太阳能双轴自动跟踪系统设计与研究

【摘要】：在能源短缺日趋严重,不可再生能源日渐枯竭的国际形势下,大力发展可再生能源势在必行。太阳能凭借其清洁、普遍、储量无尽的优点,成为了当今世界各国努力探索与研究的热门。但太阳能分散、不稳定的缺点制约了它的开发和利用。太阳自动跟踪系统是高效利用太阳能资源不可或缺的组成部分。研究证实,天气良好且其他条件相同的情况下,配备双轴自动跟踪系统的太阳能电池板比起面对正午太阳固定朝向安装的电池板,发电量增加30%以上。双轴自动跟踪系统的应用有助于增加日照利用率,提高发电效率。本文基于简单与高效并举的理念,设计了一款采用STM32F103R8T6单片机的半遮挡式四象限光电检测法结合时钟控制法的双轴太阳跟踪控制系统。设定每4分钟检测一次天气情况,判断跟踪方式。光照充足时选择光电跟踪,通过对阴影导致的电流变化进行计算,确定太阳位置,实现太阳轨迹的自动跟踪。光照不足时采用时控跟踪,按照设定的方式旋转太阳能电池板,使电池板表面近似对准太阳位置,减少计算量和能量损耗。遇到8级以上大风天气时,暂停跟踪,风速下降至安全范围内则恢复跟踪。本文设计的光电检测法搜索范围很广,不会因为中断跟踪而丢失目标。本系统对电池板的安装精度要求不高,即使电池板的两根旋转轴没有做到精确竖直或水平放置,也可以高精度的跟踪太阳。在地质条件小幅变化时,本系统不需要进行维护或重新安装。为了实现远程管理,电池板参数采集模块的信号经单片机进行A/D转换,通过USART串行通信传输数据。本文在完成了系统整体结构及软件工作流程的总体设计后,选定了核心控制芯片,按照设计要求和各元件接口类型分配了芯片引脚,将电路划分为多个功能模块,然后分析了各元件的选型、工作原理及电路接线,并完成了相关软件设计。实验证明了该太阳能双轴跟踪控制系统的方案是可行而有效的。该方案的优点有:跟踪迅速、精度高、抗干扰性好、可靠性好、设备成本不高等优点。同时也提出了一些不足和有待改进的地方。 【关键词】：太阳能跟踪 双轴 四象限 光电跟踪 单片机
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-18
• 1.1 太阳能的发展背景10-13
• 1.1.1 当前能源局势10-11
• 1.1.2 中国太阳能资源的分布情况11
• 1.1.3 太阳能的特点11-13
• 1.2 太阳能跟踪系统的发展现状13-14
• 1.3 研究课题的目的和意义14-15
• 1.4 研究内容和技术路线15-16
• 1.5 论文的结构安排16-18
• 第2章 太阳运行规律与双轴跟踪基本原理18-25
• 2.1 太阳运行的天文规律18-19
• 2.2 太阳位置的计算19-22
• 2.3 太阳跟踪装置的基本原理22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 跟踪方法研究与总体设计25-34
• 3.1 太阳能跟踪方法分类25-28
• 3.2 太阳能跟踪方案的分析与选择28-30
• 3.3 控制系统的设计思想和目标30
• 3.4 控制系统的工作原理与程序总体结构30-33
• 3.4.1 控制系统的工作原理31-32
• 3.4.2 控制系统程序的总体结构32-33
• 3.5 本章小结33-34
• 第4章 控制系统各模块原理与实现34-54
• 4.1 控制芯片的选择34-35
• 4.2 控制芯片的外部接口分配35-36
• 4.3 步进电机的单片机控制模块36-42
• 4.3.1 步进电机的分类37
• 4.3.2 步进电机的主要特点37-38
• 4.3.3 步进电机的选择及工作原理38-39
• 4.3.4 步进电机的单片机控制方法39-40
• 4.3.5 单片机与步进电机驱动电路的接口40-42
• 4.4 风速检测模块42-43
• 4.5 光照强度检测模块43-44
• 4.6 光电跟踪模块44-49
• 4.6.1 光电探测器的选择44
• 4.6.2 光电探测器处理电路44-45
• 4.6.3 半遮挡式光电比较法的原理与优点45-47
• 4.6.4 光电跟踪子程序47-49
• 4.7 时钟模块49-50
• 4.8 太阳能电池参数采集模块50-52
• 4.8.1 温度采集电路50-51
• 4.8.2 电压采集电路51
• 4.8.3 电流采集电路51-52
• 4.9 复位模块52-53
• 4.10本章小结53-54
• 第5章 系统实验与成果分析54-58
• 5.1 晴天跟踪与非跟踪的实验数据对比分析54-56
• 5.2 阴雨天跟踪与非跟踪的实验数据对比分析56
• 5.3 成果分析56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第6章 总结与展望58-61
• 6.1 课题总结58-59
• 6.2 展望59-61
• 参考文献61-64
• 致谢64

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