设计模板：太阳能发电太阳跟踪系统的设计

1、摘 要太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存。随着地球上有限能源被不断的开采，当今世界面临的最大问题之一就是能源危机。石油能源，碳能源，海洋能源等各种有限能源在不断减少，同时也带来了相应的环境污染。要解决这些问题的必然之路就是开发和利用新型无污染能源。然而目前太阳能光伏电站效率低，发电成本高，直接制约光伏发电产业的大规模推广，提高太阳能光伏电站效率已成为光伏发电产业的基本要求。本设计针对如何提高太阳能发电效率的问题，提出了采用自动跟踪的方法，让自动跟踪系统对太阳的运动轨迹作出实时判断，从而使太阳能电池板实时和太阳光线保持垂直，提

2、高太阳能发电的效率。跟踪太阳的方法可以概括为两种方式，光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。前者是闭环的随机系统, 后者是开环的程控系统。同时对两种太阳跟踪方式进行理论分析。本课题设计的自动跟踪式太阳能光伏发电系统，实现了对太阳的自动跟踪，使太阳能电池板基本对准太阳垂直入射的方向，并实现了连续稳定的电能输出，保证用电负载的正常工作。关键词： 光伏发电 自动跟踪 发电效率 太阳能AbstractSolar Energy generally refers to the solar radiation energy. In the modern commonly used for power genera

3、tion. Since the formation of the earth organism mainly to light and heat provided by the sun live. As the earth limited energy by continuous mining. One of the biggest problems facing the world today is that the energy crisis. Petroleum energy, carbon energy, ocean energy and other finite energy is

4、reducing unceasingly, also brought the environmental pollution. To solve these problems is the way of the development and utilization of new energy without pollution. However, solar PV power station low efficiency, higher cost, directly restricts the photovoltaic industry, large-scale promotion, imp

5、rove the efficiency of solar photovoltaic power station has become the basic requirements of photovoltaic industry.The design is aimed at how to improve the efficiency of solar power generation problem, puts forward the method of automatic tracking, automatic tracking system to the sun to make real-

6、time judgments of the motion trajectory, thus making the solar panels in real time and sunlight perpendicular, improve the efficiency of solar power.Sun tracking method can be summarized into two ways, photoelectric tracking and trajectory tracking based on visual day. The former is the closed loop

7、of stochastic systems. The latter is an open loop control system. At the same time to two kinds of solar tracking mode in theory analysis.This topic is to design the automatic tracking solar photovoltaic power generation system, to achieve automatic tracking sun, so that the solar panel is substanti

8、ally aligned perpendicular to the sun incident direction, and realize continuous and stable power output, to ensure the normal work of electric power load.Key words: solar photovoltaic generation automatic tracking the efficiency of power generation solar energy目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 太阳能光伏发电的介绍11

9、.2 太阳能发展的现状21.3 太阳能自动跟踪技术的研究概况31.4 本文研究的内容及课题研究的意义32 光伏发电介绍52.1 光伏发电52.2 光伏效应52.3 光伏电池市场竞争态势62.4 光伏电池的分类63 太阳能自动跟踪系统理论83.1 常用的太阳跟踪方式83.2 自动跟踪系统的设计原则103.3 最大功率跟踪技术113.4 最大功率的跟踪方法114 自动跟踪系统的设计与实现144.1 独立太阳能光伏发电系统的结构144.2 跟踪控制系统总体设计154.3 嵌入式操作系统的选择165 自动跟踪的软硬件设计185.1 硬件整体设计185.2 微处理单元185.3 光跟踪单元215.4 传

10、感器单元235.5 控制单元265.6 MPPT电路设计295.7 跟踪控制系统程序设计326 结论与展望35致 谢36参考文献37附 录39江苏师范大学本科生毕业设计 太阳能发电跟踪系统的设计1 绪论1.1 太阳能光伏发电的介绍太阳能的热能利用和光能利用是其两个最重要的应用领域，之所以特别引人注目， 是由太阳能的特殊性所决定的。太阳能具有储量巨大，不会枯萎，清洁能源，不受地域限制的特点。太阳能的光能利用在近年里应用最为广泛，改善着人们的生活。太阳能到达地球的能量，每40秒钟相当于210亿桶石油的能量。我国在光照资源丰富的西北地区的荒漠面积达108万平方公里。如果每平方公里面积可安装100兆瓦

11、光伏阵列，每年可发电1.5亿度；如果开发利用1的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。目前，在我国的北方、沿海等很多地区，每年的日照量都在2000小时以上，海南更是达到了2400小时以上，是名副其实的太阳能资源大国。所谓光伏发电，就是指以太阳能电池为媒介，将太阳光直接转化为电能的过程。太阳能电池产生的直流电，能直接被应用，也能通过逆变器将直流电转换为交流电，加以应用。光伏发电系统可以分为独立型光伏发电和并网型光伏发电两种，其依据为是否与电网相连接。独立型光伏发电一般建在远离电网的较远地区或者用作移动式电源，来解决无电问题；并网型光伏发电与常规电网连接，直接将发出的电能输送到当地电力

