帶有風(fēng)力載荷保護(hù)的光伏發(fā)電太陽跟蹤系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

1、摘 要太陽能是一種清潔無污染的能源，取之不盡，用之不竭，其發(fā)展前景非常廣闊，利用太陽能發(fā)電已經(jīng)成為全球矚目的一個(gè)具有深遠(yuǎn)意義的研究課題。但是太陽能具有間歇性及強(qiáng)度和方向不確定的特點(diǎn)，給太陽能的收集帶來了一定難度。一般的固定式太陽能采集系統(tǒng)沒有充分利用太陽的能量，吸收效率比較低。因此，在太陽能利用中，對太陽位置進(jìn)行自動(dòng)跟蹤是很有必要的。跟蹤式光伏發(fā)電即光伏陣列能夠自動(dòng)跟蹤太陽的位置，使光伏陣列始終保持與太陽光線垂直，從而獲得最大的輸出功率。在晴天時(shí)，通過太陽光跟蹤傳感器判斷太陽光與光伏電池陣列平面是否垂直，如果垂直，則不驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；如果不垂直則發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電池

2、板轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽光與電池板垂直，這樣周而復(fù)始的工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，從而獲得最大的能量。在陰天或多云，光線不正常時(shí)，系統(tǒng)通過當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽的方位角和高度角，并通過位置傳感器判定電池板陣列的當(dāng)前位置，控制單元發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，使電池板跟隨太陽的運(yùn)行軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤太陽的目的。光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池兩大類。其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池；化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化稼光伏電池等。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用最多的主要是單晶硅和多晶硅光伏電池。

3、關(guān)鍵詞 太陽能電池板；光電效應(yīng)；反光鏡；聚焦；自動(dòng)跟蹤器；步進(jìn)電機(jī)AbstractThis design is aimed for the low utilization of solar power. The design principle is based on a common starting pointthe rotation and revolution of the Earth around the Sun. Through two stepper motors to simulate the rotation and revolution of the Earth aroun

4、d the Sun., the sun light can always maintain a normal incidence with reflecting mirror. Through the reflecting mirrors, suns ray can be focus on solar panels. The solar energy utilization of fixed solar energy generators is. The solar energy utilization of the automatic solar cells tracking system

5、we designed is , which is five times of the fixed solar energy generators. Therefore, the cost of solar power generation has reduced dramatically. But, compared to water and fire power, the cost of it is still high. During the solar tracker automatically generating process, as the concave mirror has

6、 collect some solar energy and focus them on the 10 cm square solar cell board, so a certain amount of heat was produced when transformed into electrical energy. In order to lower the temperature of solar panels, we have installed some snake-like cooling pipe on solar panels. While cooling down, the

7、 snake-like cooling pipe could produce heat and the heat can be used to supply heating or bath applications. From the aspect of the utilization of solar energy, the cost of solar tracker automatically generator is close to water and fire power. It has made great contribution to the global environmen

8、t and valuable for the rural-small factories as well.Key words : solar panels; photoelectric effect; mirror; Focus; automatic tracking device; stepping motor; 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc325132404 摘 要 PAGEREF _Toc325132404 h I HYPERLINK l _Toc325132405 Abstract PAGEREF _Toc325132405 h II HYP

9、ERLINK l _Toc325132406 1 緒論 PAGEREF _Toc325132406 h 1 HYPERLINK l _Toc325132407 太陽能開發(fā)的意義 PAGEREF _Toc325132407 h 1 HYPERLINK l _Toc325132408 太陽能開發(fā)利用的目的 PAGEREF _Toc325132408 h 1 HYPERLINK l _Toc325132409 1.3 利用太陽能的方法 PAGEREF _Toc325132409 h 1 HYPERLINK l _Toc325132410 1.4 太陽能電池的特點(diǎn) PAGEREF _Toc325132

10、410 h 2 HYPERLINK l _Toc325132411 1.4.1 太陽能利用的經(jīng)濟(jì)問題 PAGEREF _Toc325132411 h 3 HYPERLINK l _Toc325132412 1.4.2 提高太陽能利用率的方法 PAGEREF _Toc325132412 h 3 HYPERLINK l _Toc325132413 2太陽能電池 PAGEREF _Toc325132413 h 4 HYPERLINK l _Toc325132414 2.1 太陽能電池 PAGEREF _Toc325132414 h 4 HYPERLINK l _Toc325132415 2.1.1

