光伏发电跟踪系统的设计-毕业论文

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII--PAGEII-光伏发电跟踪系统的设计摘要太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。但由于光伏电池的输出特性与外界环境因素的变化有很大关系，目前大规模量产的光伏电池光电转换效率仍然不高且价格昂贵。光伏发电自动跟踪装置是提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量，增加发电量。本文实现了用廉价的光敏元件和单片机电路进行太阳跟踪的功能。本文首先分析了太阳运行规律，在对比目前常用跟踪方法的基础上，采用光电检测方式为主，并与视日运动轨迹追踪方式相结合的跟踪策略，改进了以往的跟踪方式。使系统不仅能在晴天下追踪太阳，阴天情况下也能正常追踪。此外，为了确保跟踪的结果准确，在方位角和高度角调整之后，增加了一组传感器电路进行跟踪结果的验证。通过对控制系统所实现的功能分析，论文完成了跟踪系统的硬件和软件设计。主要内容包括：单片机接口电路设计、显示电路、光强检测电路设计、控制执行部件设计以及光电跟踪和视日运动轨迹跟踪模块的软件设计。最后还根据实际情况提出了改进方案和处理快云遮问题的新方法。本文所设计的光伏发电自动跟踪系统结构简单，成本低廉，运行稳定，可广泛应用于并网和离网光伏发电系统。关键词光伏发电；跟踪系统；光电检测；单片机DesignofPhotovoltaicAutomaticTrackingSystemAbstractThesolarenergyhasanenormousdevelopingapplicationcapacityasonekindofgreenrenewableenergysourcewhichcanbecontinuouslyusedforever.But