12、网络上。太阳能发电发展史：太阳能发电发展史如表1-1所示。太阳能发电的历史可以追溯到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料照射光后，会引起其伏安特性改变。最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成光伏电池。近二十年来，由于国内的电力电子技术发展起来，对光伏技术的研究和应用也有很大的促进。地面的光伏技术发展势头强劲。现在，许多技术人员正在着力研究、解决太阳能电池的高效、廉价、稳定、大容量等问题。光伏技术的应用和发展在中国具有很大的潜在市场。表1-1 太阳能发电发展史年份成就黎明期 功率等级w(kw)1800-19741954年发明单晶硅电池，1958年美国卫星上应用光伏电池电力应用期 功率等级MW

13、1976-20032005光伏电池年产量100万千瓦（1GW），相当于一个核电站的发电量梦想期 功率等级1GW以上2010-2050普及智能电网新概念光伏电池（纳米级）研制国际级光伏直流电网高压超导直流输电宇宙光伏电站沙漠光伏电站1.2 太阳能发展的现状目前在国内外太阳能发电的应用正在快速增长，特别在一些比较偏僻的地区太阳能相比较容易得到，跟其他地方相比较。这些地区的基本电力都可通过太阳能发电产生。在乡村，太阳能的利用能提高工作效率，降低生产成本，例如太阳能养殖棚、太阳能水泵自动灌溉系统等。在城市，可在屋顶和建筑物外墙敷设太阳能发电装置，电梯用电、建筑物照明或者回馈电网都是通过发电装置来提供电

14、量，从而能很大地节约了有限能源。为了保护环境减少污染，随着太阳能技术的不断发展完善，现在燃料汽车将会逐步被无污染的太阳能电力汽车取替。在太空航空科技领域中，太阳能光伏发电技术一直扮演重要的角色。从太阳能发展现状可见，在未来太阳能的利用将持续高速的增长，逐渐成为人类世界发展中最为重要的能源。在能源危机和环境污染严重问题形势下，太阳能技术的研究和发展解决这些问题的一个重要突破口，我国是人口众多，人均资源少的国家，太阳能的利用发展将是我国今后能源发展重中之重。但是现在太阳能的发电还存在某些问题。太阳能的利用还是比较低的，没有达到可观的利用率。太阳能发存储电量的容量太小，太阳能利用率比较低在已经投入使

15、用的太阳能发电系统中。如何解决目前这个问题必须从提高太阳能的接收效率这个方面入手。据报道“环保社会，绿源”(ERG)项目-政府投资的欧洲多国/多学科研究项目的合作方近日公布了相关细节。这个为期三年的ENIAC联盟项目的计划旨在让太阳能产业链无论是可持续性能源收集还是智能电网都取得实质性发展，发展目标包括把太阳能效率提高25%，功率转换损耗降低20%。由此可见不仅我国，各个国家都很重视太阳能的高效利用。可见提高太阳能利用率的重要性。1.3 太阳能自动跟踪技术的研究概况在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了

16、。在1998 年的时候，美国加州研究了两轴跟踪器，把集中阳光的透镜装在太阳能面板上，这样能收集到比较多的能量，提高了它的效率。2002年亚利桑那大学发表了较新的太阳能自动跟踪装置系统，这个装置是利用控制电机来完成跟踪的，用铝型材框架结构，有紧凑的结构，有较轻的重量，跟踪器的应用领域被拓宽了。在国内在这方面这几年也有很多专家也相继进行了研究，在1992年时太阳灶自动跟踪系统也随后被推出，1994年依据单轴液压自动跟踪器，从而研究出来了单向跟踪。2006年保加利亚首先供应电机驱动单轴跟踪器， 组件价4usdW，2007年美国市场出现光热膨胀平衡液压驱动跟踪，2010至2011年跟踪器市场萎缩，组件

17、价格低于2美金，2012年光伏组件价格低于1美金，跟踪器成本远大于太阳能板，跟踪器被淘汰。1.4 本文研究的内容及课题研究的意义本文以太阳能电站自动跟踪系统为研究对象，立足于当前国内外的跟踪系统的研究现状，将完成如下工作：1、根据太阳跟踪原理和方法，设计简单，紧凑的机械执行机构，并提出合理的控制策略；2、根据所提出的控制策略设计控制系统，并选择合适的控制执行部件即步进电机，完成光电检测电路的设计；3、在硬件设计的基础上，针对控制功能设计要求进行相应软件设计，实现改进的太阳能跟踪算法；4、针对整个自动跟踪系统的硬件实现和软件算法，对相关环节进行了试验测试，分析试验结果。课题研究意义：太阳自动跟踪

18、装置的利用是提高太阳能利用率的一种重要途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使太阳能采光板的热接受率大大提高，从而可以提高太阳能的利用效率，拓宽太阳能的利用领域。自动跟踪装置的应用对太阳能利用在控制智能化、信息化等方面有一个长足的飞跃，随着自动跟踪装置在该领域应用技术的日趋成熟完善，自动装置系统必将给太阳能发电带来更为深远的影响。太阳自动跟踪就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化，调整太阳能电池板的偏转角度，从而跟踪太阳的运行轨迹，使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上，充分地接收太阳辐射能量。2 光伏发电介绍2.1 光伏发电所谓光伏，就是指以太阳能电池为媒介，将太阳光直接转化为电能的过程，太

