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光伏发电太阳跟踪装置的设计学士学位论文
摘要
近年，能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。
太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。
随着现代的能源越来越少，有些能源趋于匮乏状态。
所以我们就根据实际情况设计了一个“太阳光自动跟踪控制器”。
现在，我们居住的家园以太阳光最为普遍，它给我们带来了光和热，我们就要合理的利用光和热，来为我们服务。
我们就通过设计的“太阳光自动跟踪控制器”来实现太阳光跟踪。
我们设计的是根据光转换电来实现功能，首先，我们选光敏传感器来实现光电转换，其次，通过OPA2132PA来实现差分运算放大，再由继电器实现电机的正、反转，去控制翻转板的运动。
从而实现太阳光自动跟踪。
光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：
一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。
所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。
关键词：
光敏电阻单片机直流步进电机
ThedesignofPhotovoltaicpowergenerationsolartracker
Abstract:
Inrecentyears,energy,humantomaintainbalancetheneedtosolvethemostfundamentalandmostimportantissuefacingeconomicdevelopmentandenvironmental.Solarenergyisanextremelyabundantandcleanenergy,usuallythemostcommonandmostconvenienttouseelectricity.Lessandlesswiththemodernenergy,theenergytendstowant.Sowedesignedaccordingtotheactualsituationa"sunlightautomatictrackingcontroller.
Now,weliveinhomesEthernetsunisthemostcommon,ithasbroughtuslightandheat,wewillhaveareasonableuseoflightandheat,toserveus.Bysunlightautomatictrackingcontrollerdesigntoachievethesunlighttracking
Wedesignaccordingtothelightconversionelectricalfunction,firstofall,wehavechosenthelightsensorstophotoelectricconversion,followedbyOPA2132PAdifferentialoperationalamplifier,andthenthemotoris,reversalbyrelaytocontroltheflipboardmovement.Inordertoachievetheautomatictrackingofthesun.
Lightsensors,respectively,bytwophotosensitiveresistorinserieswiththecrosscombinationfromeachgroupoftwophotoresistorinacomparatorbiasresistor,theotherunderthebiasresistance:
adetectionofthesunlight.anotheronlydetectambientlight,andsenttothecomparatorinputlevelisalwaysthedifferencebetweenthetwolight.Therefore,thecontrollercanmakethesolarreceiverFourSeasonsall-weathertracksunlight,debuggingsimple,cost,reliableoperation.
Keywords：
PhotoresistorSCMDCsteppermotor
学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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日期：
年月日
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作者签名：
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导师签名：
日期：
年月日
1绪论
1.1选题背景
近年，能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。
太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。
随着现代的能源越来越少，有些能源趋于匮乏状态。
所以我们就根据实际情况设计了一个“太阳光自动跟踪控制器”。
现在，我们居住的家园以太阳光最为普遍，它给我们带来了光和热，我们就要合理的利用光和热，来为我们服务。
我们就通过设计的“太阳光自动跟踪控制器”来实现太阳光跟踪。
