毕业设计太阳能电池板自动跟踪系统设计.docx

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1、第1章绪论1.1太阳能利用的前景当今，煤，石油，天然气等常规矿产能源，储量越来越少，世界各大经济体都面临 能源危机。按照LI前的开采和使用速度，己探明的矿产能源仅够人类再利用儿十年，可 以说，己经是处在日益枯竭的形势之下。为了能够获得更多的资源，在石油储量丰富的地区，一直以来冲突不断，而且有外 部势力的干预。为了得到能源，保证经济这架大车的正常运转，不惜以战争为手段，以 人民的生命为代价。中国，作为世界上最大的发展中国家，对石油的依赖程度很高。以 2010年为例：海关总署公布的数据显示，2010年全年我国进口原油2. 39亿吨，去年全 年原油产量2亿吨，对外依存度逼近55%o我国已经进入能源预

2、警阶段。根据国家能源 局的报告，到2010年中国已成为世界第一大能源消费国。其中，电力消费从2005年的 2. 5亿千瓦时增加到2010年的4. 2亿千瓦时,年均增长11. 1%：煤炭消费量从2005年 的23. 18亿吨增加到2010年的32亿吨，年均增长6. 8%；石油消费从3. 25亿吨增加到 4. 28亿吨，年均增长5. 7%；天然气消费从468亿立方米增加到1090亿立方米，年均增 长18. 5%；非石化能源消费从1. 6亿吨标准煤增加到2. 6亿吨标准煤，年均增长10. 1%O “十二五”期间我困能源消费总量将增加8亿至1亿吨标准煤，年均增长4. 8%至5. 5%, 到2013年能

3、源消费总量达41亿至42. 5亿吨标准煤。从以上的数据，很容易看出，完 全依靠煤炭!石油等常规能源，是无法满足未来社会经济发展对于能源需求的。另外一个方面，矿产能源在使用中产生的二氧化碳会造成温室效应；其它的废渣废 气对环境造成了无法挽回的损失。即使是这些能源本身泄漏都会对环境造成危害，如石 油管道损坏造成的石油泄漏。基于以上两个方而的原因，人类正在寻找更适合的能源。希望能够逐步取代常规的 矿产能源。在填补现有能源不足的同时，也为保护环境做积极的改善。LI前所开发和利 用的新能源主要有核能、风能、太阳能、潮汐能等。其中，风能、太阳能、潮汐能都是 利用自然界原本的能力，主要是一个转换利用的过程。

4、而核能的利用则是一把双刃剑, 在高效的同时，人类也为它的使用付出了沉重的代价，切尔诺贝利核电站爆炸，日本福 岛电站泄漏，这些情景都依然清晰。太阳能是分布最广，也是最容易获取的“清洁”能源。人类很早就开始利用太阳能。 随着温室气体排放以及能源枯竭等问题越来越严重，世界上越来越多的国家和地区开始 重视太阳能的开发利用。相比其他新能源而言，太阳能具有安全、使用方便、范圉广等 特点叫其储量巨大，可以广泛地利用。每年到达地球的太阳能可达1. 73X 1014Kw,其 中到达地球表面的约为8. IX 1013Kwo人类可以转化和利用的部分约为1. 7X 1013Kwo按 照目前人类消耗能量的速度，每年的获

5、取量都可以供人类使用儿千年。对于人类而言，太阳就是一个取之不尽，用之不竭的能源基地，只要太阳东升西落 不变，人类就可以一直获得充足的能源。即或是只利用照射到陆地部分的太阳能，也足 够人类的使用了。随着技术的发展，突破技术瓶颈后，太阳能转换效率上提高，能够将 大部分能量转换，再增大开发利用的规模，就可以更加广泛的利用太阳能了。太阳能的利用方式有很多种，LI前太阳能的利用形式主要有光热利用，光伏发电转 换利用和光能化学转换利用三种形式。太阳能光伏发电作为太阳能利用的主要方式，发 展应用前景非常广阔。太阳能的总能量非常大，但是平均密度不高，需要很大的面积才 能获得较大的能量。太阳能利用的核心问题就在