there

is

tremendous

relationship

between

photovoltaic

cells

output

characteristicsand

the

change

of

external

environmental

factors,currentlytheefficiencyofPVcellsisnotonlylowbutalsoexpensiveon

a

large

scale

ofproduction.Thephotovoltaicautomaticallytrackingdevicecanraisethesolarenergyutilizationrateandbringdownthecostofthesolarelectricalenergygeneration.Precisesolartrackingmechanismcanmakesolarpanelreceivemoreradiantenergyandincreasegeneratingcapacity.ThispapermakesuseofcheapphotosensorsandMCUcircuittorealizethefunctionofsuntracking.Analyzedthelawofthesun,comparedthecurrenttrackingmethods,Proposedelectro-opticaltrackingasthemajortrackingmodewhilethesuntrajectorytrackingmodeasadditionaltrackingmodeonunusualweatherconditions，improvedtheprevioustrackingmodeinthepaper.Throughtwocomplementarytrackingmodes,ontheonehand,electro-opticaltrackingcangivefullplaytotheadvantagesofhighaccuracy;ontheotherhand,thesystemcanstillachievetrackingoncloudyweatherconditions.Inaddition,Inordertoguaranteethatthetrackresultisaccurate,afterazimuthandelevationangleadjustment,increasedagroupofsensorelectriccircuittocarryonthetrackresultconfirmation.Throughtheimplementationoffunctionalanalysisofcontrolsystem,thethesiscompletedhardwareandsoftwaredesignofthetrackingdevice.Include:MCUinterfacecircuitdesign,displaycircuitdesign,opticaldetectorcircuitdesign,controlandimplementationcomponentdesignandthesoftwaredesignofelectro-opticaltrackingandsuntrajectorytrackingmodule.Finally,proposedimprovementprogramandnewmethodtotreatfastcloudaccordingtothetrackingeffectofthetrial.Inthispaper,thedesignsofphotovoltaicautomatictrackingdevicehavesimplestructure,lowcostandstableoperation.Thedevicecanbewidelyappliedtogridandoff-gridPVpowersystem.KeywordsPhotovoltaic；Tracksystem；Photoelectricityexamination；MCUPAGEII---PAGEIV-目录摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 1HYPERLINK\l"_Toc233940434"1.1课题背景 11.2光伏发电的特点 21.2.1光伏发电的优点 21.2.2光伏发电存在的问题 21.3光伏发电自动跟踪技术的发展 31.3.1光伏发电的发展现状 31.3.2光伏发电自动跟踪技术现状 41.4论文的研究内容 6第2章太阳跟踪系统的总体设计 72.1日照时间和太阳位置的计算 PAGEREF_Toc233940443\h72.2太阳运行轨迹的跟踪方式 82.2.1视日运动轨迹跟踪 82.2.2光电跟踪 6\h102.2.3视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合 102.3控制系统总体设计 122.3.1控制系统开发流程 122.3.2系统的总体设计 122.4本章小结 13第3章单片机系统的硬件设计 14HYPERLINK\l"_Toc233940453"3.1控制系统硬件总体设计 143.2控制系统核心部件的选择 153.3单片机接口电路设计 153.3.1电源电路 153.3.2串口通讯电路 163.3.3系统抗干扰设计 173.3.4实时时钟电路 193.4显示电路设计 203.5光强检测电路设计 213.5.1光敏传感器的选择 PAGEREF_Toc233940462\h213.5.2光强检测电路设计 223.6控制执行部件设计 253.6.1步进电机驱动控制系统 3940465\h253.6.2本系统所采用的步进电机及驱动模块 263.7本章小结 27第4章系统软件流程及调试 h284.1主控制模块的软件设计 284.2光电跟踪模块 294.3视日运动轨迹跟踪模块 30HYPERLINK\l"_Toc233940472"4.4试验参数设定 324.5改进方案 334.5.1关于提高准确度和稳定性 334.5.2快云遮问题的处理 334.6本章小结 34结论 35致谢 233940478\h36参考文献 37附录A 39附录B 46附录C 52附录D 53-PAGE10--PAGE54-绪论课题背景自十九世纪工业革命以来，人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等一次性能源。