光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。
不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。
我们设计的是根据光转换电来实现功能，首先，我们选光敏传感器来实现光电转换，其次，通过OPA2132PA来实现差分运算放大，再由继电器实现电机的正、反转，去控制翻转板的运动。
从而实现太阳光自动跟踪。
光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：
一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。
所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。
表1-1太阳能与其他能源的对比
公历年
2003
2010
2020
2030
2050
能源总量（亿吨标煤）
16.8
20
30
40
60
小水电（10MW）
3000
5000
7500
10000
20000
年发电量（亿千瓦时）
960
1600
2400
3200
6400
相当于（亿吨标煤）
0.34
0.56
0.84
1.12
2.24
风电（10MW）
60.5
1000
2000
5000
10000
年发电量（亿千瓦时）
12.7
210
420
1050
2100
相当于（亿吨标煤）
0.0044
0.074
0.15
0.37
0.74
生物质发电（10MW）
200
1000
2000
5000
10000
年发电量（亿千瓦时）
100
500
1000
2500
5000
相当于（亿吨标煤）
0.035
0.18
0.35
0.88
1.75
沼气（亿立方米）
45
100
250
300
1000
相当于（亿吨标煤）
0.036
0.08
0.20
0.24
0.80
光热（万平方米）
5200
10000
27000
50000
100000
相当于（亿吨标煤）
0.062
0.12
0.32
0.6
1.2
光电（10MW）
5.5
60
3000
4000
10000
年发电量（亿千瓦时）
0.55
6.6
390
540
1400
相当于（亿吨标煤）
0.0002
0.0023
0.14
0.19
0.49
其它（亿吨标煤）
0.027
0.07
1.00
2.60
4.78
合计（亿吨标煤）
0.504
1
3
6
12
可再生能源比例（%）
3
5
10
15
20
近几年国际上光伏发电快速发展，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。
美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。
1997年又提出“百万屋顶”计划。
日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。
而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。
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。
1.2中国太阳能资源
中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。
太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。
中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。
在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。
大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。
年日照时数大于2000小时。
与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。
1.3发展现状
中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。
太阳电池及组件产量逐年稳步增加。
经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。
在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。
到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦（2900MW），太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。
2007年是我国太阳能光伏产业快速发展的一年。
受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮。
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体，参见文献[20]。
预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。
这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。
图1-1太阳能发展趋势
根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。
预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。
未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。