6、于两个方面：一是光伏电池的转换效率 问题，即在接收太阳能时能将太阳能转换为电能的比例；二是太阳能板如何对准太阳， 因为太阳与地球平面是相对运动的，且是在两个方向上运动，如何高效的跟踪上太阳就 成为了一个问题。LI前，在太阳能开发利用领域中，如何提高太阳能辐射的接收效率, 依然是国内外相关领域的研究热点。而提高接收效率的重要途径之一就是进行太阳的自 动跟踪。当然，此方法是在光伏电池转换效率一定的基础上做的改善工作。太阳能自动 跟踪系统就是利用太阳与地球相对运动的规律来进行定位跟踪的系统。太阳的视位置, 在天空中的运动是可以测算的，每天东升西落，具体时刻对应的太阳的位置，是可以提 前计算得到的。系

7、统根据这种已知的位置，即可以通过调整系统自身的位置，使太阳能 接收板始终对准太阳。太阳入射光线垂直地照射到太阳能电池接收板上时，太阳能的接 收效率最高，所获得的能量也就最高。再将辐射能通过光伏设备转化为电能，集中起来 方便人们的使用。1.2太阳能跟踪控制器的发展状况当前，各种类型的太阳能跟踪控制系统，可以分为两类：机械跟踪系统和电控跟踪 系统。机械跟踪系统一般为压差式。电控跟踪系统可分为光电传感式;跟踪控制系统和视日运动轨迹跟踪系统戏。下面分别对这些系统作简要的介绍：(1) 压差式跟踪系统的基本工作原理是：跟踪系统没有对准太阳，即太阳能光线没有垂直照射到系 统时，系统内部密闭容器两侧受光而积不

8、同，介质会因光照的不同发生相应的物理变化, 产生不同的压力，从而在两侧形成压力差。在这种压力差的作用下，使跟踪控制系统做 相应方向的运动，重新调整，直到两侧的压力相同。此时，容器两侧受光相同，系统对 准到太阳。根据密闭容器里存储的介质，可以将压差式太阳能跟踪系统分为液压差式、 气压差式、重力差式等。这类跟踪控制系统机构结构简单，造价较低，不用电子控制部 分和外部电源，为纯机械控制系统。但该系统有局限性，一般只能用于单轴跟踪系统, 跟踪精度很低。因此，此系统仅适用于一般用户的低需求时采用。(2) 光电传感式太阳能跟踪控制光电传感式太阳跟踪控制系统采用光敏硅光电管、硅光电池等元件。LI前国内较常

9、用的光电跟踪系统有电动式、重力式、电磁式。这些光电跟踪控制系统都采用光敬元件 作为传感器。在这类跟踪控制系统中，传感器一般安装在采光板上或固定的位置，通过 电机的转动来调整采光板的位置使采光板正对太阳。当太阳向西移动时，采光板的跟着 偏移，光电传感器因受到阳光照射会输出一定值的电压或电流，作为输入信号，经放大 电路放大，山电机转动调整太阳能采光板的角度使跟踪系统对准太阳。光电传感器式跟 踪具有灵敏度高，反应快等优点，机械结构设计相对简单，但容易受天气的影响，若出 现阴天或云遮住太阳的惜况，太阳光线经过散射，就会导致跟踪控制系统无法对准太阳 实际的位置，其至引起执行机构的误动作，使跟踪失败。(3

10、) 视日运动轨迹跟踪控制视日运动轨迹跟踪控制系统按系统的轴数，分为单轴跟踪和双轴跟踪两种：单轴跟踪方式一般分为三种方式：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。以上三种跟踪方式都是单轴转动的南北向跟踪或东 西向跟踪，工作原理相同。跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，山预先计算好的太阳 赤纬角的变化，即跟踪角度，使太阳能釆集板绕转轴作俯仰转动。采用此种跟踪方式, 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。单轴跟踪的优点是结构比较简单，由于入射光线不能始终与太 阳能接收板垂直，太阳能的利用率相对较低。综上

