太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分_毕业设计(论文).doc

西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统题目 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统 硬件部分硬件部分 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 本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统题目 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统 硬件部分硬件部分 系 部 电 子 信 息 系 专 业 电气工程及其自动化 2011 年 05 月 I 西安工业大学毕业设计 论文 任务书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 II 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 实验 时数 或实习 天数 20 天 图纸 幅面和张数 SCH PCB 图 A4 图幅 4 份以上 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 III 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统太阳能光伏发电光源跟踪控制系统 硬件部分硬件部分 摘要摘要 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 关键词 太阳能 自动跟踪 传感器 单片机 RS 485 步进电机 IV 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 V 摘要摘要 III ABSTRACT IV 1 1 绪论绪论 1 1 11 1 课题背景课题背景 1 1 1 1 发展太阳能的背景发展太阳能的背景 1 1 1 21 1 2 国内外太阳能利用现状国内外太阳能利用现状 2 1 1 3 太阳能利用的基本方式太阳能利用的基本方式 4 1 21 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 5 1 31 3 国内外研究现状分析国内外研究现状分析 5 1 41 4 课题的主要类容课题的主要类容 6 1 51 5 论文结构论文结构 6 2 2 系统工作原理及总体设计系统工作原理及总体设计 7 2 12 1 太阳运动规律太阳运动规律 7 2 1 12 1 1 太阳与地球的位置关系太阳与地球的位置关系 7 2 1 22 1 2 相关角度的计算相关角度的计算 8 2 22 2 跟踪方式的比较跟踪方式的比较 10 2 2 12 2 1 视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹跟踪 10 2 2 22 2 2 光电跟踪光电跟踪 10 2 2 32 2 3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 10 2 32 3 跟踪方式的选着跟踪方式的选着 11 2 42 4 系统总体设计系统总体设计 11 2 4 12 4 1 系统框图系统框图 11 2 4 22 4 2 系统工作原理系统工作原理 11 3 3 太阳跟踪控制系统的硬件设计太阳跟踪控制系统的硬件设计 13 3 13 1 硬件总体设计方案硬件总体设计方案 13 3 23 2 传感器结构及信号采集电路传感器结构及信号采集电路 13 3 2 13 2 1 光电池的特性参数光电池的特性参数 14 3 2 23 2 2 光电池的型号光电池的型号 14 3 33 3 跟踪控制系统的硬件设计跟踪控制系统的硬件设计 14 3 3 13 3 1 单片机的选型单片机的选型 14 3 3 23 3 2 电源电路电源电路 16 3 3 33 3 3 外部时钟电路外部时钟电路 17 3 3 43 3 4 复位电路复位电路 18 3 43 4 C8051F330C8051F330 的的 ADC0ADC0 子系统子系统 18 3 53 5 开关量输入电路开关量输入电路 19 3 63 6 步进电机驱动与控制模块步进电机驱动与控制模块 20 3 6 13 6 1 步进电机概述步进电机概述 20 3 6 23 6 2 步进电机的分类及工作原理步进电机的分类及工作原理 21 3 6 33 6 3 步进电机的选着步进电机的选着 23 3 6 43 6 4 步进电机控制系统步进电机控制系统 23 3 6 53 6 5 串并行控制串并行控制 23 3 6 63 6 6 步进电机细分驱动控制步进电机细分驱动控制 24 VI 3 6 73 6 7 步进电机加减速控制步进电机加减速控制 25 3 6 83 6 8 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 25 3 73 7 传动部分传动部分 28 3 83 8 通信模块通信模块 28 3 8 13 8 1 RS 485RS 485 28 3 8 23 8 2 RS 485RS 485 芯片的选着及其电路设计芯片的选着及其电路设计 29 4 4 结论结论 31 致谢致谢 32 参考文献参考文献 33 附件附件 37 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题背景课题背景 1 1 1 发展太阳能的背景发展太阳能的背景 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 1 绪论 2 源需求量特别大 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 2 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 21 1 2 国内外太阳能利用现状国内外太阳能利用现状 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 3 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 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 4 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 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 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能利用的基本方式 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 5 