19、阳能发电系统是指把太阳能直接变换为电能，作为工业使用和家用电源，这种方式一般称为直接变换电源，是一种新能源。多年来，电源产生的方式常用间接变换方式，例如，火力发电厂用煤或者石油作为能源，将其化学能通过燃烧变为热能，产生蒸汽后推动汽轮机再带动同步发电机产生电能，这种火力发电系统就是一种典型的间接能源变换。太阳能发电利用了直接能量变换，故无需石化燃料，对环境的污染小；又由于不存在运动部件，故运行噪音小，维修十分方便。光伏技术和应用光伏学的不停的发展，光伏发电系统也越来越完善。现在的光伏发电系统已具备了各种优点。比如：使用寿命长、无污染排放、模块化、无噪音等。随着电力需求的增长，在可再生能源领域中的

20、光伏发电对于人们将越来越重要。控制器、光伏电池板和电能储存单元及光伏发电与电能变换系统组成了光伏发电系统。光伏电池阵列板采集太阳光辐射能量，根据光伏效应原理直接转换为电能，最后通过电缆、控制器、储能等环节储存和转换，提供负载使用。2.2 光伏效应众所周知，半导体是介于绝缘体和导体之间、具有一定导电性能的材料。电子表，微机的心脏（大规模集成电路，LSI）都是利用半导体的性质而制成的。光伏电池模块同样也用了半导体材料。LSI是由大量的晶体和二极管组成的器件，在外部加上电压和电流后可进行数字运算和记忆。而光伏电池模块这种器件与其不同之处是当光照射后能产生电动势，从而后去能量。其区别是一般的二极管和晶

21、体管在黑暗处也能工作，但光伏电池必须在光照射状态下才能工作。光伏电池其实是由很大面积的一块半导体二极管组成的。光伏电池所用典型材料是硅（Si）,其外层电子数为4，则硅由4个原子组成分子态，称为真性半导体。若在真性半导体即单晶硅中渗入杂质，例如渗入5价的磷（P），则会产生多余电子，称为N型半导体。若渗入3价的硼（B），则其处于欠缺一个电子状态，将产生空穴，称为P型半导体，把两个半导体结合，称为PN结。PN结接受光能就会在其边界形成正负电子中和界面。如外部接线并带上负载就会产生电流。只要形成了PN结，PN结两边的空穴和电子的浓度不相同，电子就会自然地从N区扩散向P区，空穴就要向相反方向扩散，电子和

22、空穴电荷的移动，在半导体内部就产生了一个内部的电场，产生的电场又在结处形成了一个内部的电位降，加快了空穴和阻抗电子继续扩散。含有这两种电荷层的区域叫做空间电荷区;因为有了空间电荷区的作用，所以达到PN结内部的平衡状态。在光照射在半导体上的时候，区间的内部就会产生电子空穴对，使带电载流子的个数不断增加，在内建电场的吸引作用下，这些充电载流子在空间电荷区内流动，因此在PN结的内部形成一个光生电场，接上一个负载电阻R后，将会流过电流，消耗功率。这就是光伏电池的光伏效应原理。2.3 光伏电池市场竞争态势第一代晶硅太阳能电池，主流市场转换效率约为18%，由于发展早，产业链上各企业生产技术较为成熟，占应用

23、市场约80%的份额；第二代薄膜太阳能电池，已经产业化的主要有薄膜硅电池、CIGS电池和CdTe电池等，占应用市场约19%的份额，由于生产成本较低，预计到2015年市场占有率将超过20%；第三代太阳能电池主要包括聚光和有机太阳能电池等。聚光光伏组件最高转换效率达到40%，但由于技术尚不成熟，目前聚光光伏电池占应用市场约1%得市场份额。2.4 光伏电池的分类1、按不同材料分：光伏电池的制造方法各异，但按照材料来分类最为重要，可以分为硅材料电池和化合物材料电池。硅材料电池又分为晶体和非晶体型。化合物材料电池可分为铟硒铜、碲化膈材料和砷化镓、磷化铟材料。从光伏电池的发展史看，最早的光伏电池是利用硅二极

24、管观点转换原理制成的，故长期以来，光伏电池的生产均利用晶体管或者二极管的硅片进行。众所周知，生产单晶管经常用的方法是把纯度高的金属硅融化，然后通过使用拉伸的方法拉出单晶硅棒，然后切割为硅片。这种方法的缺点是制造成本高，单晶硅结晶生长所用时间较长。之后，又发展成多晶硅采用“印带法”和“熔铸法”的工艺，使生产成本大大降低，生产率也大大提高。所谓“熔铸法”，是将融化的硅倒入铸型内制成铸块。所谓“印带法”，是将硅溶液连续形成带状晶体，直接做成光伏电池。继多晶硅之后，非晶硅出现，它也是做成薄膜型，不仅使用硅材料少，且结晶温度低，大量生产时消耗能源少，有点非常明显。近年来，也有用硅以外的化合物材料做成光伏

