小型太阳能电池板增效随动控制系统设计调研报告

1、湖南文理学院芙蓉学院本科生毕业论文(设计)调研报告题 目： 小型太阳能电池板 增效随动控制系统设计 学生姓名： 陈 鹏 学 号： 11150107 专业班级： 自动化1101班 指导教师： 杨 民 生 完成时间： 2014年12月3日 小型太阳能电池板增效随动控制系统设计一、 主要目标任务：综合运用所学知识，如模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理、单片机原理与应用，设计一个基于单片机小型太阳能增效装置。1）对以前所学知识进行系统的复习，全面的综合并将其联贯。2）学会了独立的分析和解决问题和进行相关社会调查的能力3）学会了查阅文献的方法和培养查阅文献的良好习惯。4）提高专业相关外文

2、的阅读、翻译能力。提高专业英语水平。5）提高编写程序的水平，优化软件结构。提高电脑绘图水平。二、 技术性能指标：1）太阳能帆板角度控制在水平0360度。2）垂直0180。3）按键复位功能三、 简要工作原理以AT89C51单片机为系统控制器，结合光线传感变送器，A/D转换器、5线4相步进电机、按键开关开关等，设计出一个基于单片机的小型太阳能电池板增效随动控制系统设计。在系统中，光线传感器将模拟信号传送给A/D转换器，转变数字信号，进入单片机内部。单片机将给定数字信号的A/D转换结果与测量数字信号的结果相比较，得出偏差量。然后跟据单片机得出控制量。在5线4相步进电机中调节，采用模拟的PWM控制方法

3、，将太阳能帆板面对太阳光直射.以达到控制效果的目的。四、 课题文献综述 1、一种新颖的太阳追踪采集系统设计 2、作者：倪玉峰，闰闹，刘建成，行鸿彦 摘要:采用MSP430超低功耗16位单片机作为控制核心设计了一种新颖的太阳能追踪采集系统，该系统对机械装置中水平、俯仰两个自由度的步进电机进行驱动，先是根据时钟时间调整硅电池板到预定位置，再根据检测的光照强度系列值，把太阳能电池板精确调整到光照最强处，提高了处理速度和追踪的精度，使系统加稳定可靠。同时利用单片机的AD12模数转换器实时监测充电电池电量状态。另外，系统具有无线射频传输模块，可以把系统采集来的时钟时间、温度、光强、电量状态等信息传输到上

4、位机，实现远距离实时监控。该系统经过实际应用检验，达到了设计要求，能够稳定可靠的运行，实现了太阳能自动追踪的控制。模糊控制器的应用3、 实施结果 太阳能追踪采集系统利用步进电机双轴驱动，通过对机械装置端进行水平、俯仰两个自由度的控制，先是根据时钟时间调整太阳能电池板到预定位置，再是根据光电检测精确调整到光照最强处，能实现对太阳的全天候追踪及精确、快速定位，使追踪太阳更加稳定可靠。通过液晶显示和无线射频传输，既可现场监控又可远程监控太阳光照强度、天气温度、充电池电量状态和时钟时间等信息。通过键盘的动作则能完成液晶屏幕的切换、时间的调整以及图形化显示，而且将以太阳能电池板充电的锉电池作为实时时钟D

5、S 1302的备用电池，可在系统断电的情况下使实时时钟依然正常工作，从而保持准确的时钟时间。如果研究并设计电源管理模块，把系统的外部供电电源、给太阳能充电的电源、电机使用的电源和其他芯片使用的电源统一整合，分别管理，就可以实现系统的太阳能自供电。2、太阳追踪系统控制器的设计与应用1） 作者：余涛，马立新，陈国平，刘和勇摘要:为提高太阳能板接收能量的效率，设训一了一种日光垂直追踪系统的电机控制方法。该方法与传统的使用单片机控制的步进电机控制系统不同，其利用FPGA实现对步进电机的控制。根据步进电机的运转特点，设训一了步进电机控制算法，运用直接数宇式频率合成器(DDS)技术，实现了对步进电机在各种

