基于单片机的太阳方位跟踪系统设计
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密 惠 保
第一章绪论
1.1课题研究的背景
目前，世界能源结构中，人类主要利用的是化石能源，其中石油、天然气、煤炭的消费构成分别为41%、23%和27%。而根据目前所探明的储量和消费量计算，这些能源资料仅可供全世界大约消费170年。我国一次能源状况也和世界相仿，据国家1999年政府白皮书估计，目前我国石油剩余可采储量为32.736亿吨，可供开采20年;天然气剩余可采储量11704亿立方米，可供开采60年;煤炭剩余可采储量为1145亿吨，可供开采不足百年。由此可见，在人类开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期仅是一个不太长的阶段，化石能源被新能源取代是历史的必然。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[l]。 [版权所有：http://think58.com]
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。
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(1)储量丰富:经测算表明，太阳每秒能够释放出391x1021喻的能量，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。 [版权所有：http://think58.com]
(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。
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(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]。 [资料来源：http://think58.com]
(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[2ll3]。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。 [资料来源：THINK58.com]
. 1. 2太阳能利用的方式
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]。 [来源：http://www.think58.com]
(1)太阳能集热器
太阳能集热器(solar。ollector)是太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。另外还有一种真空集热器。一个好的太阳能集热器应该能用20一30年。自1980年以来所制作的集热器更应维持40~50年且很少进行维修。 [资料来源：http://www.THINK58.com]
(2)太阳能热水系统 [资料来源：http://www.THINK58.com]
早期最广泛的太阳能应用是用于将水加热，现今全世界己有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置(如电热器等)以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种: [资料来源：http://www.THINK58.com]
1、自然循环式:
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此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在储水箱及收集器中自然流动。由于密度差的关系，水流量与收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。
2、强制循环式:
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热水系统使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知，容易预测性能，亦可推算出若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处，但因其必须利用水，故有水电力、维护(如漏水等)以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。
3、暖房
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利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区己使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳辐射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程为太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间ls]。至于辅助热源则可选择装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置与房间之间等不同设计。当然亦可不用储热装置而选择直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，再加热房间，或透过冷暖房的热装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中(固体、液体或相变化的储热系统)，然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，再把此热空气传送至室内;或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，再利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。 [来源：http://www.think58.com]
4、太阳能发电
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即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。 [资料来源：http://THINK58.com]
上述这些利用方式可以分成两大类，一类是太阳热能的利用，另一类是太阳能发电。两类利用方式首先都要接收太阳辐射，然后再通过相应的设备、装置转换成热能或电能。因此无论何种太阳能利用方式，太阳光的采集都是其利用系统的第一个环节，是否能充分的接收太阳辐射直接影响着整个太阳能利用系统的效率。 [资料来源：THINK58.com]
太阳自动跟踪装置就是一种能够提高太阳辐射的接收效率的自动装置。该装置能够根据太阳在一日内不同时刻的高度角和方位角的变化来调整采光板的角度，从而跟踪太阳在一日内的运行轨迹，使太阳能采光板始终垂直于太阳入射光，充分地接收太阳辐射。因此太阳能自动跟踪装置在太阳能发电和太阳热能利用中都有广泛的应用，对提高太阳能的利用效率有着重大的意义。 [资料来源：www.THINK58.com]
1.3太阳自动跟踪装置的发展
太阳跟踪装置可分为机械式、重力式、压差式、控放式等多种不同的类型[6]
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(1)压差式太阳跟踪器 [资料来源：http://THINK58.com]
这种跟踪装置的采光板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压差达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号， [来源：http://think58.com][资料来源：http://think58.com]
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