2011.04.15太阳自动跟踪系统的研究与设计

河北北方学院河北北方学院 毕业论文毕业论文 题 目 太阳能电池逆变电源与阳光追踪系统 姓 名 张丛丛 院系 部 河北北方学院 专 业 信息工程 年 级 2007 级 学 号 20071940246 指导教师 周希伟 开题时间 2010 年 10 月 1 日 河北北方学院教务处制河北北方学院教务处制 二零零一年五月二零零一年五月 太阳能电池逆变电源与阳光追踪系统 河北北方学院学士学位论文 学生姓名 张丛丛 指导教师 周希伟 专 业 信息工程 学科门类 工学 河北北方学院 二零一一年五月 The solar cell anti changes power supply and sunlight to track system A Thesis Submitted to Hebeibeifangxueyuan University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Bachelor of Engineering By Zhang Congcong Supervised by Prof Zhou Xiwei Major Information engineering College of Hebeibeifangxueyuan MAY 2011 摘摘 要要 1 第一章第一章 绪论绪论 2 1 1 研究背景 意义等 2 1 1 1 课题研究背景 2 1 1 2 国内外研究现状 3 1 1 3 研究的目的与意义 3 1 2 论文的主要研究内容 4 1 3 论文结构 5 第二章第二章 太阳能电池逆变电源与阳光追踪系统总体设计太阳能电池逆变电源与阳光追踪系统总体设计 6 2 1 系统工作原理 6 2 2 系统总体技术方案 6 2 3 系统开发流程 7 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 9 3 1 概述 9 3 2 电源 9 3 3 单片机 10 3 3 1 STC89LE516AD 单片机的特性 10 3 3 2 单片机外部接口 11 3 4 电机控制部分 11 3 5 GPS 电路 13 3 6 角度传感器 13 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 15 4 1 铅酸蓄电池充放电控制与状态检测 17 4 2 太阳角度追踪模块 19 4 3 控制模块 21 第五章第五章 结论与展望结论与展望 23 致致 谢谢 24 参考文献参考文献 25 1 摘摘 要要 以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发 展的需要 加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源己成为人们的共识 光伏 发电系统可以直接将太阳光能转换为高品位能源 电能 由于太阳在天空中的 位置是不断变化的 为此本文采用了自动跟踪系统 介绍了目前国内太阳跟踪器 的发展现状 各类跟踪器的性能特点 对目前跟踪器存在的问题进行了分析 提 出了通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台的系列方案 采用以单片机为核心的机电一体化技术 实现太阳能电池板方位角和俯仰角稳定的自动追 踪 为大型太阳能发电站的电池板指向控制研究提供一种验证手段 关键词 单片机关键词 单片机 电机电机 太阳能板太阳能板 铅酸蓄电池逆变电源铅酸蓄电池逆变电源 阳光追踪阳光追踪 2 第一章第一章 绪论绪论 1 1 研究背景 意义等研究背景 意义等 1 1 1 课题研究背景课题研究背景 1 能源是人类社会赖以生存和发展的基础 随着人类发展速度加快 社会现代化 能源化的进步 人类对能源的消耗量和需求量越来越大 对能源的开采也越来越猛 不仅造成了世界范围的能源危机 而且还造成了一系列的环境问题 而能源 环境危 机直接影响人类的发展延续 因而我们应该找到可以取而代之的大规模绿色能源 2 太阳能具有普遍性 永久性 清洁性 经济性等独特优势 因而正在兴起的 太阳经济 将成为未来全球能源的主流 在我国的经济文化建设中 太阳能也将起 到越来越重要的作用 但是 目前对太阳能的应用由于成本和技术的原因 大多数还 局限于专业要求及精度高标准的场合 想要达到大众化的普及还有一定距离 许多技 术人员也正在着力研究解决太阳能电池的高效 廉价 稳定 大容量等问题 而且 香港大学建筑系的 KPcheung 和 scMHui 