（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm的太阳自动跟踪系统设计.pdf

t h ed e s i g no fa u t o m a t i cs u n t r a c k i n gs y s t e mb a s e do na r m b y z h o uq i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n q i n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 】司礁 日期：加f 年6 月2 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：仞ij 年毛月相 日期：渗1 年月 e l 破下删斤 、， ， 基于a r m 的太阳自动跟踪系统设计 摘要 近年来，随着能源危机和环境污染的日益加剧，人们开始加速了对新能源的 研究和开发。而太阳能以其能量分布的广泛性以及清洁安全等优点受到了格外的 青睐。2 0 0 0 年德国率先颁布“可再生能源法”( e e g 法案) ，规定以对光伏发电并 网补贴的方式，支持光伏产业的发展。同时美国、日本、西班牙和中国等国家也 相继推出了促进太阳能光伏产业发展的规划，太阳能电池开始得到了广泛的应用。 由于地球的自转和公转，导致了地球表面太阳光的分布具有分散性和方向性， 固定太阳能发电系统接受到的太阳光能量会随着太阳光入射角的变化而改变。为 了提高太阳能光伏发电系统的发电量，就需要保持太阳能电池板垂直于入射太阳 光。因此，太阳自动跟踪技术的研究，对提高太阳能光电转换效率，高效、合理 地应用太阳能具有重要的意义。 本论文设计并实现了基于3 2 位a r m 微控制器$ 3 c 2 4 4 0 的嵌入式太阳自动跟 踪系统。系统的控制部分采用视日轨迹跟踪，利用太阳轨迹跟踪算法，通过c 语 言编写出相应的程序，计算得出已知地点当前时刻太阳的高度角和方位角，实现 对双轴太阳跟踪系统的开环跟踪控制。系统添加了手动控制模块，能够直接通过 按钮来实现系统位置的手动控制，以便于对系统进行调试和维护。同时实现了用 户通过w 曲网络对系统的实时监控，并且当系统采集温度传感器的数值超过系统 设定的阈值时，将自动进行超温报警，并控制g p r s 模块将此温度异常通过短信 的形式发送到用户手机。结果表明该系统性能稳定，实时性好，能够有效地提高 太阳能的利用率。 关键词：嵌入式系统；太阳跟踪；$ 3 c 2 4 4 0 ：a r m i i a b s t r a c t r e c e n t l v ，a st h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，t h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fn e we n e r g y h a sg o tm o r ea t t e n t i o n t h e s o l a re n e r g yh a s b e e n p a r t i c u l a r l yf a v o r e df o ri t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c ，s u c h a ss a f e ，e n v i r o n m e n t 胁n d l y ， a n di n f i n i t ee n e r g ys o u r c e i n2 0 0 0g e r m a n yg o v e r n m e n te s t a b l i s h e d t h er e n e w a b l e e n e r g yl a w t os u p p o r tt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i c ( p v ) i n d u s t r y b yf e e di nt a r i f f p o l i c y a tt h es a m et i m e ，m a n yo t h e rc o u n t r i e sa l s oh a v em a d ep l a n t os u p p o r tt h ep v i n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，s u c ha st h eu s a ，j a p a n ，s p a i na n dc h