般要先行，硬件调试成功后，才有条件进行接口程序的调试。就目前的硬件集成技术而言，硬件调试过程相对比较简单。就本设计而言，对硬件电路的调试首先可以用万用表测试电路中是否存在短路、断路、虚焊等问题，再检查电源线与地线之间是否有短路现象，通过观看设计的电源指示灯或测量电源电压就可以判定系统的电源图4.1光电检测是否正常。如果存在就应该及时处理，否则系统中的其它器件就有可能被烧毁，后果十分严重。当以上测试通过之后就可以对系统进行上电测试，检测接地端电压是否接近零电压，接固定电平的引脚端电平是否正确。首先调试好单片机最小系统，上电后，如果CPU的ALE引脚有脉冲信号输出，则说明单片机的时钟电路是正常工作的。上电过程中或点动复位键，如果RESET引脚的电平从高变化到低，则说明复位电路是正常的；接下来调试温度控制电路，我们可以给一个脉冲信号，看加热电路能否正常工作，如果能够正常工作就表明温度控制电路调试成功；再就是调试温度采集电路；当以上硬件电路都调试好了就可以进入软件的调试。调试电机时为了方便调试，设计中采用一个发光二极管代替太阳光照，用发光二极管照射阳光接收板时使光线从左向右运动。当光照在光敏电阻A上时，触发LM358的一路驱动，单片机开始给控制电机水平运动的继电器信号，继电器驱动电机带动木板向逆时针方向转动一定角度，光从光敏电阻A离开时电机停止转动，这时就可以看光线是否在太阳能电池板的中心，并调节LM358上的电位器使其在电池板的中心位置，然后用同样的方法调节光敏B、C、D，最终使光照在阳光接收板的中心位置。设计的硬件总电路图如图4.2所示。图4.2硬件电路总图4.2软件调试软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除的过程。软件调试一般采用先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续的调试方法。在软件调试中，首先调试子程序或函数，其次调试中断服务程序或函数，最后调试主程序或函数。许多子程序，如控制算法、数字滤波算法、标度换算、线性化处理等程序和目标硬件无关，对这部分程序完全可以和硬件进行同步调试或先于硬件进行调试。5总结从资料的查找到电路的设计，从程序的编写到功能的基本实现，一路坎坷。在设计过程中不断的发现问题，同时也不断的解决问题，越来越发觉制作实物相比整体设计要难一些，实际制作过程中会遇到多种多样的问题，要通过不断的测试和实验来解决。不能粗心大意，一开始就因单片机一脚没连接导致单片机不起作用，浪费时间又浪费精力，因此，做任何事都要细心，要考虑的周全，不能因为一时的失败而丧失信心，从哪里跌倒了要从哪里爬起来，只有有了这样的精神，才会从问题中学到更多的知识，为我们以后更好的发展奠定了基础。6致谢参考文献［1］苏平李晓荃．单片机原理与接口技术．北京：北京电子工业出版社.2003。［2］马长芳.新型集成电路及其应用实例.科学出版社.2002年。［3］[日]浜川圭弘著.田小平等译.太阳光发电.新时代出版社.1979。［4］冷长庚编.太阳能及其利用.科学出版社.1975。［5］苏步霄.敏感器件及其应用.中国铁道出版社.1987。［6］[美]Isaas.R.霍尔斯特罗姆著.张汝航等译.太阳能电池与太阳能电子线路.上海：上海科技文献出版社.1984。［7］吴金戌等编著.8051单片机实践与应用.北京：清华大学出版社.2005年8月。［8］李光才，楼然笛.单片机课程设计实例指导.北京：北京航空航天大学出版社.2004年。［9］谷树忠，闫胜利主编.Protel2004实用教程.电子工业出版社.2005年2月。附录1硬件总设计图附录2寻光源程序 ORG 0000HMINE: MOV A,#0FFH MOV P1,A MOV A,#0FFH MOV P3,A JB P1.0,XIAJIANG JB P1.1,SHANGSHENG JB P1.2,NISHIZHEN JB P1.3,SHUNSHIZHEN JMP MINEXIAJIANG: JB P1.2,NIXIA JB P1.3,SHUNXIA CLR P3.5 JNB P1.0,MINE JMP XIAJIANGSHANGSHENG: JB P1.2,NISHANG JB P1.3,SHUNSHANG CLR P3.4 JNB P1.1,MINE JMP SHANGSHENGNISHIZHEN: JB P1.0,NIXIA JB P1.1,NISHANG CLR P3.6 JNB P1.2,MINE JMP NISHIZHENSHUNSHIZHEN: JB P1.0,SHUNXIA JB P1.1,SHUNSHANG CLR P3.7 JNB