6、运行模式下加减速、正反转及精确定位的控制仿真，其性能稳定可靠。同时，利用FPGA提供的可配置资源，在应用中，可以用同一块FPGA芯片对多台电机进行控制，从而大幅度降低光伏发电的成本。采用FPGA来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。2） 结束语：太阳能追踪系统对太阳的准确追踪、电机的控制起着至关重要的作用。该文采用FPGA对步进电机进行控制，一方面考虑到FPGA集成度高、可靠性强，增强了整个系统的稳定性;另一方面，考虑到太阳能发电的可观前景，今后太阳能追踪装置肯定将逐渐取代传统的、固定的太阳能发电设备，而FPGA具有资源丰富、I/U管脚多的优点，一片FP

7、-GA芯片就可以控制多台电机，这样就能较大幅度地降低太阳能发电场建设的投入，进而降低太阳能发电的成本。本文分析的系统很好地完成了三相步进电机在各种工作模式下的加减速、转向调节和定位的仿真控制。随着近年FPGA芯片不断向高密度、高速度、低价格的趋势快速发展，可以预见FPGA在电机控制领域将有很大的发展空间，FPGA的广泛应用将在能源领域及控制技术方面为我国的节能减排提供重要的技术支撑。3、太阳跟踪自动化控制系统设计1）作者：王东江,刘亚军摘要:随着太阳能不断被人类发现利用，如何应用自动控制系统有效捕捉太阳能更是当前自动化业界所面临的最新课题，本次设计就是利用自动控制技术实现了对太阳能的最大化合理

8、应用。本系统阐述了自动化控制系统的设计过程以及软硬件部分的设计，系统采用AT89S52单片机作为整个系统的控制核心，系统采用了两种追踪模式:光电检测追踪模式和太阳角度追踪模式晴天时系统采用光电检测追踪模式，而阴天时系统进入太阳角度追踪模式。在光电检测追踪模式下，光电检测部分采用光电二极管作为光电传感器，利用硬件装置通过光电二极管的比较电路来判断太阳的方位，从而达到了追踪太阳的目的在太阳角度追踪模式下，要是通过软件计算当时当地太阳高度角和太阳方位角，再配合硬件来实现对太阳的追踪。系统的软件和硬件采用模块化设计思想，完成了系统的制作。1） 结语 本设计能够自动检测昼夜，自动检测阴晴天。当检测到是黑

9、夜时会启用中断服务程序，进入等待状态检测到晴天时会直接在光电追踪模式下进行追踪:检测到阴天就会进入太阳角度追踪模式这样能避免阴天情况下不能准确追踪的问题。因此即使在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常的运行，提高了追踪的精度。如果将此利用于太阳能电池板的话，就可以直接从电池板上获得电能，无需另外电能输入，降低了系统的成本。 4、能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计1）作者：姜晨，王卫星，孙道宗，李震2）摘要:针对果园中所存在的无线通信障碍与电池更换困难问题，该文设计了一款适介果园信息采集的无线传感器网络<wireless sensor network WSN)节点。节点以MSP

10、430F149为核心，nRF905射频芯片及其外围电路作为无线通信模块， CN3058和HT6292智能充电芯片及其外围电路作为太阳能充电模块，电机驱动芯片ULN2003及水平、垂自电机作为太阳追踪模块，DHT22空气温湿度传感器和TDR-3土壤含水量传感器及其外围电路作为传感器模块，并以该硬件平台编写了通信协议、应用程序和时间同步算法。分析、测试了节点的功耗、通信距离以及太阳能充电时间，在空旷地带有效通信距离达到202 m;主电路电池山3V充电至3.6 V所需时间为580 min，传感器电路电池山5.6 V充电至7.2 V所需时间为283 min;在无太阳能充电且节点系统工作周期为30 mi