独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。
主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。
光伏发电具有如下优点"无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、可以无人值守、建设周期短、规模设计自由度大、可就地使用、容易储存、还可以方便地与建筑物相结合等。
这些优点都是常规发电和其它发电方式所不能比拟的!
而且使用太阳能光伏发电可以既不为核电站可能发生的核泄露事故而烦恼!
也不必为水电站的堤坝可能在战争或地震中崩溃而担忧。
目前，开发利用太阳能已成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。
1990年以来，联合国组织召开了一系列会议，讨论和制定了世界太阳能利用的战略规划国际太阳能公约以及推行可再生能源发电的配额政策（RPS）等,1992年美国政府颁布了新的发展目标.1997年美国政府宣布了百万屋顶光伏计划.日本是一个资源贫乏的国家，对光伏发电极为重视，自1993年以来先后推出了月光计划，环境计划,阳光计划等。
图1-2太阳能电池板
光伏发电系统实现并网运行必须满足：
其输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相（功率因数为1），而且其输出还应满足电网的电能质量要求。
这些都依赖于逆变器的有效控制策略。
光伏并网发电系统的控制一般分为两个环节：
第一个环节得到系统功率点，既光伏阵列模块工作点；第二个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪。
同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。
光伏阵列模块工作点跟踪控制光伏阵列模块工作点的控制主要有恒电压控制（CVT）和最大功率点跟踪（MPPT）两种方式。
CVT控制是通过将光伏阵列模块端电压稳定于某个值的方法，确定系统功率点。
其优点是控制简单，系统稳定性好。
但当温度变化较大时，CVT控制方式下的光伏阵列模块工作点将偏离最大功率点[5,12]。
MPPT是当前较广泛采用的光伏阵列模块功率点控制策略。
它通过实时改变系统的工作状态，跟踪阵列的最大工作点，从而实现系统的最大功率输出。
它是一种自主寻优方式，动态性能较好，但稳定性不如CVT。
其常用方法有“上山”法、干扰观察法、电导增量法等，具体实现参见文献[5]。
现在对MPPT的研究集中在简单、高稳定性的控制算法实现上，如最优梯度法[13]、模糊逻辑控制法[14]、神经元网络控制法[14]等，也都取得了较显著的跟踪控制效果。
1.3.1光伏公司的成长
目前，在西部活跃着约40家从事户用光伏系统集成和销售的公司。
这些公司中的大部分都已经入选了REDP项目。
从REDP项目第一批入选公司的发展，可以看到这些系统集成和销售的公司的成长。
2003年这14家公司的销售总额比1998年提高3倍，总资产提高了6倍。
此外，这些公司的可持续发展能力也有明显的提高。
这些公司大都是小型民营企业，发展之初没有健全的财务制度和完善的管理制度。
而通过近年的发展，公司的运作日趋规范，有部分企业已经通过了国际质量管理体系认证。
图1-31998年－2003年14家REDP项目首批入选公司的状况
1.3.2主要光伏产品
户用光伏系统仍以20瓦以下规格为主流，占据总数的约3/4。
其中，内蒙古以较大功率（150Wp光伏）的风光互补系统为主，其它省区的牧区则更倾向于10-20Wp左右、便于携带的小型系统。
表1-2各规格产品所占市场份额及价格（2003年）
规格
市场比例
价格区间
10Wp机型
47--50%
520-550
15Wp机型
25--28%
710-870
18Wp机型
950-1000
20Wp机型
1000-1100
25Wp机型
5--8％
950-1300
38Wp机型
4--6％
1900-2200
40Wp机型
1--2%
2300-2600
50Wp机型
3100-3400
150Wp机型
<1%
7800-8000
500Wp机型
<<1%
-------
1.4中国光伏发电重大项目和活动概述
到目前为止，中国重大的光伏发电项目都是在中国政府、外国政府以及国际相关机构的支持下开展和完成的。
这些项目的实施对于中国光伏市场的开发，对于中国光伏发电技术水平的提高，对于中国光伏发电产品的质量控制，以及中国光伏发电产业的发展都起到了积极的推动作用。
这些项目包括：
中国政府：
西部省区无电乡通电计划，简称“送电到乡”工程；
中国政府：
“光明工程”先导项目；
全球环境基金：
国家发改委/全球环境基金/世界银行中国可再生能源发展项目（REDP）；
中国－荷兰合作：
丝绸之路光明工程；
中国－德国合作：
中德财政合作西部太阳能项目（KFW）；
中国－德国合作：
中德技术合作在农村地区应用可再生能源改善当地发展机遇项目（GTZ）；
中国－加拿大合作：
CIDA太阳能农村通电项目；
中国－日本合作：
NEDO光伏项目。
此外，还有一些小规模的光伏项目正在中国实施。
这些项目遍及中国西部的各个省区、中部的部分省市以及东部的沿海岛屿。
这些项目的总投资超过30亿人民币。
这些项目归纳在下表中。
详细情况可参见REDP项目编写的《REDP及国内其它光伏项目概要》。
中国国内主要光伏项目的情况
项目名称
出资方
支持力度
主要内容
执行期
执行地域
“光明工程”先导项目
国家发改委，地方政府
4000万人民币
建立村落电站和户用系统，帮助建立销售网络和加强机构能力建设
2000－
西藏，内蒙古，甘肃
“送电到乡”工程
原国家计委，地方政府
26亿人民币
建立集中电站
2002－2003
