太阳能电池板自动跟踪系统毕业论文Word下载.docx
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本课题将对家用光伏发电系统进行优化设计，从而提高其发电效率。
了解太阳能光伏发电系统的结构及种类，考虑地理位置，朝向，季节的不同，根据家庭使用独立发电的特点，利用所学知识研制一种新型，低成本的自动跟踪系统，提高太阳能光伏电池的发电效率，设计优化方案使光能利用最大化，做到使同样的太阳能组件发的电最多，并将该优化方案应用于家用太阳能光伏发电系统中。
2太阳能光伏发电系统概述
2.1太阳能光伏发电的原理及其组成
地球表面接收的太阳辐射能量能够满足全球能源需求的1万倍。
地球每平方米平均每年接收到的辐射可产生1700KW.h电。
国际能源署数据显示，在全球现有沙漠表面积的4%上安装太阳能光伏系统，就足以满足全球能源需求。
太阳能光伏享有广阔的发展空间，其潜力十分巨大【4】。
太阳能发电又分为光伏发电、光化学发电、光生物发电等种类。
光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化为电能的直接发电方式。
光伏发电是当今太阳能发电的主流。
与常规发电和其他绿色发电技术相比，太阳能光伏发电有以下特点和优势【5】：
1、太阳能光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击；
2、太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离运输，因而避免了输电线路上的电能损失；
3、太阳能不用燃料，运行成本很低；
4、发电部件不易损坏，维护简单；
5、光伏发电不产生任何废物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。
安装1KW光伏发电系统，与燃煤电厂相比，每年可少排放二氧化碳600-2300kg，一氧化氮16kg，二氧化硫9kg及其它微粒0.6kg。
一个4KW的屋顶家用光伏系统，可以满足普通家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳的量数量相当一辆家用轿车每年的排放量；
6、光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫安，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费【6】。
太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳辐射能转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。
独立运行的光伏发电系统需要蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，成本较高；
在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可大幅度降低成本，而且具有更高的效率和更好的环保性能【7】。
本课题研究的是独立运行的光伏发电系统，该系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成的。
图2-1-1就是家用太阳能光伏发电系统的示意图【8】:
2-1-1家用太阳能光伏发电系统图
太阳能电池板：
太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是直接将太阳能转化为电能，在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生"
光生电压"
，这就是"
光生伏特效应"
。
在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。
太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种【9】。
太阳能控制器：
太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压；
快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的寿命；
同时保护蓄电池，避免过充和过放电现象的发生。
由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的控制器是必不可少的设备【10】。
逆变器：
是将直流电转换成交流电的设备。
由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。
逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。
独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。
并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。
逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。
方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。
正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。
逆变器保护功能：
a、过载保护；
b、短路保护；
c、接反保护；
d、欠压保护；
e、过压保护；
f、过热保护。
蓄电池（组）：
其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：
a.自放电率低；
b.使用寿命长；
c.深放电能力强；
d.充电效率高；
e.少维护或免维护；
f.工作温度范围宽；
g.价格低廉。
目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。
200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2V；
200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12V。
光伏发电系统按是否与电网相连可分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种【11】。
独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。
其机构框图如图2-2-1：
2-2-1独立光伏发电系统结构框图
并网光伏发电系统是指与电网相连，可以给电网供电的光伏发电系统。
其结构框图如图2-2-2：
2-2-2并网光伏发电系统结构框图
混合型光伏发电系统区别上两个系统的是增加了一台备用的发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，他既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。
其结构框图如图2-2-3：
2-2-3混合型光伏发电系统结构框图
能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续性发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。
