太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分.doc

西安工业大学北方信息工程学院

本科毕业设计(论文)

题目：太阳能光伏发电光源跟踪控制系统
——硬件部分

系 （部）： 电 子 信 息 系
专 业： 电气工程及其自动化

2011年05月
西安工业大学北方信息工程学院

本科毕业设计(论文)

题目：太阳能光伏发电光源跟踪控制系统
——硬件部分

系 （部）： 电 子 信 息 系
专 业： 电气工程及其自动化

2011年05月

西安工业大学毕业设计（论文）任务书

院（系） 电信学院 专业 电气工程及其自动化 班 070307 姓名 学号 B07030707
1.毕业设计（论文）题目： 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分
2.题目背景和意义：
随着现代社会的发展及资源的匮乏，目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天，此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。
本设计基于典型的光电传感器检测、放大等环节，借助于计算机处理及控制，通过电力电子及运动控制技术，实现太阳能光伏发电系统光电池阵列对太阳的实时最佳跟踪，从而获得最大电能输出。
3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：
自主设计一个典型单片机系统，含以下部分及功能：
I. 典型51内核的单片机系统（推荐采用Silabs公司的C8051F系列）。
II. 光电传感器检测、放大等环节。
III. 10-12位的光电池阵列朝向（电压）信号检测（推荐内置结构）。
IV. 电机随动跟踪驱动电路（PWM直流调速或步进控制）。
V. 常规可靠性设计。
4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：
毕业设计（论文）工作 10年 10 月 20 日起至 11年 5 月28 日止
毕业设计（论文）进行地点： 未央校区教D楼217室
作为毕业设计，应完成以下工作：
I. 熟练掌握专业电工、电子（模、数）技术。
II. 掌握光伏发电光源跟踪控制系统结构、工作原理等专业技术。
III. 熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。（ 3月上旬前）
IV. 系统硬件设计。
V. 借助PROTEL技术，绘出系统SCH、PCB图。 （ 3 月下旬前）
VI. 搭出系统硬件电路，在完成系统通电调试的基础上，进行系统联机调试。
（ 4 月下旬前）
VII. 写出毕业论文（电子版）。（ 5月上旬前）
5.毕业设计（论文）的工作量要求：
I. 论文（字数）： 2-3万字
II. 外文翻译（字数）： 5000字以上
① 实验（时数）*或实习（天数）： 20天
② 图纸（幅面和张数）*： SCH、PCB图（A4图幅4份以上）
③ 其他要求： 参考文献（篇数）： 15篇以上（含3篇以上外文 ）

指导教师签名： 年 月 日
学生签名： 年 月 日
系（教研室）主任审批： 年 月 日

说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。
2 带*项可根据学科特点选填。
毕I-2

太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分
摘要
随着现代社会的发展及资源的匮乏，目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天，此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。
在太阳能利用方面，理论分析表明:跟踪式太阳能发电装置与定点式太阳能发电装置相比，其能量的接收率可提高 35%，而目前太阳能利用转化率约为 10％～20％。因此，在对目前国内外太阳跟踪器原理研究的基础上，本文设计了一种按仰角（太阳高度）和方位角（太阳方位）分别控制调节的太阳跟踪控制系统。通过采用MCU计算发出脉冲，控制步进电机的转动角度，实现对太阳光的自动跟踪，使跟踪装置始终处于与发光源垂直的最佳位置。其结构简单、成本低廉且跟踪精度高，可广泛用于西部等偏远地区的能源供应系统——太阳能发电系统，具有一定的实用价值。
本课题设计的太阳能自动跟踪与控制系统主要由四大部分构成：传感器、控制器、机械跟踪平台、通信模块。传感器由独立的四片光电池组成，用于大范围跟踪太阳光；通信模块则采用RS-485串行协议通信；控制器硬件以单片机C8051F330为核心，完成了控制器的硬件电路设计和制作；系统的硬件电路包括模拟输入电路，电机驱动电路，电源电路等。