11、太陽能電池的分類 PAGEREF _Toc325132415 h 4 HYPERLINK l _Toc325132416 硅太陽能電池 PAGEREF _Toc325132416 h 4 HYPERLINK l _Toc325132417 2.1.1.2 聚合物多層修飾電極型太陽能電池 PAGEREF _Toc325132417 h 4 HYPERLINK l _Toc325132418 納米晶太陽能電池 PAGEREF _Toc325132418 h 5 HYPERLINK l _Toc325132419 納米晶化學(xué)太陽能電池 PAGEREF _Toc325132419 h 5 HYPERL

12、INK l _Toc325132420 有機(jī)太陽能電池 PAGEREF _Toc325132420 h 5 HYPERLINK l _Toc325132421 光伏發(fā)電的基本原理 PAGEREF _Toc325132421 h 5 HYPERLINK l _Toc325132422 常用的硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc325132422 h 6 HYPERLINK l _Toc325132423 2.2.2 硅太陽能電池的生產(chǎn)流程 PAGEREF _Toc325132423 h 8 HYPERLINK l _Toc325132424 2.3 太陽能電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 PAGER

13、EF _Toc325132424 h 9 HYPERLINK l _Toc325132425 2.3.1 全球太陽能電池現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc325132425 h 9 HYPERLINK l _Toc325132426 2.3.2 我國太陽能電池現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc325132426 h 11 HYPERLINK l _Toc325132427 2.4 太陽能電池及太陽能發(fā)電前景 PAGEREF _Toc325132427 h 12 HYPERLINK l _Toc325132428 3 太陽能自動(dòng)跟蹤器設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc325132428 h 13 HYP

14、ERLINK l _Toc325132429 3.1 自動(dòng)跟蹤器的原理 PAGEREF _Toc325132429 h 13 HYPERLINK l _Toc325132430 3.2 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc325132430 h 14 HYPERLINK l _Toc325132431 3.2.1 跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 PAGEREF _Toc325132431 h 14 HYPERLINK l _Toc325132432 3.2.2 太陽位置的確定 PAGEREF _Toc325132432 h 14 HYPERLINK l _Toc325132433 3

15、.2.3 太陽高度角和方位角的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132433 h 18 HYPERLINK l _Toc325132434 .3.1 太陽高度角和方位角的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132434 h 20 HYPERLINK l _Toc325132435 冷卻系統(tǒng) PAGEREF _Toc325132435 h 20 HYPERLINK l _Toc325132436 4 設(shè)計(jì)原始參數(shù) PAGEREF _Toc325132436 h 21 HYPERLINK l _Toc325132437 4.1 風(fēng)力載荷的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132437 h 21

16、 HYPERLINK l _Toc325132438 4.1.1 在地理上 PAGEREF _Toc325132438 h 21 HYPERLINK l _Toc325132439 4.1.2 風(fēng)載的估算 PAGEREF _Toc325132439 h 21 HYPERLINK l _Toc325132440 4.2 太陽能凹形反射鏡的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325132440 h 23 HYPERLINK l _Toc325132441 4.2.1 焦點(diǎn)的相對直徑的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132441 h 23 HYPERLINK l _Toc325132442 4.2.2

17、 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取 PAGEREF _Toc325132442 h 24 HYPERLINK l _Toc325132443 5 太陽能跟蹤器設(shè)計(jì)計(jì)算 PAGEREF _Toc325132443 h 25 HYPERLINK l _Toc325132444 5.1 中心聯(lián)接軸設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325132444 h 25 HYPERLINK l _Toc325132445 5.1.1 聯(lián)接軸的受力分析 PAGEREF _Toc325132445 h 25 HYPERLINK l _Toc325132446 彎矩的計(jì)算及彎矩圖 PAGEREF _Toc325132446 h 26 HY

18、PERLINK l _Toc325132447 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 PAGEREF _Toc325132447 h 26 HYPERLINK l _Toc325132448 滑動(dòng)螺旋的傳動(dòng) PAGEREF _Toc325132448 h 26 HYPERLINK l _Toc325132449 選擇材料和許用應(yīng)力 PAGEREF _Toc325132449 h 26 HYPERLINK l _Toc325132450 按耐磨性計(jì)算螺紋中經(jīng) PAGEREF _Toc325132450 h 27 HYPERLINK l _Toc325132451 自鎖性驗(yàn)算 PAGEREF _Toc32513245