i n a ，a n d s oo n s o l a rc e l l b e g a n t ob ew i d e l yu s e d t h es u nl i g h tr e c e i v e db yt h es o l a rs y s t e mi sd i s p e r s i v ea n dd i r e c t i o n a l b e c a u s e o ft h ed i u r n a la n ds e a s o n a lm o v e m e n t o fe a r t h ，t h i sm a k et h es o l a re n e r g yr e c e i v e db y t h es t a t i o n a r ya r r a yc h a n g ew i t ht h ev a r i a t i o no ft h e s u nl i g h ti n c i d e n c ea n g l e i n o r d e rt om a x i m i z i n gp o w e ro u t p u tf r o m t h es o l a rp a n e l s ，o n en e e d st ok e e pt h ep a n e l s a l i g n e d w i t ht h es u n t h e r e f o r e ，t h e s t u d y o fs u nt r a c k i n g c a nm a k eg r e a t c o n t r i b u t i o n st oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo ft h e s o l a r s y s t e m ， a n de x p a n d t h e a p p l i c a t i o no f s o l a re n e r g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n e wt y p eo fs u nt r a c k i n gs y s t e mb a s e do na r m 3 2b i t m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 ( p r o d u c e db ys a m s u n g ) a p r o g r a mb a s e do ns o l a rp o s l t l o n a l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h e s o l a ra l t i t u d ea n da z i m u t h ，w h i c hi su s e dt o d r i v et h em o t o r ，t u r n i n gt h es y s t e mt o w a r dt h e s u n a n dt h em a n u a lc o n t r o ll s d e s i g n e dt om a k e t h es y s t e mm a i n t e n a n c em o r ec o n v e n i e n t t h er e a l t i m em o n l t o r m g o ft h es u nt r a c k i n gs y s t e mc a nb ed o n ew i t ht h ew e b s e r v e ro nt h ee m b e d d e ds y s t e m t h eu s e rc a ne a s i l yc h e c kt h es u nt r a c k i n gs y s t e mb yv i e w i n gt h ew e b s i t e a l s o t h e m i c r o c o n t r o l l e rw i l ls e n da t e x tm e s s a g et ot h eu s e rw h e ni tg e tah l g ht e m p e r a t u r e d a t af r o mt h es e n s o r t h et e s t ss h o wt h a tt h et r a c k i n gc o n t r o ls y s t e m c a nr e a c ht h e e x p e c t e