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 阳可使接收器的热接收率大大提高 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 因此 本文研究了关于如何充分高效利用太阳能的方法 希望在 所有能接收到阳光的地方都能充分利用这一能源 3 近几年来 我国太阳能电池技术发展的很快 2009 年我国太阳能热水器 年产量已达到 4200 万平方米 年增长速度达到 35 4 太阳能热水器年产值达 到 578 5 亿元 增长了 34 5 2000 年我国太阳能热水器的出口额为 640 万美元 2008 年达 1 3 亿美元 2009 年 太阳能热水器出口贸易尽管受金融危机的影响 仍实现增长 70 达到 3 亿多美元 目前 太阳能热水器已经占到国内热水器市 场份额的 57 远远超过传统燃气热水器和电热水器的组合 太阳能热水器全国 保有量达到 1 45 亿平方米 太阳能集热器共覆盖 4000 万家庭约 1 5 亿人口 太 阳能热利用产业累计替代常规能源达2 亿吨标准煤 碳减排能力达 2 亿吨 4 随着生活的高质量化 人们外出旅游越来越普遍 但是一些必备的充电器之类 的确有固定型号的限制 有时忘带或其他的会给游人造成一定的困扰 因而 我们在 3 野外充电方面做一些论述 1 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 太阳能利用的国内外发展现状 目前 世界各国都在大力研究新型太阳能电池 提高光电转换率 使太阳能的 开发利用进一步深化 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 仍是国内外学者的研究热点 问题应该从两个方面入手 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率 前者属于能量转换领域 还有待研究 后者利用现有技术可以解决 即太阳跟踪技术就可以解决这一问题 2 太阳追踪系统的发展现状 本课题在前人研究的基础上设计出一套以单片机为控制核心的根据天文学知识 由 GPS 测得当地经纬度 当前时间 地磁偏角 由这些参数计算太阳高度角和方位 角并与俯仰角传感器和方位角传感器得到的角度值进行比对 而启动步进电机来进 行的视日运动轨迹跟踪控制系统 能够随着太阳光照射方向的变化而使太阳能板始 终与太阳光线垂直 具体要求为结构简单 成本低 不但能在晴天时追踪太阳 在 阴天时也能自动追踪 这样就提高了追踪的精度 而且操作简单方便 3 太阳能充电器的发展现状 太阳能充电器是一种新型高科技太阳能系列产品 拥有智能调节功能 可以调 节不同的输出电压及电流 可以对不同的充电产品充电 调节电压从3 7 6V 范围内 可以对 MP3 MP4 PDA 数码相机 手机等产品充电 可用于日常照 明与紧急照明 而且体积小 容量高 使用寿命长的优点 适用于出差 旅游 长途乘车船 野外作业等环境及学生的备用电源和紧急照明 具有安全保护 兼 容性好 大容量 体积小 使用寿命长 性价比高 但是 由于技术价格等方 面的原因至今还没有普及 我们还应该进一步研究 提高其性价比 1 1 3 研究的目的与意义研究的目的与意义 太阳能对于人类是一种取之不尽又能自由公平利用的绿色能源 太阳能的应 用是 21 世纪的重大研究课题 我国的太阳能资源丰富 尤其是西部地区 太阳 能的利用对于西部开发有着现实意义 近几年来 我国太阳能电池技术发展的很 4 快 因此提高太阳能的利用率 无论从科技应用的角度还是从商业的角度来说都 已成为急需解决的课题 再加上近年来 人们对保护环境的重要性也有了越来越 明确的认识 所以对太阳能的高效利用对保护环境也有重大意义 还有 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 所以要研究如何提高太阳能的利用率 采用以单片机为核心的机电一体化技术 实现太阳能电池板方位角和俯仰角 稳定的自动追踪 为大型太阳能发电站的电池板指向控制研究提供一种验证手段 研究本课题还可以提升我对所学理论知识的综合运用能力 熟悉电子元器件 性能 熟练使用常用电子仪表 通过此次研究提高自己对文献资料的搜索和信息 处理能力 使自己更加贴近社会科学知识 1 2 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 本论文所研究的太阳自动追踪系统是以单片机为控制核心的自动控制系统 整 个系统是通过硬件 软件 机械装置三部分共同作用的结果 因此本论文的研究内 容可以分为三个部分 1 硬件部分可以通过三步实现 选择芯片以及电路元件 