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，能源消费量的增长，世界上已经出现了严重的能源危机。据本世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查结果显示：煤炭可开采量为227年，石油可开采量为39.9年，天然气可开采量为61年，铀可开采量为71年，如果再考虑到世界能源消费量的增长，化石能源将会在未来的某一天达到极限。由于传统化石能源枯竭，新的能源供应体系尚未建立而在与能源有关的各方面造成一系列问题，世界工业将大幅萎缩，将直接阻碍人类社会的发展。与世界其他国家相比，中国的能源状况更不容乐观。近几年我国出现的“电荒”、“油荒”、“煤荒”以及近几年出现的国际市场的高油价发出了能源危机的信号，加重了人们对能源问题的担心。中国人均能源资源特别是优质能源资源严重不足，中国能源资源探明储量中，96%是煤炭，油气资源仅占总量的4%左右，中国现有煤炭剩余探明可开采储量仅为2000多亿吨，石油探明可采储量仅24亿吨，人均仅为1.82吨，天然气剩余探明可采储量仅有2.38万亿立方米，从人均角度来看，中国的资源十分有限。近几年，由于中国的经济增长速度超出预期，并且工业结构进一步趋重的趋势较为明显，导致国内能源需求量急剧上升。总之，我国能源储量不足，且化石燃料的国内生产能力增长难度大，成本高，总量也难以满足需求的持续增长，必须开发有效的替代能源，实现能源供应的多元化。由于化石能源的大量开发利用，同时也造成了地球环境的污染和生态环境的破坏。如何在开发利用能源的同时，保护好人类赖以生存的自然环境，已经成为全人类普遍关注的问题。具权威部门统计，由于化石能源的大量使用，全世界每天产生1亿吨温室效应气体，这将会导致全球气候变暖，南极冰川融化加速。在我国形式更加严峻：燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占排放总量的70%～80%，二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的1/3，环境质量的总体水平不断恶化，世界十大污染城市我国一直占多数。环境污染给我国社会经济发展和人民健康带来了严重影响。世界银行估计2020年中国由于空气污染造成的环境和健康损失将达GDP总量的13%。在这样的情况下，开发利用能够替代传统能源的可再生能源是人类社会能够持续发展所要采取的必要措施。在新能源中，太阳能以其特殊的优势，无疑是实现可持续发展战略的理想绿色能源，必将成为21世纪最重要的能源之一。光伏发电的特点光伏发电的优点太阳是个巨大的能源。地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭、石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳每秒钟发出的能量有3.865×J，相当于每秒钟燃烧1.32×t标准煤所发出的能量。太阳是以辐射的方式向四周传播它的能量的。太阳发出的能量中约有22亿分之一到达了地球，约1.73×KW。这些能量经过地球大气层的吸收与反射，最终到达地球表面的约有8.1×KW。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，利用太阳能的潜力是十分巨大的。光伏发电技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电能的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。阳光照射在半导体上时，两极交界处产生电流。阳光强度越大，电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作，在阴天也能发电。由于反射阳光，少云的天气甚至比晴天发电效果更好[1]。与传统的煤炭、石油、核能等化石能源相比，光伏发电具有独特优点：（1）储量及其丰富：太阳每秒钟放射的能量相当于1.6×1023kW，其中大约每分钟辐射达到地球表面的能量高达8×1013kW，相当于6×109吨的标准煤[2]。德国太阳能专家伯尔特说，只需开发非洲部分地区的太阳能发电，便能满足全世界的电力需求，而且太阳辐射可以源源不断的供给地球，取之不尽，用之不竭。（2）普遍性：太阳能不像其它的能源那样具有分布的偏集性，它处处都可就地利用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，对解决偏僻边远地区及交通不便的农村，海岛的能源供应，更有其巨大的优越性。（3）无污染性：利用太阳能作能源，没有废渣、废气、废水排出、无噪声、不产生有害物质，这在环境污染日趋严重的今天显得尤为可贵。（4）经济性：随着太阳能利用技术的发展，太阳能利用的成本已经大大下降。而利用太阳能发电，既不会污染环境，又取之不尽，无处不在。因此从长期来看，其发电成本更小的多，专家们的预测和研究一致认为：21世纪人类最清洁，最廉价的能源就是太阳能[3]。光伏发电存在的问题虽然光伏发电有很多突出的优点，但同时也存在着一些有待考虑的问题：1.光电转换效率不高由于光伏电池的特点，在选取光伏电池原材料时必须考虑到材料的光导效应和光导效果，目前光电转换效率较高的单晶硅电池的转换效率在20%左右，同时由于对光电效率转换控制不当，真正的光电转换效率还会降低。2.受气候影响大如果在阳光不充足的多云或阴雨天气，随着光照强度的降低，光伏电池的转换效率会大幅度降低，因此，光伏系统不适合应用于阴雨天气较多的地区。