11、，在以上各种跟踪控制系统中，纯机械式的跟踪控制器精度较低，但是跟踪太 阳的U的在于提高太阳能的利用率，如果精度低，跟踪利用率就比较低，要提高利用率 就要在添加其它设备，额外提高了成本。光电传感式太阳跟踪控制系统的精度较高，但 如上所述还存在不少问题。如果要提高太阳能的利用效率，需要进一步的研究和探讨, 开发出真正高精、实用、廉价的太阳能自动跟踪器，本文将对此做进一步研究。1.3研究的目的和意义综上可知，太阳能作为一种新型的绿色能源，有着广泛的发展前景。但是由于太阳 能本身的缺点，现在对太阳能的利用率普遍较低，并且现有跟踪控制器也有着各种缺点。 为了尽可能的提高太阳光能的利用效率，改进现有太阳能

12、跟踪控制的缺点，本文设计的 一种高精度太阳能跟控制系统。这种跟踪控制系统釆用软件控制和传感器控制相结合的 方法，设计合理的机械结构，通过硬件控制系统，来实现高精度的太阳跟踪。第2章 太阳跟踪装置的设计及方案为了提高太阳能的利用率，本文提出了一种基于单片机的固定轨迹粗略跟踪与光电 传感器精确跟踪的双模式太阳能跟踪控制器。其中，固定轨迹跟踪方式是使跟踪装置的 控制器根据相关的公式和参数汁算出口天太阳的位置（视日运动），再转化成相应的脉 冲发送给驱动器，驱动电机实时跟踪太阳。光电传感器精确跟踪控制是山5个普通的光 敏二极管来实现，精确地跟踪太阳光信号的最强点，使太阳光垂直照射电池板，提高太 阳光能的

13、利用率。2. 1太阳跟踪器工作原理太阳的光照强度是随着天气变化而实时变化的，当光照强度较好时，光电传感器对 光线比较敏感，此时选用自动追踪模式（即光电跟踪）:当天气不好、光照强度比较弱时， 漫反射的加重对光电传感器产生很大的干扰，这种悄况下选用固定跟踪模式。图2.1所 示为系统硬件结构，本系统采用双轴跟踪，利用高度角一方位角式跟踪，采集来的信号 通过特定的电路进行处理后，输入单片机内，经过单片机内部程序的处理得到太阳位置 偏差角度，进而驱动电机实现对太阳的精确跟踪。图2.1太阳能跟踪系统基本框图2. 2太阳能跟踪器各模块设计2. 2.1固定轨迹跟踪模块虽然太阳位置是实时变化的，但是它的运行规律

14、还是可循的。软件算法主要根据太阳的运行规律计算其实时方位角和高度角，以及太阳能跟踪控制器的水平角和仰角。利 用时钟芯片和单片机控制单元按照太阳运行遵循的公式计算得到太阳的实时位置，通过 指令使电机驱动太阳跟踪装置，实现太阳实时跟踪。(1) Cooper方程太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬 每天都在变化，但不超过士23 27的范圉。夏天最大变化到夏至日的+23 27；冬季最 小变化到冬至日的-23。27。太阳赤纬随季节变化，按照Cooper方程，A = 23.45 sin(360 X 驾旳(2-1)式中，n为一年中的天数，如:在春分，n二81,则二0,自春

15、分日起的第d天的太阳 赤纬为：2 23.45 sin 鶉(2-2)(2) 太阳角的计算如图2. 2所示，指向太阳的向量恳与天顶Z的夹角定义为天顶角，用色表示；向量? 与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；S图2.2太阳角的定义在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用丫表示。太阳的时角 用3表示，它定义为:在正午时3二0,每隔一个小时增加15 ,上午为正，下午为负。1) 太阳高度角计算太阳高度角的表达式为sin h = sin 0 sin 5 + cos 0 cos 8 cos(2-3)式中，0为地理纬度；为太阳赤纬；3为太阳时角。正午时，3 = 0, cosw = 1, (2