在各国政府的大力扶持下，光伏产业迅速发展。
世界光伏产业和市场发展的一个突出特点是：
光伏发电在能源中的替代功能越来越大，主要表现在并网发电的应用比例增加的非常快，并成为光伏发电的主导市场。
世界光伏发电市场的增长主要得益于德国、日本和美国的鼓励政策。
目前70%以上的太阳能电池用于并网发电系统。
美国、日本和欧洲都制定了各自的光伏发展路线，表2-3-1给出了这三个国家的光伏发展路线和发展目标的比较：
表2-3-1光伏发电成本预测
年份
2004
2010
2020
日本（日元/KW.h）
30
23
14
欧洲（欧元/KW.h）
美国（美元/KW.h）
依靠中国半导体设备行业数十年来的技术积累，通过和一流光伏电池企业的深度合作，经过连续多年的不懈努力，中国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造设备的整线装备能力。
在目前国产设备及进口设备混搭的主流建线方案中，国产设备在数量上已占多数。
目前，中国光伏设备企业从硅材料生产、硅片加工到太阳能电池芯片的生产以及相应的纯水制备、环保处理、净化工程的建设，已经初步具备成套供应能力，部分产品如扩散炉、等离子刻蚀机、单晶炉、多晶铸锭炉等开始少量出口，可提供10种太阳能电池大生产线设备中的8种，其中有6种（扩散炉、等离子刻蚀机、清洗/制绒机、石英管清洗机、低温烘干炉）已在国内生产线上占据主导地位，2种（管式PECVD、快速烧结炉）与进口设备并存但份额正逐步增大。
此外，全自动丝网印刷机、自动分拣机、平板式PECVD则完全依赖进口。
组件生产用的层压机、太阳能模拟器等在行业获得广泛应用。
硅材料加工设备中单晶炉以优良的性价比占据了国内市场的绝对统治地位并批量出口亚洲，多线切割机已取得突破，多晶硅铸锭炉已经开始大量在国内企业中使用。
进入2009年，在国内一些具有自主创新能力和较强的科研实力的公司的有力推动下，光伏发电技术有了较快革新和发展；
再加上二〇〇九年七月十六日国家三部委财政部、科技部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在2－3年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目；
各种利好都给中国光伏发电产业注入了强劲的生命活力！
希望在不远的将来，我国的光伏发电整体竞争力能够达到国际领先水平，光伏发电电力供应量在国内总电力供应中的占比能够达到更高水平，从而更加有力的推动我国经济结构转型和能源结构优化！
从长远看，太阳城光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要位置，不但要代替部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。
根据欧洲JRC的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中占到30%以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上；
到2040年可再生能源占总能耗的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占到80%以上，太阳能发电占到60%以上，显示出重要战略地位【12】。
随着技术的进步，市场开发，新的应用领域和新的产品会迅速发展。
特别是国际光伏市场的飞跃发展，拉动了我国光伏生产的快速发展。
同时我国有着非常丰富的太阳能资源，因此我国的光伏产业必将有广阔的发展前景。
光伏发电系统中，太阳能光伏电池是实现光电转换的重要器件，其发电量多少除与电池板功率和运行状态有关外，还与能量的转换效率有关，直接影响系统性能的好坏。
因此，其安装对太阳能发电系统的效率影响非常大。
传统的太阳能电池板大多采用固定式安装，这样的结果将严重影响转换效率。
而采用光线自动跟踪的方式，使太阳能电池板的朝向精确跟随太阳位置的变化，始终保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，这样会大大提高效率。
本课题设计的自动跟踪系统具有成本低，简单易行等特点，具有较好的应用价值【13】。
在采用跟踪后，光伏电池组件的产电效率的提高主要表现在两个方面【14】：
（1）减少直射光线的入射角和提高入射辐射照度。
当光线垂直入射时，光伏电池组件的反射损失率只有4%-5%，但是当入射光线的入射角增加时，反射损失也会增加。
光伏电池组件的朝向对散射光线不是很敏感，主要影响因素是太阳辐射中的直射部分。
固定安装布置的光伏电池组件在早晚太阳光线的入射角都很大，而随太阳光线入射角的增加，光伏电池组件上的光学损失将增大【15】。
而采用自动跟踪时太阳光学基本上是直射太阳能电池组件表面，这样能极大地减少太阳光斜射时太阳电池组件上的光学损失。
（2）固定安装布置的光伏电池组件在早晚由于太阳光的斜射，获得的太阳辐射能量很低，在低辐射时，光伏电池的效率有较大的降低，严重影响光伏电池组件的发电量。
而自动跟踪系统使这个问题有了很大的改善，提高了光伏电池组件的发电量。
本课题设计的自动跟踪系统的基本原理为：
当利用光敏电阻传感器检测太阳能电池板接收的光强信号，控制系统将传感器得到的信号放大，经AD转换保存到单片机中，由单片机进行一定的处理后发出驱动信号，控制步进电机转动，使光伏电池板随着太阳运动而运动，进而达到跟踪的目的。
3硬件设计
3.1自动跟踪整体设计方案
光伏自动跟踪系统主要包括机械部分和控制部分。
机械部分主要由电池板支架，底座和步进电机构成，由控制部分驱动电机，由步进电机驱动机械部分，可以使电池板随着太阳直射光线角度变化而变化，以达到跟踪目的。
控制部分主要由单片机系统组成，单片机系统具有成本低，智能化程度高，扩展性强等特点，由单片机系统配合外围电路元件实现对光伏电池板的控制【16】。
单片机每隔一段时间采样光伏电池板上光敏传感器经AD0809芯片转换得到的信号，通过程序控制使单片机的输出引脚发生电平变化，此信号经ULN2003芯片放大后驱动步进电机，使电机转动，从而带动电池板转动一定角度，以使电池板表面能与太阳光直射方向垂直。
自动跟踪系统基本结构如图3-1-1：
3-1-1自动跟踪系统结构框图
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；
入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等；
红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器；
可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等【17】。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多可的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子-空穴对参与导电，使电路中的电流增强。
本课题设计的自动跟踪系统控制部分采取的是光敏电阻光强比较的控制方式，因此选择可见光光敏电阻。
本课题选择的光敏电阻CDS则是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光电阻。
光敏电阻的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的。