P1.3,MINE JMP SHUNSHIZHENNIXIA: CLR P3.5 CLR P3.6 JB P1.0,NIXIA JB P1.2,NIXIA JMP MINESHUNXIA: CLR P3.5 CLR P3.7 JB P1.0,SHUNXIA JB P1.3,SHUNXIA JMP MINENISHANG: CLR P3.6 CLR P3.4 JB P1.1,NISHANG JB P1.2,NISHANG JMP MINESHUNSHANG: CLR P3.4 CLR P3.7 JB P1.1,SHUNSHANG JB P1.3,SHUNSHANG JMP MINE END 附录3实物照片学号：09446132常州大学毕业设计（论文）外文翻译（2009届）外文题目Improvedphotovoltaicenergyoutputforcloudyconditionswithasolartrackingsystem译文题目多云条件下改进的光电能源输出与太阳跟踪系外文出处ScienceDirect学生张南学院信息科学与工程学院专业班级电子091校内指导教师朱正伟专业技术职务教授校外指导老师专业技术职务二○一三年三月多云条件下改进的光电能源输出与太阳跟踪系纳尔逊A.凯利*,托马斯L.吉普森通用汽车研发中心，480-106-269，化学与环境科学实验室，30500岗道，沃伦，MI48090-9055，USA收稿日期2008年10月在修订后的2009年8月3日收到;2009年8月19日通信：助理编辑大卫.雷恩摘要本工作描述在多个云期间提出的太阳辐照度的测量，为了提高太阳能的量的捕获于该等期间拍摄的。众所周知，2轴跟踪，在这种太阳能电池组件中指向阳光，相当于提高了整体的太阳能捕获率一个给定固定倾斜模块面积的30％至50％。在阳光明媚的日子里，阳光直射占高达90％的总太阳能，漫反射（散射）太阳能与其他的10％。然而，在阴天条件下，几乎所有的太阳辐射是各向同性分布在整个天空散射辐射。我们的数据的分析表明，在阴天条件下，倾斜的太阳能模块或传感器远离天顶时降低的辐射照度相对于水平配置，其中传感器或太阳能模块朝向天顶（水平倾斜），并因此接收高数量的各向同性分布的天空辐射量。这一观察结果导致了在太阳能电池阵列跟踪太阳无云期间时一个改进的跟踪算法，使用2轴跟踪，当太阳盘面可见，但天空多云的时候，跳转到水平配置。我们表明，在阴天期间，水平模块方向，增加了近50％的太阳能捕获与同一时期的2轴太阳能跟踪相比。在阴雨天提高了太阳能的收获对于每天使用太阳能或者为推动燃料电池电动车或增程型电动车充电是很重要的，因为它在这些日子里提高了对能量最低的氢的生成与捕获，反过来又降低了系统的尺寸和成本。2009年爱思唯尔有限公司保留所有权利。关键词：太阳能，光伏，太阳能跟踪系统，散射辐射，氢引言太阳能是一种清洁，可再生的方式，提供电功率，以及通过水的电解长期提高未来氢经济。在GM的R＆D中心，我们已经研究出如何优化太阳能氢过程由光电和光伏-电解槽（PV-电解槽）系统（凯利和吉布森，2006年，2008年，吉布森和凯利，2008年凯利等，2008）。通过提高太阳能水分解过程中的效率，我们可以帮助使以太阳能为动力燃料电池的电动汽车氢家用燃料（FCEVs）更接近现实。使用可再生能源产生的氢功在千秋。FCEVs可以消除车辆在空气中的排放和贡献潜在的氢源的多样性（Burns等人，2002年）。前PV-电解槽系统只被用于演示目而开发，由于证明了其高额的系统成本以及系统的复杂性，并且在某些情况下，系统用于产生氢储氢所需的高压力氢气效率低。虽然优化PV-电解槽系统的效率以生产氢是可行的，也有需要改善个别太阳能和电解系统（曼和Ivy，2004年）。在这项工作中，我们描述了一种方法，以改善阴雨天使用太阳能跟踪的光伏输出系统。光伏组件通常安装在如家庭或建筑物的结构上，根据现场的特点和成本的限制使用固定方向的模块。以一个特定方向在平屋顶上使用的是一个水平（H）的方向，其中的模块笔直朝向天穹。另一种结构，即是在北美最佳的整体光伏安装的固定配置，它的模块朝南，相对于地面倾斜的角度等于地面的纬度（洛伦佐，2003年光伏系统Assis-tance中心，1995年）;这被称为北纬倾斜。例如，在底特律，与纬度约42度的赤道以北，在平面平坦的地表面上的将模块相对于地面倾斜42度。这样一个理想位置的固定系统的间距约等于一个朝南的屋顶上的纬度倾斜。对于一个给定面积的太阳能电池组件获得最大的太阳能量通过以下方式，使用一个机械跟踪系统从而使太阳能电池组件是始终面向太阳的（见附录A）。这被称为作为2轴跟踪，下面将讨论的，两个角需要在白天任何的指定的时间使太阳能盘在任何确定的位置。