太阳自动追踪系统设计毕业设计论文.doc
《太阳自动追踪系统设计毕业设计论文.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《太阳自动追踪系统设计毕业设计论文.doc(42页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、目录中文摘要3英文摘要41 引言51.1 课题研究的背景和意义51.2 课题研究的现状51.3 课题研究的主要内容62 系统的总体设计方案72.1 跟踪方法82.1.1太阳轨迹跟踪方法的设计82.1.2 光电跟踪方法的设计102.2 机械结构的设计132.3 充电模块的设计142.3.1 充电策略的选择142.3.2 充电控制器的选择173 系统的硬件设计183.1 电源模块的设计193.1.1 24V到5V的转化213.1.1 24V到负15V的转化223.1.1 24V到15V的转化223.1.1 24V到12V的转化233.1.1 24V到-12V的转化233.2 光电检测模块的设计24
2、3.2.1 太阳方位检测模块243.2.2 太阳光强检测模块263.3 单片机控制模块283.3.1 单片机的选择283.3.2 外部时钟电路293.3.3 步进电机驱动电路293.4 蓄电池充电模块313.4.1 DC/DC变换电路313.4.2 MOSFET驱动电路333.4.3 电压采样电路343.4.4 电流采样电路353.4.5 蓄电池温度检测电路353.4.6 PWM方波设计364 电路仿真374.1 降压(BUCK)电路的仿真374.2 太阳光强和方位检测电路的放大电路的仿真37结论38致谢39参考文献40附件1:41附件2:42太阳自动追踪系统设计摘要:人类正面临着石油和煤炭等
3、矿物燃料枯竭的严重威胁,太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点,但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点,这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。本文研究了基于太阳自动跟踪的独立光伏发电系统。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式,发展前景非常广阔。目前,光伏发电系统多采用固定安装的形式,这种发电系统具有发电效率低、成本高、不宜推广等缺点。在光伏发电系统中使用太阳自动跟踪,能有效地提高太阳能的利用率。因此,本文的研究对提高光伏发电效率、促进光伏发电的推广应用具有重要的意义。本文首先提出了一种将光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式相结合的全
4、天候太阳自动跟踪方法。分析并确定了晴天、多云和阴雨三种天气条件下,应分别采取的跟踪模式;给出了光电跟踪方式的具体设计思路和实现方法;分析并确定了太阳运动轨迹的计算方法。根据提出的跟踪方法,设计了一套自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统。该系统为小型光伏发电系统,在太阳自动跟踪的基础上,全天候、高效率地独立运行,将尽可能多的太阳能转换为电能,储存在蓄电池中。整个系统分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统两个子系统。分别进行了两个子系统的硬件设计和软件设计。硬件设计包括太阳方位检测、光强检测、单片机控制、数据采集、外部时钟、光伏电源等模块;而软件部分设计了太阳自动跟踪系统的软件体系,实现了各个硬件模块的功
5、能、光电检测数据的处理以及跟踪机构的驱动控制。本课题设计的自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统,实现了对太阳的自动跟踪,使太阳能电池板基本对准太阳垂直入射的方向,并实现了连续稳定的电能输出,保证蓄电池的正常充电。关键词:太阳能,光伏发电,光电跟踪,太阳运动轨迹跟踪,蓄电池充电Abstract: An stand-alone PV(photovoltaic) generation system based on automatic solar tracking was researched. As an important way of utilizing solar energy, PV powe
6、r generation has a broad prospect. Now many PV power generation systems use fixed-mounted solar panels. These systems have the disadvantages of low efficiency of electricity generation, high costs and difficult to promote. By using solar automatic tracking, PV power generation systems can effectivel
7、y improve the utilization of solar energy. So the study of this paper has an important significance to improve the efficiency of PV power generation and promote its application. Firstly, an all-weather automatic solar tracking method combining the photoelectric detection and the solar trajectory tra