25、电池的，如砷化镓、磷化铟、铟化铜、碲化膈等。2、按构造分类：这种分类的本质是按形体（厚度）进行分类，大体可分为块（片）状和薄膜状两大类。块（片）状以单晶硅和多晶硅为代表，即以块状结晶材料用机械加工的方法制成板（片）材。而薄膜状是以玻璃或者金属作基板，让晶体材料粘附其上并起化学反应形成一个晶体薄膜。非晶体化合物则以砷化镓等为代表。此外，还有另外一些分类方法，如以PN结的层数进行光伏电池的分类等。3 太阳能自动跟踪系统理论3.1 常用的太阳跟踪方式跟踪太阳的方法有很多，但不外乎采用这两种方式：光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。3.1.1 光电跟踪光电跟踪是由光

26、电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整采光板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪为了检测太阳运动的方向，通过使用硅光电池、光敏电阻、光敏二极管等光敏元件。并且通过控制跟踪装置来追踪太阳的运行。在国内，电磁式和电动式是经常用的光电跟踪机械装置形式。在安装使用过程中，遮光挡板的旁边通常安装光敏元件，并且把挡板的位置进行调整，目的是为了光敏面完全处于阴影区，当太阳垂直射入时。当太阳方位发生偏转时，将产生并输出与光照强度和光照面积成正比的光电流，因为光敏元件受到阳光照射。产生的光电流经过运放转换放大之后成为偏差信号，来做相应的调整通过控制跟踪机构，使电池板能够一直对准太阳垂

27、直照射的方向，从而提高太阳光的利用率。电跟踪的优点是灵敏度高，采光效率高；但是成本较高，不易广泛推广，同时受天气影响较大。3.1.2 太阳运动轨迹跟踪通过运用天文学公式，计算出太阳运动轨迹的理论值，然后来控制跟踪装置进行太阳跟踪的方法称为太阳运动轨迹跟踪。太阳运动轨迹的跟踪方式是一种开环控制的方法。此跟踪方法分为一维跟踪、二维跟踪两种，其判断依据是跟踪系统的轴数。1) 一维跟踪以转动轴放置方式的不同分，一维跟踪可分为南北向跟踪和东西向跟踪两种。东西向和南北向跟踪形式的工作原理差不多是相同的，图3-1是南北方向跟踪的示意图。如下图所示，跟踪转轴东西方向放置，通过预先计算出的结果（太阳的赤纬角），

28、太阳自动跟踪装置带动电池板不断绕转轴做俯仰运动，来完成太阳的跟踪。上述的跟踪方式，仅仅在一个方向上完成太阳的跟踪，只有在正午时太阳才能垂直的射入，出来正午的其它时刻都是斜射。太阳一维跟踪的优点为比较容易实现，结构也比较简单，但太阳光线不能始终垂直的射入太阳能电池板，有限地接收太阳辐射的能量，太阳能的利用率不能明显提高。图3-1 南北向一维跟踪2）二维跟踪二维跟踪又叫全跟踪。可以在两个相互垂直的方向上跟踪太阳，可以更多的获得太阳能。二维跟踪方式以坐标系不同划分，能分为高度角-方位角式和极轴式全跟踪。(1) 极轴式全跟踪极轴式全跟踪是以极坐标系为基础，原理如图3-2所示。两个转轴在跟踪机构中，极轴

29、是指向北极；赤纬轴与极轴垂直。在跟踪的时候，跟踪机构首先带动太阳能电池板从东向西绕极轴运转，其速度为地球自转的速度，叫做视日运动。在此之外，跟踪机构还需要固定时间地围绕赤纬轴做俯仰运动，目的是为了适应太阳赤纬角的变化。这种方式的跟踪的优点是很容易实现的；但是在机械结构方面，极轴的轴线方向与跟踪装置和太阳能电池板的重量分布方向不平行，使支承装置的设计有点困难，所以不常用。图3-2 极轴式全跟踪(2) 高度角-方位角式全跟踪跟踪机构的方位轴与地面垂直，方位轴和俯仰轴垂直。在跟踪时，根据太阳在方位角方向的偏转，跟踪机构带动太阳能电池板，绕方位轴旋转；以太阳在高度角方向的偏转程度为依据，作俯仰运动绕着

30、俯仰轴，从而使太阳光线垂直得射入电池板上面。高度角-方位角式全跟踪的优点是能够收集到足够多的太阳能，有较高的稳定性。并且，垂直轴在的那个平面和电池板的重量分布平行，支承装置有比较简单的设计。3.2 自动跟踪系统的设计原则（1）坚持可靠性、稳定性、先进性及实用性原则。可靠性、稳定性方面要求可以长期在野外恶劣的环境下工作并保持系统稳定可靠运行，维护简单，结构设计是其中一个技术关键。先进性方面要求用简单的控制器电路和控制方案确定太阳的方位，实现精确跟踪，提高太阳能电池板的发电量，这是一个技术关键。实用性方面要求设计出低功耗的太阳能跟踪装置，降低太阳能发电成本，这是另一个技术关键；（2）系统设计应有冗