19、1 h 27 HYPERLINK l _Toc325132452 螺桿強(qiáng)度驗(yàn)算 PAGEREF _Toc325132452 h 27 HYPERLINK l _Toc325132453 螺桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算 PAGEREF _Toc325132453 h 28 HYPERLINK l _Toc325132454 螺母螺紋強(qiáng)度驗(yàn)算 PAGEREF _Toc325132454 h 28 HYPERLINK l _Toc325132455 圓柱直齒輪的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325132455 h 29 HYPERLINK l _Toc325132456 選擇齒輪類型、材料、精度、及齒數(shù) PAGE

20、REF _Toc325132456 h 29 HYPERLINK l _Toc325132457 納米晶化學(xué)太陽能電池 PAGEREF _Toc325132457 h 29 HYPERLINK l _Toc325132458 選齒輪材料 PAGEREF _Toc325132458 h 29 HYPERLINK l _Toc325132459 小齒輪齒數(shù)選 PAGEREF _Toc325132459 h 29 HYPERLINK l _Toc325132460 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325132460 h 29 HYPERLINK l _Toc325132461 確定公式內(nèi)各

21、參數(shù) PAGEREF _Toc325132461 h 29 HYPERLINK l _Toc325132462 選擇載荷系數(shù) PAGEREF _Toc325132462 h 29 HYPERLINK l _Toc325132463 5.3.2.3 計(jì)算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 PAGEREF _Toc325132463 h 30 HYPERLINK l _Toc325132464 5.3.2.4 選齒寬系數(shù) PAGEREF _Toc325132464 h 30 HYPERLINK l _Toc325132465 5.3.2.5 由6查得材料的彈性影響系數(shù) PAGEREF _Toc325132465 h

22、30 HYPERLINK l _Toc325132466 選齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 PAGEREF _Toc325132466 h 30 HYPERLINK l _Toc325132467 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325132467 h 30 HYPERLINK l _Toc325132468 幾何尺寸計(jì)算 PAGEREF _Toc325132468 h 30 HYPERLINK l _Toc325132469 步進(jìn)電機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc325132469 h 31 HYPERLINK l _Toc325132470 選擇步進(jìn)電機(jī)相數(shù) PAGEREF _Toc3

23、25132470 h 31 HYPERLINK l _Toc325132471 5.4.2 最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132471 h 31 HYPERLINK l _Toc325132472 摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132472 h 31 HYPERLINK l _Toc325132473 總加速轉(zhuǎn)矩 PAGEREF _Toc325132473 h 31 HYPERLINK l _Toc325132474 最大必要（靜態(tài)）轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132474 h 31 HYPERLINK l _Toc325132475 查表選電

24、機(jī) PAGEREF _Toc325132475 h 32 HYPERLINK l _Toc325132476 6 發(fā)電量的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132476 h 33 HYPERLINK l _Toc325132477 日發(fā)電量的計(jì)算 PAGEREF _Toc325132477 h 33 HYPERLINK l _Toc325132478 結(jié) 論 PAGEREF _Toc325132478 h 34 HYPERLINK l _Toc325132479 致 謝 PAGEREF _Toc325132479 h 35 HYPERLINK l _Toc325132480 參考文獻(xiàn) PAG

25、EREF _Toc325132480 h 361 緒論能源是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要的因素，最近全球爆發(fā)的能源危機(jī)迫使全世界各國都在積極地開發(fā)新能源，在此大的背景形勢下，多種新能源如太陽能、風(fēng)能和生物能等得到快速發(fā)展。其中太陽能以其獨(dú)到的優(yōu)勢更是全世界研究的熱點(diǎn)。但是，光伏電池轉(zhuǎn)換效率低，投入成本大限制了光伏發(fā)電的快速發(fā)展。目前，普遍采用的太陽跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以提高發(fā)電效率，減少成本，因此，得到了廣泛的研究。太陽是一顆恒星，它使我們居住的地球大氣保持溫暖，風(fēng)生云涌，電閃雷鳴，江河奔流，萬物生長。利用開發(fā)太陽能的目的就是利用太陽能的熱。熱利用有太陽能熱力裝置，如熱水器，太陽灶，太陽能干燥、制冷等