另外，由于空气中的尘埃会落到电池板上，长时间沉积会阻碍光线的照射，也会对转换效率造成影响。3.光伏发电成本较高晶体硅太阳电池主要原料是高纯硅，其纯度高达99.9999%，虽然硅是地壳中含量仅次于氧的元素，但是要从石英砂中提炼出高纯度的硅需要消耗大量的能量，成本较高，这就使得硅原料的价格一直居高不下，制约了光伏市场的快速发展。另外，由于硅提纯技术被德国、日本、美国等国家垄断，目前我国生产晶体硅电池需要的原料大多依赖进口，导致生产成本进一步升高[4,5]。光伏发电自动跟踪技术的发展光伏发电的发展现状上个世纪的70年代，由于两次石油危机的影响，光伏发电在发达国家受到高度重视，发展较快。随着全球性的化石资源过度开发与消耗，环境的污染和破坏，1992年联合国召开了环境与发展“世界首脑会议”，通过了《里约宣言》和《21世纪议程》，走可持续发展道路成为各国长期共同的发展战略，发展新能源和可再生能源己成为非常紧迫的任务，特别是光伏发电更受到各国政府的重视，美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶”计划表1-1欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划（GW）年份2005年2010年2020年2030年欧洲2.13.041200日本1.54.830205美国1.02.136200世界5.4512125920能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到3000MW以上，美国连续3年光伏产业均以高于30%的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程，1990年德国提出1000屋顶发电计划，1998年进一步提出10万屋顶计划。1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克，极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场；印度、马来西亚等东南亚国家，也制定了国家的光伏发展计划。澳大利亚一家名为nItgearlEnergy的公司己开始销售适合于家庭和办公楼使用的、可与大电网联接的太阳能成套设备。最小的太阳能成套设备发电出力为150W，包括安装费在内的零售价是290美元，占澳大利亚普通家庭每年耗电量的5%，每年可减少温室气体排放350kg。更大的太阳能发电设备出力为2.5kW，零售价为20000美元，完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。表1-2过去十年世界光伏电池的年生产量和累计量年份199819992000200120022003200420052006年产量(GWP)0.1550.2010.2870.3910.5610.7441.21.762.5年增长率(%)23.13042.935.74432.561.246.742累计量(GWP)0.9461.1471.4351.8252.3873.1314.3316.098.59目前，最大的太阳能发电装置出力已达到10MW。1kW的太阳能发电装置每年发电量为1670kWh，这意味着在澳大利亚每年可节省160美元的电费。由于环保和能源持续供应的需要，太阳能光伏发电(即光伏电池)近年来始终保持30%一40%的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。1999年世界光池总产量为202MW，2001年增为375MW，随着美国“百万个太阳屋顶计划”、“欧洲可再生能源白皮书”和“日本新阳光计划”的实施，到2010年世界光伏电池容量将达20000MW。目前全球20亿无电人口将从中得益[6]。我国于1958年开始研究太阳能电池，1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生。1971年太阳能电池首次成功应用于中国发射的东方红二号卫星上。1973年首次将太阳能电池用于地面一天津港的浮标上。我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在10kwp以下，价格昂贵。在80年代国家加大对光伏产业的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，使得我国太阳能电池的生产能力猛增到4.5MWp/年，2004年我国太阳能电池的生产能力达到100MWp，实际产量42MWp，累计装机容量65MWp，组件售价从80元/Wp降至30～40元/Wp[7]。根据2007年国家公布的《可再生能源中长期发展规划》，我国对光伏发电的利用主要有如下三个方面的重点建设项目：一、在西部特别是西藏、青海、内蒙古、新疆、宁夏、甘肃等偏远地区推广使用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，建设太阳能光伏发电约10万千瓦，解决约100万户偏远地区农牧民生活用电问题。到2010年，偏远农村地区光伏发电总容量达到15万千瓦，到2020年达到30万千瓦；二、在经济较发达的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施，到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量5万千瓦。到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万千瓦；三、建设较大规模的太阳能光伏电站，到2010年，建成大型并网光伏电站总容量2万千瓦，到2020年，全国太阳能光伏电站总容量达到20万千瓦。总之，在国家的大力支持下，光伏发电在我国将会持续高速地发展。光伏发电自动跟踪技术现状太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在缺点，如能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，有必要进行太阳追踪[8]。