16、-3)式可以简化为：sin h = sin 0 sin 8 + cos 0 cos 6因为，cos(0 - 8) = sin90 (0-6),所以sin h = sin90 (0 - 8)(2-4)正午时，若太阳在天顶以南，即0&取sin h = sin90 - (0 6)从而有90+ 0 - 8(2-5)在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有0 = 8,从而h二90。2) 太阳方位角太阳方位角按下式计算，(2-6)(2-7)sinhsin8-sin6cosy =cosh cos S也可用下式讣算,cos 8 sino)Sill V =cosh根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式(

17、2-6)或者式(2-7)中的任意一个 可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。3)日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h二0。若不考虑地表曲率及大气折射的影 响，可得出日出日没时角表达式cos a)e = - tan 0 tan 8(2-8)式中-日出或日没时角，以度表示，正为日没时角；负为日出时角。对于北半球,当一1 2.5V, RST必须为逻辑0,当RST由0至1状态时， SCLK必须为逻辑0oDS1302主要引脚有：XI, X2连接32. 768kHz晶振。GND：电源地。RST：复位，对 芯片操作。I/O：数据输入、输出引脚。SCLK： $行时钟输入。VCC1, VCC

18、2：主电源与后 备电源。如图3. 6所示。Vcc32.768HzVcc1Vcc2X1SCLKX2I/OGNDRST电池-|l|lI GND一 P0.0-P0.1-P0.2图3.6时钟电路3. 5步进电机驱动器电路的设计本文设计的控制器的步进电机采用SJ-220MA驱动器剛。该驱动器驱动二相混合式 步进电机57BYGH8404o SJ-220MA驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波恒流驱动， 具有很强的抗干扰性、起动频率高、高频性能好、内部信号与控制信号实现光电隔离、 电流可调、整半步可自由设定、结构简单、可靠性好、运行平稳、带动4A以下所有的 42BYG、57BYG、86BYG系列步进电机。其

19、电路连接如图3. 7所示。SJ-220MA步进电机驱动器接线区可分为三个部分：控制信号端，电源端，步进电机 接线端。控制信号端：驱动器通过脉冲信号(CP)接线端口接收脉冲信号，按接收到脉冲 信号数量来驱动步进电机转动角度；驱动器通过方向信号端(DIR)接收方向信号，发送 相应的指令使步进电机正转或反转；控制信号的公共端(COM)；脱机电平输入端(RST): 此端子加低电平，电机处于自由状态。3. 6本章小结本章主要阐述的内容是整个系统硬件部分的设计，包括器件的选择和电路的设计。 电路主要包括光电检测电路、单片机控制电路、时钟电路、步进电机驱动器电路。在介 绍每部分电路的同时，对在此部分电路中所

20、选取的芯片也作了介绍，重点介绍对象是每 部分电路的连接方法、电路原理以及电路在系统中要实现的功能。第4章太阳能自动跟踪系统的软件设计4. 1系统主程序的设计整个程序设计包括光电检测跟踪模式、太阳固定轨迹跟踪模式、时钟部分、显示部 分。即开机之后，上电复位，系统进入启用中断处理程序，进入等待模式；若是口天, 系统会通过光敏二极管来判断是晴天还是阴天，晴天时，系统进入光电追踪模式，阴雨 天时，系统进入太阳固定轨迹跟踪模式凹。系统运行流程图如图4.1所示。其中检测口天还是黑夜时通过中断0来判断的，只要INTO检测到低电位，系统就 进入中断服务程序，即等待状态。而检测晴天还是阴天是通过I/O 口查询来

