单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计毕业论文.docx

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单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计毕业论文

摘要

以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用太阳能等可再生能源已成为人们的共识。

利用洁净的太阳光能，以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。

本课题主要论述了单轴太阳能自动跟踪系统的设计方法。

对自动跟踪控制系统的组成及其功能进行了详细的分析与研究，采用单片机AT89C52作为控制芯片，设计了整套自动跟踪装置。

所设计出的系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点。

单轴太阳能自动跟踪系统通过单片机控制系统自动跟踪太阳方位角，高度角可手动进行调整,使太阳能电池保持较大的发电功率。

通过对单轴自动跟踪系统与双轴自动跟踪系统发电效率的比较,理论证明它的可行性。

本设计取消了用于检测太阳能电池板法线与太阳光线间夹角的传感器，而直接利用太阳能电池板发电量作为角度调节依据实现控制。

我国牧区大量使用的是无跟踪的光伏系统，太阳能发电效率较低。

本文所述的单轴跟踪系统，结构简单，性价比高，特别适宜在这些地区使用。

关键词：

光伏系统；太阳角自动跟踪；单轴跟踪系统

Abstract

Withtheresourcesbeingusedcontinuously,theenergystructurebasedonConventionalenergyresourceswillnotmoreandmoreadapttorequirementofsustainabledevelopment.Soacceleratingtheexploitationandutilizationofrenewableresourcesthatsolarenergyisprincipleparthasbeenourcommonideas.Usingthecleansolarlightenergy,thetechnologyofphotovoltaicgeneratingelectricityisverypromising.Thethesispresentsanewoptimaldesignmethod.

Thisthesismainlydescribesamethodofsingleaxissolarenergyautomatictracingsystem.Everypartofthisautomaticsystemanditsfunctionareanalyzedindetail.AsetofautomatictracingdeviceisdesignedwithMicrocontrollerAT89C52.Thissystemhasfourcharacteristics,suchassmallercubage,lowerpower,lowercost,morerobustdespitestronginterfere.Moreover,someprogramsaredesignedtodebugthedesignedsystem,totestitsreliabilityandtheresultsoftestaregiven.

SingleaxissolarenergyautomatictracingsystemfollowstheorientationanglewithMicrocontrollersystem.Heightanglecanbeadjustedbyhand,itmakesthesolarcellkeepthehigherelectricitypower.

Thesingleaxissolarenergyautomatictracingsystemiscomparedwiththedoubleaxissolarenergyautomatictracingsystem.wetestifyitsfeasibilityintheory.Doubleaxissolarenergyautomatictracingsystemconsistsofsolartransducer,thisdevicegetsridoftransducer,itusespowerofsolarcellasangleregulationbasistorealizecontrolling.

Inapasturingareaofourcountry,theyusephotovoltaicsystemwithouttracingdevice,solarelectricityefficiencyislower,thetracingsystemwedesignedhasbettertracingeffect,itsconfigurationissimple,thecapabilitypriceratioishigh,itisadapttobeusethereinparticular.

KeywordsPhotovoltaicsystem;Solarangleautomatictracing;Singleaxistracingsystem

中文摘要………………………………………..……….………………..……………………..

Abstract………………………………………..……….….…………………….………...…..