1.1太阳能（板）以指定的角度的定义对准天空中太阳的定义。太阳在天空中的位置相对于在地球表面上的一个位置可以由两个角度指定（伊克巴尔1983)。它们是：（1）太阳高度角α；（2）的太阳方位角角度β。角α的角度是太阳的位置和地球的表面水平平面之间的，而角度b指定的角度是在太阳能盘和北回归线线的垂直平面之间的。太阳的高度角（太阳相对于水平地球表面的仰角）是太阳的顶角（太阳和地球的表面垂直的线之间的角度）。那就是，α=90度减去太阳的顶角。在北半球某一天中太阳的最大高度角，发生在太阳的南部，中午的时候（即B=180度）。在一个阳光明媚，万里无云日子，这将是太阳辐照度最大的时候，（2单位千瓦/平方米）。在底特律对于冬至（约12月21日），最大高度角为a=24.2°，而夏至（约6月21日），在底特律最大的太阳高度角为a=71.1°（美国海军天文台）。在底特律，冬至的时候，太阳升起在上午8:00，方位角为122°；日落在下午5:00的方位角为238°，移动的方位角变化的只有116°。当在底特律的夏季冬至，太阳升起上午6:00（日光节约时间）的方位角为57°日落在下午的9:10，方位角为303°，超过246°的方位角度的变化。一个2轴光电跟踪系统定向光伏组件通过角度a和b的更改，在任何给定的地点的有阳光时的期间，从日出到日落，使它们保持垂直于太阳的直接照射的。1.2全球太阳能辐照度及其组件总的（全球）太阳辐照度（千瓦/平方米）照射在地球表面上的水平通常是测量水平使用日射来衡量的，对球面度（半球）辐射超过2单位。Iqbal，1983年;Duffie和Beckman，2006;全国太阳年辐射数据库（NSRDB），威尔考克斯，2007；Stine和Geyer，Myers,2005.这一全球性的水平辐射，，主要是由两部分组成：他们分别是：（1）光线（直接）水平辐射，，直接来自太阳表面，（2）天空（扩散）的辐射水平，即是第一散由分子和颗粒，包括云(Lorenzo,2003;Iqbal,1983;DuffieandBeckman,2006;全国太阳能辐射资料库(NSRDB);Wilcox,2007;StineandGeyer;Myers,2005)这是通过方程：也有一些辐射被地面反射的，这里倾斜面将比水平的更重要，，但是为简单起见，这里忽略。在狭窄的地方使用安装的跟踪机构，直接辐射被认为是一个，这样它照射在太阳能上，研究人员测量在光束正常的照射下，，包括来自太阳能盘的近平行光线。和之间的关系是：其中，是太阳能盘和的一个水平面上法线之间的角度，即是太阳光的顶角。这被称为光传感器的余弦响应，每一个完美的传感器将有此余弦响应（称为理想的朗伯响应），光束的入射角从0°到90°。因此，按照式子，用于太阳能射线照射的表面角度为90度，射线和表面之间的角度正常是0°，此时能源被完全来转化（cosine0°=1），而当一缕光线以光线和表面之间的角度为90°的时候，没有能量将被转化。（cosine90°=1）请注意，对于一个水平取向的表面，方位角角度与直射太阳光线指定的入射的角度无关，这样的表面上（角）是等于太阳高度角（90°）的补角。对于一个水平取向的太阳能电池模块，对直射阳光的响应为等于：×cosine（90°-α），其中a是太阳高度。使用上述，在全球水平太阳辐照度可以使用公知的关系表示：在增加的太阳能直接辐射（没有云）的收获时一个2轴跟踪系统是最有效的，因为它保持H在直接太阳能照射和在零摄氏度正常太阳能照射模块之间的余弦值=1。在无云的日子，85％-90％的太阳的能量来自直接组成，而其他的10％至15％是天空散射辐射，多为散大气气溶胶（Gueymard等人，2002）。在阴雨天，几乎所有的太阳能是散开的。因为太阳漫射辐射不是均衡的，不像直接辐射是一个平行的样式，跟踪太阳不能增加，相反的有可能显示延迟，并且剧烈的减少在阴天日子里从PV系统中获得的太阳能。图.1显示了一个在晴朗和多云天气的底特律太阳辐射组成部分的例子，是MI从NSRDB（全国太阳年辐射数据库（NSRDB））获得的。NSRDB包含全球水平线，束正常，和弥漫性水平日照值的数据和模型估计;束地平线河谷（）值作为全球水平方向和弥漫性水平辐射之间的差异计算。一天中的时间一天中的时间图.1.全球水平（），光线正常（），弥漫性水平（），束水平（），日照（每小时综合照射）底特律：（a）晴天和（b）阴天。晴天的数据是1986年6月2日，多云天的数据是从1980年5月12日，从每小时的NSRDB（全国太阳能辐射数据的基地（NSRDB））中获得。请注意，在图.1a中，晴天（1986年6月2日）的直接正常辐射迅速跟着日出增，并且在一整天中，除了“正午太阳”的几个小时，超过全球水平值。