11、n情况下，主电路生命周期理论值为497 d，传感器电路生命周期理论值为147 d。组网试验结果表明:网络丢包率小于1.5%，能够满足果园信息采集以及能量自给的应用要求。3） 结果分析 木文通过分析当前W SN技术在农业应用中存在的问题，结合果园信息采集数据周期性强、单次数据少和太阳能资源充足等特点，合理设计了节点软硬件系统，并对节点的各项性能指标进行测试，结果表明: 1)节点在空旷地带和有障碍物情况卜最大有效通信距离分别达到202 m和121 m0 2)在晴大的情况卜单节铿电池由3 V充电至3.6 V所需时间为580 min，双节串联铿电池由5.6 V充电至8.4 V所需时间为283 minx

12、 3)在无太阳能充电且节点系统工作周期为30 min情况卜，主电路生命周期理论值为497 d，传感器电路生命周期理论值为147 do 4)在为期lOd的组网试验中，网络丢包率为1.5% o 综上所述，木文设计的节点具有工作稳定、低功耗、传输距离远、能量自给以及可靠性强等特点，能够满足果园中W SN信息采集系统的要求。 虽然所设计的节点网络满足了实用要求，但对其网络扩展性考虑不足;另外节点应用程序采用周期性采集策略，虽在节能方而取得了理想的效果，但是实现主动式实时采集方而就不够灵活。这些要素将成为今后节点优化设计的要点。5、基于单片机的太阳追踪系统的设计 作者：李宗涛、李志刚、于存贵、陈娜摘要:

13、针对固定式太阳能利用装置的光能利用率低，设计一种太阳追踪系统、此系统由单片机智能控制，采用光电传感器检测太阳照射卜遮光器的阴影，从而精确定位太阳与太阳能利用装置相对位置，实现太阳能利用装置的全程太阳追踪，使太阳光能最大限度地得到利用、结束语太阳追踪系统创新之处在于仿照向口葵，遵循太阳运动规律，规律!采用采用光电传感器检测太阳照射下遮光器的阴影精确定位太阳与太阳能利用装置相对位置!通过单片机智能控制!实现太阳能利用装置的全程太阳追踪" 本系统的主要功能是提高太阳光能的利用率! 以缓解当前能源紧张的现状"将其应用在太阳能发电站太阳能路灯太阳能热水器太阳灶以及所有固定式太阳能电池

14、板等处!能够大大提高这些装置的利用率839" 随着人们节能环保意识的不断提高!它将被应用到更广泛的场合6、太阳能发电用太阳跟踪器的设计1） 作者：朱方园，韩满林，丰济济2） 摘 要：为提高太阳能电池光电转换率,提出了一种太阳追踪器的设计,让太阳能电池跟着阳光旋转,使太阳能电池与阳光入射角保持垂直,以达到光能最大获取率。首先提出了一种太阳跟踪器的结构设计,太阳跟踪器须在露天下工作,结构上需要较高的稳定性,设计时选择可以自锁的蜗轮蜗杆传动和滑动螺旋副,分别跟踪太阳在经度和纬度上的位置变化;其次提出了利用九个光敏电阻组成的阵列作为传感器的设计方法,并针对不同的太阳入射角设计出了2种太阳位置

15、传感器,2个传感器配合使用,以准确确定太阳的位置;最后讨论了该设计的控制策略。经样机试验,可以较好地进行对太阳的跟踪。 3）引言太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,与常规能源有本质上的区别。这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。提高太阳能电池光伏电池最大功率,可以从太阳能电池的材质上入手,或从逆变电源设计上入手;另一途径是让太阳能电池跟着阳光旋转,使太阳能电池与阳要依靠太阳跟踪器来实现。太阳跟踪器。故名思意,基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动。太阳能跟踪器根据结构和控制原理不同有单轴控制和双轴控制。一般双轴系统可提高发电量35%左右,单轴系统可提高20%左右,聚光型跟踪系