dt a r g e t sa n dh a sg r e a tp r a c t i c a l v a l u ef o rt h ei m p r o v e m e n to fs o l a re n e r g y u t i l z a t j o n k e yw o r d s ：e m b e ds y s t e m ；s u nt r a c k i n g ；$ 3 c 2 4 4 0 ；a r m i i i 基于a r m 的太阳自动跟踪系统设计 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 太阳能简介1 1 2 太阳能光伏发电3 1 3 课题研究的意义一5 1 4 太阳跟踪器的发展历程及现状7 1 5 论文主要研究内容一9 第2 章跟踪系统总体设计方案11 2 1 被动跟踪系统一1 1 2 2 主动太阳跟踪器12 2 2 1 光电跟踪方法1 2 2 2 2 视日轨迹方法1 3 2 3 单轴跟踪和双轴跟踪1 3 2 3 1 单轴跟踪1 4 2 3 2 双轴跟踪1 5 2 4 视日轨迹跟踪原理1 6 2 4 1 太阳跟踪算法1 6 2 4 2 高度角方位角及均时差1 7 2 4 3 太阳高度角和方位角的计算1 8 2 4 4 日出日落时间以及日照时间1 9 2 5 太阳跟踪系统总体设计一1 9 第3 章系统开发平台实现2 0 3 1 嵌入式系统概论2 0 3 2 系统总体功能设计一2 1 3 3 硬件平台设计2 2 3 3 1 微处理器s 3 c 2 4 4 0 a 2 2 3 。3 2 存储器2 3 3 3 3 网络控制器一2 4 3 3 4 数字温度传感器2 5 i v 硕l 毕业论文 3 3 5g p r s 模块2 6 3 3 6 步进电机驱动2 7 3 4 软件平台设计2 8 3 4 1 建立交叉开发环境2 8 3 4 2 引导加载程序2 8 3 4 3 内核定制与移植一2 9 3 4 4 制作根文件系统3 0 3 5 本章小结3l 第4 章系统软件设计3 2 4 1 太阳自动跟踪程序设计3 2 4 2 超温报警程序设计3 3 4 3 太阳轨迹跟踪算法设计3 4 4 3 1 方位角和高度角计算3 5 4 3 2 日出日落时间计算3 6 4 4 设备驱动设计3 7 4 4 1 电机控制端口驱动3 8 4 4 2d sl8 8 2 0 驱动3 9 4 4 3 驱动的添加4 0 4 5 太阳跟踪网络监控程序设计4 1 4 5 1w e b 服务器b o a 的移植4 1 4 5 2c g i 程序设计4 2 4 5 3 网络监控系统显示界面4 3 4 6 系统调试结果分析一：4 4 4 6 1 算法结果与系统累积误差分析4 4 4 6 2 太阳跟踪实验4 5 结 论4 6 参考文献4 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 l 致 射5 2 v 硕孝业论文 第1 章绪论 随着人类历史的发展，人类文明程度不断提高，现代化水平逐步提高，人类 对能源的需求也越来越多。常规能源的逐渐耗尽，能源危机已经成为人们关注的 问题。数百年来全球能源的消耗平均每年以3 的速度增长，虽然很多发达国家 的能源消耗基本趋于稳定，但是大多数的发展中国家由于工业化高速发展，导致 能源消耗不断增加，综合来看全球的能耗依旧以3 的速度增长。中国作为世界 第一人口大国，同时也是能源消耗大国，特别是在改革开放以来，随着经济的快 速增长，能源消耗也在快速增长，刚刚过去的五年时间里，中国每年的能源消费 增幅达到了7 到8 。 众所周知，目前能源的主体部分是煤炭、石油、天然气等化石燃料，能源消 耗的指数增长导致这些燃料很快就会消耗殆尽，表1 1 是我国的能源储量和可开 发年限情况，数据表明，化石燃料从现在开始只剩几十年的时间了。 表1 1 我国能源剩余资源探明储量和可开发年限n 1 而且，伴随着化石燃料消耗的增加，大气中的二氧化碳含量也相应地增加， 导致全球变暖，生态环境恶化等一系列问题。在受到温室效应和能源危机影响日 益严重的今天，发展可再生能源的研究与应用迫在眉睫。在可再生能源中，太阳 能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，具有巨大的潜力。 1 1 太阳能简介 太阳作为一个巨大的能量体，无时无刻不在向外界散发着光和热。太阳通过 其内部的核聚变反应，以每秒3 8x1 0 2 3 k w 的速率向外辐射着能量，其中被地球 接收到的约为1 7 x1 0 1 4 k w 。