关键词：太阳能；自动跟踪；传感器；单片机；RS-485；步进电机

Solar photovoltaic energy sources tracking control system
——The hardware part
Abstract
With the development of modern society and the lack of resources. People on solar, wind and other green clean energy demand are becoming intense. In today, computer, optical-electronic, power electronics and other manufacturing and application technology is becoming mature, this also attract the attention of scientific workers and has become a hot topic.
In the solar energy utilization, analysis indicated shows that receiving rate of pointing device is lower as 35% than the tracking device, and in all current device conversion rate roughly is 10%~20%. Therefore, by analyzing the principle of the solar tracking devices in nation and oversea, a solar tracking system which its elevation and azimuth is adjusted separately was designed in this dissertation. The MCU was used to control the rotation angle and control the step motor by sending off the pulse. So, the system can control the tracking device to be the optimal place which is lighted by sun in the day. The system has simple structure, low cost and high tracking precision. It can be widely used in the west and the remote areas’s energy supply systems-solar power system, and it has certain practical value.
In the paper, the designed solar tracking and drive control system are mainly composed of four major components: sensors, controllers, and mechanical tracking platform and communication module. The sensor is mainly composed of four photocells which could achieve large-scale tracking the sun. RS-485 is used in the communication module. C8051F330 is used as the core in the controller. Hardware circuit design and production are accomplished. The system hardware circuits are composed of analog input circuit, the motor drive circuit, power circuit and so on.

Keywords: Solar; tracking; sensor; microcontroller; RS-485; stepping motor

摘要 III
ABSTRACT IV
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.1.1发展太阳能的背景 1
1.1.2国内外太阳能利用现状 2
1.1.3太阳能利用的基本方式 4
1.2课题研究的目的和意义 5
1.3国内外研究现状分析 5
1.4课题的主要类容 6
1.5论文结构 6
2 系统工作原理及总体设计 7
2.1太阳运动规律 7
2.1.1太阳与地球的位置关系 7
2.1.2相关角度的计算 8
2.2跟踪方式的比较 10
2.2.1视日运动轨迹跟踪 10
2.2.2光电跟踪 10
2.2.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 10
2.3跟踪方式的选着 11
2.4系统总体设计 11
2.4.1系统框图 11
2.4.2系统工作原理 11
3 太阳跟踪控制系统的硬件设计 13
3.1硬件总体设计方案 13
3.2传感器结构及信号采集电路 13
3.2.1光电池的特性参数 14
3.2.2光电池的型号 14
3.3跟踪控制系统的硬件设计 14
3.3.1单片机的选型 14
3.3.2电源电路 16
3.3.3外部时钟电路 17
3.3.4复位电路 18
3.4 C8051F330的ADC0子系统 18
3.5开关量输入电路 19
3.6步进电机驱动与控制模块 20
3.6.1步进电机概述 20
3.6.2步进电机的分类及工作原理 21
3.6.3 步进电机的选着 23
3.6.4步进电机控制系统 23
3.6.5串并行控制 23
3.6.6步进电机细分驱动控制 24
3.6.7步进电机加减速控制 25
3.6.8步进电机驱动电路 25
3.7 传动部分 28
3.8通信模块 28
3.8.1 RS-485 28
3.8.2 RS-485芯片的选着及其电路设计 29
4 结论 31
致谢 32
参考文献 33
附件 37

