太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分毕业设计论文Word格式.docx

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太阳能是一种非常具有开发潜力的能源，世界各国都在积极开发利用太阳能。

我国太阳能的利用，在近十年发展得非常迅速，但是我国的太阳能利用技术还比较落后，且太阳能利用的局限性很大。

为了进一步扩大太阳能的利用范围，提高太阳能的利用率，本文开发了一套太阳跟踪与驱动系统，该系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直，其结构简单、成本低廉且跟踪精度高，可用于太阳灶、太阳能热水器等各种太阳能装置上，具有一定的实用价值。

设计的太阳跟踪与驱动控制系统主要由三大部分构成：

传感器、控制器、机

械跟踪平台。

传感器由独立的四片光电池组成，用于大范围跟踪太阳，控制器硬件以单片机C8051F020为核心，完成了控制器的硬件电路设计和制作，系统的硬件电路包括，模拟输入电路，电机驱动电路，电源电路等。

关键词:

太阳跟踪，传感器，控制器，跟踪平台

Solarphotovoltaicenergysourcestrackingcontrolsystem

——Thehardwarepart

Abstract

Solarenergyisakindofenergywithgreatpotentialdevelopment,andmanycountriesistryingtoutilizeit.Theuseofsolarenergyisdevelopedveryfastinourcountryinrecenttenyears.Butthetechnologyofutilizingsolarenergyisstillrelativelybackward,andtheapplicationofsolarenergyisrestrictedbymanyfactors.Towidentheuseofsolarenergyandincreasetheutilizationofsolarenergy,thesolarenergytrakinganddrivingsystemisdesignedinthispaper.Thesystemcanguaranteethatthedeviceiceofutilizingsolarenergyisverticaltosunstreams,andithassimplestructure,lowcostandhightrackingprecision.Thesystemcanbeusedinmanykindsofsolarinstallationssuchassolarcookerandsolarwaterheater,andithascertainpracticalvalue.

Inthepaper,thedesignedsolartrackinganddrivecontrolsystemaremainlycomposedofthreemajorcomponents:

sensors,controllersandmechanicaltrackingplatform.Thesensorismainlycomposedoffourphotocellwhichcouldachievelarge-scaletrackingthesun.C8051F020isusedasthecoreinthecontroller.Hardwarecircuitdesignandproductionareaccomplished.Thesystemhardwarecircuitsarecomposedofanaloginputcircuit,themotordrivecircuit,powercircuitandsoon.

Keywords:

Solartracking,sensor,controller,trackingplatform

中文摘要………………………………………………………………Ⅰ

英文摘要………………………………………………………….....Ⅱ

附录硬件原理图........................................27

1绪论

1.1课题背景

1.1.1太阳能的特点

能源是人类赖以生存和发展的物质基础。

几十年来，能源问题一直是举世瞩目的重大问题之一。

目前世界消耗的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等，这些都属于不可再生资源。

据权威人士估计，世界上已经探明的石油储量仅可开采40多年；

天然气可开采70年左右；

煤的储量较丰富，可开采200年。

地球上的资源是有限的，矿物质燃料在数量上也是有限的并以不断增长的速度在消耗。

能源短缺，矿物燃料减少和污染增加，彼此互相关联，威胁着人类的正常生活和持续发展。

常规能源逐渐枯竭，形势危机不容低估，所以寻找和开发新能源是一项刻不容缓的任务。

目前许多国家就开展了这方面的工作。

在众多可再生清洁能源中，太阳能就是理想的替代能源。

其主要有以下优点有：

①储量的“无限性”。

太阳每秒钟放射的能量大约是16×

1023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1892×

1013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。

相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。

这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

②存在的普遍性。

虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其它能源来说，对于地球上绝大多数地区而言太阳能具有存在的普遍性，可就地取用。