连接电路图 焊接电 路板 电路主要包括下面几部分 1 太阳倾角 方位角获取计算 这部分电路是通过 GPS 模块获取当地经纬度 地磁偏角以及天文时间 得到电池板的俯仰角和方位角的理论值 通过方位角传感 器 双轴倾角传感器得到的角度值与理论值进行比较 传送给单片机 2 单片机控制电路 本系统需要控制两个电机的转动 当单片机获得角度信号 之后作出判断 然后控制电机的转动 进而控制太阳能电池板的转动 3 铅酸蓄电池充放电控制与状态检测 由于系统中要进行蓄电池的充放电 因 此需要过放电 过充电等保护电路 4 辅助电路 复位电路 振荡电路等 2 软件部分程序的编写 在硬件电路连接的基础上利用 C51 单片机语言编写配 套软件 对软硬件联合调试 直到系统稳定运行 3 机械部分也是实现太阳追踪目的的关键 在软硬件调试好了之后 进行机械 5 部分的设计 机械装置采用电机驱动器驱动电机机构 在单片机的控制下实现太阳 板每时每刻都正对太阳的功能 1 3 论文结构论文结构 本论文总体上划分为五章 第一章绪论主要阐述了课题的研究背景 目的及意义 以及国内外太阳能 的利用现状 太阳追踪方式的发展现状 第二章主要是对太阳自动追踪系统进行了总体设计 确定了系统的追踪方 式 以及整个单片机系统的开发过程 第三章阐述的内容是整个系统硬件部分的设计 重点介绍了各部分电路的 元器件特性 第四章详细介绍了系统程序部分 整个系统程序包括几个模块 铅酸蓄电 池充放电控制与状态检测 太阳角度追踪模块 控制模块 在每个模块的 介绍中都以框图形式说明了各个程序模块的工作原理 第五章总结了在本次设计中得到的成果以及系统的不足 6 第二章第二章 太阳能电池逆变电源与阳光追踪系统总体设计太阳能电池逆变电源与阳光追踪系统总体设计 2 1 系统工作原理系统工作原理 目前 太阳追踪方式很多 比如 有由发条 变速机构和执行机构实现的太阳 追踪系统 有通过蒸汽压力来实现追踪的自动追踪系统等 通过研究表明这些太阳 追踪系统存在着不少缺点 比如由发条 变速机构和执行机构实现的太阳追踪系统 追踪精度不够 容易出现误差积累 通过蒸汽压力来实现追踪的自动追踪系统比较 笨重 使用时不方便 我们所研究的太阳自动追踪系统是基于单片机的自动控制系 统 目前来讲 基于单片机系统的追踪方式比较实用 因为单片机系统具有体积小 造价低 控制灵敏等优点 阳光追踪 即太阳角度追踪 因为它是基于对太阳高度角和太阳方位角的计算 而进行追踪的 在太阳角度追踪模式下 系统通过 GPS 模块获取地磁偏角 经纬 度以及天文时间 传送给单片机 利用这些参数来计算当时的太阳高度角和太阳方 位角应该是多少 并与两个角度传感器得到的角度进行比对 控制电机的转动 每 隔一段时间读取一次 计算一次太阳角度值 实现阳光的自动追踪 太阳自动追踪系统的总体设计 大体的工作流程是这样的 开机之后 系统初始化 首先由模拟电子开关控制 GPS 传回信息 进而得到俯仰角传感器的角度 之后再传回方位角传感器的数据 单片机得到角度信息之后 发指令给继电器 由继电器调整控制哪个角度的步进电 机与驱动器连接起来 之后单片机再发脉冲及转动方向信号给驱动器 步进电机就 会转动起来 这样就可以控制电池板追随太阳而转动 实现阳光追踪 电池板转动 过程中不断向蓄电池充电 对太阳板及蓄电池的电压要进行实时监测 根据检测结 果控制充放电及逆变回路的通断 2 2 系统总体技术方案系统总体技术方案 系统主要由驱动控制器和跟踪器机械构件两部分组成 驱动控制器完成对太阳 位置的检测 机械构件主要完成动力的传递和支撑太阳能转换装置 7 电源电路 模拟电子开关量输入 STC89LE516AD 电机驱动电路俯仰角电机 方位角电机 电机驱动电路 GPS 俯仰角传感器 倾角传感器 图 1 驱动控制器硬件总体设计方案 硬件总体方案如图 1 太阳跟踪与驱动控制器以单片机 STC89LE516AD 为核心 建立应用系统 GPS 模块获取地磁偏角 经纬度以及天文时间 传给单片机计算理 论角度值 方位角传感器 双轴倾角传感器得到实际角度 为跟踪提供依据 以便阳 光跟踪 当跟踪装置转到预设值 为了保护设备同时为第二天跟踪做好准备 需返回初 始位置 此时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 2 3 系统开发流程系统开发流程 单片机应用系统的开发是指用单片机组成应用系统从任务提出到设计定型 制 造调试 直到使用的整个过程 在单片机控制系统的开发和设计中 首先要明确设 计要求 即确定系统的功能指标 然后制定系统方案 最后是方案的实施 8 图2 1 单片机控制的主要内容包含总体设计 硬件开发 软件开发及样机联调等 