接近中午时在全球范围内的较高水平位置是由于：（1）余弦因数接近1（式（2）），和（2）全球日照水平包括当不能正常照射时的散射辐射。正常日晒照射，，类似于一个2轴的跟踪值，，除了不包括在飞机上跟踪检测所得到的散射辐射的小贡献，虽然2轴跟踪包括散射。然而，每天集成的正常光束照射超过全球水平的27％（(=10.9KWh，=8.6KWh)。在阴天中，图.1中最大的日照关系现在图.1B中时最小的。即，直接的日晒测量值，和。束辐射是可以忽略不计的。因此，几乎所有的全球水平辐射（约99％）是叫做漫反射水平。这说明，尽管是2轴跟踪系统，但在阴天时，高效的收集束太阳能辐射将是无效的。我们将讨论使用太阳能的辐照度（在表面上的单位面积的辐射功率的发生，即，在单位表面积的能量率将会下降）和日照（在单位表面积上的辐射能量）。日照是在一个给定的时间间隔中太阳辐射的集成。在一个无云的夏日，地球表面上的的太阳辐照度达到约1000。辐射强度为1000这个“标准”，在测试中被用于对太阳能电池和模块的输出进行评价，并且通常被称为“一个太阳”。1.3最大限度地提高整体太阳能能量采集：2轴太阳跟踪一个长期的基础上，大多数太阳能量的获得，是通过安装一个2轴追踪系统（附录A）的模块，从一个给定的区域中的太阳能电池组件得到。在这样的跟踪系统中，模块被定位，使得太阳能电池模块与入射光束辐射的入射的角度呈90度。在式3中，对于束辐射的反应将最大限度地提高“余弦”值。这里有几种类型的双轴跟踪系统（光伏系统援助中心，1991年，罗斯等人，2005），在系统，为了安装太阳热量计（扬基环境系统公司），可以容纳超过18平方米的典型的太阳能电池组件（阵列技术公司）到小型追踪器中。某些系统使用主动的跟踪方法，其中电机或液压装置是用来定位模块的（阵列Technologies公司），而其他的使用被动的方法，在其中通常未使用的能源，如加热的流体，用于提供使模块对准太阳（Zomeworks耗能产品）。此外，一些新的使用的传感器的技术来发现天空中的日轮（阵列技术公司），而其他使用计算机程序用众所周知的算法（太阳能计算时间-位置）的来计算用以定位太阳（扬基环境系统公司Amonix），这些计算用于控制电机和齿轮来对齐太阳能集热器和日轮。在一些跟踪系统中各个子系统的组合被使用。由于在晴天是高达90％的太阳辐射是束辐射，两轴跟踪可以提供大量的太阳能收获的增加（附录A）。请注意，从2轴跟踪系统中获得的太阳能与太阳热量计测得的Ibn是不相同的，因为太阳热量计不测量任何散射辐射，而2轴跟踪装置包括一些散射辐射（但不一定是水平漫辐射）。这个的重要性是，由太阳能研究人员（，，和）收集的数据来简单地计算的太阳能系统的2轴的值通常是不够的。但是，也有实现转换的算法，并在实际上用于计算在任何一个给定的时间给定的地点的倾斜的表面上的能量。此外，有一个广泛和持续的研究领域，计算理论上的晴空辐射（光线和弥漫性），多云和晴间多云的天空也有模型（伊克巴尔，1983年Duffie和Beckman，2006年）。总之，通过双轴跟踪系统太阳能捕获得到了最大化的提高，这是因为：（1）在晴天，当有直接丰富的阳光时太阳能是最多的，（2）太阳能电池组件对一丝光线的反应是与太阳能电池组件表面的垂线以及表面直接太阳光线之间的夹角形成的余弦成正比（伊克巴尔，1983年Duffie和Beckman，2006；年全国太阳能辐射资料库（NSRDB）；威尔科克斯2007年斯坦和Geyer;迈尔斯，2005年）。如果太阳辐射与表面垂直，对于一个给定的太阳辐射通量将得到最大功率（余弦0度=1）。对于正常的90度太阳辐射的冲击，将无能量产生（余弦90度=0）。就像在附录A中显示的，基于一个大型数据库分析，2轴跟踪系统增加了从太阳能光伏发电系统中获得的太阳能，相对于水平固定倾斜的52％，相对于纬度模块倾斜的33％。如使用NSRDB数据的图1所示，在阴雨天，梁太阳辐射，和/或，几乎是零，所以两轴跟踪通过捕捉直接辐射不会产生更多的能量。因此，我们试图找到一种方法，最大限度地提高在阴雨天收集散射福照度，以增加在最低太阳日照的日子里从太阳能电池阵列中收集的太阳能。一个2轴跟踪光伏发电系统收集直接来自太阳的太阳辐射以及一些散射辐射（在本质上，，全球正常辐射）。然而，通过2轴跟踪系统收集的散射辐射与水平散射通常是不相等的，，因此数量是唯一的一个条件；一个水平方向的收集器。另外请注意，晴空条件下的，在2轴跟踪光伏发电系统下的照度下降是大于的，梁正常辐射，因为包括一些散射辐射，而不包括。2.实验过程2.1.阴雨天，2轴跟踪和水平太阳辐照度的测量多云天器下不同的太阳探测器方向上的太阳辐照度的测量如下。水平（H）结构是通过在水平表面上放置检测器或模块（下面描述）来测量的。