太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分设计.docx
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太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分设计
本科毕业设计论文
题目：
太阳能光伏发电光源跟踪控制系统
—硬件部分
院系：
电子信息工程学院
学科专业：
电气工程及其自动化
2010年6月
太阳能光伏发电光源跟踪控制系统
——硬件部分
摘要
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·h／m2·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，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。
2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。
捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。
2006年2月,Acciona太阳能公司建立的被称为西班牙最大的太阳能电站设施开始投入使用,整个设施由400个太阳跟踪托盘，14400个电池板组成。
这些太阳跟踪托盘设计结构为全年每天根据太阳不同的位置跟踪阳光,与通常固定的平面系统相比，这种托盘设计可以增加35%的能源产出量。
在欧美国家现在有较成熟的主动式全方位太阳跟踪技术及产品。
中国早在1958年就开始了光伏电池的研究，于1971年首次成功用于我国发射的东方红二号卫星上，并于1973年开始将光伏电池应用于地面，由于受到价格和产量的限制，市场发展缓慢。
在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏产业给予支持，促使光伏工业有了一定发展。
2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区700多个无电乡的用电问题，光伏电池用量达到15.5MWP。
该项目大大刺激了国内的光伏产业，国内建起了几条光伏电池封装线，2002年的年产量达到了20MWP。
截止到2005年底，中国太阳电池组件的生产能力己经达到400Mwp，当年产量达到140Mwp，绝大部分太阳电池组件出口欧洲，2005年国内安装量只有5MWp，2006年为10Mwp，国内光伏电池累计使用量达到80MWP。
1.4主要内容
因光伏电池的输出特性受外界因素影响较大，如何对光伏系统进行有效
控制使其能够工作在最佳的状态，有效的利用太阳能，从而能够产生更多的
电能，是一个非常重要的课题。
主要研究内容为：
①了解太阳能利用的相关背景知识。
②研究太阳跟踪控制系统的相关资料、技术要求。
③研究和设计高太阳跟踪控制系统方案。
④设计和画出太阳能光伏发电跟踪控制系统硬件原理图。
1.5论文结构
本文同过几部分进行叙述：
1、绪论，介绍了本课题的研究内容、意义及国内外研究现状；2、系统工作原理和总体设计；3、太阳追踪和跟踪控制系统硬件设计；4、总结本课题。
2系统工作原理及总体设计
2.1太阳运动规律
2.1.1太阳与地球的位置关系
地球每天围绕通过它本身南极和北极的一个假想轴——地轴自西向东自传一周，每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24时，所以地球每小时自转15度。
在自转的同时。
地球围绕太阳在一个椭圆形轨道上公转，每公转一周为一个太阳年、它等于365天5小时48分。
即365．241天，因此每四年须闰一日。
地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成23.27度的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极，这也是太阳赤纬角的最大值。
在地球围绕太阳公转的一年中有四个特殊的日期，这就是受地球倾斜运动影响最大的冬至和夏至以及不受地球倾斜运动影响的春分和秋分。
在北半球，春分大约是3月21日、夏至是6月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。
夏至的白天最长而冬至的黑夜最长；春分和秋分的昼夜各12个小时。
在设计太阳能应用系统时，不可避免地都会涉及到地球和太阳的位置关系，如太阳高度角、方位角等问题。
①地平坐标系
以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2.1所示。
通过天顶和太阳（任一天体）X作一大圆，叫做地平经圈；地平交地平面于M点；从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为方位角γs（地平经度）；弧XM为高度角α（地平纬度），向上为正，向下为负。
弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。
显然Z=90°-α。
图2.1地平坐标系图2.2时角坐标系
②时角坐标系
以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点
为原点的坐标系为时角坐标系或第一赤道坐标系，如图2.2所示。
通过北天极和太阳X作一个大圆，叫做时圈；时圈交天赤道于T点；从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角ω，ω以度、分，秒单位来表示，也可以用时，分，秒
为单位来表示；弧XT为赤纬角δ，δ以度、分，秒单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。
当天体作周日运动时，天体的赤纬δ不随周日运动而变化，但天体的时角ω却从0°均匀地增加到360°。
2.1.2相关角度的计算
在太阳能的地面应用中，绝大部分的采光组件或阵列的安装形式并非水平，而是以与地平面成一定夹角的倾斜形式安装。
所以有必要分析倾斜面在特定时间及地点下的太阳入射计算。
①有关角的定义
假如太阳能采光组件的倾斜角度和方位角已经确定，要计算入射在采光组件表面上的太阳直射辐射的能量，就必须定义一些角度。
太阳光线入射角θ：
太阳光线和采光组件表面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。
太阳光线可以分为两个分量，一个垂直于采光面，一个平行与采光面，只有前者的辐射能北采光面所截取。
由此可见，实际使用时应该是入射角θ越小越好，这也就是所说的跟踪。
太阳高度角α和太阳方位角γs:
从地面某一观测点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角α叫做太阳的高度角。
该射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角θz.。
其中α+θz=90°。
太阳光线在地面上的投影线与正南方的夹角γs，为太阳的方位角。
并规定，向西为正，向东为负。
采光组件的方位角γ：
采光组件表面法线在地面上有个投影，此投影线与正南方的夹角为采光组件的方位角。
采光组件的倾斜角β：
采光组件平面与水平面的夹角称为采光组件的倾斜角度。
以上角度如图2.3所示。
图2.3倾斜面有关几何角度
②角度之间的关系和有关公式