硬 件开发时要先设计 绘制原理图 根据系统的各项技术指标独立进行软件设计 还 要根据所设计的原理电路 综合考虑系统的性能和计算要求 合理布置元器件 再 进行印刷电路板的设计 加工 最后将元器件仔细核对后焊接在线路板上 然后用 万用表 逻辑测试笔 示波器等仪器对硬件线路进行检查排错 必要时借助仿真器 进行硬件调试 在完成了硬件和软件的分别调试后就可进行联机调试 进一步排除 软 硬件的错误和不足 发现设计中的错误之处及时修正 直至所设计的系统达到 预期的要求 图2 1示出了单片机系统的研制开发流程 本次设计就按照此流程来进 行设计开发 9 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 概述概述 硬件总体方案如图 3 1 太阳跟踪 电池逆变与驱动控制器以单片机 STC89LE516AD 为核心建立应用系统 太阳能电池板 蓄电池 单片机系统 电机驱动电路 GPS 俯仰角传感器 方位角传感器 模拟电子开关 步进电机 图 3 1 3 2 电源电源 1 太阳能电池伴是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电 能的器件 这种光电转换过程通常叫做 光生伏打效应 太阳能电池又称为 光伏 电池 单片太阳能电池就是一薄片半导体 结 在标准光照条件下 额定输出电压 为 0 48 为了获得较高的输出电压和较大容量 往往把多片太阳能电池连接在一 起 2 蓄电池 1 太阳能电池只能在白天进行光电转化工作 电能在夜晚才能用于照明 因此 必须储备在蓄电池内 储备的容量要足够当地连续几个夜晚的照明需要 2 太阳能电池板输出能量极不稳定 配备蓄电池后 太阳能设备等负荷才能稳 定工作 10 3 3 单片机单片机 单片机从系统开始启动就工作 首先就是通过 GPS 模块加电工作以后 就能测 出当地的经纬度 当前时间 还有地磁偏角 由这些参数计算太阳板角度的理论值 接着通过模拟电子开关分别连接方位角传感器和俯仰角传感器来测量电池板当前方 位角和俯仰角到底是多少 计算得到的方位角 俯仰角理论值 与测量得到的值如 果超出一定范围 就启动步进电机 指挥电机转动去接收阳光 目前的单片机几乎 用在了所有的需要计算处理数据的中小型电路之中 任何地方都可以看到它的身影 3 3 1 STC89LE516AD 单片机的特性单片机的特性 速度快 0 90MHZ 频率任意选择 8 位 A D 转换器 转换精度高 测量的数据准确 同普通的 8051 单片机完全兼容 512B 的数据存储器 3 个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 极大方便了多点控制 使得程序编制简单快速 64K 闪存 flash 的程序存储 可满足用户复杂程序容量大的要求 优势 超强抗干扰 高抗静电 ESD 保护 轻松过 2KV 4KV 快速脉冲干扰 EFT 测试 宽电压 不怕电源抖动 宽温度范围 40 85 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施 禁止 A L E 输出 如选 6 时钟 机器周期 外部时钟频率可降一半 单片机时钟振荡器增益可设为 1 2gain 11 超低功耗 掉电模式 典型功耗 Uhi2 初始化时 Uhi Uhi1 其保护程序流程如图 4 3 19 图 4 3 蓄电池过充电保护流程图 4 2 太阳角度追踪模块太阳角度追踪模块 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 故有必要对相关的天文背景知识有一定的了解 太阳 运行的位置变化都是可以预测的 通过在数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪 太阳板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 太阳板倾斜角 太阳板方位角 和的函数 即 f 它们的具体关系是 太阳赤纬角 可由 Cooper 方程式 4 1 近似计算 n 一年中的天数 如 在春 分 n 81 则 0 20 4 1 4 2 时角计算公式见式 4 2 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 其他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 从上面 三个式子可看出 当 确定后 太阳板倾角 和方位角 的值决定了直接 日射入角 因此只要控制太阳板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 