VI
1 绪论
1 绪论
1.1课题背景
1.1.1发展太阳能的背景
能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，还有水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代，或称地上能时代。到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源(煤炭、石油、还有天然气、地热能等)，可称为煤石能时代，或地下能时代。随着世界经济的发展进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战，作为世界主要能源的石油，其价格居高不下，前期每桶原油最高单价已突破100美元。虽然人类的科学技术正在高速发展，但面对石油这些不可再生性的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到21世纪80年代，石油、天然气资源将枯竭。到22世纪20年代，煤资源也将被耗尽。即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短缺的间题，已探明储量的铀矿资源也将在2030年前开采完[1]。
从我国的能源利用状况来看，自上世纪70年代初开始，我国已经经历了三次大的能源危机：1970-1984年间持续的能源供应紧张局面使全国约25%的企业开工不足；1988年再次出现类似情况，农业用电缺口超过60%，推动煤炭价格在当年涨幅达到87%，成为1989年以后小煤窑遍地开花的驱动力；2000年以来伴随着国际能源危机的逐步加深，我国能源供应紧张，主要常规能源的价格涨幅已达103%，大量进口石油引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重要影响因素。资料表明，作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3位；基本能源消费占世界总消费量的10.4%，仅次于美国，居世界第2位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。2005年一次能源消费量为15.4亿吨油当量，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。然而2005年，世界人均一次能源消费量为1.65吨油当量，日本、美国分别为4.13吨和7.97吨油当量，而中国仅为1.18吨油当量，约为世界平均水平的3/4、日本的1/4、美国的1/7。预计到2010年，我国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。而且，随着中国的工业化和城市化进程，在基础设施建设和民用建筑阶段，能源需求量特别大，
1
西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）
目前能源消费总量已经接近欧盟15国的总量。值得注意的是，过去二十多年来，我国汽车保有量以年均2%的速度迅速增加，亚太能源研究中心的预测，2020年我国交通部门的用能比例将增长到16%。与此同时，能源资源相对短缺又制约了我国能源产业的发展，能源技术相对落后影响了能源供给能力的提高。目前，国内的能源生产已经远远不能满足高速经济增长，能源进口量持续增加，能源对外依存度在7%左右，其中石油对外依存度在43%左右。有专家预测，到2020年前后，中国有可能成为世界第一大油品进口国[1-3]。
就我国实际情况来看，我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其它国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。近20年来，中国光伏产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2003、2004年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度增长，2003年达1.2万千瓦，约占世界份额的2.2%，2004年达3.5万千瓦，约占3%。为解决我国的能源短缺问题，太阳能发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色。国务院参事、中国可再生能源协会理事长石定寰在上海召开的“第二届中欧国际太阳能光伏产业发展论坛”上预计，2010年中国太阳能光伏发电装机容量达1GW，2015年预计达5GW，2O2O年达20GW。而2005年，全国太阳能发电装机容量仅为6.5MWp，这就意味着在未来的几年内，中国太阳能装机容量的复合增长率将会高达38%以上。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。国内太阳能电池产业主要应用在通信和工业领域(约占36%)、农村和边远地区领域(约占51%)、光伏并网发电系统(约占4%)以及太阳能商品及其它(约占9%)[4-6]。
由此可见，面对日益严重的能源危机，根本出路在于尽快从采用煤石能转而采用太阳能，即从地下能时代转向天上能时代，或称太阳能时代。太阳能比起煤石能具有众多优点，具有不断再生性，能源分布范围广泛，安全，无污染，可谓取之不尽，用之不竭，能够全面保护自然平衡与气候温度平衡，便于开发与使用等。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。因此，太阳能等可再生能源产业的技术进步及世界各国政府支持已使可再生能源行业爆发式发展。根据欧洲、日本等能源机构预测，2020年，光伏发电将占到全球发电量的1％，2040年将占到全球发电量的21％，2050年左右，太阳能将成为全球主力替代能源[7-8]。
1.1.2国内外太阳能利用现状
从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。自20世纪80年代以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。美国颁布一系列优惠政策， 2005年能源政策法规定，光伏系统投入费用可免税30%。据SEIA的统计，2005年美国太阳能光伏市场增长达72%。美国新的太阳能启动计划对太阳能项目研究的资助2006年达到6500万美元，2007年将达到1.48亿美元，而对美国国家可再生能源实验室（NREL）的太阳能研发资助达4500万美元，其研究目标是到2015年使光伏能量可与其它电源相竞争。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”。日本政府决定将在2008年成立由国内外专家组成的国际研究机构，专门从事低成本新型太阳能板的研制开发，并在年度预算中列入相关经费20亿日元。据国际能源机构的统计，2006年包括企业在内，日本的太阳能发电容量为171万千瓦。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。日本政府的目标是，在2030年之前要将住宅用太阳能电力容量(现在为130万千瓦)扩大到30倍。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。德国对可再生能源的利用通过立法、政府大量补贴等措施，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。德国2005年太阳能投资为37亿欧元，与风电和生物能一样同属发展最快的新能源之一。根据太阳能协会BSW的数据，德国在2006年前3年中，太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其它国家平均水平高一倍。全球最大的太阳能发电厂于2006年9月在德国南部巴伐利亚州投入使用，其发电总容量达12兆瓦，能够为3500多个家庭供电。该发电厂拥有1400多个可移动太阳能吸热发电板，这些发电板能够随着太阳的移动而自动旋转，从而最大限度吸收太阳热能。这项技术使这家发电厂的发电能力比普通太阳能发电厂高出35％。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%。此外，在节能建筑应用太阳能方面，欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。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。近几年来发达国家的“零能房屋”已有相当发展水平，许多国家的政府（如美国、德国）还制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20％的计划，如德国实施的"绿电计划"—10万家屋顶光伏发电计划自1999年开始实施，2003年该计划顺利完成。目前，光伏发电已向德国普通家庭推广。日本自1992年启动了“新阳光计划”，同时颁布了新的净电计量法，要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量，并实行补贴政策。日本居民光伏屋顶系统最近5年平均年增长率为96.7%[9-12]。
