太阳能跟踪控制系统的研究与设计

【摘要】：随着地球上有限化石能源的不断地开采,能源危机已经成为当今人类世界面临的最大问题之一,同时化石燃料的使用所释放出大量碳化合物造成了全球气候变暖、自然生态环境的破坏,严重危及到人类的生存和发展,要解决这些问题的必然之路就是开发和利用新型无污染的能源。因此,如何开发利用好新型绿色循环性能源是关系到人类生存发展的重要研究课题。太阳能作为一种取之不尽,用之不竭的绿色天然能源,它的开发和应用具有广大的发展前景和深远的研究意义。目前,对太阳能利用的有效途径之一便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能。其中太阳光能采集和电能转换是光伏发电技术的重要的关键环节,提高这些技术环节的效率对于太阳能的利用是非常有价值,然而在太阳光能采集上由于太阳光强度的不确定性、光照间歇性以及季节天气环境影响大等特点,给太阳能的采集带来了相当大的难度,采用传统的固定式太阳能采集效率相对低下。理论分析证明,采用太阳能自动全方位跟踪技术,相比采用固定跟踪情况下可以提高35%太阳能的吸收效率。在太阳能转换电能环节中,电池阵列受光照和温度影响大,造成输出功率不稳定变化大,导致太阳能没能充分的转换成电能,采用最大功率跟踪(MPPT)技术使电池阵列始终保持最大功率点输出,进而提高了转换效率。 本文在研究了国内外太阳能跟踪控制系统的基本原理上,开发设计一个基于S3C2410X微处理器的嵌入式平台太阳能跟踪控制系统。论文的工作内容主要包括下面几个方面： (1)分析当今太阳能开发利用的发展现状,研究了各种太阳能跟踪技术,以提高跟踪效率为原则对跟踪技术进行改进,设计出一个基于嵌入式的太阳能跟踪控制系统的设计方案。 (2)进行太阳能跟踪控制系统传感单元设计,选择相应功能的传感元件,并进行传感信号采样电路设计,提高传感信号采样精度。 (3)选用S3C2410X作为核心控制芯片,根据系统控制功能特点进行控制单元的硬件设计,并对最大功率跟踪单元进行电路设计,以及步进电机驱动单元硬件设计。系统扩展外接4x4键盘和LCD显示器,使系统具有良好的人机交互界面,可以方便地通过键盘进行设置。 (4)在硬件设计的基础上完成功能设计要求进行相应软件设计,实现改进的太阳能跟踪算法。 【关键词】：太阳能跟踪 嵌入式系统 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 光伏阵列
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-19
• 1.1 研究背景10-17
• 1.1.1 太阳能发展的现状10-13
• 1.1.2 嵌入式系统的发展13-17
• 1.2 课题研究目标和意义17-18
• 1.3 本文的主要工作18
• 1.4 论文组织18-19
• 第2章 光伏发电和太阳能跟踪技术的研究19-31
• 2.1 光伏发电19-25
• 2.1.1 光伏效应20-21
• 2.1.2 光伏电池特性21-25
• 2.2 光跟踪技术25-26
• 2.2.1 视日运行轨道跟踪25-26
• 2.2.2 光电自动跟踪26
• 2.3 最大功率跟踪技术26-31
• 2.3.1 最大功率跟踪原理27
• 2.3.2 最大功率跟踪方法27-31
• 第3章 太阳能跟踪控制系统设计31-35
• 3.1 跟踪控制系统总体设计31-33
• 3.2 跟踪控制方案的设计33-34
• 3.3 嵌入式操作系统的选择34-35
• 第4章 太阳能跟踪控制系统硬件设计35-56
• 4.1 硬件总体设计35-36
• 4.2 微处理器控制单元36-46
• 4.2.1 微处理器S3C241036-39
• 4.2.2 A/D转换39-40
• 4.2.3 GPIO端口控制和键盘设计40-42
• 4.2.4 RTC实时时钟42-43
• 4.2.5 LCD显示43-45
• 4.2.6 PWM定时器45-46
• 4.3 传感单元设计46-49
• 4.3.1 光电传感元件设计46-48
• 4.3.2 电池阵列电流电压采样电路48
• 4.3.3 角度传感器设计48-49
• 4.4 驱动单元设计49-53
• 4.4.1 步进电机49-52
• 4.4.2 步进电机驱动电路52-53
• 4.5 MPPT电路设计53-55
• 4.5.1 BOOST电路54-55
• 4.6 调试接口55-56
• 第5章 太阳能跟踪控制系统软件设计56-79
• 5.1 开发环境的搭建56-57
• 5.2 uC/OS Ⅱ的移植57-62
• 5.3 GPIO控制步进电机程序设计62-63
• 5.4 传感单元A/D采样程序设计63-64
• 5.5 PWM定时器模块设计64-66
• 5.6 RTC实时时钟程序设计66-67
• 5.7 键盘模块程序设计67-69
• 5.8 LCD显示模块设计69
• 5.9 跟踪控制系统程序设计69-75
• 5.10 系统测试和测试结果75-79
• 第6章 总结与展望79-81
• 6.1 论文工作总结79
• 6.2 工作展望79-81
• 参考文献81-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士期间发表的论文及参研情况85

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