太阳能自动跟踪装置控制系统设计.docx

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太阳能自动跟踪装置控制系统设计

本科生毕业论文

题目

太阳能自动跟踪装置控制系统设计

系别

机械交通学院

班级

机制122

姓名

李鹏万

学号123731214

答辩时间2016年5月

新疆农业大学机械交通学院

太阳能自动跟踪装置控制系统的设计

李鹏万指导老师：

杨宛章、张静

摘要:

太阳能作为一种新型清洁能源，受到了世界各国的广泛重视。

现阶段影响太阳能普及的主要原因是太阳能电池的成木较高而光电转化效率却较低。

因此，如何提高太阳能利用效率是太阳能行业发展的关键问题。

在国内，大多数太阳能电池阵列都是固定安装的，无法保证太阳光实时垂直照射，导致太阳能资源不能得到充分利用。

自动太阳跟踪控制系统在跟踪太阳旋转的情况下可接收到更多的太阳辐射能量，从而提高太阳能电池板的输出功率，该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用。

整个系统不需要任何外部电源供电，完全依靠自身太阳能电池板发电供电。

在光线充足的天气条件下,系统保证太阳能电池自动跟踪太阳旋转并始终保持太阳光垂直照射在太阳能电池的表面，以提高太阳能电池的发电效率。

系统带有光电检测装置，在天气情况不佳的时候切换跟踪方式。

以提高太阳的吸收效率。

关键字:

太阳能电池;自动跟踪;太阳位置传感器；光电检测

Designofcontrolsystemforsolarautomatictrackingdevic

LiPengwanInstructor：

YangWanzhang、ZhangJing

Abstract：

Solarenergyasanewtypeofcleanenergy,receivedwideattentionofallovertheworld,themainreasonforthestageofthepopularizationofsolarenergyissolarcellsintowoodhigherandphotoelectricconversionefficiencyislow。

Therefore,howtoimprovetheutilizationefficiencyofsolarenergyisthekeyproblemofthesolarenergyindustrydevelopment.InChina,mostofthesolarcellarrayisfixed，thereisnoguaranteethatthesunlightofreal-timeverticalirradiation,resultinginsolarenergyresourcescannotbefullyutilized.Automaticsuntrackingcontrolsystemintrackingsolarrotationcanreceivemoresolarradiationenergy，soastoimprovetheoutputpowerofthesolarbatteryboard,theTechnologycanbewidelyusedinvarioussolartrackingdevices.

Thesystemdoesnotrequireanyexternalpowersources，completelyrelyontheirownsolarpanelsforelectricitypowersupply。

Inthesunnyweatherconditions，thesystemtoensurethatthesolarautomatictrackingsolarrotationandkeepperpendicularirradiationofthesunlightonthesolarcellsurfaceandtoimprovetheefficiencyofthesolarcellpowergeneration.Systemwithphotoelectricdetectiondevice，inpoorweatherconditionswhenswitchingtrackingmode。

Inordertoimprovetheabsorptionefficiencyofthesun。

Keywords：

solarcell;automatictracking；solarpositionsensor；Photoelectricdetection

1设计研究背景及意义

在能源消耗量越来越大，传统能源日益枯竭的今天，人类对于新能源的渴求变得越来越强烈.寻找一种可再生并且环保的新能源来满足社会经济发展的需要成为世界范围关注的核心问题。

太阳能受到了世界各国广泛重视的主要原因为太阳能是一种新型的清洁能源，并且取之不尽用之不竭。

当今世界位于“阳光地带”的国家人口数量占世界总人口数量的75％，这些人口拥有全球40％的电力需求。

此外，预计在将来的20年时间里，全球大约80％的电力能源需求将来源于“阳光地带”地区。

因此这些地区和国际的光伏能源具有得天独厚的竞争潜力。

欧洲光伏协会（EPIA）预计太阳能将在2020年前成为世界范围的主流能源，并在2030年前成为主要的电力来源［1]。

由此可见，光伏产业在未来拥有非常广阔的应用前景。

因此,太阳能的利用对于满足人们对于能源的需求,保持世界经济的增长具有至关重要的作用，研究和利用光伏能源具有十分重要的意义［1].

2主要研究内容

2.1系统的设计目标

根据目前太阳能技术发展特点以及国内外光伏发电系统的发展状况,针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在的效率偏低的现实。

本文研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。

具体的设计思路如下：

（1）双轴：

系统采用两个步进电机来控制太阳能电池水平方向和竖直方向的移动.

