智能建筑中太阳能跟踪系统的应用研究

【摘要】：随着人类对石油、煤矿等不可再生能源的不断开采,并且在技术革新和经济发展的情况下,能源问题的严重性已经威胁到了人类的延续。而且近些年由于大量的建筑拔地而起,其在建造和运营的过程中产生的能耗已占社会总能耗的30%[1]。因此,减少和取代不可再生传统能源的使用,大力推广太阳能在建筑中的应用,对减少传统能源的消耗和优化能源结构具有重要意义。我们国家为了促进太阳能光伏系统在建筑中的应用,实现光伏系统与建筑的完美结合,规范建筑太阳能光伏系统的设计,已经制定了建筑太阳能光伏系统设计的相关标准和规范。随着太阳能与智能建筑一体化技术的迅猛发展,太阳能光伏建筑一体化(Building integrated Photovoltaic,BIPV)也必将成为绿色节能建筑和智能建筑未来的发展趋势,且太阳能光伏建筑一体化系统的经济性和环保性也将会得到越来越多的关注。但是,因为太阳辐射强度比较弱,且目前太阳能转换技术也不高,因此本文在分析了当今智能建筑中太阳能的应用现状的基础上,设计了一款基于STM32的双轴太阳能跟踪系统,以提高智能建筑中太阳能的利用率。本系统的主要设计功能是实现智能建筑上的光伏电池板对太阳的同步跟踪,提高太阳能在智能建筑中的利用效率。本文研究确定了一个太阳运行轨迹跟踪方式与光电跟踪方式混合太阳跟踪方案。其中太阳运行轨迹跟踪是通过研究太阳运行的天文规律,并计算得出太阳相对于地面的实时运行轨迹,进而实现对太阳跟踪的一种跟踪方法。光电跟踪方式是通过光电池感应太阳光的变化,由控制器分析判断来跟踪太阳。本论文设计了两种跟踪方式的具体跟踪方案,实现了对天气阴晴状况的判断和精确的太阳追踪。系统的主要设计内容包括太阳能跟踪控制系统传感单元设计、跟踪机构的设计、确定太阳位置的算法、STM32主控制器软硬件功能的实现以及建筑中总值班控制室内控制计算机上本系统的LabVIEW上位机监控界面设计。最后进行了实验调试,实现了对太阳运行轨迹的全天候自动跟踪和建筑值班员对系统的运行状态的远程实时监控,提高了智能建筑中太阳能的接收效率。 【关键词】：智能建筑 太阳能 光电跟踪 太阳运行轨迹跟踪 STM32
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 论文选题背景及意义9-12
• 1.2.1 选题背景9-11
• 1.2.2 研究目的与意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-15
• 1.3.1 国外研究现状12-14
• 1.3.2 国内研究现状14-15
• 1.4 论文的主要研究内容及所做工作15-16
• 1.5 依托项目16-17
• 第二章 智能建筑中太阳跟踪系统总体方案设计17-26
• 2.1 智能建筑太阳能光伏系统的组成及总体结构17-18
• 2.2 太阳跟踪系统的机械结构设计18-21
• 2.2.1 单轴跟踪机构18-19
• 2.2.2 双轴跟踪机构19-21
• 2.3 太阳自动跟踪控制方案的设计21-25
• 2.3.1 太阳运行轨迹跟踪21-22
• 2.3.2 光电自动跟踪22-24
• 2.3.3 本论文太阳跟踪方法的确定24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 太阳运行原理及其位置算法研究26-32
• 3.1 太阳运行的天文规律26
• 3.2 赤道坐标系太阳赤纬角和时角的计算方法26-30
• 3.3 地平坐标系太阳高度角与方位角的计算方法30-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第四章 跟踪系统的硬件系统设计32-47
• 4.1 硬件系统总体结构32-33
• 4.2 太阳跟踪控制器的设计33-37
• 4.2.1 STM32核心芯片33-34
• 4.2.2 控制器电源模块34-35
• 4.2.3 控制器串.模块35
• 4.2.4 LCD显示模块35-36
• 4.2.5 STM32太阳跟踪控制器36-37
• 4.3 传感器检测模块37-41
• 4.3.1 光电传感器及其信号处理37-40
• 4.3.2 角度传感器模块40-41
• 4.4 GPS模块的选择41-43
• 4.5 步进电机模块43-45
• 4.6 跟踪机构的机械结构设计45-46
• 4.7 本章小结46-47
• 第五章 控制系统的软件设计47-60
• 5.1 概述47
• 5.2 控制系统集成开发环境47-48
• 5.3 系统软件设计48-54
• 5.3.1 太阳自动跟踪主程序设计48-50
• 5.3.2 LabVIEW上位机设计50-51
• 5.3.3 太阳运行轨迹跟踪程序设计51-52
• 5.3.4 光电自动跟踪程序设计52-54
• 5.4 实验与结果分析54-59
• 5.4.1 太阳能跟踪系统实验装置54-55
• 5.4.2 GPS模块数据接收测试55
• 5.4.3 系统实验结果及分析55-59
• 5.5 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-65
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果65-66
• 致谢66

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