我国光伏产业发展从20世纪50年代开始研究，到70年代开展空间应用和地面应用，光伏产业初步形成实际上是从20世纪50年代中后期开始，并在90年代以后才得到迅速发展。目前，随着《中华人民共和国可再生能源法》的颁布和实施、京都议定书的签定以及各项环保政策的出台和对国际的承诺，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保障，给太阳能利用产业带来机遇。再加上西部的大开发，原油价格的上涨，中国能源战略的调整，以及政府加大对可再生能源发展的支持的力度，所有的这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。随着无锡尚德太阳能电力有限公司成功登陆纳斯达克，国内掀起一股进军光伏产业的热潮。目前，我国的太阳能光伏产业基地的省份主要集中于环渤海区域，长三角区域的江苏，华中华南地区的湖北以及广东，多晶硅的生产基地则多分布于中西部地区，其中江苏的光伏产业位居全国前列，以无锡尚德太阳能电力有限公司为代表的企业已具备较好的产业基础。据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，我国是太阳能资源丰富的国家之一，我国有荒漠面积108万平方公里，大多分布在光照资源丰富的西部高原地区，一平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年能发电1.5亿度。只要开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。看来，在我国加快采用太阳能是有很好的基础的。据发展改革委能源局介绍，截至2006年年底，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达１亿平方米，生产量和使用量均居世界第一。全国有1000多家太阳能热水器生产企业，年总产值近120亿元，已形成较完整的产业体系，从业人数达20多万人。到2020年，太阳能光伏发电将达到180万千瓦，太阳能热水器总面积将达到３亿平方米，太阳能利用年替代能源6000万吨标准煤 [13-14]。
1.1.3太阳能利用的基本方式
太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。人类直接利用太阳能、已有上千年的历史，其而利用的途径主要有以下几种：
光热转换。它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。这种途径虽最古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于100℃。较高一些的也只有几百摄氏度。显然，它的能源应用难度较低，适合于直接利用。
光电转换。将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换”。这是近几十年才发明和发展起来的。由于电能的位品相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。
光化学转换。通过光化学作用转换成电能或制氢。它也是利用太阳能的一个途径。二三十年前有不少人对此做了许多研究。近来报道不多。目前仍处于研究、开发阶段。
光生物转换。通过光合作用收集与储存太阳能。近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。
1.2课题研究的目的和意义
随着现代社会和经济的发展，人类对能源的需求不断增加，然而传统能源资源又相对匮乏，另外大量使用化石燃料对环境危害较大。因此，采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走可持续发展道路的重大措施。这对于世界尤其是我国是十分迫切的。
太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为未来全球解决能源危机的最具独特优势的重要途径。
太阳能的利用，有利于自然界的环境保护，因此如何更进一步地提高太阳能光伏发电装置的效率，无论是从科技应用的角度，还是从商业开发的角度讲都是极其重要的课题。然而，太阳能强度和方向的不确定性及光照间歇性等特点，给太阳能的收集带来了一定难度。如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能设备的能量转换率，二是提高设备的能量接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。
然而传统的固定式太阳能采集系统没有充分利用太阳的能量，吸收效率相对较低。据试验测定，相同条件下，采用自动跟踪系统的太阳能发电设备比固定式太阳能发电设备的发电量要提高35％ [15-16]。因此，太阳位置自动追踪技术的研究，对提高太阳能的吸收效率，高效、合理地利用太阳能具有重要的研究价值。
1.3国内外研究现状分析
国外对太阳跟踪的研究历来比较重视。比如美国Blackace，在1997年研制了单轴跟踪器，这种跟踪装置根据赤道坐标系下太阳运行的原理完成东西方向的自动跟踪，但南北方向通过手动调节，接收器的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，使热接收率进一步提高。Joel.H.Goodman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳。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。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用单轴太阳能跟踪装置。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪功能。近几年来国内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》杂志介绍了单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪，国家气象局计量站在1990年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。就现阶段国内外对太阳跟踪的研究情况来看，由于受太阳能应用系统成本的影响，普遍采用半自动单轴跟踪方式。随着科学技术的不断发展，光伏转换效率的提高，太阳跟踪装置的研究会朝着全自动太阳跟踪的方向发展。全自动跟踪太阳装置是根据地平坐标、双轴跟踪原理，采用光、机、电一体化技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，能做到同步无偏差地跟踪太阳，大大提高了太阳能的接收效率。
1.4课题的主要类容
因光伏电池的输出特性受外界因素影响较大，如何对光伏系统进行有效控制使其能够工作在最佳的状态，有效的利用太阳能，从而能够产生更多的电能，是一个非常重要的课题。本文所介绍的太阳跟踪装置采用了新的跟踪策略，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括：
①了解太阳能利用的相关背景知识。
②研究太阳跟踪控制系统的相关资料、技术要求。
③研究和设计出太阳跟踪控制系统方案。
④设计和画出太阳能光伏发电跟踪控制系统硬件原理图。
1.5论文结构
本文分为以下几个部分：1、绪论，介绍了本课题的研究内容、意义及国内外研究现状；2、系统工作原理和总体设计；3、太阳追踪和跟踪控制系统硬件设计；4、总结本课题。