图1 1 是地球的能流图，由图可知，地球上的风能、 波浪能、水蒸发消耗的能量以及部分潮汐能等都是来源于太阳能，即使是当前我 基于a r m 的太阳自动跟踪系统设计 们使用的化石燃料从根本上来说也是来源于太阳能。按照当前太阳质量的消耗速 率计算，太阳能可以维持长达6 0 0 亿年，因此可以说太阳能是取之不尽、用之不 竭的能源。 太阳辐 图1 1 地球能流图( 单位1 0 6 m w ) 太阳能资源丰富，完全免费使用，清洁安全，不会造成环境污染，既是可再 生能源，又是一次能源，具有常规能源无可比拟的优势。但是，太阳能也有其缺 点。首先，太阳能的能流密度底，分布到单位面积的能量少，需要占用较大的面 积对其进行开发利用。其次，太阳能具有间歇性和不稳定性，太阳能的利用只能 在白天进行，而且受到天气、季节、气候等因素的影响。 太阳能是各种可再生能源中最基本也是最重要的能源，生物质能、风能、海 洋能、水能都是来源于太阳能，广义的太阳能包含以上各种可再生能源。而狭义 的太阳能则是可再生能源的一种，是通过一种装置直接对太阳光照转化和利用。 目前太阳能的利用主要分为太阳能热利用、太阳能热发电以及太阳能光发电三种。 太阳能热利用是通过光热材料直接把太阳辐射转换成热能进行利用的技术， 常见的有太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能空调、太阳能干 燥、太阳能制冷、太阳能海水淡化等。 未来太阳能的大规模利用必将是太阳能发电方式储存使用的。太阳能发电主 要分为太阳能热发电和太阳能光发电两种。太阳能热发电是利用太阳能集热器将 太阳光的能量吸收后转换成具有一定压力和温度的水蒸气，这一过程为光热转换； 然后再由水蒸汽来驱动汽轮机带动发电机发电，这一过程为热电转换。太阳能光 发电是通过太阳能电池直接把太阳辐射转换成电能，太阳能电池是利用半导体器 2 硕十毕业论文 件的光生伏特效应原理来进行光电转换的，因此它又称为太阳能光伏技术。光伏 发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、逆变器、控制器等设备组成。近年来， 太阳能电池技术发展迅速，成本降低导致其应用范围越来越大，光伏发电已经成 为太阳能利用中最具活力的领域。 1 2 太阳能光伏发电 1 8 3 9 年，法国科学家e b e c q u e r e l 发现，光照能使半导体材料的不同部位之 间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应 。由太 阳光中的光量子与材料相互作用产生电动势，从而把光能转换为电能，这种能够 进行将光能直接转换成电能的元件称为太阳能电池【2 】。光伏效应的发现为太阳能 电池的发展奠定了理论基础。 1 9 5 4 年，美国科学家p e a r s o n ，c h a p i n 和f u l l e r 在美国贝尔实验室首次应用 这个原理制成了实用的单晶硅太阳能电池，获得了6 光电转换效率，将太阳光 能转换为电能的实用光伏发电技术由此诞生。尽管当时太阳能电池的效率太低， 造价太高，没有商业价值，但是它的出现在太阳能电池的发展历程中具有里程碑 的意义。太阳能电池的出现，受到了人们的广泛关注，尤其是航天领域的科学家， 对它是分外关注，这是由于当时宇宙空间技术的飞速发展，人造地球卫星上天， 卫星和宇宙飞船上的电子设备需要持续不断的电能，而且要求质量轻，寿命长， 性能稳定，能承受天空恶劣环境的影响。太阳能电池刚好能满足这些要求，因而 受到了人们深入的研究。 1 9 5 8 年第一颗太阳能动力卫星“先驱者1 号”发射并运行了8 年，其他太阳 能动力卫星随之而来。随后，太阳能发电继续作为辅助能源被广泛应用在宇宙飞 船上，并为轨道卫星提供动力。太阳电池的发展达到了第一个巅峰期。但是由于 当时太阳能电池的价格昂贵，而且光电转换效率比较低，所以只能应用于航空航 天领域和偏远地区的用电。 7 0 年代以来，随着1 9 7 3 年1 0 月中东战争的爆发，石油禁运，使得工业国家 的石油供应中断，引发了第一次石油危机，很多国家开始加大对可再生能源的投 入，于是在世界各地兴起了对太阳能等可再生能源的开发与应用热潮。1 9 7 3 年， 美国制定了阳光发电计划，1 9 8 0 年又将太阳能发电正式列入公共电力规划，累计 投入8 亿多美元，太阳能研究经费也大幅度增长，促进了太阳能产品的商业化。 并且在l9 7 8 年美国建成了1 0 0 k w p 的地面太阳能光伏电站。日本也在7 0 年代制 定了“阳光计划”，投入大量的人员和资金来研究应用太阳能光伏技术。这一期间 太阳能电池的转换效率有了较大幅度的提高，截止到19 8 0 年，单晶硅太阳能电池 的效率已经上升到2 0 ，多晶硅电池也达到了1 4 5 ，砷化镓电池的效率更是高 ：达2 2 5 。 