8、cking modes was proposed. Different tracking models taken in sunny, cloudy and rainy days were analyzed and identified. Specific design ideas and methods of photoelectric tracking was proposed. The sun trajectory calculation method was analyzed and determined to verify the feasibility. Then a PV pow
9、er generation system based on above solar tracking methods was designed. The system is a small-scale PV power generation system, which can track the sun all-weather and charging the battery as much as much as possible. The systems hardware and software were designed. The hardware design included sol
10、ar orientation and light intensity detection, computer control, data acquisition, external clock, PV power and so on. The software design realized the function of every hardware modules, data processing of photoelectric detection and drive control of tracking device. The PV generation system can aut
11、omatic track the sun, make solar light roughly exposure to the solar panels perpendicularly, achieve a continuous and stable power output.Keywords: solar energy, PV power generation, photoelectric tracking, solar trajectory tracking, battery charging1 引言1.1 课题研究的背景和意义随着常规能源的不断消耗,人类赖以生存的不可再生能源即将面临枯竭。
12、为此各国纷纷进军新能能源领域,为人类的发展寻找动力的支持。其中太阳能作为新能能源与可再生能源的重要组成部分,有着煤炭、石油、天然气等常规能源无法比拟的优点:1,储量丰富;2,应用广泛;3,绿色环保;4,经济性。基于以上优点,太阳能的开发利用具有巨大的市场前景,不仅能带来很好的社会和环境效益,还具有明显的经济效益。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式,发展前景非常广阔,并成为未来解决能源危机的重要途径。但太阳光伏发电存在的一个瓶颈问题是发电效率低,大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。目前,在太阳能利用领域中,如何最大限度的提高光伏发电效率,仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题的一种重要可行
13、的途径是进行太阳自动跟踪。太阳自动跟踪就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化,调整太阳能电池板的偏转角度,从而跟踪太阳的运行轨迹,使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上,充分地接受太阳辐射能量。据测定,相同条件下,自动跟踪式太阳能光伏发电系统比固定式太阳能光伏发电系统的发电量提高35左右。因此,太阳自动跟踪对提高太阳能的利用率有着重大意义。1.2 课题研究的现状对太阳能光伏发电系统的研究还处在发展的初期,因此还存在着诸多的问题。其中要有光伏电池板转换效率低且价格高,逆变器效率低等。太阳能光伏发电系统中,用于实现太阳跟踪的方法主要有光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪和两者的结合。光电跟踪通过使用光
14、敏二极管、光敏电阻、硅光电池等光敏元件,来检测太阳的运动方向,并控制跟踪装置追踪太阳的运行。该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪方法。太阳运动轨迹跟踪通过使用天文学公式,计算出太阳运动轨迹的理论值来控制跟踪装置进行太阳跟踪。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪方法。光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪方法首先通过太阳运动轨迹对太阳进行粗略的跟踪然后启动光电跟踪系统进行精确地跟踪。根据跟踪系统使用的轴数,该跟踪方法可分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪分为三种方式:1,倾斜布置东西追踪;2,焦线南北水平布置,东西跟踪;3,焦线东西水平布置,南北跟踪。他们跟踪原理是相同的,即电池阵列绕单一轴转动,其转动