（2）独立：

系统不需要外部电源提供能源，其工作所需的能源完全来自于自身太阳能电池发电和蓄电池的储能.

（3）自动跟踪：

系统的运行过程是自动化的，利用视日跟踪方式和光电跟踪相互自动转化实现对太阳的跟踪工作。

2.2设计的主要内容

本文所研究的太阳能自动追踪装置是由单片机为控制核心的自动控制控制系统，整个装置是通过软件控制系统控制硬件结构部分完成的。

但本文主要涉及的内容是控制部分，所以在这里主要讲系统的硬件和软件两部分.

（1）系统的硬件部分主要包括芯片以及各种电子元器件、电路图的连接。

电路主要包含以下几部分：

1）太阳能充电控制器的设计：

这部分内容主要就是为了合理的给蓄电池充电,保证蓄电池的使用寿命。

2）光电检测电路的设计：

这部分内容主要作用就是通过光电二极管来判别太阳的方位.

3）系统检测电路的设计：

单片机通过接受光电检测电路发出的电信号控制电机转动，达到跟踪太阳的目的。

4）辅助电路设计：

复位电路。

（2）软件部分程序的编写:

在硬件电路的基础上用C51单片机语言编写配套软件，对软硬件联合调试，直到系统稳定运行。

3系统的总体设计

3。

1太阳自动跟踪方式的确定

目前,太阳的跟踪方式有很多，但主要还是光电检测跟踪方法和视日跟踪方法。

光电跟踪易受天气条件影响，而长时间使用视日跟踪系统会产生误差,所以经过分析两种跟踪方式的优缺点，决定采用两种跟踪方式结合.

一般的工作过程是，开机后，检测系统检测当时是在白天或晚上，这是由一个光电检测电路检测，当系统检测到夜间，然后系统停止运行；如果系统检测到的是白天，那么系统首先按照光电检测追踪方式进行对太阳的跟踪，当遇到阴天时,系统会自动转到视日追踪模式下，当天气转晴时，系统又会自动转到光电追踪模式下进行追踪。

这样，将两者结合起来，并对两者的跟踪方法进行了补充，使系统更加稳定，提高了系统跟踪的精度。

3.2本设计的设计思想

（1）系统选用AT89C51单片机作为控制电路的核心.

（2）利用光电二极管作为传感器的检测装置，每两光电二极管组成的比较电路，光电二极管导通和停止产生相位差，通过放大器将发出一个信号给单片机的I/O，用来控制电机的运行。

（3）利用由光电二极管组成的比较电路来判断是白天还是黑夜，若是黑夜就系统停止运行,进入等待状态，若是白天则程序继续运行.

（4）利用光电二极管来判断晴天还是阴天,晴天系统采用光电检测追踪模式，如果天气情况发生变化系统则采用视日追踪模式。

（5）时钟采用的是单片机控制。

（6软件部分用c语言编写程序。

如图3-1所示是系统的整体框图:

图3—1系统整体框图

4太阳能充电控制器的设计

蓄电池存储太阳能电池发出的电能是保证系统在不同的天气条件下长时间正常运转的关键。

因此,本系统首先设计可以为蓄电池充电的中间控制部分电路。

即在太阳能电池与蓄电池中间加入一个充电控制器。

充电控制器选用智能电池充电控制芯片，该芯片可以自动检测电池的端子电压和电流，根据电池的输出电压和电流值，选择不同的充电模式。

这样可以保护蓄电池，有效延长蓄电池的使用寿命。

4。

1太阳能电池的选型

太阳能电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置，在本系统设计中太阳能电池为整体系统的运转提供能量。

普通的太阳能电池在一定的条件下可以等效为一个电流源模型[2]。

太阳能电池的内部等效电路如图4—1所示:

图4-1太阳内部等效电路图

从太阳内部的等效电路图可以得出：

（4。

1）

又有以下公式成立：

（4.2）

（4。

3）

综合（4.1）（4。

2）（4。

3）可得出:

（4.4）

太阳能电池的效率通常为太阳能电池的输出功率与照射到太阳能电池表面的光能量功率Ps之比[3］,即如式4。

5所示:

（4.5）

其中μMPP是指最大功率点的太阳能电池效率，即当调节负载电阻RL时，当RL的阻值与太阳能电池的内阻阻值相等时，此时对应的VM＊IM为最大值,这一个负载电阻RL值所对应的M点称为太阳能电池的最大功率点MPP（MaximumPowerPoint）。

此时所对应的电流IM为最大功率点电流，电压VM

为最大功率点电压，PM为太阳能电池的最大输出功率。

本系统选择太阳能电池的体积是450＊540*25。

型号为SM—30P的30W的太阳能电池。

该款太阳能电池的具体技术参数如表4-2所示：

表4—2SM—30P型太阳能电池技术参数

规格型号

功率

最大电压

最大电流

开路电压

短路电流

尺寸

最大系统电压

SM-30P

30W

18V

1。

66A

23。

0V

1。

70A

450*540*25

1000V

光照强度与太阳能电池的输出功率成正比关系，即光照强度越强，则太阳能电池的输出功率越大.