本课题采用一个光敏电阻与一个普通电阻串联（阻值为R），而且光敏电阻与太阳能电池板所在平面平行。
则当一开始时，光照到光敏电阻时，其阻值为R1，则普通电阻会有一个对应的电压值，其表达式为：
V1=VccR/（R+R1）；
然后控制电机转动一个角度a，此时光敏电阻有对应的阻值，为R2，则普通电阻也有了对应的电压值，其表达式为：
V2=VccR/（R+R2）；
单片机通过比较前后两个电压值的大小，控制电机转动。
其电路如图3-2-1：
3-2-1光敏电阻电压采集电路
光敏电阻的主要参数是【18】：
（1）光电流、亮电阻。
光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻。
（2）暗电流、暗电阻。
光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。
外加电压与暗电流之比称为暗电阻。
（3）灵敏度。
灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。
（4）光谱响应。
光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。
若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。
如图3-2-1：
3-2-1光敏电阻光谱响应曲线
（5）光照特性。
光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。
从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。
若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。
在大多数情况下，该特性为非线性。
如图3-2-2：
3-2-2光敏电阻光照特性曲线
（6）伏安特性曲线。
伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。
如图3-2-3：
3-2-3光敏电阻伏安特性曲线
3.3AD0809芯片简介及工作原理
本课题中，采集的信号是模拟信号，单片机不能直接处理，需要进行A/D转换，变为数字信号后进行处理。
则需要用的A/D转换器。
本课题则用的是最常见的ADC0809芯片。
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图3-3-1为其内部结构图【19】：
3-3-1ADC0809芯片内部结构图
AD0809芯片引脚图如下【20】：
3-3-2ADC0809芯片引脚图
IN0－IN7：
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
数字量输出及控制线：
11条
ST为转换启动信号：
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；
下跳沿时，开始进行A/D转换；
在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；
否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；
OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
其工作过程为：
首先通过A、B、C输入三位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码器选通8路模拟输入之一到比较器。
ST上升沿将主次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
知道A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请，当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量经过D7-D0输出。
3.480C52单片机硬件结构
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，要设计合适的接口电路【21】。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。
单片机总控制电路如图3-4-1：
3-4-1单片机总控制电路
STC89C52具体介绍如下：
（1）主电源引脚（2根）VCC（Pin40）：
电源输入，接5V电源；
GND（Pin20）：
接地线。
（2）外接晶振引脚（2根）X1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端；
X2（Pin20）：
片内振荡电路的输出端。
（3）控制引脚（4根）RESET/Vpp（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；
ALE/P（Pin30）：
地址锁存允许信号；
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号。
EA/Vpp（Pin31）：
程序存储器的内部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，若接高电平则从内部存储器读指令。
（4）可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位于P0，P1，P2，P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
P0口（Pin39-Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0-P0.7；
P1口（Pin1-Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0-P1.7；
P2口（Pin21-Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0-P2.7；
P3口（Pin10-Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0-P3.7。
STC89C52主要特性有以下几点：
兼容MCS51指令系统；
8K可反复擦写FlashROM；
32个双向I/O口；
256×
8bit内部RAM；
3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz；
2个串行中断可编程UART串行通道；
2个外部中断源共6个中断源；
2个只读中断口线3级加密位；
低空耗空闲和掉电模式；
软件设置睡眠和唤醒功能。
3.5步进电机驱动芯片选择
在本课题中要由单片机控制步进电机，但由于单片机不能直接驱动被控制元件，这需要功率电路来扩展输出电流以满足被控制元件的电流和电压。
ULN2XXX高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就是这类可控大功率器件，由于这类产品功能强，应用范围广，许多公司都生产该类产品。
本课题采用的则是该系列中比较常用的ULN2003。
ULN2003具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载
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