太阳能跟踪系统设计与安装_毕业设计(编辑修改稿)

太阳能跟踪系统设计与安装_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

本课题的研究成功，对创建能源节约型，环 境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景。 太阳追踪系统的国内外研究现状 在太阳能跟踪方面，我国在 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，接收器的接收效率提高了。 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透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。 2020 年 2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳常州信息职业技术学院 第 8 页 作者：王文明 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。 在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统， 1994 年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。 目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。 提高太阳能的利用率 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装置如太阳能热水器、太阳能干燥器 、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。 就目前的太阳能装置而言，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，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，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。 太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。 不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。 但是太阳每时每刻都是在运 动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。 香港大学建筑系的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 :太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差 %，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。 第二章 系统总体设计方案 太阳运行的规律 由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。 这种变化是周期性和可以预测的。 地球极轴和黄道天球极轴存在的一个 27 度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的 变化。 冬至时这个角为 23 度 27 分，然后逐渐增大，到春分时变为0 并继续增大，夏至时赤纬角最大为 23 度 27 分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为 0，常州信息职业技术学院 第 9 页 作者：王文明 并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。 太阳能跟踪控制方法的比较 目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式： (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。 下面就这三种跟踪方案做 一个简要的介绍和比较。 视日运动轨迹跟踪 不论是采用极轴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，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。 太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。 而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。 光电跟踪 传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件 组成 :位置检测器、控制组件、跟踪头。 位置检测器主要由性能经过挑选的光敏 传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。 控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。 因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。 而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。 特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和常州信息职业技术学院 第 10 页 作者：王文明 部件的额外磨损。 如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。 在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。 当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度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。 但计算过程十分复杂，高精度角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。 本设计的跟踪方案 光敏电 阻光强比较法。 该比较法中用的是 光电转换电路。 光电转换器接收太阳光 , 将光信号转换成电信号 , 接着此模拟电信号经过放大器的放大再进入单片机进行 A/D转换成数字信号 ,单片机根据采集来的信号进行分析比较 , 得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线 , 从而达到最高效率的利用太阳能。 本设计的光敏器件选为光敏电阻。 利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理 , 将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。 如果太阳光垂直照射太阳能电池板时 , 两个光敏电阻接收到的光强 度相同 , 所以它们的阻值相同 ,此时电动机不转动。 当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时 , 接收光强多的光敏电阻阻值减少 , 驱动电动机转动 , 直至两个光敏电阻上的光照强度相同 , 称为光敏电阻光强比较法。 如图 , 其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。 常州信息职业技术学院 第 11 页 作者：王文明 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 30 M a y 20 11 S h e e t of F il e : C : \ D oc u m e nt s a nd S e tt i ng s \ A dm i ni s t r a t or \桌面 \ l i u hu i 05 27 .D dbD r a w n B y:R612J 1 2C O N 2V C C321411U 1AL M 3 24R110 KR54. 7KV C CR7R4R3R210 K567U 1BL M 3 24+ C122 0u FI N 1 图 光电转换电路 本设计的研究内容 本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光敏电阻光强比较法，可实现大范围、高精度跟踪。 论文的主要工作为以下几个部分： （ 1） 系统的总体设计（如图 所示）； 检 测 电 路信 号 放 大电 路步 进 电 机 驱 动 电 路S T C 单 片 机显 示 电 路外 接 键 盘报 警 电 路 图 系统组成示意图 （ 2）系统的硬件设计（由 **完成）； （ 3）系统的软件设计； 常州信息职业技术学院 第 12 页 作者：王文明 （ 4）系统的制作和调试。 第三章 太阳能自动跟踪系统 —— 软件部分 的设计 本文介绍的控制系统的软件设计采用了结构化、模块化的程序设计方法。 主程序初始化完毕之后，即进入等待状态，单片机控制运行交由中断服务程序控制。 所需完成的功能主要由子模块实现。 各部分独立完成一定的功能，又有机的结合为一个整体，完成所要求的控制任务。 根据老师和我们对论文课题的分析，我们采用单片机进行控制。 目前，单片机程序设 计语言主要有高级语言（主流是 C51）和汇编语言两种。 与汇编语言相比， C51 语言可读性好、维护方便、可移植性强，开发时间短；汇编语言最突出的优点是编程效率高，执行速度快。 本设计中，编程语言采用高级与汇编语言混合编程的形式，程序主体采用 C51 语言编写，但在对速度要求苛刻的部分（如单片机对 FLASH 存储器的读写）采用汇编语言编写。 开发环境选用目前流行的 Keil uVision3。 经过对于题目的分析，与做硬件部分同学的讨论和老师的指导，我们选用STC12C5A60S2 单片机。 STC12C5A60S2 是传统的 8051单片机划时代升级换代产品，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，直接取代传统的 89C51/89S51 单片机，它高速，速度比普通 8051 快 8～ 12 倍。 内部集成有 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM,8路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。 片上集成 1280 字节 RAM，共有 4 个16 位的定时器，两个与传统的 8051 兼容的定时器 /计数器， 16 位定时器 T0和 T1，没有定时器 2 ，但是有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器。 ，片内有 flash 程序存储器，可以通过编程器十分方便的写代码或擦除代码，擦除次数达 10 万次以上，而且内有 10 位高速 ADC，速度可达 25万次 /秒。 而且它具有超低功耗，这种芯片有超强抗干扰性，无法解密。 保证了工作的可靠性、开发的方便性和程序的保密性，而且其价格也便宜。 整个太阳能自动跟踪系统软件部分共包含 5 个模块：主程序、 AD 转换部分及其转换结果处理和分析、电机调整部分部分、光强检测模块， LCD 显示部分及报警系统部分。 下面对各模块的设计进行阐述。 常州信息职业技术学院 第 13 页 作者：王文明 主程序设计模块 主程序模块实现的功 能 （ 1）单片机系统初始化； （ 2）检测硅光片的上下和左右硅光二极管的电压值是否相等，如果不相等的话，检测应该进行电机水平控制还是电机垂直控制，执行完毕后，再进行检测，并依次循环比较执行。 程序设计思想或说明 如上所述，太阳能自动跟踪系统的软件部分包含多个模块，各模块的启动和停止由单片机控制。 在程序设计时，将这些模块的入口都安排在主程序中，主程序循环检测通过串口接收的命令，通过对命令解释，然后根据命令转入相应的模块。 程序流程图如图。 系统软件的设计主要是通过 C语言编程实现单片 机对步进电机控制以及系统状态的显示。 系统通电后，首先对 LCD， IO端口初始化，然后开中断，此时系统开始工作，检测当前太阳位置，直到接收板对准太阳，实现对太阳能全方位跟踪。 系统默认时间是 00:00，用户可以根据当地时间调整系统时间。 当阴天时，太阳跟踪系统检测不到太阳，为了实现太阳一出来就能自动跟踪太阳，系统时间每到 12:00或 18:00（也是太阳落山），系统自动控制接收板与大地垂直，这样不管太阳在那个位置，接收板都能检测到太阳。 图中，启动后首先进行的初始化包括：对单片机本身的中断和 LCD 液晶显示器等的初始 化。 常州信息职业技术学院 第 14 页 作者：王文明 开 始初 始 化电 机 水 平转 动。 电 机 水 平 转 动 控 制电 机 垂 直转 动。 电 机 垂 直 转 动 控 制NNYY 图 系统主程序流程图 主程序模块关键程序代码 while(1) { if((flag_vertical_stop == 1) amp。 amp。 (flag_horizontal_stop ==0)) //电机是否水平转动 { motor_deal_horizontal()。 //电机水平转。