1引言………………………………………..……….….………………………………………1

1.1课题背景………………………………………..……….….…………….………………1

1.2课题内容………………………………………..……….….……………….…....……..1

2自动跟踪控制的总体设计方案………………………………………..………...…………..2

2.1控制方法的确定………………………………………..……….….……………………2

2.1.1本课题设计方法的提出………………………………………..……….…..………3

2.1.2单轴自动跟踪系统数学模型的建立…………………………………………..…..4

2.2设计任务………………………………………..……….….………………………..…..4

2.2.1设计目标………………………………………..……….….………………….…..4

2.2.2设计要求………………………………………..……….….……………………….4

2.3总体设计方案………………………………………..……….….………………….......5

2.3.1硬件设计方案………………………………………..……….….…………….……5

2.3.2软件设计方案………………………………………..……….….………………....6

2.4可靠性设计………………………………………..……….….………………………...6

2.4.1单片机应用系统的硬件抗干扰技术………………………………………………6

2.4.2单片机应用系统的软件抗干扰技术………………………………………………7

3太阳能光伏发电系统的基本组成………………………………………..…………………9

3.1概述………………………………………..……….….………………..………………9

3.2太阳能电池………………………………………..……….….………………..………9

3.2.1太阳能电池工作原理………………………………………..……….….…………9

3.2.2太阳能电池的分类……………………………….….………………..…………..10

4太阳能辐射能量分析………………………………………..……….….………………….13

4.1日照时间和太阳位置的计算………………………………………..……….….……..13

4.1.1太阳能中天文参数的计算………………………………………..……….….…….13

4.1.2水平面太阳位置的计算………………………………………..……….….……….14

4.2太阳辐射能的有关计算………………………………………..……….….…………..15

5控制系统的硬件设计………………………………………..……….….………………….16

5.1总体设计方案………………………………………..……….….……………………..16

5.2单片机AT89C52简介……………………………..……….….……………………..…16

5.3时钟芯片的选择………………………………………..……….….……………..……17

5.4印刷版电路的制作………………………………………..……….….………….….....17

5.5电机控制电路………………………………………..……….….……………………..18

5.6电机驱动电路………………………………………..……….….……………………..19

6控制系统的软件设计………………………………………..……….….………………….21

6.1主程序设计………………………………………..……….….………………..………21

6.2喂狗程序………………………………………..……….….…………………………..21

6.3电机驱动程序设计………………………………………..……….….………………..24

6.4数据采集处理程序设计………………………………………………………………...24

6.4.1数据采集子程序……………………………………….…….….………………….24

6.4.2数据处理子程序………………………………………..….….……………………25

6.5外部中断INT0中断服务程序设计…………………………………………………….26

6.6自动控制的优化设计………………..……….….……………………………………...27

7结论………………………………………..……….….……………………………………..28

8致谢………………………………………..……….….……………………………………..29

参考文献………………………………………..……….….…………………………………..30

附录系统总原理图

1引言

1.1课题背景

能源问题关系到经济是否能够可持续发展。

一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。

现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。

占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。

太阳是个巨大的能源。

地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。

太阳辐射能与煤炭、石油、核能相比较，有如下的优点：

1.普遍性。

地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输。

2.无害性。

利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害。

3.长久性。

只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不绝。

4.巨大性。

一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。

1.2课题内容

我国目前已开始在牧区普及使用无跟踪装置的户用太阳能光伏系统。

但由于太阳能电池价格昂贵，无跟踪装置的光伏系统发电效率较低，普遍推广应用受到影响。

相对于无跟踪装置的光伏系统，双轴自动跟踪系统虽然能提高发电效率（约提高50%），但其造价高，结构复杂维护困难，也难以在牧区推广使用。

针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善，此方法必须满足低成本，高可靠性，高性价比。

单轴自动跟踪系统和双轴自动跟踪系统相比结构更简单且费用最低。

单轴太阳能电池自动追踪系统主要包括机械部分和控制部分。

机械装置由电机驱动,可以使电池板水平方向角为0°-180°，控制部分主要由单片机系统构成,单片机系统具有成本低,智能化程度高,扩展性强等优点,由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制。

垂直方向角变化不大，可以手动进行调整。

太阳能电池板转换的电能信号由转换装置送入单片机，通过驱动电机使太阳能电池板朝着与太阳垂直的方向转动。

本课题研究的重点及难点：

1、建立严格的单轴自动跟踪数学模型，并与双轴自动跟踪系统进行效率比较，从理论上证明它的可行性。

2、通常自动跟踪系统须采用传感器把电池板法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号以实现跟踪。

本设计考虑到它主要是牧区等阳光充足地区的居民使用，所以要满足高性价比，取消了传感器，而直接利用太阳能电池板发电量作为电信号输入单片机，实现跟踪，增加了测控难度。

3、自动跟踪系统应能排除阴雨天、太阳被云层遮挡引起的输出变化，负载变化引起的输出功率变化引起的干扰。

本设计的主要特点：

1、采用先进的微电子控制技术，AT89C52单片机为跟踪控制器的核心，充分利用其内部功能，体积小，功耗低。

2、性价比高，具有良好的应用前景。

2自动跟踪控制的总体设计方案

2.1控制方法的确定

2.1.1本课题设计方法的提出

双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的系统，它的跟踪效果好，可提高发电量，是一种非常有前途的方法，但适用于较大型的太阳能发电系统中。

我国牧区无跟踪光伏系统，太阳能发电效率较低。

针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善，此方法必须满足低成本，高可靠性，高性价比。

单轴自动跟踪系统和固定式光伏发电系统相比跟踪效果好，结构简单且费用较低。

太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法，我们对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进，设计出具有很好性能价格比的单轴自动跟踪系统，满足牧区的实际需要。