为了在2轴跟踪条件下测量太阳辐照度，检测器直接指向太阳（DTS）。多云天气，日辽宁被遮住时，这需要在图1中定义的太阳角度的知识。这些角度的获得是从一个给定的测量时间通过计算机程序测量太阳位置（美国海军天文台），以及从给定的晴天时间里，在这个时间附近的阴天条件进行了测量映射的太阳位置。量角器，标尺，和指南针，是用来设置检测器方向的。DTS测量在有关预定DTS位置的小运动下，没有显着的影响，这样的结果与在DTS条件下方向的错误相比是不敏感的。2.2.太阳能辐射测量设备太阳辐照度（）和相关太阳辐照度（在不同的时间或在不同的方位的输出比例）在不同的日子和不同的设备上，用表1中所列的一系列的探测器测量。埃普利日射强度计被广泛用于测量太阳辐照度（伊克巴尔，1983;Duffie和Beckman，2006），并它的光谱响应已经被广泛的应用（Myers等，2002）。国家可再生能源实验室（NREL）在室外用太阳能标准日射强度计使它标准化并维持（宽带室外辐射计校准，称为为BORCAL），所以它可以用于在我们的研究中测量太阳辐照度的绝对值。NREL使用其室内的太阳模拟器也校准了UDT光电二极管（NREL设备性能的测量部位），所以它也可以用来测量太阳辐照度的绝对值的。在通用汽车研发中心，与埃普利辐射计使用环境太阳光照射比较，埃普利和UDT测量表现出很好的相关性，并同意在绝对值在4％以内。夏普和三洋的“设备”，是面积超过1平方米的太阳能电池组件。CT＃1和PF3传感器也是太阳能电池组件，但他们很小，可以很容易用一只手握住。表1用于测量太阳辐照度的移动设备PF＃3传感器是灵活的，所以它被安装在一个固定的塑料片上，因此，它不能弯曲。在表1中的数字1和2的移动设备被用来做绝对太阳辐照度测量，以及通过它们在相对的不同倾斜角度的定向测量。设备数3-6在表1中仅用于对方向的相对测量。对于的Eppley辐射计，太阳辐射输出的比例用Fluke179型真有效值万用表测量为（10.54mV=1000）。对于所有的其它传感器，输出用77-III型Fluke万用表测量的短路电流测量。这种直接测量的短路电流是在使用Agilent34790A完善的方案（4％）的情况下，这种长线方便携带的表能够数字读取在一个微伏（6.5伏范围内）0.01欧姆测量短路电流分流电流。请注意，余弦响应的检测器预测一个弱依赖性的角度的响应误差（离轴定位）高达20°。例如，cosine(0°)=1.00,cosine(5°)=0.995,cosine(10°)=0.985,和cosine(20°)=0.940,因此，对于10°的误差在线性的对太阳的检测器，响应将减少1.5％，以及在误差20°时响应将减少6％。3．结果与讨论这是在美国公认的，相对于光伏组件在固定水平方向的，2轴太阳能跟踪增加了50％以上的太阳辐射，相对于的光伏组件固定纬度倾斜（见附录A）（增加了）30％以上。这个（差距）可以理解，平板型余弦响应太阳能探测器和太阳辐射的电池/模块能在阳光的日子（工作）。而水平倾斜的太阳能模块（H）在无云的时候能源模块指向直接朝向太阳（DTS）获得丰富的阳光直射（只）可以产生一小部分的能量。该成分在式中是大致和角度的余弦角H值相等的。（2）例如，考虑一个太阳高度角为α=45°，所以，在水平表面上，在方程（2）也是45°（=90°-α）对于明确的情况下，主要是阳光直射（总散射辐射全球太阳辐照度，近似约10％，它可以忽略不计），在H/DTS辐射比将约为0.71（H=≈=×cosine（45°）andDTS=,所以H/DTS≈cosine（45°）=0.707).因此，第一个近似值，在天空无云太阳高度相同时与一个固定的水平模块配置相比2轴跟踪系统会增加约太阳能41％捕捉（这个例子中太阳能的高度角是45°）。对于太阳能的高度角小于45°，2轴跟踪的优势将比上例更明显，而对于太阳高度大于45°，其优势将没有上例明显。阳光充足的条件下，像附录A讨论的那样，2轴跟踪提供了一个超过任何固定倾斜的太阳能电池组件优势的电压，2轴跟踪系统的跟踪优势与一个固定的水平取向模块等于（（DTS/H）-1）。在H/DTS比，我们有选择的分析跟踪的优势，TA，是：TA=（1-H/DTS）/(H/DTS)(4)对于上面的例子，一个晴天的条件与一个太阳高度角为45°的条件下TA将等于0.41。下面我们解决的问题是2轴跟踪系统的能量捕获受阴雨天的影响时，如示于图。1b中，几乎所有的太阳辐射是弥漫性的而不是直接辐射。3.1太阳能跟踪受阴雨天的影响表2用于太阳能与水平（H）的方向的传感器，以及指出直接朝向太阳（DTS）中的太阳辐照度的测量表2中的数据可以用来确定在阴雨天或很少或没有直接阳光的（天气的）对2轴跟踪影响。