31、余量，具有各种保护功能以满足系统可靠工作的配置，提高系统运行可靠性。同时考虑到以后各种实验的需求；（3）系统设计应考虑建站地点的地理条件，环境气象数据，如高海拔、潮湿环境、地点、纬度、经度和海拔等。3.3 最大功率跟踪技术光伏电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压将发生变化，使输出功率也产生很大变化，故光伏电池本身是一种极不稳定的电源。如何能在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，这就是理论上和现实上提出了光伏电池的最大输出功率点的跟踪问题。提高太阳能转换电能的效率是最大功率跟踪的目的。时刻跟踪光伏电池阵列的输出电压和输出电流，然后计算出输出功率，用来判断光伏

32、阵列输出功率是不是最大输出功率点，如果不是，可以通过调节负载来到达光伏电池阵列始终可以输出最大功率，其依据为光伏阵列输出特性变化。3.4 最大功率的跟踪方法现在最大功率跟踪的方法主要分为这几种:扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、最优梯度法、恒定电压跟踪法、遗传法、神经网络预测法等等。各种方法有所不同，有其各自的优点，也有各自的缺点。在选择跟踪方法的时候可以根据不同的情况来选择。下面介绍几种主要的跟踪方法: 1.扰动观察法扰动观察法是一种常见的最大功率点跟踪方法，这种方法是先施加一个扰动值，为正方向的。然后再检查功率的变化情况，若输出的功率变小，就继续增加电压的正向扰动值，让输出的功率继续增大

33、，若检测的功率不是不增加却是变小了，就应该施加反向电压的扰动值，让光伏电池输出功率不断增加，用这种方法推出，让输出功率固定到最大功率点上工作。如图3-3可见，在Pl，P2，P3上加正向扰动电压后使电池阵列功率到最大功率点Pmax的地方，而如果在Pmax的右边P4，P5加上反向扰动电压后，使功率回到最大输出功率点处。如图所示: 图3-3 扰动法P-U图2.电导增量法此方法是目前实现MPPT比较常用的算法之一，电导增量法的算法是：检测光伏电池阵列的瞬时电导值，并且还要和增量电导值相比较，通过最终比较结果实现最大功率点的跟踪。光伏电池阵列输出的功率为P=UI，dP/dU=0对应的功率P是最大输出功率

34、点，dP/dU其中电压U与电流I用来表示功率P，因此dP/dU=0改写成如下公式:dP/dU=d（IU）/dU=I+UdI/dU (2-1)通过最大功率点dP/dU=0，公式2-1化简后可得:dI/dU=-I/U (2-2)实际应用当中，增量前后检测到的电流差值可以用来表示dI，增量前后检测得到的电压差可以用dU来表示，此时的增量电导值为dI/dU，I/U表示此时的瞬间电导值。所以，只要2-2等式成立的话，就意味着光伏电工作作用在最大功率点上。若等式不能够成立就可以通过施加电压的扰动的方法来完成对最大功率点的跟踪。这种方法的优点为，太阳电池上的照度有不相同的变化的时候，它的输出端的电压能通过平

35、稳的方法追随它的变化，其电压晃动跟扰动相比观察法小。但是其算法比较复杂，而且规定控制系统应有比较快响应时间。3.恒电压跟踪法(CVT)光伏电池阵列最大功率点的位置一般都是在某个特定电压值附近，在不相同光照情况下。这种方法可以通过对光伏电池阵列在电池温度下和不同光照强度的实际测量值得到此光伏电池阵列平均的最大功率点的电压值，太阳能跟踪控制系统能很容易的完成了最大功率点跟踪的目的，采用控制光伏电池阵列输出电压固定工作在这个电压值上。恒电压跟踪的方法控制比较简单，但是在温度变化比较大的情形下，因为采用的恒定电压值和此时的最大功率点的电压值有很大的差距，因此电池实际的工作点和要求最大功率点的偏差大，导

36、致光伏发电的效率很大程度上减小。恒定电压跟踪方法的控制相对简单，可靠性比较高，稳定性较好，而且容易实现。但是，因为环境的变化所以导致它的跟踪控制精度的变差，再加上没有很好的适应能力，所以不能满足不相同的光伏电池阵列跟踪要求。光伏发电系统控制技术显著提高，不断微处理器化和数字化，所以这种方法逐渐被其他的方法所替代。4 自动跟踪系统的设计与实现4.1 独立太阳能光伏发电系统的结构因为有不同的应用场合，光伏发电系统大概能分为独立光伏发电系统型、并网型以及混合型系统，本设计主要研究对象为小型独立光伏发电系统。逆变器、太阳能电池阵列、蓄电池、充放电控制器、DC/DC变换器等等组成了独立型太阳能光伏电源。

37、（1）太阳能电池阵列很多块太阳能电池板串联和并联组成了太阳能电池阵列，每个支路都是通过充放电控制器给蓄电池充电。（2）蓄电池组太阳能电池阵列储能装置是蓄电池组，蓄电池组的作用是将电池阵列在有阳光时产生的多余的电能存储起来，在阴雨天或者晚间时提供负载使用。几个蓄电池串并联组成蓄电池组。容量要求能在没有太阳辐射的天气中，能够满足用户所需的供电量和供电时间。现在光伏发电系统经常用的是铅酸蓄电池，在比较重要的场合中也有的用镉镍蓄电池，但是价格比较高，所以用得没有铅酸蓄电池多而广泛。（3）充放电控制器光伏发电系统的使用寿命受蓄电池组的使用寿命影响非常大。要想延长蓄电池组的使用寿命，就要对蓄电池组的充放电