21、实现的，尽 管I/O 口查询方式需要不断的侦测I/O的电平变化，比较耗费单片机的运行时间资源, 但是由于太阳固定轨迹跟踪模式的程序比较繁琐，计算量比较大，因此这部分不适合使 用中断。在光电跟踪模式下：系统首先检测位于圆盘中央的光敬二极管DO是否受到了光照， 系统是通过检测DO对应的单片机的引脚的高低电位来判断的。如果系统检测到DO受到 了光照，这时软件控制系统延时15分钟。如果系统检测到DO没有受到光照，之后系统 对分布在DO周围的4个光敏二极管D1D4分别检测，如果检测到哪个光敬二极管所对 应的单片机引脚是低电位，这就说明这个光敬二极管受到了光照，这时系统命令此光敏 二极管所对应的电机超规定

22、的方向转动，直到DO受到光照为止，这样就完成了追踪太 阳的目的。在太阳固定轨迹追踪模式下：当阴天时，光电追踪模式不能准确地追踪，因此启用 太阳固定轨迹追踪模式进行追踪。此模式只与时间和地点有关，而不受太阳光强弱的影 响，正好弥补了光电追踪模式阴天不能正常追踪的缺陷。时钟部分：系统选用的是串行时钟芯片DS1302,在太阳固定轨迹追踪模式下，系统 需要读取DS1302内的时间来讣算太阳高度角和方位角。系统中用到了中断服务程序，黑夜状态下INTO检测到低电位，系统进入中断处理 程序，命令两个电机停止转动，程序设计如下：Void initial ()/初始化EAT;/CPU所以中断开EXO=1 ；/I

23、TO中断开IT0=0;/ITO低电平触发EX=1;/INT1中断开IT1=O;Return； /IT1低电平触发void int-0 () interrupt 0 using 0FINTO=1 ； If (FINTO=O) FINTO=O;P1=Oxff; 中断0/所有电机停转4. 2光电追踪器模块的设计系统启动之后进行判断启用何种模式，晴天时进入光电检测追踪模式，遇到阴天时 进入太阳固定轨迹追踪模式。光电检测追踪模式的软件设计相对太阳固定轨迹追踪模式 来说要简单的多，它不存在读取DS1302时间，计算太阳角度问题，它是通过判断指定 的单片机引脚电位的高低来确定太阳的朝向，之后单片机控制电机朝

24、太阳光的方向转动, 直到转动到位于圆盘中央的DO光敬二极管受到光照为止。因此这部分的设计也不存在每次调整时电动机转动时间的计算，因为这个转动时间是随机的，它因太阳光线与太阳 板之间的角度的大小而不同。这部分的程序设讣只需要根据单片机检测4个光敬二极管 所对应的单片机的4个引脚的点位的高低，来判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相 应的命令，程序流程图如图42所示。图42光电检测追踪模式流程图4. 3光电检测追踪模块的设计以4. 2节为子程序进一步设计光电检测模块冋。本文以SJ-220MA驱动器驱动二相 混合式步进电机57BYGH8404运转。步进电机的转速、启动停止位置只取决于接收脉冲 信号的频

25、率和脉冲数，在通常情况下，负载大小对其没有影响。步进电机每收到一个脉 冲信号，则转过一个步距角，因为具有这种线性关系，且步进电机只有周期误差，没有累积误差，步进电机在速度位置等控制领域应用变得简单，具有瞬间启动和急停等优 点。设计如图4. 3所示。图4.3光电检测追踪模式流程图4. 4太阳固定轨迹追踪模式的设计该系统中，是通过查询单片机引脚P0. 4电位高低来判断阴雨天气的。设定P0.4在 低电位，启动太阳固定轨迹追踪模式程序。原理：首先进入太阳固定轨迹追踪模式，从时钟芯片那里获取当前时间，再结合预 设的模型里的公式，讣算出太阳能板当时在太阳高度角及方位角方向分别偏移水平方向的高度，延时15分钟后，利用相同方法计算延时后所对应的两个方向上的偏移高度， 计算两次调整之间的角度差，就可以利用这个