单轴太阳能发电自动跟踪系统示意图如图4.1所示。

图2.1单轴太阳能发电自动跟踪系统

图2.2自动跟踪系统跟踪示意图

太阳能电池板与地面水平面南北方向成α角，此高度角可手动进行调整，东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪，始终追随太阳的东西方位，使太阳能电池保持较大的发电功率。

后面部分有详细的设计内容，这里就不具体介绍了。

2.1.2单轴自动跟踪系统数学模型的建立

如图2.2所示，建立坐标系一（XYZ），此时日地心连线为X轴，过地心且与地球轨道平面垂直的直线为Z轴，过地心且与X、Z轴都垂直的直线为Y轴，方向如图所示。

中午时刻太阳能电池板与太阳光直射方向垂直，此时太阳能电池板与地平面的夹角为δ+φ。

建立坐标系二（X'Y'Z'），它是坐标系一以Y轴为旋转轴旋转23.5°得到的。

假定观测点所在地与地心距离为r,AB的长度为l。

点A位于纬度φ,中午12时,AB平行于Z轴，且在Z=0的平面。

在坐标系一下A点和B点的坐标分别为：

XA1=rcos（φ+δ），YA1=0，ZA1=rsin（φ+δ）

XB1=rcos（φ+δ），YB1=0，ZB1=rsin（φ+δ）+l

在坐标系二下A点的坐标和B点的坐标分别为：

XA2=rcosφ，YA2=0，ZB2=rsinφ

XB2=rcosφ+lsin23.5°，YB2=0，ZB2=rsinφ+lcos23.5°

地球绕自转轴旋转的角速度为，设旋转时间为t小时，此时在坐标系二下A点旋转ωt角度变为a点，B点旋转ωt角度变为b点，此时a点的坐标和b点的坐标分别为：

Xa1=rcosφcosωt

Ya1=rcosφsinωt

Za1=rsinφ

Xb1=（rcosφ+lsin23.5°）cosωt

Yb1=（rcosφ+lsin23.5°）sinωt

Zb2=rsinφ+lcosφ

在坐标一下a点和b点的坐标分别为

Xa2=（rcosφcosωt−rsinφtg23.5°）cos23.5

此时直线ab在XOZ平面投影的直线的斜率为

2.2设计任务

2.2.1设计目标

课题设计目标:

根据太阳辐射能的特点、光伏电池的特性,实现对太阳能方位角的跟踪。

2.2.2设计要求

课题设计要求:

􀀹自动跟踪的实现：

所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机，需设计合理的程序近而对电机进行控制，适时改变电池板的角度。

􀀹抗干扰性：

为保证跟踪的准确性，系统必须具有较强的抗干扰能力，设计应从硬件和软件两方面着手来抑制系统的干扰。

2.3总体设计方案

2.3.1硬件设计方案

国内外目前已有了很多光伏电站。

太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统，发电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。

提高发电效率是降低成本的捷径，我们开发的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳，保持最大的发电效率，具有成本低等优点，有较好的推广应用价值。

太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件，同样的一块太阳能板由于放置的角度不同，所接受的光辐射能就不同，产生的电能就不同。

因此为了提高太阳能电池电能的产量，可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位角的变化而实现跟踪。

如下是我们研制的单轴太阳方位角跟踪系统。

太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分。

机械部分主要由电池板支架，底座和直流电机构成，控制部分驱动电机，可以使电池板在东西方向上的0-180度自由旋转。

控制部分主要由软件算法构成具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点。

高度角可以手动进行调整。

太阳能自动跟踪系统框图如图2.3所示。

太阳能发电自动跟踪系统主要由五部分组成:

即光电转换装置由太阳能电池构成，输入装置,单片机控制系统,信号放大装置和直流电机。

由于考虑到最低成本的问题，此设计未使用太阳传感器，直接利用太阳能电池板的电信号作为单片机控制系统的输入信号。

图2.3系统框图

太阳跟踪系统的支撑结构常见的有框架式、轴架式和旋转台式三种。

前两种形式是将光伏阵列安装在可进行太阳时角跟踪的轴向移动固定框架或轴架上。

其特点是结构简单、价格便宜、安装方便。

适用于支撑单轴跟踪的小功率光伏阵列，可额外附带简单的季节性仰角调节功能。

旋转台式形式是一个较大的可进行时角跟踪的旋转台上安装可进行仰角跟踪的光伏阵列，它适用于支撑大功率的双轴跟踪光伏阵列，其缺点是结构复杂，造价较高。

本设计考虑到高性价比采用轴架式。

2.3.2软件设计方案

根据本课题的设计任务及系统的硬件结构，系统的软件设计方案如下：

单片机软件设计包括

􀂋跟踪系统主程序设计

􀂋INT0中断服务程序设计

􀂋电机驱动程序设计

􀂋串口发送程序

􀂋数据采集和处理程序

2.4可靠性设计

由于现场环境复杂和各种各样的电磁干扰，单片机应用系统的可靠性设计、抗干扰技术的应用变得越来越重要。

本设计分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统抗干扰能力的方法。

2.4.1单片机应用系统的硬件抗干扰技术

一、供电系统

􀂗为防止从电源系统引入干扰，采取直流稳压电源保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。

二、注意印刷电路板的布线与工艺

􀂗印制电路板布置接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。

􀂗印制电路板合理分区。

模拟电路区、数字电路区、功率驱动区尽量分开，地线不能相混，分别和电源端的地线相连。

􀂗元件面和焊接面采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减少寄生耦合；避免相邻导线平行段过长，加大信号线间距。

高频电路互联导线尽量短，使用45度或者圆弧折线布线，不要使用90度折线，以减小高频信号的发射。

􀂗印制电路板按单点接电、单点接地的原则送电。

三个区域的电源线、地线分三路引出。

地线、电源线要尽量粗，噪声元件与非噪声元件尽量离远一些。

时钟振荡电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。

三、用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。

在石英晶体振荡器下面加大接地的面积而不走其它信号线。

四、驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制板的边、靠近引出接插件。

重要的信号线尽量短并要尽量粗，并在两侧加上保护地。

五、原则上每个IC元件要加一个去耦电容，布线时去耦电容尽量靠近电源脚和接地脚。

去耦电容焊在印制电路板上时，引脚尽量短。

六、闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入。

单片机不用的I/O口定义成输出。

七、提高元器件的可靠性

􀂗选用质量好的电子元件并进行严格的测试、筛选和老化。

􀂗设计时元件技术参数要有一定的余量。

􀂗提高印制板和组装的质量。

2.4.2单片机应用系统的软件抗干扰技术

一、数据采集误差的软件对策

用软件滤波算法，可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的输出控制错误。

最常用的方法有算术平均值法、比较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法。

本设计根据信号的变化规律选择算术平均值法。

对输入量采用多次采集的办法来消除开启的抖动。

二、程序运行失控的软件对策

对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态并及时将系统引导到初始状态。

􀂾软件冗余技术

AT89C52所有指令都不超过3个字节,且多为单字节指令,指令由操作码和操作数组成,操作码指明CPU完成什么样的操作,单字节指令仅有操作码,隐含操作数CPU受到干扰后,PC内容发生变化,当程序弹飞到某一单字节指令时,便自动纳入正规,当跑飞到某一双字节或3字节指令时,若恰恰在取指令时刻落到其操作数,CPU就将操作数当做操作码来执行,引起程序混乱。

因此,软件设计应采用单字节指令,并在关键的地方人为地插入一些空操作指令（NOP）,或将有效的单字节指令重写,这称为指令冗余。

在实际软件设计中,往往在双字节指令和3字节指令之后插入2个NOP,可以保证程序跑飞后其后面的指令不会拆散,后面的程序可以正常运行在那些对程序流向起决定作用的指令,例如在RET、RETI、ACALL、LJMP、JZ、JNC等之前也插入2条NOP,可保证跑飞的程序迅速进入正确的控制轨道。

􀂾软件陷阱技术

软件冗余技术适用于干扰后PC指向不正确的程序区,当跑飞程序进入非程序区（例如EPROM未使用的空间）或表格区时,使用冗余指令的措施已不再适用,可采用软件陷阱的办法拦截跑飞程序,将其迅速引向一个指定的位置,执行一段对程序运行出错的处理程序，软件陷阱可采用以下形式:

NOP

NOP

LJMPERROR;//ERROR为指定地址,安排有出错处理程序软件陷阱可安排在下面几个区域:

a）未使用的中断向量区。

当干扰使未使用的中断开放并激活这些中断时,就会引起系统程序的混乱,如果在这些地方设置陷阱,就能及时捕捉到错误中断。

b）未使用的EPROM区。

假设使用了1片EPROM芯片2764,但程序并没有用完这个2764芯片的区域,这些非程序区可以用020000数据填满,020000是指令LJMP0000H的机器码,当跑飞程序进入此区后,便会迅速自动进入正确轨道。

c）数据表格区。

由于表格中内容和检索值有一一对应关系,在表格中安排陷阱将会破坏其连续性和对应关系,应在表格区的尾部设置软件陷阱。

d）程序区前面已介绍,跑飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决,