38、条件进行控制和规定。光伏发电系统中，充放电控制器的主要作用是给蓄电池提供比较好的充电电压和电流，平稳、快速、高效地能够给蓄电池充电，而且在充电的过程当中减少了大量损耗、尽可能使蓄电池的使用寿命延长；并且也可以保护蓄电池，避免发生过放电和过充电的现象。若用户用的直流负载，可以用充电控制器给负载提供相对稳定的直流电。在温度相差比较大的地方，符合要求的控制器还要有温度补偿的功能，另外附加的功能像时控开关、光控开关都应该是控制器的可选项。（4）逆变器太阳能逆变器是太阳能交流发电系统：电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆

39、变。逆变器把蓄电池放出直流电的和太阳能电池阵列输出的直流电，变换为负载所需的交流电的器件。逆变器的主电路有大功率的晶体管组成，用正弦脉宽调制工作制，抗扰的能力比较强，过载和限流保护功能比较强。（5）DC/DC变换器当光伏电源系统中和系统工作电压的直流负载存在不同时，要用DC/DC变换器，为了满足负载特定的电压需求，可以把输出的直流电进行电压变换。4.2 跟踪控制系统总体设计这个系统总体的设计是完成全方位的跟踪采集在太阳光采集方面上，属于一种双轴式光电跟踪系统，这个系统对太阳光方位角和高度角实行动态跟踪，该系统的控制单元是通过两台步进电机的控制来实现的，经过步进电机的驱动光伏电池阵列对方位角与太

40、阳光高度角来进行跟踪移动，从而保持电池阵列光接收的平面和太阳光始终保持垂直，可以完成光伏阵列对太阳光能的有效吸收。在该系统光伏发电的环节当中，通过设计MPPT单元可以用来跟踪光伏电池阵列的最大输出功率点，可以确保电池阵列在不相同的环境影响和不相同得光照强度下可以最大功率输出，在太阳能充分吸收的条件下能更好的实现太阳能充分转换为电能。本设计的整个系统控制单元是采用以ARM微处理器的嵌入式为基础的系统来完成控制功能的。ARM和单片机相比，ARM的计算处理速度相对较快，可以支持强大的接口功能(比如PCI接口、网卡接口、USB接口等等)，还可以移植嵌入式操作系统(此嵌入式操作系统能通过自身设计的应用进

41、行定制与裁剪)，可以实现多个任务运行方式，系统还提供各种API程序，比较有利于程序人员进行设计开发在上层对应用程序。在设计当中，传感器单元的作用是负责接收各种传感器的采样信号，通过经过相应的转换后作为输入信号传送到控制单元。依据系统它的功能需要，使用传感设备包含电流电压传感器，光电传感器，角度传感器。光电传感器用感光特性很好的光敏电阻元件实现光全方位的跟踪和定位，电压电流传感器时刻检测光伏电池阵列的输出电压和输出电流值，并能计算出光伏电池的输出功率值。角度传感器有两个传感元件，一个用于检测电池阵列的方位角度一个用于检测高度角度。此系统的设计可以分为两个部分:一部分为光跟踪单元，另一部分是最大功

42、率点跟踪单元MPPT。太阳能控制系统如图4-1所示： 图4-1 太阳能跟踪控制系统结构框图MPPT单元结构图如图4-2：图4-2 MPPT单元结构图4.3 嵌入式操作系统的选择计算机重要的系统软件是操作系统，操作系统屏蔽了计算机硬件的某些细节，而且通过应用程序接口(lication Programming Inierface，API)给用户提供服务，从而使应用程序设计人员得以在一个友好的平台上进行应用程序的开发和设计，很大提高开发的效率。此系统的设计是依据最大功率跟踪控制的特点，规定时刻跟踪最大功率点，所以此系统对实时性的能力要求比较高 。UC/Os(Micro Control Operati

43、on System Two)是实时性能比较好的微内核嵌入式操作系统，充分满足这个系统的要求。UC/OS是能基于ROM运行的、抢占式能裁减的实时多种任务的内核，可移植性强，尤其适合用于控制器和微处理器，是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS)。5 自动跟踪的软硬件设计5.1 硬件整体设计本系统的硬件设计包括：处理器控制单元、传感信号单元、电机驱动单元、MPPT单元。如图5-1所示： 图5-1 跟踪控制系统硬件总体框图传感单元用于检测信号经过相应的转换后并且送入到控制单元，传感部分包括信号处理电路和检测电路，电机驱动单元负责光伏电池板的跟踪运动，主要有驱动电路和两台步进电机组成的。M