16、统会更高。本文主要阐述一种双轴太阳跟踪器的设计方案。4）结语本设计采用蜗轮蜗杆和滑动螺旋传动,具有自锁性,使得太阳跟踪器具有很好的稳定性。提出了使用9个光敏电阻组成阵列作为传感器,通过比较电路提取信号,避免了模数转换,降低了价格。经试验样机验证,可以很好地实现自动跟随太阳运转。在下一步的研究中,将提高系统的可靠性与易维护性。在传动机构中,丝杠暴露在空气中面积较大,长时间在户外工作,容易锈蚀,影响机构的可靠性,增加机构的维护成本。另外,在阴雨天的跟踪控制策略上仍有待提高,需以更快的速度实现对太阳的准确对位。 7、太阳自动跟踪控制系统的设计1） 作者：默少丽、王鹏月2） 摘要摘要:为了提高太阳能电

17、池光伏转换效率，通过对目前太阳追踪方式的研究，设计了一种基于光电检测和经纬度双重跟踪的智能追光系统。该系统以STM32单片机为控制核心，并结合光电转换装置和GPS模块实现了对太阳的精确跟踪。系统启动运行时，通过基于经纬度的视日运动轨迹跟踪实现系统粗调，随后转入光电检测精确跟踪，使太阳能电池与太阳光垂直。系统同时加入光电检测装置的自诊断功能，当光电检测装置异常时，自动切换到视日运动轨迹跟踪模式，使系统运行更加稳定和可靠。3） 引言随着社会的进步和经济的发展，人们对能源的需求也不断增加，而太阳能作为一种清洁无污染的能源，并且具有取之不尽，用之不竭的特点，越来越受到人们的青睐"目前，多数太

18、阳能电池是固定的，而太阳光照方向和强度是不断变化的，这使得太阳能利用率较低"数据资料表明，自动跟踪太阳装置比固定装置，太阳能的利用率可以提高 !Xn 左右因此设计开发精确的太阳跟踪系统，具有非常高的现实应用价值跟踪，& 视日运动轨迹跟踪"光电检测跟踪精确度高，但易受干扰产生误动作，而视日运动轨迹跟踪精确度低，但不受外界干扰"本设计采用上面 # 种跟踪方式互补的双重跟踪方式，保留了各自的优点，并添加对光电检测装置的自诊断功能，实现了对太阳精确稳定的跟踪。4）结束语太阳跟踪系统的稳定性和可靠性是限制太阳能跟踪系统广泛应用的主要问题之一"通过实际测试，

19、该跟踪系统既改善了视日运动轨迹跟踪误差累计的问题，又解决了光电检测跟踪易受天气干扰而使系统误动作的问题，并且自诊断功能运行良好，能保证系统可靠稳定的运行"而跟踪系统太阳能的利用率和电量损耗是限制太阳能跟踪系统广泛应用的又一问题"由表" 数据可知，太阳能跟踪系统比固定系统太阳能的利用率提高40%以上，并且该系统所采用的处理器为低功耗处理器，系统在夜晚时进入低功耗睡眠模式，能够有效地减少电量损耗"因此，该系统具有较高的实用价值"。8、基于PLC的太阳能自动跟踪装备1） 作者：臧华东2） 摘要为提高太阳能电池光电转换率, 提出了一种自动跟踪太阳追踪器

20、的设计, 让太阳能板跟着阳光旋转,以达到光能最大获取率。文中提出了一种自动太阳跟踪器的结构设计, 选择可以自锁的蜗轮蜗杆传动和滑动螺旋副, 分别跟踪太阳在经度和纬度上的位置变化。还提出了利用光敏电阻组成的阵列作为传感器的设计方法, 并针对不同的太阳入射角设计出了太阳位置传感器, 通过传感器配合使用, 以准确确定太阳的位置。样机经试验, 可以较好地进行对太阳的跟踪,取得了明显的应用成效。3）引言现在社会的发展越来越注重节能环保这一主题, 各国都在积极开发新能源,太阳能的应用因此越来越来普遍。如太阳能热水器,太阳能汽车等。虽然应用普遍,但是利用率都不高。现在的太阳能设备大多只能接收固定照射方向的太