在时角标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知 同时时角坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关 于是通过天文三角形之间的 关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系 换算公式如下 太阳高度角 4 3 太阳方位角 s 4 4 任何两地的地方时刻 均可根据两地的经度差异确定 经度差 15 时刻就相 差 1 小时 并且偏东的一地时刻较早 但在太阳能工程计算中 经常需要用到真实太阳时刻 故必须进行时间订正 订正分两步进行 第一步先进行经度订正 即将北京时刻订正为地方时刻 即 地方时刻 T 北京时刻 120 地方经度 4 分钟 第二步再进行时差订正 根据真实太阳时与平均太阳时关系式将地方平均太阳 时订正为真实太阳时 这样 由北京时间值通过计算 可以得出太阳时角的大小 21 开始 读GPS 读俯仰角传感器 读方位角传感器 调用计算太阳俯仰 角函数 保存结果 是否相等 单片机发指令给继电器 继电器调整 俯仰角步进电机与驱动器连接 单片 机再发脉冲 转动信号给驱动器 相应电机转动 太阳板转动 返回 调用计算方位角 函数 保存结果 是否相等 单片机发指令给继电器 继电器调整方 位角步进电机与驱动器连接 单片机再 发脉冲 转动信号给驱动器 否 是 否 是 图 4 4 太阳跟踪控制流程图 4 3 控制模块控制模块 单片机控制电路 就是控制电动机部分 接收驱动器传输过来的信号 运算和 预定程序判断后 来决定电动机的运行方式 控制电路通过 NPN 导通或截止 来控 制继电器的两端电压 从而控制继电器的吸合或者断开 进而控制电机的转动和停 止 22 角度差值 单片机发指令给继电器 方位角电机转动 继电器是否为高电平 俯仰角电机转动 单片机发脉冲信号及转 动方向信号给驱动器 单片机发脉冲信号及转 动方向信号给驱动器 否 是 图 4 5 电机控制流程图 23 第五章第五章 结论与展望结论与展望 与传统的跟踪装置相比 我们采用太阳跟踪与驱动控制器以单片机 STC89LE516AD 为核心建立应用系统 GPS 模块获取地磁偏角 经纬度以及天文时 间 据此参数由公式计算理论角度值 方位角传感器 双轴倾角传感器得到实际角 度与理论值比较来控制步进电机的转动从而调节太阳板对阳光的追踪 在操作中我们 利用双轴同步电机的调节使得调节快速 在提高了太阳能利用率的同时 系统工作更 稳定 我们对太阳跟踪及驱动系统进行了研究与开发 取得了预期的效果 但是 对于 把跟踪装置作为一个工业产品进行实际应用来说 还有许多实际问题需要探索 1 我们对装置的使用条件进行了假设 虽然已经考虑了许多的外界影响因素 但是仍然 存在着许多的未知因素会影响系统准确和平稳的运行 因此需要在不断应用中进行改 进和完善 本设计的跟踪平台是针对采光设备体积较小的应用 只能满足民用产品的 需求 对于工业太阳能应用中较大采光设备的跟踪需求无法满足 24 致致 谢谢 首先感谢周老师在百忙之中对我论文给予的详细指导 使我通过这次的论文准 备 能学到以前不曾接触的更多的东西 但是由于水平有限 文中难免会有不少粗 浅 疏漏 偏颇之处 望老师谅解 通过这次的论文准备 甚感自己对专业认识的肤浅 在以后的工作中还要不断 学习 25 参考文献参考文献 1 高峰等 太阳能开发利用的现状及发展趋势 J 世界科技研究与发展 2001 23 4 35 39 2 李群芳等 单片微型计算机与接口技术 第 3 版 电子工业出版社 3 谭浩强 C 程序设计 第三版 清华大学出版社 4 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 入门 提高 开发 拓展全攻略 电子工业出版社 5 周忠漠等 GPS 卫星测量原理与应用 北京 测绘出版社 1995 6 康华光 电子技术基础 模拟 数字部分 高等教育出版社 7 言慧 太阳能 21 世纪的能源 J 上海大中型电机 2004 04 8 2010 2015 年中国太阳能发电站投资市场分析与前景预测报告 专家版 北京产业研究院 9 李安定 太阳能光伏发电系统工程 M 北京 北京工业大学出社 2001 8 10 王炳忠 太阳辐射能的测量与标准 J 北京 科学出版社 1988 11 王炳忠 日射观测中常用天文参数的再计算 J 太阳能学报 1991 12 王柄忠 太阳辐射计算讲座 J 太阳能 2000 16 2 12 13 谈小生 太阳角的计算方法及其在遥感中的应用