44、PPT单元基本用BOOST电路调节输出电压，可以实现最大功率跟踪的功能。控制单元主要包括GPIO、A/D转换和PWM定时器组成。5.2 微处理单元在嵌入式系统设计中微处理器控制单元的设计是非常重要的环节，它是整个系统大脑，实施系统的控制功能，它设计的好坏直接关系到系统整体性能。微处理器控制单元设计首先选择满足用户需求和适合系统功能要求的微处理器，在微处理器选择完成后，根据控制设计方案和用户要求来进行微处理器周边接口的硬件设计。5.2.1 微处理器S3C2410这个系统应用三星公司的产品微处理器S3C241OX(ARM9)。这个处理器是以ARM920T为内核，主频可以达到203MHz，带MMU(

45、内存管理单元)，芯片性价比较高，并且芯片上资源很丰富，是现在ARM9处理器中应用比较多的一种。S3C2410集成的片上功能如下:.内核工作电压为1.8/2.0V、存储器供电电压3.3V、外部I/O设备的供电电压3.3V；.16KB的指令Cache和16KB的数据Cache；.LCD控制器，最大可支持4K色STN和256色TFT；.4通道的DMA请求；.3通道的UART(IrDA1.0、16字节TxFIFO、16字节RxFIFO)，2通道的SPI接口；.2通道的USB(Host/Slave)；.4路PWM和1个内部时钟控制器；.117个通用I/O，24路外部中断；.272PinFBGA封装；.1

46、6位的看门狗定时器；.1通道的C/S控制器；.带有PLL片上时钟发生器；.RTC实时时钟。(2)存储器: 4MFlash、64MNandFlash及64MSDRAM5.2.2 A/D转S3C241OX具有8通道模拟输入的10位CMOS模数转换器(ADC)，它将输入的模拟信号转换为10位二进制数字代码。在2.5MHZ的A/D转换器时钟下，最大转化速率可达到500KSPS。A/D转换器支持片上采样和保持功能，并支持掉电模式。5.2.3 GPIO端口控制S3C2410有117个多功能的输入输出引脚，这些端口是:.端口A(GPA):23个输出口；.端口B(GPB):11个输入输出口；.端口C(GPC)

47、:16个输入输出口；.端口D(GPD):16个输入输出口；.端口E(GPE):16个输入输出口；.端口F(GPF):8个输入输出口；.端口G(GPG):16个输入输出口；.端口H(GPH):11个输入输出口。每个端口可以根据系统配置和设计需求通过软件配置成相应的功能。在启动主程序之前，必须定义好每个引脚的功能。如果某个引脚不用作复用功能，则可以将它配置成I/O脚。5.2.4 PWM定时器S3C2410含有5个16位的定时器。当中定时器0、1、2、3有PWM的功能，也就是它们都有一个输出引脚，能依靠定时器控制引脚周期性的高、低电平的变化；定时器4无输出引脚。除此之外，定时器0含有一个死区生成器，

48、是用于大电流设备的。这个设计当中，选择应用三路定时器T1，T2，T3。T2设置时间用于完成定时采样光信号，来执行控制电机的跟踪动作。定时采样光伏电池阵列的输出电流、电压信号，由T3来设定时间。计算出光伏电池输出的功率，可以判断是否是最大功率点然后再实施相应的动作。控制光伏电池输出电压大小通过Tl设定PWM功能。除此之外，T0用来完成UC/OS系统时钟，为了能够提高此跟踪系统的实时性，可以缩短UC/OS系统时钟，也就是T0的设定时间，可以提高跟踪系统的实时颗粒度。5.3 光跟踪单元图5-2 光跟踪单元结构框图光跟踪单元包括传感器单元和控制单元、驱动单元。光电跟踪最主要是依靠固定到太阳能电池板上，

49、并且和板面平行的光强检测传感器以及太阳方位检测传感器分别测量太阳的光强和方位变化，从而来驱动跟踪装置对太阳进行自动跟踪。5.3.1 太阳方位检测传感器在光电跟踪中，一般把几个光电特性很相似的某些光敏器件（比如光敏电阻、光电二极管、硅光电池等）按照相应的位置关系进行对称放置，而且和相应的运放电路相连接，形成了太阳方位检测传感器。太阳方位监测传感器应用光敏器件在光照的情况下产生了光电流与光照强度和光照面积形成正比，而且根据太阳方位变化从而相应改变的原理，间接确定了太阳偏转方向，对太阳进行跟踪。实际应用当中，此方式的太阳方位检测传感器当中的每个光敏器件的光电转换效率一般不相同，所以检测的误差相对比较

50、大，不能保证光电跟踪的准确性。为了提高光电跟踪的稳定性与准确性，这个系统运用了一种光电集成器件为太阳方位检测传感器四象限光电探测器。四象限光电探测器是一类灵敏度系数较高的光电探测器件，由四个探测器组成，探测器的光电一致性好、能够相互独立，各个探测器由光敏器件组成。此类型的光电探测器是根据四象限定位法来进行光电探测，四象限的每个探测器分别对应着直角坐标系的一个象限，相对应的四象限定位原理如图5-3所表示。太阳直接入射的光线通过通光筒在四象限探测器的圆形光敏面上形成入射光斑，如图5-4所示。在太阳垂直入射的时候，光斑在四个象限上的面积是相等的，相对应地四个象限上探测器输出的光电信号幅值时相等的；在