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 21 2 课题研究的目的和意义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 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 6 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 31 3 国内外研究现状分析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 41 4 课题的主要类容课题的主要类容 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 了解太阳能利用的相关背景知识 研究太阳跟踪控制系统的相关资料 技术要求 研究和设计出太阳跟踪控制系统方案 设计和画出太阳能光伏发电跟踪控制系统硬件原理图 1 51 5 论文结构论文结构 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 7 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 2 系统工作原理及总体设计 7 2 2 系统工作原理及总体设计系统工作原理及总体设计 2 12 1 太阳运动规律太阳运动规律 2 1 12 1 1 太阳与地球的位置关系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 a 地平坐标系地平坐标系 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 s 地平经度 弧 XM 为高度角 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 2 系统工作原理及总体设计 8 图 2 1 地平坐标系 图 2 2 时角坐标系 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 8 b b 时角坐标系时角坐标系 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 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 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 不随周日 运动而变化 但天体的时角 却从 0 均匀地增加到 360 秒 2 1 22 1 2 相关角度的计算相关角度的计算 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 a 有关角的定义有关角的定义 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 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 越小越好 这也就是所说的跟踪 太阳高度角 和太阳方位角 s 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 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 z 其中 z 90 太阳光线在地面 上的投影线与正南方的夹角 s 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 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 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 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 9 图 2 3 倾斜面有关几何角度 b b 角度之间的关系和有关公式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 而 是太阳赤 纬角 太阳时角 地理纬度 采光组件倾斜角 采光组件方位角 和的函数 它们的具体关系是 2 1 其中太阳赤纬角 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 0 2 2 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 则 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 确定后 采光组件倾 角 和方位角 的值决定了直接日射入角 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 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 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 10 角 从而能最大效率利用太阳能 2 22 2 跟踪方式的比较跟踪方式的比较 目前国内外跟踪太阳的主要方法可以分为三种 视日运动轨迹跟踪 光 电跟踪 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 12 2 1 视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹跟踪 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 倾斜布置东 西跟踪 焦线南北水平布置 东西跟踪 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采用赤道坐标系 高度角 方位角式全跟踪采用地 平坐标 19 20 2 2 22 2 2 光电跟踪光电跟踪 目前 国内常用的光电跟踪有重力式 电磁式和电动式 这些光电跟踪装 置都使用光敏传感器如硅光电管 在这些装置中 光电管的安装靠近采光板 调整采光板的位置使采光板对准太阳 硅光电池处于阴影区 当太阳西移时采 光板的阴影偏移 光电管受到阳光直射输出一定值的微电流 作为偏差信号 经放大电路放大 由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪 光电跟 踪灵敏度高 结构设计较为方便 但受天气的影响很大 如果在稍长时间段里 出现乌云遮住太阳的情况 太阳光线往往不能照到硅光电管上 导致跟踪装置 无法对准太阳 甚至会引起执行机构的误动作 12 2 2 32 2 3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 光电跟踪方法容易受外界天气 杂光的干扰 视日运动轨迹跟踪在计算太 阳角度的过程中会产生误差 从而影响跟踪精度 