26、。光利用有光發(fā)電、光轉(zhuǎn)換等。1.3 利用太陽能的方法1. 光熱轉(zhuǎn)換太陽能光熱轉(zhuǎn)換屬目前世界范圍內(nèi)太陽能利用的一種最普及最主要的形式，它是利用太陽光照射物體表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)?，F(xiàn)在的主要應(yīng)用包括太陽能熱水器、干燥器、溫室與太陽房、太陽灶、采暖和制冷、海水淡化裝置，太陽能熱發(fā)電裝置等。光電轉(zhuǎn)換太陽能光電轉(zhuǎn)換主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子空穴對，在PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），從而實(shí)現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)化的目的。通常所用的半導(dǎo)體材料主要是硅。眾所周知，在地球表面太陽能的能量密度低（），而且不穩(wěn)定連續(xù)。用太陽能電池及相應(yīng)儲(chǔ)存技術(shù)可大面積采集、儲(chǔ)存太陽能，以適應(yīng)人們動(dòng)作和日常生活

27、需要。太陽能電池的研究能夠解決這一問題。光化學(xué)轉(zhuǎn)換光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括光合作用和光電化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，染料敏化鈉米薄膜太陽能電池具有成本低廉，制作工業(yè)簡單的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。它通過染料光敏化劑吸收太陽光的能量，使染料分子中的電子發(fā)生躍遷，最后電子進(jìn)入收集電極，通過外回路產(chǎn)生光電流。這種技術(shù)的發(fā)展，將使人們利用太陽能的形式向智能化發(fā)展。太陽能的利用水平取決于太陽能材料的發(fā)展水平。新材料、新工藝的出現(xiàn)，可進(jìn)一步提高人類利用太陽能的水平。歐美有百萬屋頂發(fā)電計(jì)劃并在制訂太空發(fā)電戰(zhàn)略，我國正在西部地區(qū)實(shí)施陽光發(fā)電工程。1.4 太陽能電池的特點(diǎn)太陽能是一種把太陽光轉(zhuǎn)換成電能

28、的綠色可再生能源。與其他常規(guī)能源相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：太陽能取之不盡、用之不竭。據(jù)估算，一年之中投射到地球的太陽能，其能量相當(dāng)于137萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的熱量，大約為目前全球一年內(nèi)利用各種能源所產(chǎn)生能量的兩萬倍。太陽能在轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)產(chǎn)生危及環(huán)境的污染。太陽能資源遍及全球，可以分散地、區(qū)域性地開采。我國約有2/3的地區(qū)可以較好利用太陽能資源。光伏發(fā)電是間歇性的，有陽光時(shí)才發(fā)電，且發(fā)電量與陽光的強(qiáng)弱成正比關(guān)系。光伏發(fā)電是靜態(tài)運(yùn)行，沒有運(yùn)動(dòng)部件，壽命長，無需或極少需要維護(hù)。光伏系統(tǒng)模塊化，可以安裝在靠近電力消耗的地方，在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，可以降低輸電和配電成本，增加供電設(shè)施的可靠性。優(yōu)點(diǎn) 普遍：太

29、陽光普照大地，無論 HYPERLINK :/baike.baidu /view/94074.htm t _blank 陸地或 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2860.htm t _blank 海洋，無論 HYPERLINK :/baike.baidu /view/226164.htm t _blank 高山或 HYPERLINK :/baike.baidu /view/94076.htm t _blank 島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運(yùn)輸。 無害：開發(fā)利用太陽能不會(huì)污染環(huán)境，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。

30、 巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。 長久：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。缺點(diǎn)： 分散性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時(shí)太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1平方米面積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，則只有200W左右。而在冬季大致只有一半，陰天一般只有15左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時(shí)，想要得到

31、一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價(jià)較高。 不穩(wěn)定性：由于受到 HYPERLINK :/baike.baidu /view/366637.htm t _blank 晝夜、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/349682.htm t _blank 季節(jié)、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/959526.htm t _blank 地理緯度和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/36833.htm t _blank 海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽輻

32、照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。 效率低和成本高：目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因?yàn)樾势?，成本較高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。1.4.1 太陽能利用的經(jīng)濟(jì)問題世界上越來越多的國家認(rèn)識(shí)到一個(gè)能夠持續(xù)發(fā)展的社會(huì)應(yīng)

33、該是一個(gè)既能滿足社會(huì)需要，而又不危及后代人前途的社會(huì)。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價(jià)格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭約占商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的76，已成為我國 HYPERLINK :/baike.baidu /view/42413.htm t _blank 大氣污染的主要來源。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時(shí)期遲早要到來。從長遠(yuǎn)看，太陽能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源

34、價(jià)格的上漲。 提高太陽能利用率的方法由能量關(guān)系我們知道，在能量的轉(zhuǎn)換中，不可避免的要損失一些能量。因而，我們要盡可能地減少能量轉(zhuǎn)換，并且注重能量轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)換工具的效率。提高太陽能利用率，就是從這兩方面入手。就太陽能發(fā)電而言，有兩種轉(zhuǎn)換方式：一種是光能熱能電能，是先把太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換成為熱量，然后再用轉(zhuǎn)換的熱量再次轉(zhuǎn)換成電能，稱之為熱發(fā)電。另一種是通過光能電能，是利用光電材料，將太陽光直接變換為電能輸出，稱之為光發(fā)電。不難看出，前一種的能量損失一定比后一種的能量損失大。從能量轉(zhuǎn)換來分析，顯然第二種比第一種利用率高。當(dāng)然，利用率的高低還要取決于它的設(shè)計(jì)方案、應(yīng)用原理及使用是否合理。從技術(shù)上講，第一

35、種能量轉(zhuǎn)換雖然次數(shù)多了一些，但技術(shù)難度不大，而且從造價(jià)上也是比較便宜的，技術(shù)相對比較完備。然而第二種能量形式的轉(zhuǎn)換技術(shù)不是相對成熟，還存在一些問題。因?yàn)楣怆姴牧暇褪且约夹g(shù)難題，而且價(jià)格比較昂貴。但前景廣闊，并且各國都相當(dāng)重視在這個(gè)領(lǐng)域的研究。2太陽能電池2.1 太陽能電池 太陽能電池的分類太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、V族(GaAs,InP等)、族(Cds系)和磷

36、化鋅 (Zn 3 p 2 )等。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機(jī)太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。 .1硅太陽能電池硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽

37、能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。.2 聚合物多層修飾電極型太陽能電池以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料

38、來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。.3納米晶太陽能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達(dá)到2O年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場。.4納米晶化學(xué)太陽能電池在太陽能電池中硅系太陽能電池?zé)o疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠(yuǎn)不能滿

39、足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。以染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs）為例，這種電池主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對電極以及電解質(zhì)等幾部分。如圖所示，白色小球表示TiO2，紅色小球表示染料分子。染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及

40、穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達(dá)到20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場。.5有機(jī)太陽能電池有機(jī)太陽能電池，顧名思義，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機(jī)太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里，95以上是硅基的，而剩下的不到5也是由其它無機(jī)材料制成的。光伏發(fā)電的基本原理光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池兩大類。其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池；化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化

41、稼光伏電池等。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用最多的主要是單晶硅和多晶硅光伏電池。當(dāng)適當(dāng)波長的太陽光照到光伏電池上時(shí)，光伏電池吸收光能后在其兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。如果在產(chǎn)生的電動(dòng)勢兩端并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。光伏電池等效電路如圖1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏電池單元輸出功率較小，一般不單獨(dú)作為電源使用。把每個(gè)單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列(簡稱光伏陣列)，輸出功率可達(dá)幾百瓦、幾千瓦或者是更大的功率。與傳統(tǒng)的火電發(fā)電

42、方式相比較，它無旋轉(zhuǎn)部分、無氣體排出、無噪音，因此，是無污染清潔的發(fā)電系統(tǒng)。常用的硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下： HYPERLINK :/solarphotovoltaic.blogspot / t _blank 圖2.2.1.1圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖： HYPERLINK :/solarphotovoltaic.blogspot / t _blank 圖2.2.1.2圖中，正電荷表示硅原子，

43、負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導(dǎo)體。同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。 圖2.2.1.3N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢差，這就是PN結(jié)。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊

44、的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結(jié)。 圖2.1.1.4當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示） 圖2.1.1.5由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過pn結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部

45、涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），將反射損失減小到5甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成 HYPERLINK :/solarphotovoltaic.blogspot / t _blank 太陽能光電板。 硅太陽能電池的生產(chǎn)流程通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350450m的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。圖

46、2.2.2.1上述方法實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的

47、晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。2.3 太陽能電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀現(xiàn)階段以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。 全球太陽能電池現(xiàn)狀據(jù)Dataquest的統(tǒng)計(jì)資料顯示,目前全世界共有136 個(gè)國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中,其中有95 個(gè)國家正在大規(guī)模地進(jìn)行太陽能電池的研制開發(fā),積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。1998年,全世界生產(chǎn)

48、的太陽能電池,其總的發(fā)電量達(dá)1000兆瓦,1999年達(dá) 2850兆瓦。2000年,全球有將近4600 家廠商向市場提供光電池和以光電池為電源的產(chǎn)品。 目前,許多國家正在制訂中長期太陽能開發(fā)計(jì)劃,準(zhǔn)備在21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)太陽能，美國能源部推出的是國家光伏計(jì)劃, 日本推出的是陽光計(jì)劃。NREL光伏計(jì)劃是美國國家光伏計(jì)劃的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，該計(jì)劃在單晶硅和高級器件、薄膜光伏技術(shù)、PVMaT、光伏組件以及系統(tǒng)性能和工程、 光伏應(yīng)用和市場開發(fā)等5個(gè)領(lǐng)域開展研究工作。美國還推出了太陽能路燈計(jì)劃,旨在讓美國一部分城市的路燈都改為由太陽能供電,根據(jù)計(jì)劃,每盞路燈每年可節(jié)電 800 度。日本也正在實(shí)施太陽能7萬套

49、工程計(jì)劃， 日本準(zhǔn)備普及的太陽能住宅發(fā)電系統(tǒng),主要是裝設(shè)在住宅屋頂上的太陽能電池發(fā)電設(shè)備,家庭用剩余的電量還可以賣給電力公司。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)家庭可安裝一部發(fā)電3000瓦的系統(tǒng)。歐洲則將研究開發(fā)太陽能電池列入著名的尤里卡高科技計(jì)劃，推出了10萬套工程計(jì)劃。 這些以普及應(yīng)用光電池為主要內(nèi)容的太陽能工程計(jì)劃是目前推動(dòng)太陽能光電池產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?。日本、韓國以及歐洲地區(qū)總共8個(gè)國家最近決定攜手合作,在亞洲內(nèi)陸及非洲沙漠地區(qū)建設(shè)世界上規(guī)模最大的太陽能發(fā)電站,他們的目標(biāo)是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區(qū)的長時(shí)間日照資源有效地利用起來,為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。計(jì)劃將從2001年開始，花4年時(shí)

50、間完成。Rubio F.R.提出的一種應(yīng)用新的控制策略即復(fù)合跟蹤系統(tǒng)的雙軸太陽跟蹤器，如圖所示，包括建立在太陽運(yùn)動(dòng)模型上的開環(huán)跟蹤策略和一個(gè)動(dòng)態(tài)反饋控制器，使跟蹤系統(tǒng)能夠高精度的跟蹤太陽而無需準(zhǔn)確的安裝跟蹤器和校準(zhǔn)。圖.1 雙軸太陽跟蹤器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而使該系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換總效率高達(dá)18%，高于目前平板型硅太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換總效率。獲取當(dāng)?shù)貢r(shí)間和地理位置（包括緯度和經(jīng)度）信息計(jì)算太陽位置，并在高度角和方位角輸出軸上連接位置編碼器，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。圖.2 AMONIX公司的雙軸跟蹤系統(tǒng)20世紀(jì)90年代以來,全球太陽能電池行業(yè)以每年15%的增幅持續(xù)不斷地發(fā)展。據(jù)Dataquest發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)