一些跟踪系统通过使用一个阳光指向的程序来计算太阳位置（太阳高度角，α和太阳能方位角，β）和装置定位太阳能电池组件，跟踪太阳的天空条件下（无论是无云或多云）无关，）使他们面对太阳盘面。注：这是跟踪的类型用来编译使用准备数据NSRDB（全国太阳能辐射资料库（NSRDB）考克斯，2007年），即，跟踪直接辐射，与跟踪控制算法（在有同遮阳设备下，测量，一个日射强度计测量）。这样的跟踪系统在太阳辐照度效果上的评估是通过测量的H/DTS的比。表2显示了在2004年秋季和春季的4个阴天从六个不同的传感器（表1）上获得20个测量结果的H/DTS的比。2005年，沃伦，MI。PAGE6回想一下，DTS测量相当于一个2轴跟踪测量。就像在表2中列出的H/DTS比，在阴天，与直接朝向太阳（DTS）的取向相比，水平定向太阳能传感器（H），由一个因子增加它们的输出1.20-1.82（平均比=1.47±0.16）。在附录A中，能源与H配置中的47％的平均增幅超过了DTS配置形成具有鲜明对比的值，这个值表明2轴的太阳能跟踪系统（实现DTS配置）增加了，相对于在NSRDB239网站考虑过了30年的分析周期（国家太阳能的辐射数据基地（NSRDB））的H配置而言。因此，H/DTS的整体比率大约是0.66（1/1.52）。于此形成鲜明对比的是，表2的结果显示，阴期间的H/DTS平均比率为1.47。显然，尽管2轴跟踪提高了整体的能量捕获，但是由于云层覆盖，仍然有段时间，跟踪太阳降低了太阳能的能量捕获。根据表2中的TA，因为所有的测量值都是天气阴沉沉的时候测量的，因此TA（跟踪劣势）为负数，从-0.17到-0.45，平均值为-0.31。因此，一个基于天文学跟踪算法的跟随着日轮的开环跟踪（和基于该算法调整模块的倾斜角度的装置，从而使模块垂直于光束的太阳辐射）相对于在阴暗条件下的水平方向跟踪将使TA的平均值为-0.31。3.2.阴天时优化模块倾斜我们已经发现，在阴天条件下朝向天顶指向模块（H条件），比模块倾斜朝向遮蔽的太阳（DTS条件）造成更加显著的更多的太阳能辐照度。此外，在传统的双轴跟踪系统中添加一些硬件和软件将是一件简单的事情，以便于在晴天跟踪太阳时它会获取来自太阳能电池组件最大的能源，但在阴天模块的水平定向，或将在更短的多云时期。这种“双模式”的跟踪系统的优化配置，将需要数据收集和分析，特别是对设计系统的分析，因此，它并没有转移，并且当快速移动的云引起瞬息万变的太阳辐照度时利用能量来驱动电机。我们仅仅对浓云密布条件下的太阳辐照度进行分析调查，这是每天利用太阳能的一个最坏的情况。一年中的月份一年中的月份我们设想在家里利用光伏能源驱动的电解水制氢气加油系统为燃料电池汽车加油。在阴天里增加来自太阳能光伏发电系统的太阳能可用性是非常重要的，因为该系统需要大小的，在阴天里用最少的阳光产生足够的氢燃料来供燃料电池电动汽车使用，否则这种方便的太阳能供电系统可能会丢失。在阴天，使用H配置来定位面板，可以提供比朝向太阳的倾斜面板增加30-80％以上的能量，这是一个卓越的进步。另一方面，在晴天或者部分晴天的日子里它必须有系统产生大部分的能量，所以2轴跟踪系统是必要的。因此，我们提出了一个两轴跟踪系统用于阳光直射的天气里跟踪太阳，但当天气阴沉时我们跳转为使用H配置。得到在阴天是，使用H配置能使总能量增加的结论将需要收集在大量的天数和气象条件下的更多的数据。但是，在表2中数据的基础上的，当天气阴沉并且太阳辐射度低于250W时，H配置优越于DTS配置，这是显而易见的是明显的。在图2.a中显示，底特律，密歇根，亚利桑那州凤凰城的气象数据的分析（犹他大学），在多云或局部多云天气在底特律的百分比（79％）甚至在凤凰城的百分比（42％）。在图2.b中的多云天气下，底特律的这个比例为50％，凤凰为19％。因此，太阳能电池组件的H配置的优势在阴雨天气或者阴天时期将会显得更加有用，甚至在被认为是阳光明媚的地方，如凤凰。3.3.比较多云天气下的H/DTS比同各向同性散射辐射模型的预测在大多数阴天，特别是浓云密布的天气里，几乎所有的太阳辐射是弥漫型（图1b）。相比晴空辐射，太阳漫射辐射的模型和预测是更复杂的，因为自然的云层覆盖的随机性和复杂性。其中的第一个模型，预测落在倾斜表面的散射辐射和关于水平位置的角关系的是刘和约旦的各向同性漫反射模型（IDM），在这个模型中天空被视为一个完美的辐照器，把太阳辐射均匀地平衡在整个天空（刘和约旦，1963年）。也就是说，从太阳圆面中照出的束照射没有已到达地球表面的，然而，太阳的辐照度是由云甲板均匀分布的。也有各向异性模型（Kambezidis等，1994），在某些特定的云条件下，更好地工作，尤其是在云中有亮点时，但阴沉的条件下各向异性模型减少的形式与各向同性模型相同（洛伦佐，2003）。