太阳能光伏发电光源跟踪控制系统—硬件部分_毕业论文设计(编辑修改稿)

太阳能光伏发电光源跟踪控制系统—硬件部分_毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

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 0176。 均匀地增加到 360176。 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γ s: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θ z.。 其中α +θ z=90176。 太阳光线在地面上的投影线与正南方的夹角γ s，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 所示。 图 西安工业大学毕业设计（论文） 7 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 : () 其中太阳赤纬角δ可由 Cooper 方程式 ()近似计算： n：一年中的天数，如：在春分， n=81，则δ =0。 （ ） ω =(t12)179。 15176。 （ ） 时角计算公式见式 ()， T 为当地时间，按小时计算。 地球自转一周为360176。 ，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＝ 15176。 ，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30176。 及 30176。 从式 （ 21） ， （ 22） ， （ 23） 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。 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。 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，西安工业大学毕业设计（论文） 8 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。 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。 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。 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。 图 电源电路 C8051F 020 电机驱动电路 水平方向电机 电机驱动电路 垂直方向电机 光电池板 信号采集处理电路 行程开关 外部时钟电路 3 太阳跟踪及驱动控制系统硬件设计 9 3 太阳跟踪及驱动控制系统硬件设计 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。 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。 东西或南北两 块光电池的电压接入 U U0。 321411U 5 AL M 3 2 4R3R1R2RfV5U1U2 图 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（ ）所示 放大倍数 =Rf/R1 （ ） 其中若取 R1=R2=100K， R3=Rf=1M，则电路放大倍数为 10。 光电池的特性参数西安工业大学毕业设计（论文） 10 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，适于接受红外光。 光电池的开路电压是指当光电池外接电阻为无穷大时，该电阻上所测得的电压即为开路电压。 开路电压与光照度之间呈非线性关系。 短路电流是指把光电池结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，该电流称为光电池的输出短路电流，其大小与光强成正比。 光电池的光谱特性决定于材料。 硒光电池在可见光谱范围内 有较高的灵敏度，峰值波长在附近，适宜测可见光。 硅光电池应用的范围 400nm~1100nm，峰值波长在 850nm 附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。 光电池的型号 根据硅光电池的特点和工作的需要程度，本文选用 2CR43 硅光电池。 2CR43光电池：面积 10179。 10mm2。 开路电压≥ 550mv。 短路电流≥ 23mA；输出电流≥ ；转换效率 1012%。 跟踪控制系统硬件设计 单片机 C8051F020 的简介 C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级 MCU芯片，具有 64个 数字 I/O 引脚。 下面列出了一些主要特性： ①高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP51 内核（可达 25MIPS）。 ②全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；片内看门狗定时器。 ③真正 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC，带 PGA 和模拟多路开关。 ④真正 8 位 500 ksps 的 ADC，带 PGA 和 8通道模拟多路开关。 ⑤两个 12 位 DAC，具有可编程数据更新方式。 ⑥ 64K 字节可在系统编程的 FLASH 存储器。 ⑦ 4352（ 4096+256）字节的片内 RAM。 西安工业大学毕业设计（论文） 11 ⑧可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口。 ⑨硬件实现的 SPI、 SMBus/I2C和两个 UART 串行接口。 ⑩ 5 个通用的 16位定时器；具有 5个捕捉 /比较模块的可编程计数器 /定时器阵列。 电源电路 电源模块需要向 C8051F020 供 3V,为 LM324 和 TA8435H 的逻辑电压供 5V,还要为 TA8435H 的功率电压提供 24V，以及为 A/D 转化提供 的基准电压。 电源模块电路图见图。 利用 78M05 将外部输入的 12V 变换成 5V,同时 AS1117 将 5V 变为。 选 用 MC1403,为 AD 转化提供基准电压（也可以利用 C8051F020 片上自带的内 部基准）采用芯片 MAX618EEE 将 12V 的输入提升到 24V。 IN O U TG N D112233U1M C 78M 05 A C TV I N V O U TG N D112233U4A S 111 7+ C 1C610 0uF 3uFV I N 12C 1 6+ C 52 + C 3C 3 0+ C 51 uF16 V10 0uF 10 uF uFV5L134 uHV I N 12G N D1G N D8G N D9G N D12VL11S H D N5IN10LX2LX3LX4FB7C O M P6P G N D13P G N D14P G N D15G N D16U2M A X 6 18E E EC8C 1 1D2+ C out 1C p 1C 5 3R745 0KR830 KV 2 433 uF47 pFC c om p 7uF86 uF1u F uF1 2W41 2W3 图 电源电路 MAX618 芯片输出电压的大小由 R7 和 R8 的阻值决定。 三者之间符合如下关系： VOUT=VFB(1+R7/R8),其中 VFB 般为。 电感值最佳值的选取应符合式L=VOUT/7179。 10 5。 经计算选取 R7=450K， R8=30K,L=34uH。 外部时钟电路 由于光电跟踪控制系统存在一定的缺陷，例如早上阴天的话不能够跟踪到太阳光，会造成 跟踪系统在跟踪式触碰行程开关，造成强制归位，引起误操作。 西安工业大学毕业设计（论文） 12 故在系统中加入一个外部时钟电路，使系统能够识别时间。 在一定时间内太阳 只会 出现 在某一角度范围内，故跟踪控制系统只要在这一范围内转动跟踪即可。 我们选择 DALLAS 公司生产的串行实时时钟芯片 DS1302，它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，。