51、和預(yù)測報(bào)告顯示,美國、日本和西歐工業(yè)發(fā)達(dá)國家在研究開發(fā)太陽能方面的總投資, 1998年達(dá)570億美元;1999年646億美元;2000年700億美元;2001年將達(dá)820億美元;2002年有望突破1000億美元。 我國太陽能電池現(xiàn)狀我國對太陽能電池的研究開發(fā)工作高度重視,早在七五期間,非晶硅半導(dǎo)體的研究工作已經(jīng)列入國家重大課題;八五和九五期間,我國把研究開發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月，國家發(fā)改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發(fā)計(jì)劃，發(fā)改委光明工程將籌資100億元用于推進(jìn)太陽能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)劃到2005年全國太陽能發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量達(dá)到300兆瓦。 2002年，國

52、家有關(guān)部委啟動(dòng)了西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。這一項(xiàng)目的啟動(dòng)大大刺激了太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)建起了幾條太陽能電池的封裝線，使太陽能電池的年生產(chǎn)量迅速增加。我國目前已有10條太陽能電池生產(chǎn)線,年生產(chǎn)能力約為4.5MW,其中8條生產(chǎn)線是從國外引進(jìn)的,在這8條生產(chǎn)線當(dāng)中,有6條單晶硅太陽能電池生產(chǎn)線,2條非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線。據(jù)專家預(yù)測,目前我國光伏市場需求量為每年5MW,20012010年,年需求量將達(dá)10MW,從2011年開始,我國光伏市場年需求量將大于20MW。目前國內(nèi)太陽能硅生產(chǎn)企業(yè)主要有洛陽單晶硅廠、河北寧晉單晶硅基地和四川峨眉半導(dǎo)體材料廠

53、等廠商，其中河北寧晉單晶硅基地是世界最大的太陽能單晶硅生產(chǎn)基地，占世界太陽能單晶硅市場份額的25左右。在太陽能電池材料下游市場，目前國內(nèi)生產(chǎn)太陽能電池的企業(yè)主要有無錫尚德、南京中電、保定英利、河北晶澳、林洋新能源、蘇州阿特斯、常州天合、云南天達(dá)光伏科技、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等公司，總計(jì)年產(chǎn)能在800MW以上。2.4 太陽能電池及太陽能發(fā)電前景目前,太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、 通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元

54、，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。但是，從長遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護(hù)和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。3 太陽能自動(dòng)跟蹤器設(shè)計(jì)原理3.1 自動(dòng)跟蹤器的原理設(shè)計(jì)的原始出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)地球繞太陽視日運(yùn)轉(zhuǎn)，保持太陽光線垂直照射凹鏡面，通過凹鏡面把太陽光線聚焦在太陽能電池板上，太陽能電池板在經(jīng)過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能。而凹鏡面始終能保持太陽光線垂直照射是通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來控制，步進(jìn)電機(jī)A模擬控制地球繞太陽公轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)B模擬地球繞太陽的自轉(zhuǎn)。3.2 太陽能自動(dòng)跟

55、蹤系統(tǒng)組成本設(shè)計(jì)有兩套系統(tǒng)組成：自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。 跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理跟蹤式光伏發(fā)電即光伏陣列能夠自動(dòng)跟蹤太陽的位置，使光伏陣列始終保持與太陽光線垂直，從而獲得最大的輸出功率。在晴天時(shí)，通過太陽光跟蹤傳感器判斷太陽光與光伏電池陣列平面是否垂直，如果垂直，則不驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；如果不垂直則發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽光與電池板垂直，這樣周而復(fù)始的工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，從而獲得最大的能量。在陰天或多云，光線不正常時(shí)，系統(tǒng)通過當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽的方位角和高度角，并通過位置傳感器判定電池板陣列的當(dāng)前位置，控制單元發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過傳

56、動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，使電池板跟隨太陽的運(yùn)行軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤太陽的目的。 太陽位置的確定雖然地球繞太陽運(yùn)行，但相對來說，在地球上觀察到的卻是太陽在天空中移動(dòng)。為了確切地描述太陽在天空中的移動(dòng)與位置，假定地球不動(dòng)，以地球?yàn)橹行模匀我忾L為半徑作一假想球面，天空中包括太陽在內(nèi)的一切星體，均在這個(gè)球面上繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)假想的球體稱為天球。延長地軸線與天球相交的兩點(diǎn)稱為天極，PN為北天極，PS為南天極，PNPS即為天軸。擴(kuò)展地球赤道面與天球相交所成的圓QQ稱為天球赤道(圖2)。由于黃道面(地球運(yùn)行的軌道面，也就是太陽視運(yùn)行的軌道面)與天軸的夾角為66033，則黃道面與天球赤道面夾角為23027，太陽

