太阳能定点跟踪控制器的设计与节能的研究

【摘要】：面对日益严峻的能源和环境问题，太阳能以其取之不尽用之不竭，清洁无污染而受到世界各国普遍青睐。我国拥有的太阳能资源非常丰富，开发好太阳能对缓解我国的能源供应紧张有着重要的现实意义。 太阳能光利用技术是太阳能高效利用的关键因素之一，它不仅决定着太阳光的如何利用，也影响着相关材料寿命和装置的构造及成本。由于太阳光照射强度具有间歇性、波段性、不均匀性和时变性的特点，因而太阳光的吸收利用率相对较低。并且现今的太阳能装置大部分为固定式的，不能保证太阳光得到充分利用，造成资源浪费。 本文基于太阳光分频利用装置，设计了基于单片机的双轴伺服太阳能跟踪器，利用角度传感器采集的信号与开环的太阳位置算法跟踪形成闭环跟踪，并且加以光电传感器对太阳光强和太阳偏转进行检测，驱动步进电机使太阳能聚光分频设备始终与太阳光线垂直，最大限度地接收利用太阳光资源。同时针对户外有风环境，设计了一种二进制电压补偿方案，可以使电机选取较小的余量，同时达到节约能耗的目的。针对所设计的硬件结构，对系统的软件进行了设计，主要包括系统主程序，初始化模块，太阳位置算法模块，光电检测模块，驱动执行模块，电压补偿模块等。在实验室对所设计的软硬件进行了调试，基本满足跟踪要求。 虽然此聚光分频设备在跟踪控制系统下能基本实现对太阳位置的跟踪，但可靠性，跟踪的精度和速度都还有待提高。所以设计了一种参数自调整模糊PID控制系统，通过Simulink对太阳能定点跟踪控制系统的动态响应的进行仿真。结果表明：该智能控制方法调节精度较高、动态响应快、超调较小，抗干扰能力强，为在工程应用中提供了理论依据，同时显示了智能控制方法在太阳光跟踪系统中的应用潜力。 【关键词】：太阳能利用 闭环双轴跟踪 节能 参数自调整模糊PID控制 Simulink建模仿真
【学位授予单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 课题研究的背景与意义9-10
• 1.2 太阳能跟踪研究现状10-12
• 1.3 本论文研究的主要内容12-13
• 2 太阳运行轨迹跟踪原理13-22
• 2.1 确定太阳运行轨迹的理论基础13-16
• 2.1.1 地心天球坐标系14
• 2.1.2 赤道坐标系14-15
• 2.1.3 地平坐标系15-16
• 2.2 太阳位置的计算方法16-18
• 2.2.1 太阳高度角与方位角的计算公式16
• 2.2.2 时角与赤纬角的公式选择16-18
• 2.3 光电跟踪方式的选择18-20
• 2.4 本文跟踪控制方式的选择20
• 2.5 本章小结20-22
• 3 系统硬件设计与电机的节能研究22-40
• 3.1 机械结构介绍22
• 3.2 电机的选型22-29
• 3.2.1 电机类型的选择22-23
• 3.2.2 步进电机型号的确定23-24
• 3.2.3 步进电机驱动器24-27
• 3.2.4 步进电机运行模式27-29
• 3.3 电路硬件的整体结构设计29-33
• 3.3.1 单片机的选型30
• 3.3.2 光电检测电路设计30-32
• 3.3.3 电源电路32-33
• 3.3.4 时钟电路33
• 3.4 步进电机的节能研究33-39
• 3.4.1 节能原理34-35
• 3.4.2 电压补偿单相原理35-36
• 3.4.3 电压补偿电路36-39
• 3.5 本章小结39-40
• 4 跟踪控制系统的软件设计40-49
• 4.1 软件开发工具40
• 4.2 软件整体流程40-41
• 4.3 日出日落计算算法41-43
• 4.4 多路信号采集43-46
• 4.5 步进电机定位46-47
• 4.6 系统模型调试47-48
• 4.7 本章小结48-49
• 5 模糊 PID 参数自调整跟踪控制系统的建模与仿真49-64
• 5.1 PID 控制基本原理49-50
• 5.2 模糊控制基本原理50-51
• 5.3 模糊 PID 参数自调整基本原理51-52
• 5.4 聚光分频跟踪控制系统的建模仿真52-62
• 5.4.1 系统建模52-54
• 5.4.2 模糊 PID 参数自调整控制器的设计54-60
• 5.4.3 Simulink 模型搭建60
• 5.4.4 模型仿真结果与分析60-62
• 5.5 本章小结62-64
• 6 结论64-66
• 6.1 全文总结64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-68
• 攻读硕士期间发表学术论文情况68-69
• 致谢69

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