IDM的数学公式：（5）这里的是在从水平一个倾斜的角度对辐照度的测量，是水平测量的散射辐射（太阳圆面阴影）。我们（在阴沉沉时）对于H辐射的测量就是模型中的，我们对于DTS的测量相当于模型中的，其中式5中的角度与在DTS条件下的表格2中的太阳高度补足角相等。因此，在我们的测量H/DTS应随着的倒数变化而变化。图3所示一个由公式得到的曲线图的倒转，是随着的变化相对的从0到90°，连同表2中的H/DTS测量值。模型和数据显示了相同的趋势，但是显然数据预测的散射辐射的角关系比模型有更高的价值。对于方面的有一个可能的原因是在地平线以上的建筑物的影响（这降低的DTS值）。我们计划收集更多的基础数据，在通用汽车试验场（Kelly等人，2008）使用几个十模块太阳能电池阵列，进一步通过在广泛条件下，确定H/DTS的比例来测试IDM而不仅仅只是表2中的数据收集经验。传感器倾斜角（度）图.3.测量值（表2）和H/DTS模型比作为的函数的传感器（或模块）的相对于水平面的倾斜角（倾斜角0°=水平）。模型用于H/DTS比例是各向同性扩散模型（公式（5）），俗称刘约旦模型（锦bezidis等人，1994）3.4.2轴的太阳跟踪系统的实施例与阴雨天提高能源输出光伏系统使用2轴跟踪系统轨的道系统将捕获最多的能源，因为对于一个给定的区域，在避免阳光直射条件下轨道系统主要的光伏组件将最大限度地提高能源捕获。这样的系统可以被扩展，在这项工作使用中，为了本发明的概念增加阴雨天在捕获太阳能。几个这样的组合的系统的可能的实例如下面描述。适用下面的系统的实施例中平板太阳能模块，并不适用于要求直射太阳辐照度集中系统，阴雨天可以忽略不计。。3.4.1强化追踪系统1号在最简单的云优化跟踪系统的实例中，在感兴趣的部位的历史的太阳辐照度测量，将用于管理一组太阳能电池组件的倾斜。当测得的太阳辐照度是低于预定值时，应用ClearSky™技术，这些模块将被移至到TAL水平位置。太阳能辐射测量比预定的水平低的发生是由于天空中云层广布。每当测量太阳辐照度超过预定的最小值的位置，一年中的一天，一天中的任何时间使用著名的太阳指向程序，使2轴太阳能模块的位置将被定位跟踪。3.4.2强化追踪系统2号优选的第二实例中，这是很可能在我们的云优化跟踪实施方案中，将使用一个活跃（机械化）2轴的跟踪系统，例如那些byArrayTechnologies公司，具有以下补充：（1）将有一个小的（UDT型）太阳能电池固定在水平方向（H），和（2）另一个与一个朝南的纬度倾斜（L）固定。在有直射阳光照耀下的时候，L传感器将比H传感器有一个更大的输出，2-轴跟踪系统使用公知的技术将太阳面板对着太阳，使用这种跟踪算法。当H>L通过一些预定值，说H>1.3×L时，一个信号将产生，导致太阳跟踪马达调整太阳能电池组件的位置，面对朝向天空（水平）。这大概将在云层密布的时候发生。为了获得以最小的氢存储和降低成本的一个系统，重要的是在阴天很少太阳能可以获得时提高太阳能氢系统的输出。在底特律，约50％的天是阴天（图2b），平均增加H/DTS比在阴天期间，在表2中的结果的基础上，是约50％。因此，我们的跟踪系统收集到的太阳能可以增加约25%。增加额外的能量，最重要的是在底特律由于阴雨天整体的低水平太阳辐照度时太阳能的收集。如果太阳能电池阵列为从水的电解产生氢提供的能量，并且如果氢是被用来提供大部分或全部的氢给一个FCEV加油，且光伏系统可能比PV所占区域少，在阴雨天仍然产有足够的氢。在夏季或冬季的晴天，光伏系统产生的多余的能量可以供给电力系统拥有者的家庭的电力需求，或卖回给公用事业公司。3.4.3强化追踪系统3号第三实例的优化的跟踪系统利用两个太阳辐射传感器，水平安装时，来确定何时从2-轴太阳跟踪切换到水平模式。这种方法测量全球直射和散射辐射，以确定模块何时应停止跟踪太阳能盘，而达到的水平倾斜。一个传感器（传感器1）被正常光束遮挡（或甚至水平光束）测量从太阳能盘的漫反射辐射水平。这可以通过与阴影带遮住传感器1上整个天空中太阳直射的阳光，或用小阴影盘连接到一个小的2轴跟踪传感器上。其他的传感器（传感器2）还没有阴影，并且测量的全球水平辐射。两个传感器之间的差别是来自太阳的辐射束（正常或水平）。一个使测量的全球水平线的商品，光束正常，和漫水平的太阳能电池组件，使用一个单一的检测器是可从洋基环境系统公司，以及被称为单探测器旋转暗影波段辐射计（SDR-1）。当天空大范围阴天，太阳辐射在正常组成部分几乎是零。在乌云密布的天气条件下一个数组的太阳能电池组件，将在水平方向上捕捉太阳能。当光束垂直分量很明显时，常规的由太阳能模块阵列组成的2轴追踪太阳器，将在晴天或晴间多云的条件下捕捉太阳能。3.4.4.