并且跟踪装置的机械执行机 构的精密程度也会影响到装置的跟踪精度 但是 将视日运动轨迹跟踪和光电 跟踪相结合就能克服两者的缺点 在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度 传感器 当跟踪装置开始运行时 用两片高精度传感器初始定位 在运行当中 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 11 以过程控制为主 传感器瞬时测量作反馈 对程序进行累积误差修正 这样能 在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制 这种跟踪方案跟踪精 度高 工作过程稳定 应用于目前许多大型太阳能发电装置 但计算过程十分 复杂 高精度传感器成本也很高 对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来 讲 该种跟踪方式并不十分适用 2 32 3 跟踪方式的选着跟踪方式的选着 综合 2 2 的几种跟踪方式以及结合本课题的要求 我们选着光电加时钟跟 踪方式 简略叙述如下 正常情况下 由光电传感器反馈信息进而对太阳能电 池阵列进行调节 使其能与太阳光垂直 保持对太阳能的最大利用 如果是阴 天等不正常情况下我们就用软件启动时钟跟踪优先 以确保系统的正常运行 其优点为调节较为精确 电路也比较简单 这在 2 4 2 有详细叙述 2 42 4 系统总体设计系统总体设计 2 4 12 4 1 系统框图系统框图 总体方案设计是设计开发太阳自动跟踪系统的首要环节 本系统主要由传 感器 单片机控制器 步进电机 传动装置 通信口等组成 系统工作原理图 如图 2 4 所示 单 片 机 A D 电机 驱动 电路 电机 驱动 电路 垂直 方向 电机 水平 方向 电机 光 电 池 阵 列 通信口 当前时钟电路 电源电路 光源跟踪信号前置电路 限位检测电路 图 2 4 系统工作原理图 2 4 22 4 2 系统工作原理系统工作原理 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 12 正常情况下 光电池阵列接受光照后 光电传感器输出信号 电压差 经 放大处理等 光源跟踪信号前置电路 输入单片机 单片机处理后发出信号给 电机驱动电路 进而驱动电机对光电池阵列进行水平和垂直方向的调节 以便 保持同太阳光垂直的角度 从而达到对太阳光的最大利用 通过当前时钟可以 很方便的在太阳下山后 无光照时 控制光电池阵列回到初始位置 以便开始 新的一天的工作 非正常情况下 如果是阴天 光电传感器检测到的两电压信号相等 所以 输出的电压差信号为零 这时可用软件实现时钟优先 单片机会结合当前时钟 调节光电池阵列的角度 如果光电传感器仍然检测不到电压差信号 则可判断 是阴天 系统停止连续跟踪调节以节能 如果光电传感器能检测到电压差信号 但是经单片机对电机进行调整后 光电传感器再次检测的信号与前一次相比没 有变化 则判断光电池阵列是否触到限位开关 若是 单片机将结合当前时钟 对光电池阵列的角度进行调节 若不是 则说明系统出现故障 这时将由通信 口发出信号通知工作人员进行维护 3 太阳跟踪控制系统的硬件设计 13 3 3 太阳跟踪控制系统的硬件设计太阳跟踪控制系统的硬件设计 3 13 1 硬件总体设计方案硬件总体设计方案 太阳跟踪控制器以单片机为核心建立应用系统 光电传感器输出的误差信 号经过调理输入到 A D 为跟踪提供依据 当跟踪装置转到极限位置时 为了保 护设备同时为第二天跟踪做好准备和避免电缆缠绕 需返回初始位置 可以采 用限位开关来复位 当机械设备转到极限位置时 限位开关向单片机系统发送 个脉冲 单片机响应此操作 进行中断处理 跟踪装置归位 3 23 2 传感器结构及信号采集电路传感器结构及信号采集电路 光电跟踪传感器主要是由 4 片性能参数一致的光电池组成 其中两个在东 西方向成 人 字形 检测东西方向光线变化 即调整方位角 另两个在南北 方向成 人 字形 检测南北方向光线变化 即调整俯仰角 由于光电跟踪传感器的输出电压很小 不利于直接比较 所以我们先将光 电传感器的输出电压进行放大处理后输入单片机 在单片机内进行比较再由执 行机构动作 信号采集处理电路如图 3 1 东西或南北两块光电池的电压接入 E1 E2 AR11 LM 324 5V R11 RES2 RF12 RES2 E2 P1 5 AR11 LM 324 5V R11 RES2 RF12 RES2 E1 P1 4 图 3 1 信号采集电路 为了精确测量数十 mA 范围的光电池电流 运算放大器的偏置电流应该不大 于数毫安 本文中选用 LM324 它的偏置电流是 nA 数量级 LM324 是一种 4 集成 运算放大器 由于价廉且使用方便 被广泛应用于控制和一般信号放大处理之 中 光电转换电路可以使用集成运算放大器 图给出硅光电池的光电转换电路 3 太阳跟踪控制系统的硬件设计 14 运放采用 LM324 在图中所示条件下 电路放大倍数如式 3 1 所示 27 放大倍数 1 RF12 R11 3 1 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 14 3 2 13 2 1 光电池的特性参数光电池的特性参数 光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号 按用 途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池两大类 太阳能光电池主要用作电 源 由干它结构简单 体积小 重量轻 可靠性高 寿命长 能直接将太阳能 转换成电能 因而不仅成为航天工业的重要电源 还被广泛地应用干人们的日 常生活中 测量光电池的生要功能是作为光电探测用 对它的要求是线性范围 宽 灵敏度高 光谱响应合适 稳定性好 寿命长 它被广泛地应用在光度 色度 光学精密计量和测试中 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件 所谓光生伏特效 应就是在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的效应 21 由于它可把 太阳能直接变电能 因此又称为太阳能电池 它是基于光生伏特效应制成的 是发电式有源组件 具有较大面积的结 当光照射在结上时 在结的两端出现 电动势 根据半导体的材料不同 光电池可分为硒光电池 砷化镓光电池 硅 光电池等 目前 应用最广 最有发展前途的是硅光电池 硅光电池价格便宜 转换效率高 寿命长 适于接受红外光 光电池的开路电压是指当光电池外接电阻为无穷大时 该电阻上所测得的 电压即为开路电压 开路电压与光照度之间呈非线性关系 短路电流是指把光 电池结的两端通过外导线短接 形成流过外电路的电流 该电流称为光电池的 输出短路电流 其大小与光强成正比 光电池的光谱特性决定于材料 硒光电 池在可见光谱范围内有较高的灵敏度 峰值波长在附近 适宜测可见光 硅光 电池应用的范围 400nm 1100nm 峰值波长在 850nm 附近 因此硅光电池可以在 很宽的范围内应用