基于a r m 的太阳自动跟踪系统设计 进入8 0 年代后，由于世界石油价格的大幅度回落，而太阳能产品价格居高不 下，很多国家大幅度削减太阳能研究经费，太阳能利用进入了低谷期。 由于矿物燃料的大量燃烧，导致严重的环境污染和生态破坏，对人类的生存 和可持续发展构成了重要威胁。19 9 2 年联合国在巴西召开“世界环境与发展大 会 ，会议通过了联合国气候变化框架公约、里约热内卢环境与发展宣言和 2 l 世纪议程等重要文件，确立了可持续发展的模式，首次把环境和发展纳入 了统一的框架。这次会议之后，世界各国重新加强了对清洁能源的开发，将太阳 能利用与环境保护结合起来，这使得太阳能技术进入了一个全新的发展阶段。于 是太阳能电池的应用被提上了各国政府的议事日程，太阳能的发展开始与民用电 相结合，这一期间，美国提出了“克林顿总统百万太阳能屋顶计划 ，日本再次制 定“阳光计划 。在19 9 8 年，单晶硅太阳能电池的效率达到2 4 7 ，这也是至今 为止单晶硅电池效率的最高值【3 珥j 。 2 0 0 0 年以来，原油价格经历了从不足3 0 美元桶暴涨到2 0 0 8 年接近1 5 0 美 元桶，这再次激发了人们发展新能源的欲望。在2 0 0 4 年德国率先启动新能源补 贴法案，对光伏放电进行并网收购并进行补贴，许多发达国家也相继提高了政府 对新能源发展的支持力度，这使得太阳能发电装机容量迅速增长。德国0 6 年装 机量达到了9 6 0 m w 左右，累计装机量接近2 4 g w 。我国在光伏行业中扮演着制 造工厂的角色，据统计至2 0 0 7 年全国的太阳能电池产量到达1 18 8 m w p ，2 0 0 8 年 产量已经超过2 g w p ，超过欧洲、日本成为世界太阳能电池第一生产大国。在2 0 0 7 年，s p e c t r o l a b 研制出效率高达4 0 的砷化镓多结太阳能电池【5 】，而多晶硅太阳能 电池的转换效率也达到了2 0 3 t 6 。 近年来，由于能源持续供应和环境保护的需要，欧洲各国开始实施对太阳能 发电的补贴政策，这极大的促进了太阳能光伏产业的发展。全球太阳能光伏产业 的迅猛发展，世界太阳能电池装机总量迅速增加，近年来始终保持3 0 4 0 的年增 长量，成为全世界增长最快的能源。从表1 2 可以看出从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年全球 年度装机总量增长了近1 0 倍。2 0 0 9 年金融危机波及全球，虽然太阳能光伏行业 的发展受其影响有所减慢，但是全球新增装机总量增速仍然达到4 4 。 表1 2全球及中国光伏年度装机容量1 7 1 ( 数据来源：s e m i ) 我国在2 0 是世纪6 0 年代开始研究太阳能电池，一开始主要应用与宇宙空间 领域。到8 0 年代中期开始具备低成本太阳能电池生产技术，9 0 年代以来我国光 4 硕r i ：毕, i k 论文 伏产业飞速发展，太阳能电池及组件的生产能力不断增强，成本逐年降低，市场 也不断扩大。目前，我国已经成为世界第一太阳能电池生产大国。 在我国，由于经济发展的不均衡导致广大的西部偏远地区的无电可用，但是 随着综合国力的不断增强和科技的进步，再加上“西部大开发 战略的实施，利 用太阳能、风能发电来解决这一问题已经不再是遥不可及的梦想。2 0 0 2 年，中国 政府开始实施“光明工程 ，计划到2 0 10 年利用风力发电和光伏发电技术解决 2 3 0 0 万边远地区人口的用电问题。2 0 0 4 年在国际可再生能源会议上，中国提出 了计划到2 0 10 年可再生能源装机量达到总装机量的1 0 ，其中太阳能总装机量 达到4 5 0 m w 。2 0 0 5 年中国通过可再生能源法，给可再生能源发展定下了法 律基础，并于2 0 0 6 年1 月开始生效。财政部与住房与城乡建设部在2 0 0 9 年3 月联合推出一项国家补贴计划，用于推动太阳能光伏建筑一体化技术( b i p v ) 的 使用以及在农村和偏远地区安装屋顶太阳能系统。随后财政部又在7 月推出其第 二次国家太阳能补贴计划，称之为“金太阳工程 ，来推动太阳能光伏建筑一体化 技术的使用已经在农村和偏远地区安装屋顶太阳能系统。在2 0 0 8 年底到2 0 0 9 年 上半年，中国已经批准几个大型并网太阳能发电项目，其中就包括柴达木盆地 ： 1 g w 太阳能发电项目、青海省2 0 0 m w 太阳能发电项目、宁夏回族自治区5 0 0 m w 太阳能发电项目。这些大型太阳能发电项目的开发显示了政府实施的光伏政策以 及补贴正使得中国的光伏太阳能市场快速发展。目前，我国正在筹备和进行中的 _ 光伏装机容量达到1 2 g w p ，并且国家的能源发展规划中，规划2 0 2 0 年国内光伏 装机容量达到2 0 g w p 。