新疆，西藏，甘肃，陕西，内蒙古，四川，青海
内蒙古新能源通电计划
内蒙古自治区政府
2.25亿人民币
补贴农村户用系统
2001－
内蒙古
世行、全球环境基金REDP项目
全球环境基金
2550万美元
补贴农村户用系统销售，帮助机构能力建设和技术进步
2002－2007
新疆，西藏，甘肃，内蒙古，四川，青海
丝绸之路照明计划
荷兰政府
1379万欧元
补贴农村户用系统
2002－2006
新疆
德援KFW项目*
德国政府
2600万欧元
建立村落电站
2003－2005
新疆，云南，青海，甘肃
德援GTZ项目**
德国政府
约460万欧元
技术支持及培训
2003－
青海，云南，西藏，甘肃
加拿大太阳能项目
加拿大政府
343万加元
建立示范电站及管理培训
2003－2005
内蒙古
日本援助NEDO项目
日本政府
3853万人民币
建立示范电站；实验室建设
1998－2002
新疆，西藏，甘肃，陕西，宁夏，内蒙古，四川，青海，云南，广东，浙江，河北
*KFW项目的全称为：
中德财政合作西部太阳能项目
**GTZ项目的全称为：
中德技术合作在农村地区应用可再生能源改善当地发展机遇项目
表1-3中国国内主要光伏项目的情况
2工作原理
具体一些，只做发电系统的核心部分，即太阳跟踪装置设计。
本设计[18]是基于单片机系统，搭载于三维转动结构上，通过光敏电阻检测阳光并通过转换电路转换成单片机能识别的数字信号，从而控制步进电机转动，完成对光动作。
该设计主要由水平检光系统和仰角检光系统，每个检光系统又由辅助检光模块和中心检光模块，当辅助检光模块检测到阳光后会产生相应的信息让单片机控制步进电机向相应的方向旋转，直到中心检光模块检测到阳光后停止步进电机的旋转，至此完成了对光的检测过程。
系统上电后，先手动让水平辅助检光模块在一定范围内检测到阳光，然后水平检光系统将会自动调整到中心检光能检测到阳光的位置，此时水平方向检测完成，然后程序启动仰角检光系统，工作过程和水平检光系统一样，然后程序将不停地检测检测水平检光系统，直到水平辅助检光模块检测到阳光后调整机构重新对光，如此重复。
为了提高太阳能电池的转换效率，以及号召当今社会“低碳”的环保主题，设计了一款基于盛群HT46Ru232的双单片机的太阳能随动系统，分析了传感器的工作原理，研制了跟踪传感器，设计了系统的信号处理及控制电路，设计了三维转动结构，阐述了系统控制的软件实现原理。
该装置能使太阳能电池板在晴天始终保持与太阳光垂直，在夜晚、阴天或太阳光辐照度低于工作照度时将停止工作。
机械机构在三维空间可以自由搜寻，同时系统可以显示温度，太阳的方位角，仰角，并且通过串口与PC上位机通讯，实时控制与信息处理。
2.1系统可行性分析
（1）系统结构简单，在一定范围内寻光准确，性价比高。
（2）跟踪误差小，反应快，并且能实时显示环境温度，太阳在天空中的位置。
（3）检光部分的设计独具特色，放弃了以往昂贵的检光系统，采用简单易实现的狭缝检光，只有阳光和狭缝平行的时候就认为对光成功，提高了检测精度。
（4）系统制作成本低，便于大规模推广与应用，为太阳能电池进一步推广奠定了基础。
（5）号召当今“低碳”主题，加快原有能源的开发利用与改进，加速太阳能电池的推广和降低化石燃料的依赖。
2.2概述
现有的太阳光能自动跟踪控制器主要有二类：
一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器所构成的光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是采用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器来控制电机的正反转。
由于一年四季、早晚与中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两类控制器很难使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。
下面电路框图可有效解决上述难题。
图2-1系统的原理框图
图2-1为太阳能随动系统的原理框图，太阳能自动跟踪装置通过两个步进电机设计成双轴跟踪系统，同时在方位角和高度角（仰角）两个方向上跟踪，由传感器、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整机构组成。
传感器把接收到的光信号转换成电信号，电信号经过信号处理及控制电路后，由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。
输入端的光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：
一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。
所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。
2.3设计原则
2.3.1通用性
本设计为自动跟踪控制器，就是为了能突出它的功能的强大，能适应较为广泛的应用场合。
可靠性高、控制功能强等特点。
2.3.2实用性
太阳光自动跟踪控制符合实际需求，不能华而不实。
实用性是第一原则，同时具有可学性。
2.4跟踪算法原理
在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青睐。
但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。
众所周知，光伏阵列在工作时有一个最大功率点（简称MPP），并且MPP会随环境的变化而变化。
为了获得最大的输出功率，需要进行最大功率点跟
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