太阳能光伏定向跟踪装置的设计与开发

【摘要】：太阳能作为一种绿色、清洁,可持续的发展能源,成为当今世界各国努力探索并开发的新能源,但太阳能本身存在一些缺陷,限制了人们对太阳能的利用和开发。太阳能光伏跟踪控制系统的研究,能够提高对太阳能的利用效率、促进光伏电产业的发展,缓解能源压力。基于此,本文设计了一款基于立柱式的双轴太阳跟踪控制系统,并从以下几个方面展开了研究工作： (1)设计跟踪装置的机械结构,机械部分为提高太阳能的使用效率,本文设计了一种立柱式双轴跟踪装置,该装置包括两个自由度,可在方位角和高度角上对太阳进行跟踪,方位角由步进电机控制,高度角由电动推杆控制。控制部分为提高跟踪精度采用视日运行轨迹跟踪与光电跟踪这两种跟踪方式相结合。 (2)设计控制模块的硬件电路,针对机械部分和控制部分的功能要求,对硬件电路进行了模块化设计,包括信号处理电路、LCD显示电路、中断按键电路、电流检测电路、GPS信息接收电路、限位电路、最大功率跟踪电路、电动推杆驱动电路。研究了视日运行轨迹跟踪的计算方法,给出了光电跟踪方式的具体跟踪策略。对系统的软件设计包括太阳自动跟踪控制系统主程序、视日运行跟踪子程序,光电跟踪子程序,最大功率点跟踪子程序及实现各个子模块的功能。驱动执行机构对太阳高度角和方位角进行跟踪转动,最后总结了跟踪系统误差产生的主要原因,并提出了系统改进方案。 通过以上研究工作,基本完成了太阳跟踪控制系统的设计,实际运行结果表明：该控制系统运行稳定可靠,能确保太阳能电池板在误差允许范围内与太阳光线基本保持垂直,实现了对太阳光线的全天候自动跟踪,提高了太阳能的接收效率。 【关键词】：太阳能跟踪 高度角 方位角 视日运行轨迹跟踪 光电跟踪 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 发展太阳能的背景10-13
• 1.1.1 太阳能的利用现状及发展趋势11-12
• 1.1.2 我国太阳能的资源分布情况12
• 1.1.3 太阳能利用的优缺点12-13
• 1.2 国内外太阳跟踪技术研究动态13-15
• 1.2.1 国外太阳跟踪技术研究13-14
• 1.2.2 国内太阳跟踪技术研究14-15
• 1.3 研究的目的和意义15
• 1.4 论文的主要研究内容及所作的工作15-17
• 1.4.1 机械结构15-16
• 1.4.2 控制系统硬件16
• 1.4.3 控制系统软件16
• 1.4.4 软件和硬件联调16-17
• 1.5 论文的组织与安排17-18
• 第2章 太阳跟踪原理及整体方案设计18-32
• 2.1 太阳跟踪原理18
• 2.2 太阳运行的天文规律18-22
• 2.1.1 赤道坐标系19-20
• 2.2.2 地平坐标系20-22
• 2.3 太阳能跟踪机械装置划分22-24
• 2.3.1 单轴跟踪机构对比22-23
• 2.3.2 双轴跟踪机构对比23-24
• 2.4 太阳能跟踪方式的比较24-27
• 2.4.1 视日运行轨迹跟踪25-26
• 2.4.2 光电跟踪26
• 2.4.3 视日运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合26-27
• 2.5 光伏发电27-28
• 2.5.1 光伏特性曲线28
• 2.6 最大功率跟踪技术28-29
• 2.6.1 最大功率跟踪原理28
• 2.6.2 最大功率跟踪方法28-29
• 2.7 跟踪系统总体方案设计29-30
• 2.8 本章小结30-32
• 第3章 机械结构设计32-40
• 3.1 机械结构方案及设计32-36
• 3.1.1 结构要求及实现原理32-33
• 3.1.2 旋转机构的设计33-35
• 3.1.3 机械机构限位控制35
• 3.1.4 太阳能电池板尺寸选择及受力分析35-36
• 3.2 步进电机原理36-37
• 3.2.1 步进电机的特点及型号选择37
• 3.3 电动推杆原理及型号选择37-38
• 3.4 涡轮蜗杆设计选择及轴承选择38-39
• 3.5 机械机构旋转方案实现39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 控制系统硬件电路设计40-53
• 4.1 控制系统总体方案设计40-41
• 4.2 光电传感器41-46
• 4.2.1 光电传感器的工作原理41-43
• 4.2.2 光电传感器的选型43-44
• 4.2.3 光电传感器处理电路的设计44-46
• 4.3 时钟电路芯片选型和设计46-47
• 4.4 LCD显示模块的设计47-48
• 4.5 GPS模块设计48
• 4.6 中断按键电路设计48-49
• 4.7 电流检测电路设计49-50
• 4.8 电动推杆驱动电路设计50
• 4.9 MPPT电路设计50-51
• 4.10 本章小结51-53
• 第5章 控制系统的软件设计53-66
• 5.1 跟踪控制系统软件设计53
• 5.2 软件调试环境简介53-54
• 5.2.1 嵌入式系统简介53-54
• 5.2.2 STM32F103ZET6简介54
• 5.3 系统应用软件设计54-60
• 5.3.1 程序总体设计要求54-55
• 5.3.2 系统跟踪主程序设计55-56
• 5.3.3 太阳角度计算子程序56-57
• 5.3.4 视日运行轨迹跟踪子程序设计57-58
• 5.3.5 光电跟踪子程序设计58-59
• 5.3.6 最大功率跟踪子程序设计59-60
• 5.4 上位机程序60-62
• 5.4.1 Visual basic简介60-61
• 5.4.2 程序设计要求61
• 5.4.3 程序设计及实现61-62
• 5.5 实验数据分析62-66
• 5.5.1 视日运行轨迹跟踪与光电跟踪算法准确性分析62-63
• 5.5.2 电池板跟踪性能检测以及对比63-64
• 5.5.3 误差分析64-65
• 5.5.4 本章小结65-66
• 第6章 总结与展望66-68
• 6.1 课题研究设计总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-73
• 附录1 部分图片清单73-75
• 附录2 攻读硕士学位期间所获成果75-76
• 致谢76-78

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