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。（一）光电追踪目前，国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，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追踪装置对准太阳完成追踪。光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单；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射到硅光电管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动[9,10]。（二）视日运动轨迹追踪视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。（1）单轴追踪单轴追踪一般采用：①倾斜布置东西追踪；②焦线南北水平布置，东西追踪；③焦线东西水平布置，南北追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。采用这种追踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想[11]。（2）双轴追踪如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴追踪又可以分为两种方式：极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。极轴式全追踪是指聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支承装置的设计比较困难。高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪，是指集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种追踪系统的特点是追踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。由上文得知，目前的几种太阳追踪方式各有优缺点，要想进一步提高太阳能利用率，完善太阳追踪系统，需要更深一步地研究和探讨。本文就是在此基础上作的进一步的研究。论文的研究内容本文所研究的是在掌握光伏电池特性的基础上，实现以单片机为控制核心的自动控制系统，整个系统是确定跟踪策略，通过硬件、软件共同作用的结果，因此本论文的研究内容在此基础上包括跟踪策略的确定、硬件电路、软件编程三大部分内容：1．分析太阳运行规律。对不同的跟踪策略进行比较和分析，提出了适合本系统的跟踪策略以及整体的研究流程。2．硬件部分通过三步来实现：选择芯片以及电路元件、连接电路图、制作电路板。电路主要包括单片机接口电路、显示电路、光强检测电路以及控制执行部件四部分内容。3．软件部分程序的编写：在硬件电路连接的基础上利用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。太阳跟踪系统的总体设计日照时间和太阳位置的计算1.太阳赤纬角日地中心的连线与赤道面间的夹角每天（实际是每一瞬间）均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。按照库伯(Cooper)方程，计算太阳赤纬角的方程为[12]：（2－1）式中，为一年中的日期序号，从每年1月1日算起。如在春分日，，则这一天的太阳赤纬角。由库伯方程可计算出任一天的太阳赤纬角δ。太阳赤纬随日期序号的变化见图2.1。春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道,即天赤道的。北半球夏至的正午时刻太阳直射北回归线，。北半球冬至的正午时刻太阳直射南回归线，。图2.1太阳赤纬2、太阳高度角地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角，为太阳高度角。太阳高度角的计算公式为：(2－2)式中，(2－3)式中为每日时间，时角上午为正，下午为负。如上午8时，。3、太阳方位角γs地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角，就是太阳方位角。太阳方位角γs的计算式为：(2－4)4、日出、日没角(2－5)式中，负值表示日出时角，正值表示日没时角。(2－6)5、正午时刻：(2－7)6、理论日照时间N由下式给出：(2－8)根据地理纬度、太阳赤纬角和观测时间，利用以上公式可计算出任何地区、任何时刻的日照时间、日出日没角以及太阳方位角[13,14]。太阳运行轨迹的跟踪方式目前国内外采用的跟踪方式很多，但主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方式，下面就这两种跟踪方式进行分析比较，并提出适合本跟踪系统的跟踪方式。视日运动轨迹跟踪由2.1中的讨论可知，太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点太阳的位置，从而完成对日跟踪。视日运动轨迹跟踪依靠计算太阳的准确位置然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪，根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置分为单轴和双轴两种[15,16]。1.单轴跟踪单轴跟踪装置一般采用三种方式：(1)倾斜布置东西跟踪；(2)焦线南北水平布置，东西跟踪；(3)焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。以第三种跟踪方式为例，阐述单轴跟踪原理，如图2-2所示。