采光组件所获得的太阳辐射量主要取决于太阳入射角θ，而θ是太阳赤纬角δ、太阳时角ω、地理纬度φ、采光组件倾斜角β、采光组件方位角γ和的函数，它们的具体关系是:
（2.1）
其中太阳赤纬角δ可由Cooper方程式（2.2）近似计算：
n：
一年中的天数，如：
在春分，n=81，则δ=0。
（2.2）
ω=（t-12）×15°（2.3）
时角计算公式见式（2.3），T为当地时间，按小时计算。
地球自转一周为360°，相应的时间为24h，每1h地球自转的角度定义为太阳时角ω，则ω＝360／24＝15°，正午时角为零．其他时辰时角的数值等于离正午的时间（h）乘以15。
上午时角为负值，下午时角为正值，例如，上午10时和下午2时的时角分别为-30°及30°。
从式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，当δ，ω，φ确定后，采光组件倾角β和方位角γ的值决定了直接日射入角θ，因此只要控制采光组件使其倾角和方位角有合适的值，就可以保证太阳光线入射角θ为0，从而最大限度地收集太阳能。
故我们可以根据不同地区的情况确定一个合适的太阳能阵列的固定的安装角，从而能最大效率利用太阳能。
2.2跟踪控制方式的比较
目前国内外跟踪太阳的方法可以分为三种：
①视日运动轨迹跟踪②光电跟踪③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。
现就这三种跟踪方案做一个简要的介绍
和比较。
2.2.1视日运动运动轨迹跟踪
无论是采用时角坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过在数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。
该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。
而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。
工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。
初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。
同时，
还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。
2.2.2光电跟踪
把两块完全相同的太阳能电池板按照一定的角度连接成“人”字型,它们既用作光电转化的电池,也起光敏器件的作用。
太阳光垂直照射地面时,两块电池板上得到的太阳光的能流密度完全相等,产生的光电流大小相等,此时控制它们方位的电动机不工作。
入射太阳光与地面的夹角改变时,如果甲电池板得到太阳光的能流密度大于乙得到的能流密度,则甲电池板产生的光电流强度就大于乙电池板的光电流强度,利用这一信号驱动电动机转动,使得电池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。
其优点为调节较为精确,电路也比较简单。
2.2.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度传感器。
当跟踪装置开始运行时，用两片高精度传感器初始定位。
在运行当中，以程序控制为主，传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。
这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。
这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。
但一计算过程十分复杂，高精度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。
2.3系统工作原理图
本系统主要由传感器，单片机控制器，步进电机，传动装置等组成，系统工作原理图如图2.4所示。
图2.4系统工作原理图
3太阳跟踪及驱动控制系统硬件设计
3.1硬件总体设计方案
太阳跟踪与驱动控制器以单片机C8051F020为核心建立应用系统。
光电传感器输出的误差信号经过调理输入到AD,为跟踪提供依据。
当跟踪装置转到极限位置时，为了保护设备同时为第二天跟踪做好准备和避免电缆缠绕，需返回初始位置。
可以采用限位开关来复位，当机械设备转到极限位置时，限位开关向单片机系统发送个脉冲，单片机响应此操作，进行中断处理，跟踪装置归位。
3.2传感器结构及信号采集处理电路
传感器主要是由4片性能参数一致的光电池组成，其中两个在东西方向成“人”字形，检测东西方向光线变化，即调整方位角，另两个在南北方向成“人”字形，检测南北方向光线变化，即调整俯仰角。
由于光电池的信号可能比较微弱或信号差比较小，故先经运算放大后输入单片机，在单片机内进行比较再由执行机构动作。
信号采集处理电路如图3.1。
东西或南北两块光电池的电压接入U1、U0。
图3.1信号采集电路
为了精确测量数十mA范围的光电池电流，运算放大器的偏置电流应该不大于数毫安。
本文中选用LM324,它的偏置电流是nA数量级，LM324是一种4集成运算放大器，由于价廉且使用方便，被广泛应用于控制和一般信号放大处理之中。
光电转换电路可以使用集成运算放大器。
图给出硅光电池的光电转换电路，运放采用LM324，在图中所示条件下，令Rf=R3，R1=R2，则电路放大倍数如式（3.1）所示
放大倍数=Rf/R1（3.1）
其中若取R1=R2=100K，R3=Rf=1M，则电路放大倍数为10。
3.2.1光电池的特性参数
光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。
按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池两大类。
太阳能光电池主要用作电源，由干它结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、能直接将太阳能转换成电能，因而不仅成为航天工业的重要电源，还被广泛地应用干人们的日常生活中。
测量光电池的生要功能是作为光电探测用，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，它被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
所谓光生伏特效应就是在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的效应。
由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。
它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件，具有较大面积的结，当光照射在结上时，在结的两端出现电动势。
根据半导体的材料不同，光电池可分为硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。
目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。
硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接
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