本发明用于1轴跟踪系统许多追踪系统专为使用1轴跟踪（SunPower的公司）的大型太阳能发电装置而设计，因为它是：（1）简单的机械设计和容易在大量的阵列之间跟踪，（2）便宜，（3）在一个固定倾斜上实现了大约90％的2轴的改善。在阴天或者在阴雨时期，我们对于跳转到H配置的方法可能也实现了一个1轴跟踪系统，因为它可以达到0°倾斜（H配置）。也就是说，在有显著的直接阳光时期，1轴跟踪将使太阳能电池组件倾斜，但在阴天期间，将跳转到H配置。决定何时从一种模式切换到其他的模式，将利用相同的传感器和算法来决定阴天时两轴系统的体现。3.5.阴天是提高太阳能捕获动力阴雨天，提高了太阳能输出的重要性是，它减少了系统的大小和成本，如果系统尺寸的基于在最糟糕的太阳日里产生足够的输出。假设比如，通常设计太阳能系统来产生足够的太阳能，而足够的太阳能通过水的电解生成每天0.5公斤的氢。这可能是一个家庭氢燃料系统的燃料电池电动汽车的一部分，0.5公斤的氢对于驱动这种车平均每天往返30英里而言已经足够了（Kelly等人，2008）。在晴天，这个系统将获得超过这一数额的氢气，而在多云的日子获得的氢气将减少。特别的，在短暂的，多云的冬日里，系统会得到比平均数量少的多的氢气，然而即使在炎热夏天最长的一天里，系统得到的氢气量也不会超过平均水平的两倍的量。在理想的情况下，氢气的存储系统必须能够保持足够的氢来提供车辆在一段连续的糟糕的天气里行驶-这就像自主建造成为一个离网型太阳能系统来使用电池储存太阳能。当然，这种车辆可以偶尔使用集中的氢气行驶，但是这要尽可能地要避免的最大限度地利用（便利和成本）的家用太阳能加油系统。因此，在最糟糕的日子里提高太阳能的捕获重要的是尽可能多的尝试平系统输出。在阴天提高太阳能捕获很少受到关注，而一直在强调在晴天里的最大输出。4.总结一个2轴跟踪系统最好在晴天工作，因为它提高了太阳辐射的光束的收集，最糟糕的工作日子是当太阳漫射辐射占主导地位的阴雨天。跟踪系统的利用会影响一个用于供燃料电池电动汽车（FCEV）电解水，产生氢的家庭氢燃料系统的光伏系统的尺寸和成本。这样的一个系统，光伏系统可能成为主要项目成本，尤其是在多云的地区，一个给定的太阳使用量将需要更大的太阳能光伏系统。为了降低光伏系统的成本，在阴天提高太阳能电池的输出，将是非常有益的。不幸的是，这不能通过使用的太阳能聚光器，因为他们可以只关注直接（平行）来自太阳的光线。我们已经表明，在阴天由水平定向的太阳能电池阵列使太阳能的捕获得到显著改善是有可能的它是可能的（朝向天顶）。对于太阳能驱动的氢燃料的系统这是重要的，在该系统中，甚至期望一个日常的制造氢气。我们的研究结果也具有更普遍的适用性，除了为FCEV推动氢产生或者充电电池生产增程型电动的车辆（EREV），对于优化捕获太阳能也有应用。对于这项工作中概述是，太阳能仍然会表现出季节性以及每天的日常变化，但在乌云密布天气里的急剧下降，将通过最优倾斜在一定程度上缓解。一个2-轴跟踪系统具有公知的通过特定区域的太阳能模块来提高太阳能捕获的性能。包括一些硬件和算法，我们所描述的将是一个除了2轴跟踪系统之外的一个小能提高其在阴天性能的改变。几个实例将会对于这样一个系统的进行描述。5.结论1.对于阴天条件下，尤其是阴沉沉的天气下，定向太阳能电池组件朝向天顶（一个水平倾斜）捕获的大多数太阳能的能量，即约50％，这对于超过一个系统而言，不管天空条件只需要简单地跟踪太阳每天在天空中的路径。能够利用这一潜力是很重要的，它能增加在阴雨天采集的太阳能，因为太阳能系统的设计通常能够最糟糕的日子里提供足够的能量。特别是，在阴天里的显着改善对于家用燃料电池电动汽车（FCEV）燃料系统来说是特别有用的，这个系统需要提供一个连续基础上的一年四季的日常氢气。2.在阳光充足的条件下，一个系统定位太阳能电池组件的方向，使它们与直接照射的阳光垂直，所谓的双轴跟踪系统，为一个给定的光伏模块的区域产生的大多数太阳能，即比固定的倾斜的光伏系统具有更多的30-50％太阳能。然而，我们的测量结果表明，这种阴天条件下的太阳能跟踪，大大降低了太阳能的输出。3.在阳光充足的条件下，一个优化的太阳能系统能够利用双周太阳能跟踪捕捉到束照射，但在阴天定位模块朝向天顶的条件下，捕捉到从云层中产生的各向同性分布式的太阳漫射辐射。在过去，重点是捕获太阳能光束辐射的优化-目前世界上最大的太阳辐射的整体组件。不过，最大限度地捕捉太阳漫射辐射是非常重要的，包括以下几个原因，减少系统存储（在糟糕的时期，有足够的能量），平衡日常的系统波动。4.一个简单的散射辐射模型，被称为各向同性扩散模型，在阴天下，我们同意定性的角关系，为水平或者双轴跟踪辐照度比的测量。但是，它预计这个比例的大小将比我们测得的依赖性较小。5.我们提出三个优化的跟踪系统的实施