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2 系统工作原理及总体设计
2 系统工作原理及总体设计
2.1太阳运动规律
2.1.1太阳与地球的位置关系
地球每天围绕通过它本身南极和北极的一个假想轴——地轴自西向东自传一周，每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24时，所以地球每小时自转15度。在自转的同时。地球围绕太阳在一个椭圆形轨道上公转，每公转一周为一个太阳年、它等于365天5小时48分。即365．241天，因此每四年须闰一日。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)的法线倾斜成23.27度的夹角，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，这也是太阳赤纬角的最大值。在地球围绕太阳公转的一年中有四个特殊的日期，这就是受地球倾斜运动影响最大的冬至和夏至以及不受地球倾斜运动影响的春分和秋分。在北半球，春分大约是3月21日、夏至是6月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。夏至的白天最长而冬至的黑夜最长；春分和秋分的昼夜各12个小时。
在设计太阳能应用系统时，不可避免地都会涉及到地球和太阳的位置关系，如太阳高度角、方位角等问题。
a. 地平坐标系
以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2.1所示。通过天顶和太阳（任一天体）X作一大圆，叫做地平经圈；地平交地平面于M点；从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为方位角γs(地平经度)；弧XM为高度角α（地平纬度），向上为正，向下为负。弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。显然Z=90°-α。

