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1 绪论
1.1课题研究的背景
能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而随着世界经济持续、高速地发展,能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。当前世界能源消费以化石资源为主。根据专家预测，按目前的消耗量，石油、天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年。同时我们也知道，化石能源的大量开发和利用是造成人类生存环境恶化的主要原因之一，如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应和酸雨的产生。因此，人类必须未雨绸缪，及早寻求替代能源。所以不管是哪一种常规能源结构，人类面临的能源危机都将日趋严重[1]。
针对日趋严重的能源问题，人们对核能、风能、地热能、水力能等可再生能源的利用日益重视。其中，太阳能作为一种洁净的能源，既是一次能源，又是可再生能源，有着化石能源无法比拟的优越性。
1) 储量丰富:经测算表明，太阳每秒能够释放出391x1021kw的能量，而辐射到地球表面的能量虽然只有它二十二亿分之一，但也相当于全世界目前发电量的8万倍。 2) 普遍性:太阳能不像其它的能源那样具有分布的偏集性，它处处都可就地利用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，对解决偏僻边远地区及交通不便的农村，海岛的能源供应，更有其巨大的优越性。
3) 无污染性:人类比以往更强烈地认识到，实现可持续发展、环境保护是发展进程的一个整体组成部分，环境与发展不能相互脱离。在众多环境问题中矿物燃料形成的污染十分严重，而利用太阳能作能源，没有废渣、废气、废水排出、无噪声、不产生有害物质，这在环境污染日趋严重的今天显得尤为可贵[2]。
4) 经济性:随着太阳能利用技术的发展，太阳能利用的成本已经大大下降。世界银行1994年的一项研究认为，许多国家发展太阳能发电站是具有经济性的，并为此给与资助。太阳能电站的运营成本主要由以下几部分组成:建造费、燃料费、运行管理维修及环保投资等。而利用太阳能发电，既不会污染环境，又取之不尽，无处不在。因此从长期来看，其发电成本更小的多，专家们的预测和研究一致认为:21世纪人类最清洁，最廉价的能源就是太阳能[2,3]。因此太阳能资源是可替代能源中最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源。开发太阳能的利用有着重大的意义。
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就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式[4]。
1.2 太阳跟踪国内外发展现状及发展趋势
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。
1.3 课题的目的和意义
1.3.1 研究课题的目的
本课题研究一种基于单片机的光电传感太阳能自动跟踪系统，该装置能自动跟踪太阳光线运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在的平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。 1.3.2 本课题的意义
长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性
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的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。 能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。经研究表明，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义,同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。
太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，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，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，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。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么,它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%,精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。
1.4 本课题的主要研究内容
本文的主要研究内容如下：
1）根据太阳跟踪原理和方法，设计简单、紧凑的机械执行机构，并提出合理的控制策略。
2）根据所需完成的任务，分析系统的硬件要求。
3）根据所提出的控制策略设计控制系统，并选择合适的控制执行部件即步进电
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机，完成光电检测电路的设计。
4）结合做软件部分完成调试，实现精确跟踪。
2 系统总体方案设计
2.1 太阳运行轨迹算法
2.1.1 赤道坐标系
太阳的运行轨迹，即太阳相对地球的位置可由两种坐标系统来描述:赤道坐标系和地平坐标系。在双轴跟踪中极轴式全跟踪采用赤道坐标系，高度角——方位角式全跟踪采用地平坐标系[5,6]。
图2.1 赤道坐标系
赤道坐标系是人在地球意外的宇宙空间里，看太阳相对于地球的位置，这时太阳相对于地球的位置是相对于赤道平面而言，用赤纬角?和时角。这两个坐标表示，如图2.1。
1）赤纬角?
太阳中心S与地球中心O的连线，即太阳光线在地球表面直射点A与地球中心O的连线AO在赤道平面上的投影之间的夹角称为太阳赤纬角(或称太阳赤纬)。它描述l了地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对位置的变化。一年中，太阳光线在地球表面上的垂直照射点的位置在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动，使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复变化。