4。

2蓄电池的选型

4.2.1铅酸蓄电池基本概念

蓄电池就是把电能转化为化学能来进行存储，在应用的时候再把化学能转化成电能释放出来的装置。

铅酸蓄电池的电极主要由铅和铅的氧化物构成，电解液主要为硫酸溶液。

普通铅酸蓄电池的结构主要由正负电极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等部分组成[4]。

普通蓄电池的内部结构如图4-3所示：

图4-3蓄电池的结构

蓄电池放电时的化学反应式：

正极反应式：

（4。

6）

负极反应式：

（4.7）

铅酸蓄电池按电压等级可以分为2.4V,4V，6V，8V,12V，24V等系列，容量从200mAH到3000AH不等［5］。

铅酸蓄电池主要用于运输工具的启动照明,通讯设备和自动控制系统的备用电源以及各种发电设备的发电和用电的储能等。

4。

2.2本系统蓄电池的选型

与普通铅蓄电池相比，免维护蓄电池主要是在极板栅架的材料上做了重大的改进.其结构具有以下几个特点：

（1）隔板采用袋式微孔聚氯乙烯隔板将正极板包住;

（2）通气孔采用新型安全的通气装置和气体收集器;

（3）单体电池间的连接采用穿壁式贯通连接，同时采用聚丙烯塑料热压外壳和整体式电池盖；

（4）免维护蓄电池顶上一般常装有一只小型密度计［6］；

在本系统蓄电池充电过程中，既要以最大效率吸收光伏电能，提高系统能量的转换效率,又要保护蓄电池，延长使用寿命.另外系统本身运行时需要长时间的存储和消耗电能，对蓄电池的要求较高。

所以本系统选择深圳市万家好太阳能有限公司生产的12V20AH阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）做储能元件.该型号蓄电池为太阳能专用铅酸蓄电池,其具体电气参数如表4—4所示:

表4-4蓄电池电气参数

规格型号

过充电压（V）

浮充电压（V）

初始电流（A）

外形尺寸（mm）

重量（kg）

12V20AH

14.4V—15V

13。

6-13。

8V

6A

180*75*165

5。

20kg

4.3太阳能充电控制器的设计

由于太阳能电池的输出受到温度和光照强度等因索的影响其输出具有非线性，不能直接用来给铅酸蓄电池充电，否则将影响蓄电池的使用寿命。

因此太阳能电池必须经过一个充电控制电路来为蓄电池充电[7]。

根据选择的太阳能电池和免维护铅酸蓄电池型号及特性,本系统设计以智能型蓄电池充电控制芯片UC3906为核心制作光伏充电控制器[8］。

光伏充电控制器的系统框图如图4—5所示:

图4—5充电控制器的结构框图

4。

3。

1UC3906芯片的介绍

UC3906是密封免维护铅酸蓄电池的充电专用芯片，具有控制和检测免维护铅酸蓄电池充电的功能。

该芯片的工作功耗低,只需要1.7mA的输入电流即可工作.同时UC3906还其有温度补偿功能,即充电器输出的充电电压随蓄电池的电压温度系数的变化而改变,这样就能使免维护铅酸蓄电池在不同的温度范围内进行最佳充电状态的充电。

可以保证蓄电池充足电又不会被严重过充电[9］.

UC3906具有简单易用,工作可靠稳定，性能优越等优点.它只需要很少的外部电路元件就可以在很宽的温度范围内实现对蓄电池的精确快速充电［10]，所以采用UC3906智能芯片将简化蓄电池充电过程。

4.3。

2BUCK电路的设计

太阳能电池给蓄电池充电需要一个DC/DC变换电路。

本系统的太阳能电池正常工作条件下的输出电压为+20V左右，系统选用+12V的免维护铅酸蓄电池。

所以使用基本的Buck型降压斩波变换电路完全符合系统对于蓄电池充电的技术要求。

Buck电路主要由功率开关管、续流二极管以及稳压电容和电感构成。

通过控制电子开关元件的通/断电时间比，将输入的直流电能变换为脉冲状态的交流电能，然后通过储能元件对变换后的脉冲交流电能的幅度按照需求进行变换，再经平滑滤波器变为先要的直流电能.通常电感中的电流是否连续，取决于开关管的开关频率f,滤波电感L和稳压电容C的数值[11］。