中国政府已宣布了其在哥本哈根协议下的承诺，至2 0 2 0 年全国单位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 ，非化石能源占一 次能源消费的比重提高至15 左右。 1 3 课题研究的意义 随着人类文明的不断发展，现代化水平逐步提高，人类对能源的需求也越来 越多。常规能源的逐渐耗尽，能源危机已经成为人们关注的问题。而且，伴随着 化石燃料消耗的增加，大气中的二氧化碳含量也相应地增加，导致全球变暖，生 态环境恶化等一系列问题。在受到温室效应和能源危机影响日益严重的今天，发 展可再生能源的研究与应用迫在眉睫。而在可再生能源中，太阳能作为一种取之 不尽用之不竭的清洁能源，具有巨大的潜力，受到了越来越广泛的关注。未来人 类对于太阳能利用方面的探索和研究将更加积极，同时也预示着太阳能发电将在 未来的社会中扮演越来越重要的角色。 目前导致太阳能利用率不高的主要原因依然是转换效率太低，成本太高。而 要提高转换效率，一方面要努力提高太阳能电池的光电转换效率，而另外一方面 我们还可以考虑如何提高太阳能的利用效率。由太阳能电池的半导体特性可以发 基于a r m 的太阳自动跟踪系统设计 现其转换效率会随着光照强度的增加而增加【2 1 ，图1 2 为两者之间的变化规律。显 然，短路电流和开路电压都随着光照强度的增加而增大；所不同的是，前者随光 强线性上升，而后者则呈现对数式增大，而且并不会随着光强无限地增大，它会 逐渐地趋于饱和值，之后保持不变。 、， 夕 ， 苕 、_ ， 德 脚 密 埂 0 2 0加 6 0册1 0 01 2 0 入射光强( m c m ) 图1 2 开路电压和短路电流随光强的变化 目前，很多光伏发电系统，如光伏电站都是采用的平板固定式发电系统，存 在余弦损失的影响，导致太阳能电池不能充分利用太阳能资源，系统发电效率低 下。所谓余弦损失，如图1 3 所示，是指太阳在天空中的移动中，对应于固定的 太阳能阵列来说，其有效面积为太阳能收集面积在入射太阳光垂直方向上的投影 面积，即s o c o s6 p 。 s o 图1 3 倾斜角为0 的太阳光【8 】 倾斜角够越大，能接收到的太阳光能量就越小。太阳自动跟踪系统能够保持 太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板，能够 显著提高太阳能光伏组件的发电效率。地球的自转和公转导致了我们熟悉的日出 日落的交替和春夏秋冬四季的循环，同样的道理，相对于某一个固定地点的太阳 6 姒 踮 们 6 5 4 3 2 l m n m n n q 一趟_审瀣糸 硕一j j 毕业论文 能光伏发电系统，太阳的光照角度时时刻刻都在发生着变化，如果能够有效地保 证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率就能够达到最大值。 下面通过理论计算来比较固定系统和跟踪系统的接收太阳能的大小。假定太 阳光照强度的最大值i = 1 1 0 0 w m ，当太阳垂直照射系统时，系统接收到的能量即 为i 。假定白天日照时间为1 2 小时，即t = 1 2 h = 4 3 2 0 0 s ，跟踪系统每时每刻都和 太阳光垂直，而固定系统只有在正午才和太阳光垂直，系统的太阳能接收面积为 s o 。 对于固定系统而言，其系统有效面积为s oc o s t p ，其中的倾斜角够从清晨的 2 到傍晚的2 连续变化着，变化率为( ) = 4 3 2 0 0 s = 7 2 7 x1 0 r a d s ，忽略大 气的影响，系统单位面积在一天中接收到的太阳能为： 2 1 6 0 0 w = i i s oc o s ( c 0 t ) d t = 2 i s ( i ) = 3 0 3x 1 0 7 w s m 2 = 8 4 1k w h m z r一1 - 2 1 6 0 0 对应跟踪系统，同样忽略大气的影响之后，系统单位面积在一天中接收到的 太阳能为： w = i s o t = 4 7 5 1 0 7 w s m 2 = 1 3 2k w h m 2 有以上计算结果可以得出，跟踪系统接收到的太阳光能量比固定系统高5 7 。 在进行这些计算时没有考虑到地球外面厚厚的大气层，实际情况下当时间偏离正 午时，由于太阳光在大气层中经过的路程增大，会导致，的值有所减小。 香港大学建筑系的k p c h e u n g 和s c m h u i 教授对太阳光角度和太阳能接收率 的关系进行了理论计算，其研究表明：太阳的跟踪系统与固定系统相比，能量的 接收率相差3 7 7 【9 1 。