57、沿著天球黃道周而復(fù)始地繞地球運(yùn)行。圖.1 黃道在天球上的位置太陽在天球上的位置每日、每時(shí)都有變化。為了確定其位置，常用赤道坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系從不同角度來表示。赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)、緯度坐標(biāo)系擴(kuò)展至天球，在地球上與赤道面平行的緯度圈，在天球上則叫赤緯圈；在地球上通過南北極的經(jīng)度圈，在天球上叫做時(shí)圈。以赤緯和時(shí)角表示太陽的位置(見圖3)。所謂時(shí)角，是指太陽所在的時(shí)圈與通過南點(diǎn)的時(shí)圈構(gòu)成的夾角，單位為度。自天球北極看，順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。時(shí)角表示太陽的方位，因?yàn)樘烨蛟谝惶?4 h內(nèi)旋轉(zhuǎn)360o，所以每小時(shí)旋轉(zhuǎn)15o。圖.2 赤道坐標(biāo)系赤緯和時(shí)角地平坐標(biāo)系是以地平圈（通過地心且垂直于當(dāng)?shù)?/p>

58、鉛垂線的切平面無限擴(kuò)大同天球相割而得到的天球大圓。地平圈的兩極是天頂Z和天底Z）為基圈，用太陽高度角hs和方位角As來確定太陽在天球中的位置(見圖4)。所謂太陽高度角是指太陽直射光線與地平面間的夾角。太陽方位角是指太陽直射光線在地平面上的投影線與地平面正南向所夾的角，通常以南點(diǎn)S為0 o，向西為正值，向東為負(fù)值。圖.3 地平坐標(biāo)系高度角與方位角地平坐標(biāo)跟蹤式支架以地平面為參照系，跟蹤的是2個(gè)參數(shù)：太陽高度角（太陽射線與地平面的夾角）和太陽方位角（太陽射線在地面上的投影與正南方向的夾角）。圖.4 地平坐標(biāo)示意圖任何一個(gè)地區(qū)，在日出、日沒時(shí)，太陽高度角hs=0；一天中的正午，即真太陽時(shí)12時(shí)，太陽

59、高度角最大，此時(shí)太陽位于正南(北半球)，即太陽方位角As=0(或180o)。任何一天內(nèi)，按真太陽時(shí)，上、下午太陽的位置對稱于正午。例如15:15對稱于08:45，二者太陽高度角和方位角的數(shù)值相同，只是方位角的符號(hào)相反，上午偏東，方位角為負(fù)值；下午偏西，方位角為正值。 太陽高度角和方位角的計(jì)算某地(測站)在夏至日這一天的方位角是一年中的最大值，冬至日是一年中太陽高度角最小值。了解了這兩個(gè)特殊日子的太陽高度角和方位角，就能夠清楚地知道一年中太陽光線對該地(觀測場)的覆蓋情況。和的計(jì)算公式分別為： （1）說明：（1）當(dāng)?shù)鼐暥?。沈陽地區(qū)：北緯，東經(jīng)。（2）太陽赤緯角。 （2）n為從元旦算起的天數(shù)。 赤

60、緯角以年為周期，在的范圍內(nèi)移動(dòng)，成為季節(jié)的標(biāo)志?！纠浚捍悍謺r(shí)，3月21日或22日，n=81 （3）（3）太陽時(shí)角。 （4）為真太陽時(shí)。（太陽相對于地球的視角，即天文學(xué)上所謂的真太陽時(shí)）理論日出日沒時(shí)角： （5）由（4）、（5）得，每日日出日沒時(shí)刻 （6）.1 太陽高度角和方位角的計(jì)算圖 控制電路框圖設(shè)計(jì)單片機(jī)控制的硬件電路如圖6。采用性價(jià)比高、穩(wěn)定、可操控性很強(qiáng)的51系列單片機(jī)AT89C52，作為控制中心，外圍接Flash存儲(chǔ)器，用來存放一些參數(shù)，例如當(dāng)?shù)鼐暥取惭b日期、時(shí)角修正因了等，時(shí)間由日歷時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生，由(6)式計(jì)算當(dāng)天日出時(shí)刻，由單片機(jī)發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)電路使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生