图2-2单轴跟踪系统图2-2中单轴跟踪装置的转轴东西方向布置。控制器计算太阳角度的变化，控制转轴转动，使太阳能电池板作俯仰运动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与电池板相垂直，而在早上或下午太阳光线都是斜射。采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。2.双轴跟踪如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。(1)极轴式全跟踪极轴式全跟踪是指聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。(2)高度角-方位角全跟踪高度角-方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，如图2-3所示，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。图2-3高度角-方位角全跟踪光电跟踪光电跟踪是国内外常用的跟踪方法，使用光敏管，将两个光敏管分别置于光伏电池阵列平面的两个点上，当太阳光线直射光伏阵列时，若光敏管将光信号转换成电信号后的数值偏差在规定范围内，即两个测试点光强信号的偏差很小，电机不转动。但随着太阳的位置发生变化，光敏管检测到的电信号偏差逐渐增大而超出了规定范围，经放大电路将偏差信号放大，控制跟踪装置产生动作而重新使光伏阵列与太阳光线保持垂直，对准太阳，完成跟踪。光电跟踪的优点是结构设计方便，跟踪准确度高。但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误操作[17]。除了采用光敏管之外，对于一个由许多块光伏组件组成的光伏阵列，还可以直接利用阵列上两块输出特性相同的光伏组件来代替光敏管，它们既可以用作光电转换的电池，又可以用于光信号的检测。太阳光垂直照射光伏阵列平面时，两块电池组件上得到太阳光的能流密度完全相同，因而产生的电流输出也相同，此时控制方位的电机不转动。当太阳位置发生变化时，如果两块光伏电池组件的输出电流超出规定范围，则利用偏差信号驱动电机转动，使阵列重新对准太阳，完成跟踪。其优点是电路结构更加简单，省去了光敏管，且跟踪准确度比较高，但仍然存在由天气原因导致的无法跟踪问题。视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合视日运动跟踪和光电跟踪都存在一定的局限性。对于视日运动跟踪，主要是在开始运行之前需要精确定位，太阳角度计算时容易产生误差，且产生误差后不能自动进行调整等，因此需要定期人为调整跟踪装置。而光电跟踪经常由于天气问题，出现不跟踪或错误跟踪的情况，特别在多云的天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运动，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。如果将视日运动跟踪和光电跟踪相结合，互补其短，就可以得到比较满意的效果。在光电跟踪的基础上，同时设置视日运动轨迹跟踪程序，当遇到乌云遮挡或阴天等天气状况时，由于光强太小，光敏管上产生的电信号会低于设定的阈值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪程序进行执行，天气好转后自动跳出，继续进行光电跟踪。为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。因此，本文采用两种跟踪方式相结合的方法，同时将光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为补充，这样一方面可以发挥光电跟踪的优势，使跟踪更加准确；另一方面可以在阴天等特殊天气环境下继续跟踪太阳。下面以哈尔滨理工大学2号楼楼顶为例来具体介绍本控制系统的工作原理。当光线较强时，系统采用光电跟踪的方式，即系统按照规定时间间隔，如10分钟，由传感器和光强检测电路对光伏电池阵列和太阳的位置偏差进行检测，将偏差信号送到控制器进行处理，控制器发出相应的控制指令控制步进电机转动，使光伏电池阵列转动到合适的角度。在此期间，控制器自动记录已经转过的角度。时间间隔的选择视具体情况而定，如机械机构的准确度、步进电机的步距角的选择等。若遇到天气突变如乌云遮挡，光强低于预设值，系统自动转入视日运动跟踪方式，根据地理位置，哈尔滨理工大学2号楼的纬度为，根据具体的时间，如在2009年6月5日上午11时，此时的太阳时角ω为，太阳赤纬角δ为，根据第2.1节中对太阳运行轨迹的介绍，系统程序可以准确计算出此时此刻的太阳高度角和方位角γ的理论计算值分别为和，将此计算值与已经转过的角度进行比较，算出差值角度，控制步进电机转动，跟踪装置在原来的基础上继续转动，直到达到程序计算出来的角度。控制系统总体设计控制系统开发流程图2-4单片机系统的开发流程系统的总体设计本次设计中要实现的功能是太阳自动追踪装置，通过大量的查阅资料以及研究世界范围内目前所实现的太阳追踪装置，在此基础上，为了更好的实现自动追踪系统的功能，采取了一系列措施：(1)采用STC89C52RC单片机作为控制电路的核心。(2)光电检测部分采用光敏三极管作为传感器，每两个光敏三极管组成一个比较电路，光敏三极管的导通和截止产生相位差，通过放大器将信号传给单片机的I/O口，以达到有效的控制。(3)利用由光敏三极管检测是白天还是黑夜，若是黑夜就启用中断处理程序，进入等待状态，若是白天则程序继续运行。(4)利用光敏三极管来判断晴天还是阴天，晴天时采用光电检测追踪模式，阴天时启用太阳角度追踪模式。(5)显示部分采用6位LED显示器，用来显示时间。(6)时钟电路采用的是串行实时时钟芯片DS1302。