研究有研究表明太阳跟踪系统应用于平板光伏发电系统， 可以比固定系统的发电量提高3 3 以上，可以使光伏电站的电价降低 1 1 1 1 9 2 i l0 1 。因此，研究太阳跟踪系统对拓宽太阳能的应用领域具有重要意 义【l l - 12 1 。 1 4 太阳跟踪器的发展历程及现状 太阳跟踪器是一种保持太阳能电池板或者太阳能集热板在白天始终垂直于太 阳光的装置，它能增加接收到的太阳能。太阳跟踪器从结构上可以分为两类：单 轴跟踪和双轴跟踪。双轴跟踪具有更高的跟踪精度，主要分成高度角方位角式跟 踪和极轴式跟踪两种。 1 9 6 2 年，f i n s t e r 制作出第一个太阳跟踪器，它是纯机械的，一年后s a a v e d r a 在其基础上制成一个由电子设备控制的自动太阳跟踪器，当时它被用于太阳热量 计，可以保持太阳光垂直照射热量计，提高其测量准确度【l3 1 。 b i o n e 等人分别对固定、跟踪和聚光跟踪光伏抽水系统进行了对比研究。v 型槽聚光光伏系统由4 个腔体和两个光伏组件组成，跟踪系统的南北向转动轴以 7 基于a r m 的太阳自动跟踪系统设计 2 0 。靠北倾斜，在东西向实施跟踪。研究者分别对这三个模型进行了理论计算和 试验验证。通过对这三个系统日常的特性曲线进行分析，结果显示对于一个给定 的太阳光照强度系统之间的抽水速率有很大差别。他们证明了不同系统抽水量的 增长率要高于其收集太阳能量的增长率。固定系统，跟踪系统和跟踪聚光系统的 日平均抽水量分别为4 9 ，7 4 和1 2 6 立方米【1 4 】。 t o m s o n 分析了一个双位控制的单一独立平板聚光器。这个太阳能收集器绕着 它的单一倾斜轴按照预设的速度旋转。研究了不同的倾斜角，初始倾斜角，方位 角和初始的方位角对不同的日期和季节的能量收益的影响。对比模拟仿真和试验 的结果，发现使用一个简单的跟踪器驱动系统的日出转动，与按照最优角倾斜的 固定光伏系统相比，就能获得1 0 - 2 0 的更高能量收益【1 5 】。 a g e e 等人研究了太阳跟踪技术的应用领域，市场趋势，相关成本，维护需要 和系统的效率提高。他们的研究包括了液压系统，程序控制系统和基于传感器的 跟踪系统，有单轴的、双轴的，同时也有极轴的跟踪器。研究结果表明液压系统 更加适合小容量的系统应用。极轴系统的性能和双轴系统的差不多，但是它的成 本却和单轴系统相当 1 6 1 。 m i e h a e l i d e s 等人研究和比较了如下4 种太阳光照收集器的太阳能热水器的性 能：与水平面成4 0 的固定模式，与水平面垂直的单轴跟踪模式，高度角固定方位 角的跟踪模式和高度角每年改变两次的季节跟踪模式。他们使用了t r n s y s 仿真 软件来分析这些系统，结果显示单轴跟踪系统获得最好的热性能。在尼科西亚， 单轴跟踪模式的年储能效率为8 7 6 ，而季节跟踪模式和固定模式的分别为8 1 6 和7 9 7 ；而在雅典，单轴跟踪模式的年储能效率为8 1 4 ，而季节跟踪模式和 固定模式的分别为7 6 2 和7 4 4 r 7 1 。 l o r e n z o 等人设计了一个单轴( 方位角跟踪轴) 光伏跟踪器并分析了它的跟 踪特性。4 0 0 个跟踪器每个都配备了一个惠普的标准交流电机。光伏组件的倾斜 角恒定不变。他们发现一个理想的方位角跟踪系统收集的能量比以最佳倾角倾斜 的固定系统高4 0 ，比水平方位角跟踪系统高lo 。他们还计算了相邻跟踪系统 的遮光，这主要发生在清晨和傍晚。为了避免这种情况的发生，他们建议当遮光 发生时可以使得系统的方位角偏离理想值，从而使阴影离开相邻的光伏组件。他 们的研究发现方位角跟踪的占地面积要比固定系统多4 0 ，对应的能量成本将显 著降低【18 1 。 c h i e c o 等人通过在三个不同地点的光伏系统来比较跟踪系统和固定系统的性 能。在第一个地点，1 5 个同步的独立跟踪系统和一个方位角为0 ，高度角为3 6 的固定系统对比；在第二个地点，9 0 个各自单独跟踪的独立跟踪系统和一个方位 角为0 ，高度角为3 0 的固定系统对比；在第三个地点，跟踪系统的位置每过15 分钟更新一次，它和一个倾斜角为3 0 ，高度角为3 5 的固定系统对比。对于第一 8 硕f ：毕业论文 和第二个地点，结果显示跟踪系统发电量的平均增幅的仿真值分别是3 2 9 和 3 5 1 ，真实值则分别是3 7 7 和3 0 4 ；对于第三个地点，跟踪系统和固定系统 相比，年发电量增长率为3 1 5 t 1 9 】。 g o r d o n 等人研究了光伏电站中场地布局，跟踪器以及光伏阵列对系统性能的 影响。他们利用每小时的电脑仿真模型进行计算，并通过曲线描述了地面覆盖率 和最大转动角对固定和不同跟踪模式的能量接收的影响。地面覆盖率定义为光伏 组件面积占整个系统用地面积的百分比。