木系统中为了防止当太阳能电池输入电压降低后导致回流电流流入太阳能电池而导致太阳能电池寿命降低甚至损坏，本设计中还要加入一个防回流二极管.Buck电路的基本拓扑如图4—6所示：

图4—6Buck电路拓补图

Buck电路的驱动信号由PWM波的形式周期性控制开关管的导通与截止,当开关管导通时，电源输入端开始为负载电阻R进行供电,负载两端的电压等于输入端电压E，流经负载的电流将以指数型曲线上升。

当开关管断开后，二极管起到续流的功能,负载电压降低,电流同样以指数型曲线下降.本系统中为了保持电路输出电流的连续，需要设计一个较大的电感L。

Buck电路若忽略开关管的饱和压降，那么电路的输出电压U0等于输入电压E；当开关管处于截止状态时,若忽略开关管的漏电流影响，那么Buck电路的输出电压为0.Buck电路的等效模型如图4-7所示：

图4—7Buck电路的等效模型

Buck电路工作再稳定的状态下，假设电路中器件均为理想型器件，开关管的导通时间ton，开关管的截止时间为toff,则占空比D为开关管的导通时间ton与周期ton+toff的比值.即公式4.8所示。

（4。

8）

输入电压与输出电压的关系如公式4。

9所示:

（4.9）

4。

4充电控制器外围电路设计

本设计为采用基于UC3906的铅酸电池开关型快速充电器,UC3906是为一对铅酸蓄电池而设计的专用充电控制芯片.可以提供四个不同的充电状态：

涓流充电、大电流充电、可控过充充电、浮充充电［12]。

对于UC3906的设计主要是对其外围电路器件参数的选择进行合理配置.

本系统设计选用12V2OAh的免维护铅酸蓄电池,C代表免维护铅酸蓄电池容量的安时数，本系统选择的免维护铅酸蓄电池容量C=20。

芯片控制过程中的重要参数分别取值为:

护栏电流ID=505A。

浮充电压VF=13。

8V，过充电压VOC=15V，最大充电电流Ibulk=0.2C=4A.浮充电流IT=0。

05C=1A。

充电器门槛电压VT=10.5V.为了达到理想充电效果,对UC3906的外围电路器件参数根据确定公式进行计算。

具体公式如下:

（4。

10）

（4。

11）

（4.12）

（4.13）

（4.14）

（4.15）

（4。

16）

根据上述外围电路设计的公式关系，可得本设计中各电路元件的基本参数为：

总结各个部分元器件的参数为

，

，

，

。

结合Buck电路设计所确定的开关管和防回流二极管参数，木设计中应用UC3906和Buck电路结合设计的充电控制器原理如图4—8所示[9］.

图4-8充电控制器电路原理图

本系统中太阳能电池输出电压的最大值Vmax=23V，选择的开关管耐压值必须要大于23V才能够保证控制器正常工作而不会烧毁,同时考虑到要尽可能的提高太阳能电池的充电效率，减少开关管导通电阻阻值过大而产生较大的损耗.本系统选择IRF840型N沟道MOSFET管作为开关管，该型号功率开关管工作频率高，功率损耗小，额定电压值达500V，电流为8A，导通阻值小于

.完全符合本系统充电控制器的设计，并且有一定的预留值，可以在将来配备多块太阳能电池而不需要重新更换开关管。

由于太阳能电池的输出电压受到光照强度和温度等因素的影响其输出电压可能会低于免维护铅酸蓄电池的输出电压，为了防止当太阳能电池的输出电压低于蓄电池的电压而产生回流电流损坏太阳能电池,在Buck电路的输出端加入防回流二极管.同时当充电器进入浮充状态时，UC3906的第10引脚会输出高电平信号，表示此时蓄电池以处于饱和状态，这样将第10引脚输出接比较器LM339比较后接LED指示灯，当指示灯亮起时就表示蓄电池充满电。