(7)控制部分首先将单片机发出的信号放大，然后发送给电动机，电机获得信号后发生动作，从而实现追踪的功能。(8)软件部分用Keil编写程序本章小结本章首先介绍了太阳运行的运行规律及太阳高度角和方位角的计算方法。然后分别分析了视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种跟踪方式，提出了将二者结合并将光电跟踪作为主要跟踪方式的跟踪策略。根据确定的跟踪方法，完成了控制系统的总体设计。单片机系统的硬件设计控制系统硬件总体设计自动跟踪装置的控制系统主要由控制器、光敏管、光强检测电路、步进电机、电机驱动等组成。根据控制系统的设计要求构建一个以控制器为核心的应用系统，硬件电路的设计主要包括两部分的内容：一是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备。二是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM，RAM，I/O等容量不能满足系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。在系统的配置和扩展设计中，应遵循以下三个原则：1.片外扩展时尽可能选择典型电路，使硬件系统标准化。系统的配置除了满足基本功能之外，应留有一定余地，便于二次开发。2.系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。3.要充分考虑可靠性及抗干扰能力，避免器件之间相互影响。单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。按照以上原则并结合本控制系统的特点和功能，设计了系统硬件框图如图3-1所示。图3-1系统硬件框图按模块分别对各单元电路进行电路设计，然后进行硬件合成，将各单元电路按硬件框图中各部分所实现的功能组合到一起，构成一个完整的硬件电路图。在整个控制系统中，通过单片机的外围电路采集模拟量和开关量并输入到单片机的控制口，经过处理后输出到执行部件进行相应的动作，完成整个系统的控制。控制系统核心部件的选择目前控制系统所采用的控制器种类很多，主要有工控机、可编程逻辑控制器(PLC)、单片机等。工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。但采用光伏发电自动跟踪系统的目的就是为了节省光伏发电的成本，如果用工控机或者PLC等控制器来对系统进行控制，原则上系统所要实现的功能是能够达到的，但由于成本问题，反而达不到降低发电成本的目的。而单片机具有高可靠性、低成本的特点，且其控制能力完全能达到本系统要求，故采用单片机作为控制系统的主控芯片既能实现准确跟踪，又可以很大程度的节省成本。通过分析和对比多种单片机，本文选择了STC89C52RC单片机作为主控制芯片。STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，掉电模式下典型功耗低于0.1μA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序，空闲模式下的典型功耗低于2mA，正常工作模式下功耗范围为4mA～7mA。综合以上特点，STC89C52RC单片机非常适合本控制系统。单片机接口电路设计电源电路由于STC89C52RC的工作电压范围为5.5V-3.4V，而蓄电池的输出电压要远高于5V，因此需要设计一个能够满足单片机工作要求的电源电路为单片机提供稳定的电源。电源电路除了有传统的稳压、滤波、隔离防干扰功能外，还应具有抗电源瞬态欠压、防止瞬间脉冲干扰和掉电等功能，才能保证单片机在恶劣的环境中不出现故障。因此，采用性能稳定的三端稳压集成电路H7805来实现电压转换，电源电路如图3-2所示。图3-2+5V电源电路如图3-2所示，三端稳压集成电路H7805有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用H7805来组成稳压电源所需的外围元件很少，只需要4个电容，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。在实际应用中，在三端稳压集成电路上安装足够大的散热器，当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。电路的输入为蓄电池的输出电压，输出为5V，作为单片机电源。要实现自动跟踪控制系统的功能，还需要-5V电源，采用如图3-3所示的ICL7660芯片及外围电路进行正负5V电压之间的变换。图3-3-5串口通讯电路STC89C52RC单片机具有在系统可编程(ISP)特性，单片机在用户系统上即可下载和烧录用户程序，而无须将单片机从已生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部，这样既方便又省去了购买通用编程器的费用。另外，由于可以将程序直接下载进单片机看程序运行结果故也可以不用仿真器。STC89C52RC单片机内部固化有ISP系统引导程序，配合PC端的控制程序可将用户的程序代码，即hex文件，下载进单片机，STC提供了ISP专用下载工具STC-ISP，将其安装于PC机上实现文件的导入，但要实现PC机与单片机的连接和通讯必须设计串行通讯电路。