太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分Word文档格式.docx

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2011年05月

西安工业大学毕业设计（论文）任务书

院（系）电信学院专业电气工程及其自动化班070307姓名学号B07030707

1.毕业设计（论文）题目：

太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分

2.题目背景和意义：

随着现代社会的发展及资源的匮乏，目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。

在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天，此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。

本设计基于典型的光电传感器检测、放大等环节，借助于计算机处理及控制，通过电力电子及运动控制技术，实现太阳能光伏发电系统光电池阵列对太阳的实时最佳跟踪，从而获得最大电能输出。

3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：

自主设计一个典型单片机系统，含以下部分及功能：

I.典型51内核的单片机系统（推荐采用Silabs公司的C8051F系列）。

II.光电传感器检测、放大等环节。

III.10-12位的光电池阵列朝向（电压）信号检测（推荐内置结构）。

IV.电机随动跟踪驱动电路（PWM直流调速或步进控制）。

V.常规可靠性设计。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

毕业设计（论文）工作10年10月20日起至11年5月28日止

毕业设计（论文）进行地点：

未央校区教D楼217室

作为毕业设计，应完成以下工作：

I.熟练掌握专业电工、电子（模、数）技术。

II.掌握光伏发电光源跟踪控制系统结构、工作原理等专业技术。

III.熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。

（3月上旬前）

IV.系统硬件设计。

V.借助PROTEL技术，绘出系统SCH、PCB图。

（3月下旬前）

VI.搭出系统硬件电路，在完成系统通电调试的基础上，进行系统联机调试。

（4月下旬前）

VII.写出毕业论文（电子版）。

（5月上旬前）

5.毕业设计（论文）的工作量要求：

I.论文（字数）：

2-3万字

II.外文翻译（字数）：

5000字以上

①实验（时数）*或实习（天数）：

20天

②图纸（幅面和张数）*：

SCH、PCB图（A4图幅4份以上）

③其他要求：

参考文献（篇数）：

15篇以上（含3篇以上外文）

指导教师签名：

年月日

学生签名：

年月日

系（教研室）主任审批：

年月日

说明：

1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。

2带*项可根据学科特点选填。

毕I-2

太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分

摘要

在太阳能利用方面，理论分析表明:

跟踪式太阳能发电装置与定点式太阳能发电装置相比，其能量的接收率可提高35%，而目前太阳能利用转化率约为10％～20％。

因此，在对目前国内外太阳跟踪器原理研究的基础上，本文设计了一种按仰角（太阳高度）和方位角（太阳方位）分别控制调节的太阳跟踪控制系统。

通过采用MCU计算发出脉冲，控制步进电机的转动角度，实现对太阳光的自动跟踪，使跟踪装置始终处于与发光源垂直的最佳位置。

其结构简单、成本低廉且跟踪精度高，可广泛用于西部等偏远地区的能源供应系统——太阳能发电系统，具有一定的实用价值。

本课题设计的太阳能自动跟踪与控制系统主要由四大部分构成：

传感器、控制器、机械跟踪平台、通信模块。

传感器由独立的四片光电池组成，用于大范围跟踪太阳光；

通信模块则采用RS-485串行协议通信；

控制器硬件以单片机C8051F330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：

太阳能；

自动跟踪；

传感器；

单片机；

RS-485；

步进电机

Solarphotovoltaicenergysourcestrackingcontrolsystem

——Thehardwarepart

Abstract

Withthedevelopmentofmodernsocietyandthelackofresources.Peopleonsolar,windandothergreencleanenergydemandarebecomingintense.Intoday,computer,optical-electronic,powerelectronicsandothermanufacturingandapplicationtechnologyisbecomingmature,thisalsoattracttheattentionofscientificworkersandhasbecomeahottopic.

Inthesolarenergyutilization,analysisindicatedshowsthatreceivingrateofpointingdeviceisloweras35%thanthetrackingdevice,andinallcurrentdeviceconversionrateroughlyis10%~20%.Therefore,byanalyzingtheprincipleofthesolartrackingdevicesinnationandoversea,asolartrackingsystemwhichitselevationandazimuthisadjustedseparatelywasdesignedinthisdissertation.TheMCUwasusedtocontroltherotationangleandcontrolthestepmotorbysendingoffthepulse.So,thesystemcancontrolthetrackingdevicetobetheoptimalplacewhichislightedbysunintheday.Thesystemhassimplestructure,lowcostandhightrackingprecision.Itcanbewidelyusedinthewestandtheremoteareas’senergysupplysystems-solarpowersystem,andithascertainpracticalvalue.

Inthepaper,thedesignedsolartrackinganddrivecontrolsystemaremainlycomposedoffourmajorcomponents:

sensors,controllers,andmechanicaltrackingplatformandcommunicationmodule.Thesensorismainlycomposedoffourphotocellswhichcouldachievelarge-scaletrackingthesun.RS-485isusedinthecommunicationmodule.C8051F330isusedasthecoreinthecontroller.Hardwarecircuitdesignandproductionareaccomplished.Thesystemhardwarecircuitsarecomposedofanaloginputcircuit,themotordrivecircuit,powercircuitandsoon.

Keywords:

Solar;

tracking;

sensor;

microcontroller;

RS-485;

steppingmotor

1绪论

1.1课题背景

1.1.1发展太阳能的背景

能源是人类生存发展必须具有的基本资源。

从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。

地上能源主要是植物能源（柴、草），还有水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代，或称地上能时代。

到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源（煤炭、石油、还有天然气、地热能等），可称为煤石能时代，或地下能时代。

随着世界经济的发展进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。

能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战，作为世界主要能源的石油，其价格居高不下，前期每桶原油最高单价已突破100美元。

虽然人类的科学技术正在高速发展，但面对石油这些不可再生性的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。

资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到21世纪80年代，石油、天然气资源将枯竭。

到22世纪20年代，煤资源也将被耗尽。

即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短缺的间题，已探明储量的铀矿资源也将在2030年前开采完[1]。

从我国的能源利用状况来看，自上世纪70年代初开始，我国已经经历了三次大的能源危机：

1970-1984年间持续的能源供应紧张局面使全国约25%的企业开工不足；

1988年再次出现类似情况，农业用电缺口超过60%，推动煤炭价格在当年涨幅达到87%，成为1989年以后小煤窑遍地开花的驱动力；

2000年以来伴随着国际能源危机的逐步加深，我国能源供应紧张，主要常规能源的价格涨幅已达103%，大量进口石油引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重要影响因素。

资料表明，作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3位；

基本能源消费占世界总消费量的10.4%，仅次于美国，居世界第2位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。

2005年一次能源消费量为15.4亿吨油当量，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。

然而2005年，世界人均一次能源消费量为1.65吨油当量，日本、美国分别为4.13吨和7.97吨油当量，而中国仅为1.18吨油当量，约为世界平均水平的3/4、日本的1/4、美国的1/7。

预计到2010年，我国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。

而且，随着中国的工业化和城市化进程，在基础设施建设和民用建筑阶段，能源需求量特别大，

目前能源消费总量已经接近欧盟15国的总量。

值得注