这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。

③利用的清洁性。

太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染是人类理想的替代能源。

④利用的经济性。

可以从两个方面看太阳能利用的经济性。

一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；

二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。

随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。

太阳能虽然具有上面所说的许多优点，并且其中有些优点还是它所特有的。

但是，它也不可避免地存在一些缺点，致使它未能迅速的大面积推广应用。

其主要有以下缺点：

①强度弱。

虽然到达地球大气上界和到达地球表面的太阳能总量都十分巨大，但它的强度却是相当弱的。

也就是说，在单位时间内投射到单位面积上的太阳能是相当少的。

从到达地球大气上界的太阳能来说，太阳常数的值就表明了这

个强度的大小。

即在地球大气层外每平方米垂直于太阳光线的面积上按收到的太阳辐射功率只有1353瓦，而垂直投射到地球表面每平方米面积上的太阳辐射功率就只有1353×

47%=640瓦。

②太阳能的另一个弱点就是它的不稳定性。

同一个地点在同一天内，日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后。

而在同一个地点的不同季节里，冬季的太阳辐射强度显然又远远比不上夏季。

一个原因是，由于太阳的高度角不同，

因此对同一个水平面的人射角自然不同。

而在单位水平面上所接收到的太阳辐射能，除了与太阳辐射强度本身成正比外，还与太阳高度角的正弦成正比，或者说与太阳辐射的入射角的余弦成正比。

显然，当太阳高度角越大，或者说太阳辐射入射角越小，也就是说越接近于正射时．地面上同一水平面内所接收到的太阳能就越多。

③间歇牲。

到达地面的太阳直接辐射能，随昼夜交替的变化。

这就使大多数太阳能设备在夜间无法工作。

为克服夜间没有太阳直接辐射、散射辐射也很微弱所造成的困难，就需要研究和配备储能设备，以便在晴天时把太阳能收集并存储起来，供夜晚或阴雨天便用。

1.1.2太阳能利用基本方式

太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。

自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。

人类直接利用太阳能、已有上千年的历史，其而利用的途径主要有以下几种：

①光热转换。

它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。

这种途径虽最古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。

光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于100℃。

较高一些的也只有几百摄氏度。

显然，它的能源应用难度较低，适合于直接利用。

②光电转换。

将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换”。

这是近几十年才发明和发展起来的。

由于电能的位品相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。

③光化学转换。

通过光化学作用转换成电能或制氢。

它也是利用太阳能的一个途径。

二三十年前有不少人对此做了许多研究。

近来报道不多。

目前仍处于研究、开发阶段。

④光生物转换。

通过光合作用收集与储存太阳能。

近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。

1.1.3我国太阳能资源及利用情况

中国地处北半球，幅员辽阔，绝大部分地区位于北纬45°

以南。

中国拥有丰富的太阳辐射能资源，在大约600万km2的国土上，太阳能的年辐射总量超过16.3×

102kwh／m2·

a（新的规定不再使用kcal“千卡”这个单位，可选用kJ或kw·

h）；

约相当于1.2×

104亿吨标准煤。

全国年日照小时数在2000h以上。

太阳能年辐射总量超过1630kw·

h／m2·

a的地区，约占全国总面积的2/3。

各个地区全年总辐射量的分布大体上在930—2330kW·

a之间。

但由于受地理纬度和气候等的限制，各地分布不均。

1.2课题意义

由于太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

尽管相继研究出一系列的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。

就目前的太阳能设备而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。

解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能设备的能量转换率，二是提高设备的能量接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。

提高太阳能利用率的途径通常有跟踪和聚焦两种方式。

跟踪指是太阳能利用装置始终垂直于太阳辐射光线，即入射角度为零。

香港大学建筑系的KPCheng和SCMHui教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7%，可见精确的跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。

1.3国内外研究现状

目前，国外对于太阳光线自动跟踪装置或称为太阳跟踪器的研究有，1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置[8]。

美国blackace，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，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。

1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量,使热收率进一步提高；

Joel.H.Goodman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，