图3-4串口通讯接口电路RS-232C标准是目前最常用的一种串行通讯标准，是在1970年由美国电子工业协会(EIA)正式公布的，该标准适用于数据通讯设备(DCE)和数据终端设备(DTE)间的串行二进制通信，最高数据传送速率可达19.2kbps，最长传送电缆可达15米，RS-232C标准定义了25根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD，串行输出TXD和地线GND，RS-232C标准的电平采用负逻辑，规定+3V～+15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3V～-15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的，在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与RS-232C标准的电平匹配，MAX232芯片可以完成电平转换这一工作[18根据MAX232芯片的特点，设计串口通讯接口电路如图3-4所示。图3-4中，MAX232芯片外围需要4个电解电容分别是C1、C2、C3、C4，是内部转换所需要的电容，均选用10μF的电容，并尽量靠近芯片。C5为0.1μF的去耦电容。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚，引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引脚，选择MAX232的第二路进行发送和接受，因此TTL/CMOS电平的T2IN引脚接STC89C52RC单片机的串行发送引脚TXD；R2OUT接单片机串行接收引脚RXD，与之对应的RS232C电平的T2OUT接PC机的接收端RD；R2IN接PC机的发送端TD。因为MAX232芯片具有驱动能力，因此不需要外加驱动电路。系统抗干扰设计由于跟踪装置的工作地点通常在野外，环境往往比较恶劣和复杂，单片机不可避免的要受到来自外部的干扰及各种电气干扰的影响。这时单片机可能会出现输入、输出错误，甚至会干扰到程序指针PC，使其发生错误，那就有可能误将非操作码当作操作码来执行，会造成程序执行混乱甚至进入死循环，使系统无法正常运行。因此如何发现系统运行受到干扰，如何拦截失去控制的程序的流向，使程序纳入正常轨道是单片机应用系统中必须解决的问题。因此利用STC89C52RC单片机的看门狗功能，防止程序在执行时陷入死循环。MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的（无锁的）手动复位输入。当电源过压、欠压时，MAX1232将提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择5%或者10%的容限，这个复位脉冲也可以由无锁的手动复位输入；MAX1232有一个可编程的监控定时器（即Watchdog）监督软件的执行，该Watchdog可编程为150ms、600ms或者1.2s的超时设置。图3.5给出了MAX1232的结构原理图。其中，为按键复位输入。反弹式低电平有效输入，忽略小于1ms宽度的脉冲，确保识别20ms或者更宽的输入脉冲。为时间延迟，Watchdog时基选择输入。时，；悬空时，，时，。图3.5MAX1232内部结构原理图TOL为容差输入。TOL接地时选取5%的容差；TOL接时选取10%的容差。GND接地。RST为复位输出（高电平有效）。RST产生的条件为：若下降低于所选择的复位电压阀值，则产生RST输出；若变低，则产生RST输出；若在最小暂停周期内未选通，则产生RST输出；若在加电源期间，则产生RST输出。为复位输出（低电平有效）。产生条件同RST。为选通输入Watchdog定时器输入。为+5V电源。图3.6监控电路MAX1232与单片机连接图单片机用一根IO线来驱动输入，微处理器必须在一定时间内触发端，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或者软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，的触发只仅仅被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位输入至少保持250ms的宽度。如果这个中断继续，那么在每一个超时间间隔内将产生一个新的复位脉冲，直到被触发为止。这个超时间隔取决于TD输入的连接，当时，；悬空时，，时，。触发的软件例程是非常关键的，这个代码必须是在循环执行的软件中，并且这个时间至少要比所定的Watchdog的时间短。一个普通的技术是从程序中的两个部分来控制微处理器的I/O线。当软件工作在前台时，可以设置I/O线为高，当软件工作在后台方式或者中断方式时，可以设置为低，如果这两个模式都不能正确执行，那么监控定时器，即Watchdog就会产生复位脉冲信号。实时时钟电路由于系统中要进行时间的控制，因此需要使用时钟电路。若使用单片机计时，则时间长了会引起较大的误差，需要使用串行实时时钟芯片。我们选择DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，外围只有一32.768kHz晶振，使用灵活。DS1302实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，具有31×8RAM，可供保存有用数据。用于时钟或RAM数据的读/写具有单字节或多字节(也称脉冲方式)数据传送方式。采用双电源(主电源和备用电源)供电。图3-7DS1302和STC89C52RC的接口电路DS1302慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM，经过一个简单的串行接口与单片机通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、月和年等信息，对小于31天的月末的日期进行调整，还包括闰年的校正功能。时钟的运行可采用24小时或带上午和下午的12小时格式。DS1302与单片机的通信仅需三根线即SCLK（串行时钟线）、I/O（数据线）、RST（复位线）。数据可以按每次一个字节或多达31个字节的形式传送到时钟RAM或从中送出。DS1302还有另外的功能：即用于主电源和备用电源相连接的双电源引脚VC1和V