太阳能双轴跟踪碟式热发电控制系统的研究

【摘要】：能源是国民经济的命脉，与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在地下的石化能源，按照目前的开发力度，几十年或许一百多年后，地球所储存的这些能源就将枯竭。因此，开发可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中，太阳能的热利用起着举足轻重的作用。其中，太阳能热发电还处于起步阶段，具有较大的发展潜力。 本课题研究的碟式太阳能热发电系统，其相对于塔式和槽式两种热发电方式，有较高的光热转换效率。本文重点研究了碟式太阳能热发电系统的两个重要组成部分—双轴跟踪控制系统和气动发动机。 首先，本文设计了基于TMS320F2812DSP为控制核心的太阳能热发电双轴跟踪控制系统。确定了太阳的运行规律，根据理论公式、当地的经纬度、当天的时间，计算出太阳的理论高度角和方位角，以此分析控制原理并确定采用混合跟踪方法。一级跟踪为视日运动轨迹跟踪，根据太阳运行的一般规律通过编码器反馈进行高度角和方位角的初始调节；二级跟踪为光电传感器校正跟踪，根据光敏传感器的电压偏差进行现场调节。 其次，碟式太阳能热发电系统中的斯特林发动机的技术难度较大、成本较高，本课题采用气动发动机进行替代。因此对气动发动机的基本原理、工作循环以及输出功率进行了分析，为进一步研究气动发动机进行理论分析。 然后，对跟踪系统进行了实验室模拟，以云台为基本架构，对两相电机特点及磁场进行了理论分析，对所用的变压器、变频器等器件进行了选型，控制器采用TMS320F2812DSP，完成了相应的外围电路设计，搭建了实验平台；软件设计方面，DSP为下位机，对其进行了总体跟踪策略的软件设计，并用上位机PC进行串行通信，通过LabVIEW完成对时间、高度角、方位角、传感器信号等信息的实时监控，最后进行了简单的调试试验。 双轴跟踪系统的模拟实验平台的搭建和测试说明了本文设计的控制方案的可行性和有效性；对气动发动机的理论分析也为进一步研究气动发动机控制系统和相应的发电系统提供可靠的理论依据。两部分内容的研究和设计对进一步深入研究碟式太阳能热发电系统提供了参考。 【关键词】：双轴跟踪 气动发动机 碟式太阳能热发电 DSP 云台
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题背景及意义9-10
• 1.2 国内外太阳能发电的基本概况10-12
• 1.2.1 国内太阳能发电的现状10-11
• 1.2.2 国外太阳能发电的现状11-12
• 1.3 太阳能发电技术的分类12-13
• 1.3.1 太阳能光伏发电系统13
• 1.3.2 太阳能热发电系统13
• 1.4 太阳能热发电的方式及特点13-16
• 1.4.1 塔式太阳能发电系统14
• 1.4.2 槽式太阳能发电系统14-15
• 1.4.3 碟式太阳能发电系统15-16
• 1.5 太阳能热发电系统的发电设备16-19
• 1.5.1 斯特林发动机16-17
• 1.5.2 蒸汽轮机17-18
• 1.5.3 活塞式气动发动机18-19
• 1.6 课题的目的和意义19-21
• 2 碟式太阳能热发电双轴跟踪系统的设计21-27
• 2.1 太阳跟踪方式的确定21
• 2.2 控制系统的总体设计方案21-22
• 2.3 视日运动轨迹跟踪控制原理22-24
• 2.4 传感器校正跟踪控制原理24-27
• 2.4.1 光电传感器24-25
• 2.4.2 编码器25-27
• 3 碟式太阳能气动发动机的研究27-39
• 3.1 气动发动机简介27
• 3.2 气动发动机的工作循环27-28
• 3.3 气动发动机的功率研究28-39
• 3.3.1 活塞位移的数学分析29-31
• 3.3.2 活塞位移的实例计算31-32
• 3.3.3 活塞式气动发动机的功率计算32-38
• 3.3.4 气动发动机输出功率的控制38-39
• 4 碟式太阳能热发电双轴跟踪控制系统的硬件设计39-59
• 4.1 微处理器单元的设计39-43
• 4.1.1 DSP简介39
• 4.1.2 DSP的选型以及TMS320F2812芯片39-41
• 4.1.3 系统的基本电路41-43
• 4.2 实时时钟单元的设计43-45
• 4.2.1 实时时钟芯片X1226简介43-44
• 4.2.2 实时时钟芯片X1226各引脚功能44-45
• 4.3 传感器校正单元的设计45-47
• 4.3.1 光电传感器单元的设计45-46
• 4.3.2 编码器接口电路的设计46-47
• 4.4 永磁同步电机及其驱动单元的设计47-59
• 4.4.1 永磁同步电机简介48
• 4.4.2 两相永磁同步电动机的磁场分析及调速方式48-53
• 4.4.3 双轴跟踪执行机构的实验模拟53-54
• 4.4.4 变频器的选择及参数设定54-57
• 4.4.5 变压器的选型确定57-59
• 5 太阳能双轴跟踪碟式热发电控制系统的软件设计59-75
• 5.1 下位机DSP的软件开发环境CCS59-61
• 5.2 下位机DSP的程序设计61-72
• 5.2.1 主程序设计63-65
• 5.2.2 实时时钟RTC的设置与读取65-67
• 5.2.3 DSP与上位机串行通信程序设计67-72
• 5.3 上位机（PC）的开发环境及程序设计72-75
• 5.3.1 LabVIEW的串口通信简介72-73
• 5.3.2 上位机程序总体设计73-75
• 6 实验及分析75-79
• 6.1 跟踪系统实验平台的搭建75
• 6.2 SkyMap软件设置75-76
• 6.3 结果分析76-79
• 结论79-81
• 参考文献81-85
• 附录A 控制系统整体硬件图85-86
• 在学研究成果86-87
• 致谢87

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