图2.1地平坐标系 图2.2时角坐标系

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西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）
b. 时角坐标系
以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系为时角坐标系或第一赤道坐标系，如图2.2所示。通过北天极和太阳X作一个大圆，叫做时圈；时圈交天赤道于T点；从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角ω，ω以度、分，秒单位来表示，也可以用时，分，为单位来表示；弧XT为赤纬角δ，δ以度、分，秒单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。当天体作周日运动时，天体的赤纬δ不随周日运动而变化，但天体的时角ω却从0°均匀地增加到360°秒。
2.1.2相关角度的计算
在太阳能的地面应用中，绝大部分的采光组件或阵列的安装形式并非水平，而是以与地平面成一定夹角的倾斜形式安装。所以有必要分析倾斜面在特定时间 及地点下的太阳入射计算。
a. 有关角的定义
假如太阳能采光组件的倾斜角度和方位角已经确定，要计算入射在采光组件表面上的太阳直射辐射的能量，就必须定义一些角度。
太阳光线入射角θ：太阳光线和采光组件表面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。太阳光线可以分为两个分量，一个垂直于采光面，一个平行与采光面，只有前者的辐射能北采光面所截取。由此可见，实际使用时应该是入射角θ越小越好，这也就是所说的跟踪。
太阳高度角α和太阳方位角γs:从地面某一观测点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角α叫做太阳的高度角。该射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角θz.。其中α+θz=90°。太阳光线在地面上的投影线与正南方的夹角γs，为太阳的方位角。并规定，向西为正，向东为负。采光组件的方位角γ：采光组件表面法线在地面上有个投影，此投影线与正南方的夹角为采光组件的方位角。采光组件的倾斜角β：采光组件平面与水平面的夹角称为采光组件的倾斜角度。以上角度如图2.3所示。

图2.3倾斜面有关几何角度
b. 角度之间的关系和有关公式
采光组件所获得的太阳辐射量主要取决于太阳入射角θ，而θ是太阳赤纬角δ、太阳时角ω、地理纬度φ、采光组件倾斜角β、采光组件方位角γ和的函数，它们的具体关系是:
(2.1)
其中太阳赤纬角δ可由Cooper方程式(2.2)近似计算：n：一年中的天数，如：在春分，n=81，则δ=0。
（2.2）
ω=(t-12)×15° （2.3）
时角计算公式见式(2.3)，T为当地时间，按小时计算。地球自转一周为 360°，相应的时间为24h，每1h地球自转的角度定义为太阳时角ω，则ω＝360°／24＝15°，正午时角为零．其它时辰时角的数值等于离正午的时间(h)乘以15。上午时角为负值，下午时角为正值，例如，上午10时和下午2时的时角分别为-30°及+30°。
从式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，当δ，ω，φ确定后，采光组件倾角β和方位角γ的值决定了直接日射入角θ，因此只要控制采光组件使其倾角和方位角有合适的值，就可以保证太阳光线入射角θ为0，从而最大限度地收集太阳能。
故我们可以根据不同地区的情况确定一个合适的太阳能阵列的固定的安装角，从而能最大效率利用太阳能。
2.2跟踪方式的比较
目前国内外跟踪太阳的主要方法可以分为三种：①视日运动轨迹跟踪②光电跟踪③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。现就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。
2.2.1视日运动轨迹跟踪
视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。视日运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用: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。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪。工作原理基本相似。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能电池板垂直，收集太阳能的效果并不理想 [17][18]。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角一方位角式全跟踪。在双轴跟踪中极轴式全跟踪