结果证明地面覆盖率越大，遮光损失也 越大。固定系统和南北方向水平轴跟踪系统( 后者发电量约为双轴跟踪系统的 9 0 ) 的能量损失在地面覆盖率比较低的时候变化不大，只有在地面覆盖率上升 到0 6 以后才开始有实质性的增加。单极轴跟踪系统发电量约为双轴跟踪系统的 9 7 ，但是它的能量损失对地面覆盖率太敏感了。虽然双轴跟踪系统发电量最大， 但是它要求地面覆盖率较低。他们还发现所有的跟踪系统的发电量随着最大转动 角的增加而增大【2 0 】。 b a k o s 设计制作了一个双轴太阳跟踪系统，它结合了传统的光电跟踪方式和 程序控制方式。这个跟踪控制系统由四个继电器，两个交流电机，光电阻以及相 应的控制电路组成。研究发现这个双轴跟踪系统与4 0 度朝南倾斜的固定系统相 比，其光电转换效率增加了4 6 4 6 t 2 1 1 。 2 0 0 6 年在中国西藏羊八井建成了国内第一个跟踪光伏电站，研究人员在电站 中安装了四种不同的光伏发电系统：一种采用高度角方位角双轴跟踪；一种采用 斜单轴跟踪；一种采用水平单轴跟踪；一种采用固定模式。系统运行的测试结果 表明，固定模式以及水平单轴、斜单轴和双轴跟踪装置的发电量分别为1 4 8 ，l5 5 ， 1 9 8 ，2 2 5k w h ，双轴、斜单轴和水平单轴跟踪装置的发电量分别比固定式装置 提高4 7 3 ，3 3 8 ，4 7 。 2 2 1 1 5 论文主要研究内容 本论文总体上分为四章： 第一章介绍了课题的背景和意义，介绍了国内外太阳能利用的历程、现状及 发展趋势，其中重点回顾了太阳能光伏技术的发展历程，然后还介绍了太阳跟踪 器的研究和发展现状； 第二章主要详细介绍了太阳跟踪系统的种类，包括它们各自的优缺点。然后 介绍了基于传感器的光电跟踪方式的基本原理，紧接着详细的阐述了太阳跟踪算 法以及相应的天文学知识，并得出了太阳高度角和方位角的计算方法。最后，经 过对各种跟踪方法的分析，并结合本系统本身的设计目标，最终确定了系统的总 体设计方案； 第三章主要介绍系统的硬件平台设计方案、交叉开发环境建立以及嵌入式 9 基于a r m 的太| ；几自动跟踪系统设计 l i n u x 操作系统的移植。根据系统的功能需求，设计了基于a r m 微控制器的硬件 系统，并加入了网络控制器，同时还加入了温度传感器并扩展了g p r s 通信模块 s i m 3 0 0 。系统采用步进电机作为机械转动的动力系统，设计了相应的驱动电路， 通过i o 端口输出对应的驱动脉冲即可精确地控制系统的转动。最后介绍了交叉 编译平台实现并将嵌入式l i n u x 系统移植到目标系统中。 第四章主要介绍系统的软件设计方案。首先介绍了系统的总体控制流程图， 包括自动控制和手动控制。系统的软件部分采用了模块化编程，包含了超温报警、 网络实时监控、太阳跟踪算法以及电机驱动和温度传感器d s l 8 b 2 0 驱动等多个部 分，论文分别予以介绍。最后论文对系统跟踪算法和累计误差进行了简要的分析， 并通过对比试验对跟踪系统的功能进行了验证。 硕：l 二毕业论文 第2 章跟踪系统总体设计方案 太阳能光伏发电系统根据其发电的用途可以分为两种：一种为离网型( 也称 为独立型) 太阳能发电系统，它的系统构成为光伏阵列、控制器、蓄电池组，以 及用于交流负载的逆变器( 直流转交流的设备) 。对于离网型发电系统来说，因为 它不能将其白天将白天光伏阵列转化产生的电能输送到电网，所以就要将光伏阵 列转化产生的电能通过蓄电池组储存起来，这类发电系统适合于偏远地区的生活 用电等小型发电系统应用；另一种为并网型太阳能发电系统，它主要由光伏阵列、 控制器和逆变器构成，它将光伏阵列产生的电能直接输送到交流电网，因此省去 了蓄电池部分，比较适合应用于大型发电系统中。 太阳跟踪器并不是光伏发电系统工作不能缺少的组成部分，但是如果增加了 太阳跟踪器，光伏系统的性能会显著提高。太阳跟踪系统通常分为两大类：被动 跟踪系统和主动跟踪系统。 2 1 被动跟踪系统 被动太阳跟踪器也称为纯机械太阳跟踪器，通常是基于某种物质( 如氟利昂) 的热膨胀或者是形状记忆合金。通常这种跟踪器由一对制动器组成，这对制动器 在相同的光照下相互作用而保持稳定；而当它们接受到不相同的光照时，不平衡 力驱动制动器使得系统改变方向，直到两个制动器接收到的光照相同，系统重新 达到平衡。与主动太阳跟踪器相比被动太阳跟踪器比较简单，但是效率较低而且 它在低温条件下停止工作。尽管通常被动跟踪器便宜得多，但是因为它们效率较 低而没有被广泛地应用【2 引。 图2 1 为一个常用的被动太阳跟踪器【2 4 1 ，在系统的上下边缘处对称地放置着 两个相同的圆柱形管道，圆管内装有相同分压的液体。通过适当地遮蔽装置，太 阳光能够加热圆管中的液体