51、太阳移动的时候，四象限分布的光斑发生相应变化，探测器输出的光电信号幅值也产生了相应的变化。依据光斑在四个象限上能量分布的比例，可以算出射入光斑的中心位置，可以确定太阳方位空间，有利于跟踪太阳方位的变化。 图5-3 四象限定位原理图 图5-4 通光筒用于计算光斑在四象限光电探测器上位置偏移的方法中，比较经典的是四象限加减算法，计算公式如式（5.1）和（5.2）所示。 (5.1) (5.2)其中， Sa、Sb、Sc、Sd分别代表光斑在四象限光电探测器四个象限上的分布面积。Ex和Ey分别代表光斑在x轴和y轴上的偏移分量。为消除光线强度的影响，进行归一化处理： （5.3） （5.4）对于这个系统来说，

52、图5-3中的x轴对应太阳的方位角方向，y轴对应太阳的高度角方向。当Ex>0时，表示太阳在方位角方向上向西偏移，相反代表向东偏移；当Ey>0时，表示太阳在高度角方向上向北偏移，相反代表向南偏移。所以，计算机能依据Ex和Ey的大小与符号，来控制跟踪装置中步进电机的旋转，来拖动太阳能电池板自动进行调整，对太阳方位进行跟踪。5.3.2 光强检测传感器光强检测传感器是利用检测太阳入射光的强度，得到当时环境中的天气状况。光强检测传感器同样也是主要由光敏器件组成，利用光敏器件在光照条件下输出的光电流信号幅度与光照强度成正比的原理来检测太阳光强。这个系统选择线性性能稳定、响应好、光谱响应范围宽、光

53、谱灵敏度相近于人眼灵敏度的硅光电池作为光强检测传感器。5.4 传感器单元5.4.1 光电传感器设计此跟踪控制系统的光电传感器设计是利用四个光敏电阻，两个光敏电阻为一组，全部敷设到光伏电池阵列接收光的平面上。一组放在东西方向上用来检测太阳方位角的变化，另外一组放在南北方向上来检测太阳高度角的变化。 图5-5 方位角 图5-6 光敏电阻布置图光敏电阻属于一种光电可变电阻式的传感元件，电阻值依据光照强度的改变而进行改变。光敏电阻的工作原理为:在没有光照的时候，光敏电阻的阻值比较高，当有光线作用时，因为某些光子有大于材料禁带宽度的能量，光子的轰击让价带中的电子吸收光子的能量之后从而跃迁到导带，所以激发

54、出来可以导电的电子-空穴对，使材料的导电性能提高。光线越强也就是代表参与轰击的光子越多，激发出的电子-空穴对也就越多，导电线所提高的更多，阻值就随着降低。当光照停止之后，空穴与自由电子复合，致使电性能下降，使电阻变回到原值。因为光敏电阻受到温度影响较大，所以在这次设计当中将一组光敏尽可能安装在同一位置处，有利于温度变化相差不大，就能共模差抑制温度变化的影响。为了提高光接收的效率，为了提高光照强度，此设计加上一个垂直的挡板在一组光敏电阻中间，挡板的两面平铺两片平面的反光镜，像这样的话当太阳光倾斜于一组光敏电阻一边时，在有光照射的一边利用反光镜反射光线，增大光的强度，然而在另一边因为挡板的作用产生

55、阴影减弱了光照强度，光信号一个增一个减，让两边的电阻差明显增加。但是当差值产生后会在两个光敏电阻间产生差动电信号。如图5-7图5-7 跟踪装置光传感器接收示意图电路部分的设计应用桥式电路把一组光敏电阻分别接入不相同的桥臂上，这组光敏电阻经过太阳光运动的变化后，产生差值信号，因此桥就会出现电位差，将电位差信号放大，再输入给S3C2410的D转换接口，换算两个电阻的差值大小与方向后，然后采取相对应的控制，如图5-8所示： 图5-8 光电信号转换电路5.4.2 角度传感器设计这个系统设计两个角度传感器，分别测量高度的大小与方位角度的大小，一个安装在控制东西方向转动的水平传动轴承上，另外一个安装在控制

56、南北方向的垂直轴承上。由于这个系统传动转速不高并且惯性较小的特点，所以选型方面应用绕线电位器角度传感器，绕线电位器角度传感器的原理像一个滑动电阻器，在滑动电阻两个固定端施加一个定值电压，从电阻的滑动端采样滑动变化的电压信号，这一信号经过线性变换成角度位移信号。本设计选用鹏力达公司的角度传感器，型号为WDG-ZA-330，此传感器的性能:动态范围330°；线性度士0.1%-士0.3%；旋转扭矩20×10-4N.M；震动98/S2(10G)500HZ；冲击490m/S-2(50G)l1ms；电位器全电阻1K-2K；工作温度-40-100；工作寿命为10000万次。这个系统中两个角度传感器时刻测量电池阵列板实际的位置，而且反馈送给控制单元，此测量值主要用在视日运行轨道算法中，并且还能用在光电跟踪模式下，为了阻止跟踪系统故障情况偏离实际轨迹太远，提高了跟踪的精度。在系统调试运行当中一开始就要对角度传感器进行校准零位，方位角在