21、阳光线, 因此已经有个人或单位开始研究,如何让太阳能设备随着太阳光照方向变化来改变太阳能设备的方向, 使之与太阳光线始终保持垂直。本文就是利用三菱提供的设备来进行一些创新, 来做一个能随着太阳光线方向改变而变化设备方向的装置, 使之与太阳光线照射方向始终保持垂直。太阳能跟踪器根据结构和控制原理不同有单轴控制和双轴控制。一般双轴系统可提高发电量 35% 左右,单轴系统可提高20 %左右, 聚光型跟踪系统会更高。4）结束语本太阳能自动跟踪装备设计采用蜗轮蜗杆传动, 具有自锁性,使得太阳跟踪器具有很好的稳定性。通过软件编程,巧妙地实现了跟踪太阳的目的。太阳能电池板的造价很高,如果固定在一个方向,太阳

22、能的利用率太低,本系统通过实验跟踪太阳,利用率能提高30%。本系统中的控制对象只有一个旋转装置,输入、输出口分别只用了4 个。因此,在该系统投入实际应用时,可以加入多个控制对象,实现群控。这样既经济,又充分发挥了控制部分的效用,性价比达到最优。该系统还可以应用于其他行业,有很高的推广价值。另外,在阴雨天的跟踪控制策略上仍有待提高,需以更快的速度实现对太阳的准确定位。9、基于PLC的二维极轴太阳光自动追踪系统的设计1） 作者：郑晓斌、林立生2） 摘要： 太阳光自动追踪系统的追踪策略采用程序控制和传感器控制相结合的方法，使用粗追踪和精确追踪两种模式，实现对太阳光线方位角与高度角的精确追踪将全年每半

23、个月的太阳追踪参数为标准值，粗追踪就是利用PLC查表的方式来实现;同时也对光强智能传感器硬件合理设计以及电机施动模块进行了重点的探讨，使得系统具有较小的追踪精度误差，干扰能力越强等诸多优点、4）自动追踪策略    何实现对太阳的定位与追踪! 从而最大限度地提高发电效率!成为当今世界关注的热点"太阳光自动追踪系统通常可分为传感器控制和程序控制两种" 传感器追踪为被动追踪!是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线!当太阳光偏离电池板法线时!传感器发出偏差信号!经放大#运算后控制执行机构!使追踪装置重新对准太阳光" 这种追踪方式的优点是

24、灵敏度高$缺点是受天气影响大" 尤其在多云或阴天时无法对准太阳! 以及楼宇窗户的反光干扰而引起执行机构的误动作! 同时也经常会在稳定点附近来回振荡运行!造成不必要的能量耗损" 程序控制方法是根据太阳的实际运行轨迹!计算出太阳在一天中的位置!并通过电机驱动装置运动到目标位置" 该方法可克服传感器控制的缺点!但精度不高自身存在累积误差"由于太阳光线的入射角是随着季节和日照时间的不同而时刻变化的!因此本系统的机械结构采用二维极轴追踪!实现高度角方位角的全程式追踪$自动追踪策略采用的是程序与传感器混合控制的方法" 首先进行粗追踪!通过计算太阳的位置!分

25、别驱动高度角轴电机与方位角轴电机运动" 在整个粗追踪过程中传感器不断检测光线强度是否达到传感器追踪阈值$ 若满足则追踪装置进入传感器精确追踪$否则仍处于粗追踪状态"若晴天出现短时间云遮! 追踪装置根据粗追踪程序计算结果运行!云过后且检测光线强度达到阈值后!再利用传感器精确追踪" 在阴雨或者大风天气!可直接发出停止追踪命令!太阳能电池板自动运行到复位状态" 这种控制方法结合了程序控制与传感器控制的优点粗定位由程序控制!不存在追踪死区!追踪范围广精确追踪采用传感器检测!无累积误差!系统能够稳定可靠地对光线进行精确追踪!从而提高了太阳能装置的效率 。5）结束语