5跟踪系统传感器检测装置的设计

5.1阴天检测装置的设计

整个系统由两种追踪模式组成，那就是光电追踪模式和视日追踪模式。

当太阳光比较弱的时候光电追踪模式会表现的不灵敏，甚至使系统紊乱。

而太阳视日追踪模式是通过计算太阳高度角和太阳方位角来进行追踪的,视日追踪模式会根据单片机的时钟控制计算方位。

因此，系统将采用光电追踪模式和视日追踪模式相合作的追踪方式，系统通过天气情况自动选择跟踪方式.这也是软硬件结合来控制的,电路中用了一个光电二极管来检测太阳光的强弱，用了一组运放来做比较电路,运放的输出端接到了单片机引脚P0。

4上,电路需要实现这样的功能：

当太阳光的强度不足以使电路中的光电二极管导通时，经过比较电路之后，运放输出低电平,这时单片机的引脚P0.4检测到低电平，系统进入视日追踪模式。

如图5-1所示，是阴晴检测电路的图示。

图5—1阴晴检测电路

电路连接如图5-1所示，将光电二极管的正极接到了运放ALO的同相输入端,而运放AL0的反相输入端与一个固定电压相连，通过多次试验确定了RO，R1，R2,R3的值，使的电路达到这样的效果：

晴天时，光电二极管受到光照的强度足以使其导通，这时运放的同相输入端的电位高于其反相输入端的电位，组成了一个比较电路，运放输出高电位，因此引脚P0。

4检测到高电位，程序继续运行。

通过光电追踪模式进行追踪;而出现阴天时,光电二极管所受到的光照不能使其导通，光电二极管截止,这时运放的反相输入端的电位要高于其同相输入端的电位，同样经过比较之后，放大器的输出低电位，然后引脚P0.4检测到低电位，然后利用软件控制系统使太阳角度跟踪模式。

这样就解决了阴天时光电追踪模式不能正常追踪的问题，而阴天过后,出现晴天时,光电二极管导通.光敏电路输出高电平，软件查询到引脚P0.4出现高电平,系统就由太阳角度追踪模式下跳出，回到主程序，继续在光电追踪模式下追踪。

5.2白天黑夜检测装置

白天黑夜检测装置原理和阴天检测装置是一样的，都是利用运放电路实现的，不同的是电路中电阻的大小不同，还有检测白天还是黑夜的电路要接到中断0上。

此电路的功能是:

白天时，运放输出高电位,中断0检测到高电位,系统没有中断请求，程序继续运行，开始检测是阴天还是晴天:

黑夜时，运放输出低电位，

检测到低电位，外部中断0是低电平有效的引脚,因此当

检测到低电平时,即

，向单片机发出中断请求，单片机接到中断请求后外部中断0被激活，进入外部中断0处理程序，从而进入等待状态.如5-2是白天黑夜的检测电路：

图5—2白天黑夜检测电路

5。

3太阳位置传感器的介绍

太阳位置传感器是跟踪装置很重要的部件之一,它的主要作用是通过实时监测太阳光线来判断太阳的具体方位，同时将太阳方位信息传送给控制器件进行信息处理。

5.3.1传感器检测部分的设计

为了确保太阳位置传感器的精确性，避免传感器受到其他外界条件的干扰。

同时为了降低制造成本,本系统设计的太阳位置传感器采用光筒式结构，在圆筒内部，上、下、左、右、中五个方向上分别布置5个光电二极管。

只留下上方一个光斑孔来接收太阳光线。

传感器固定到太阳能电池上，并保证传感器与太阳能电池相对位置水平且传感器上方不受其他物体的遮挡.如图5—3是检测部分的结构图

俯视图

主视图

图5—3传感器结构图

下面简单的叙述一下电路的工作,电路中包含的元件如下:

光敏二极管（DO-D4）、电阻RO

R4、LM324芯片（包含四组运算放大器AL1

AL4）.电路中光敏二极管的负端连在一起接在电源上，正端分别连接到放大器LM324的4个输入端，其中D0分布在中央的位置,其正极与LM324的4个同相输入端相连，D1

D4的正极分别接LM324的4个反相输入端，这样D1

D4就与DO分别组成了比较电路,而LM324的4个输出端分别接到单片机AT89C51的四个端口P2.O

P2。

3。

这样就可以通过P2.O

P2。

3的高低电位来判断太阳光线的方向了。

检测电路如图5-4所示：

图5—4光电检测电路

5。

3.2光敏二极管的介绍

光敏二极管的结构与一般二极管相似，其敏感元件是一个具有光敏特性的PN结，符号如图5—5所示，PN结一般处于反向工作状态,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻大，反向电流（又称暗电流）很小，处于截止状态。

当光照在PN结上,使PN结附近产生光电子—空穴对时，使少数载流子（电子）的浓度增加,因此通过PN结的光电流也增加.通过外电路的光电