15、方向为自东向西或南北方向,驱动电池阵列转动使电池阵列方位角与太阳方位角相同。双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术,它弥补了单轴跟踪的不足之处,目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式:极轴跟踪方式,高度-方位角太阳轨迹跟踪方式。1.3 课题研究的主要内容本课题的设计方案采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制方法进行跟踪控制。首先应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪,然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械结构采用的是双轴跟踪装置。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。主要设计的内容如下所示:(1) 光电检测模块(2) 二维机械结构(3) 蓄电池充电模块(4) 单片机控制模块2
16、系统的总体设计方案蓄电池充电控制模块(三阶段充电)A/D转化单片机控制模块A/D转化充电电流电压检测太阳能电池板光电检测模块太阳方位和光强检测步进电机驱动二维机械跟踪装置外部时钟本课题的整体设计方案如上图所示采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制方法进行跟踪控制。首先应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪,然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械结构采用的是双轴跟踪装置实现二维运动。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。2.1 跟踪方法太阳自动追踪系统采用的是光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪方法。根据不同的天气使用不同的跟踪模式。晴天使用太阳运动轨迹粗调和光电跟踪精调相
17、结合的跟踪模式。多云天气主要使用的是太阳运动轨迹的跟踪。阴雨天气关闭太阳跟踪保持机械装置的初始位置。2.1.1太阳轨迹跟踪方法的设计太阳每天东升西落, 站在地球表面的人能够观测到太阳有规律地运动。视日运动轨迹跟踪就是利用单片机控制单元根据相应的公式和参数, 计算出白天太阳的实时位置, 再转化为相应的脉冲发送给伺服驱动器, 驱动伺服电机实时跟踪太阳, 以达到对太阳进行实时跟踪的目的。太阳在天球上的位置可由太阳高度角和太阳方位角确定。太阳高度角又称为太阳高度或太阳仰俯角,是指太阳光线与地表水平面之间的夹角(090),可由下式计算得出: (1) (2)公式中:各角度单位均为。其中为当地的纬度角;为太
18、阳赤纬角,春分和秋分时=0,夏至时=23.5,冬至时=-23.5;为时角,是用角度表示的时间;为1年中的日期序号,从1月1 日开始,=1,每往后加一天,即=+1。太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角,即: (3)式(1)(3)中的赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。由于太阳在一年中的时角运动很复杂, 日常生活中的钟表时间采用平均太阳时(简称平太阳时, ), 即太阳沿着周年运动的平均速率。真太阳时(即太阳时, )与平太阳时之差即称为时差, 在工程计算中就会存在时差问题。因此, 必须采用真太阳时, 以达到实际计算中的精度要求。为了得到准确的真太阳时, 可以根据定时标准来校正时差
19、值, 我国区域的时差确定如下: (4) (5) (6)式中:为光伏发电地点的地理经度,中国地区的北京标准时间的经度为;为北京时间。因为地球每24h自传1圈,所以每15为1h;且正午时,时角=0,上午时0,下午时0,则可由下式计算得到,即: (7)当太阳在正南方向时,式( 3)中的方位角=0;正南以西时,0;正南以东时,0。为有效跟踪太阳的位置,除了要计算出太阳的实时位置外,还需要知道具体某天的日出时角和日落时角。由于日出日落时,太阳高度角=0,因此, 由式( 1)可计算出: (8)且根据时角(上午时0,下午时0),得到日出时角和日落时角的表达式为: (9) (10)计算出日出时角和日落时角后,
20、由式(7)可得出日出时间和日落时间即: (11) (12)2.1.2 光电跟踪方法的设计光电跟踪主要是通过固定在太阳能电池板上,且与板面平行的太阳方位检测传感器和光强检测传感器来分别检测太阳的方位变化和光强变化,进而驱动跟踪装置进行太阳自动跟踪。2.1.2.1 太阳方位检测传感器在光电跟踪中,通常将若干个光电特性相近的某种光敏器件(如光电二极管、光敏电阻、硅光电池等)以一定的位置关系对称放置,并与相应的运放电路相连,构成太阳方位检测传感器。这种传感器利用光敏器件在光照下产生的光电流与光照面积和光照强度成正比,且随着太阳方位变化而改变的原理,间接地确定太阳的偏转方向,进行太阳跟踪。在实际应用中,
21、这种形式的太阳方位检测传感器中的各光敏器件的光电转换效率往往不一致,导致检测误差比较大,很难保证光电跟踪的准确性。为提高光电跟踪的准确性和稳定性,本系统采用一种光电集成器件四象限光电探测器作为太阳方位检测传感器。四象限光电探测器是一种灵敏度很高的光电探测器件,由四个光电一致性较好的、相互独立的探测器封装而成,每个探测器又由光敏器件构成。四象限光电探测器是基于四象限定位法进行光电探测的,它的每个探测器分别对应直角坐标系的一个象限,相应的四象限定位原理如图2.1 所示。太阳直射光线通过图2.2 所示的透镜在四象限探测器的圆形光敏面上形成入射光斑,当太阳垂直入射时,光斑在四个象限A、B、C、D 上的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 太阳自动追踪系统设计 毕业设计论文 太阳 自动 追踪 系统 设计 毕业设计 论文
限制150内