26、    木文设计的太阳光自动追踪系统控制系统采用程序控制和传感器控制相结合的方法，合理使用粗追踪和精确追踪两种模式，实现对太阳光线的精确追踪)因为PLC控制器具有较好的稳定性，且运算速度快，能够实现各种条件卜大范围追踪，并具有以卜特点: 1)粗追踪采用查表方式实现)避免在PLC内部进行复杂的数学三角函数运算以及浮点运算等; 2)精确追踪过程由光强智能传感器模块完成，其结构简单，价格低廉，追踪稳定，具有很好的动态性能; 3)任何情况卜可以随时开关系统，不影响追踪精确度; 4)系统稳态误差小，追踪精度误差在0.5%以内; 5)系统具有良好可扩展性.可根据用户需求增加额

27、功能、4） 方案选择论证方案一1)硬件组成：PLC、A/D转换器、光强智能传感器、风力检测传感器、触摸屏人机界面显示模块、电机拖动模块。2)工作原理：何实现对太阳的定位与追踪! 从而最大限度地提高发电效率!成为当今世界关注的热点"太阳光自动追踪系统通常可分为传感器控制和程序控制两种" 传感器追踪为被动追踪!是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线!当太阳光偏离电池板法线时!传感器发出偏差信号!经放大#运算后控制执行机构!使追踪装置重新对准太阳光" 这种追踪方式的优点是灵敏度高缺点是受天气影响大" 尤其在多云或阴天时无法对准太阳! 以及楼宇窗户的反光干

28、扰而引起执行机构的误动作! 同时也经常会在稳定点附近来回振荡运行!造成不必要的能量耗损" 程序控制方法是根据太阳的实际运行轨迹!计算出太阳在一天中的位置!并通过电机驱动装置运动到目标位置" 该方法可克服传感器控制的缺点!但精度不高自身存在累积误差"由于太阳光线的入射角是随着季节和日照时间的不同而时刻变化的!因此本系统的机械结构采用二维极轴追踪，实现高度角方位角的全程式追踪，自动追踪策略采用的是程序与传感器混合控制的方法" 首先进行粗追踪!通过计算太阳的位置!分别驱动高度角轴电机与方位角轴电机运动" 在整个粗追踪过程中传感器不断检测光线强度是否达

29、到传感器追踪阈值，若满足则追踪装置进入传感器精确追踪，否则仍处于粗追踪状态"若晴天出现短时间云遮! 追踪装置根据粗追踪程序计算结果运行!云过后且检测光线强度达到阈值后!再利用传感器精确追踪" 在阴雨或者大风天气!可直接发出停止追踪命令，太阳能电池板自动运行到复位状态" 这种控制方法结合了程序控制与传感器控制的优点粗定位由程序控制!不存在追踪死区!追踪范围广，精确追踪采用传感器检测!无累积误差!系统能够稳定#可靠地对光线进行精确追踪!从而提高了太阳能装置的效率。a) 系统原理框图 方案二、1) 硬件组成：单片机、A/D转换器、光电传感器、步进电机。2) 工作原理：由集成的光敏电阻变送器对系统太阳进行检测，并完成信号标准化、变送功能。单片机执行信号采集及运算功能、由步进电机对太阳能帆板角度的调节，从而达到控制帆板角度的目的。3) 系统原理框图 方案三、1） 硬件组成：FPGA控制器、光电传感器、A/D转换器、平衡传感器、步进电机。2） 工作原理：在系统中，先由平衡传感器和光电传感器发出信号，经A/D转换后输入到FPGA，作为给定量（给定量是变化的）。由FPGA经过计算，发出控制步进电机调节量的信号。从而达到控制太阳能帆板的角度。达到增效。3） 系统原理框图 论证分析：1） 每个方案都采用了不同的处理器，方案一用PL