光伏自动跟踪模拟平台设计实现.docx

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光伏自动跟踪模拟平台设计实现

123456

毕业设计论文

专业班级456231

46513231111班

学生姓名123

指导教师456

密级：

内部

光伏自动跟踪模拟平台的设计与实现

Designandimplementationofautomatictrackingphotovoltaicsimulationplatform

院部名称：

新能源学院

专业班级：

风能与动力工程111班

学生姓名：

16346546

学号：

201166156

指导教师：

789

2015年6月

摘要

随着当前世界的能源短缺和环境恶化日益严重，人们对可再生能源与清洁能源的变得越来越重视，研究和实践表明，太阳能取之不尽，用之不竭，每天照到地球上的太阳能是人类消耗的能源的60倍，同时分布广泛，可以再生，不污染环境，成为了人们心中理想的代替化石能源首选替代者，光伏发电是太阳能简单而直接的有效利用，在发电过程中，关于太阳能光伏发电转换效率和利用率怎样有效地提高的光伏发电技术成为现今热点研究课题，该课题具有非常重要的理论价值和研究意义。

虽然太阳能光伏发电技术的研究非常活跃，但是光伏发电的效率较低，一般只有16%～18%，发电的成本又相对较高，这些因素都制约了光伏发电更广泛的应用，在没有特别的技术突破的前提下，只能提高光伏电池装置的能量转换率，光伏太阳能电池阵列需要跟随太阳运动而运动才能获得更多的能量，太阳能光伏自动跟踪装置的工作原理就是实现光伏阵列跟随太阳能运动而运动。

本文不仅简单地介绍了太阳能运行规律和跟踪原理，并对集中常用的跟踪方式进行对比，而且以光强检测跟踪和视日轨迹跟踪方式进行分析，提出本文选择的最大功率追踪与最大公功率跟踪的技术（MPPT）的不同之处，来实现模拟平台的运行，为实践过程中光伏发电的建设提供一些意见。

首先，该文对光伏发电和光伏自动跟踪技术的国内外现状、原理规律、发展前景进行了详细介绍，同时，实现跟踪装置的控制系统的设计方案，包括控制系统的软件设计和硬件电路设计与仿真，通过基于单片机PIC的软件编程制作研发的最大功率模拟实验平台装置进行分析。

关键词：

太阳能自动跟踪,视日跟踪,最大功率跟踪点捕捉,实验分析

Abstract

Withtheenergyshortageandenvironmentaldegradationhavebecomesevererrenewableenergyandcleanenergyisbecomingmoreandmoretheimportanceofresearchandpracticeshowthatsolarenergyinexhaustible,planetshineonthecurrentworldeverydayThesolarenergyis60timesthehumanconsumptionofenergy,whilewidelydistributed,canberegenerated,donotpollutetheenvironment,hasbecometheidealpeople'smindsinsteadofthepreferredalternativetofossilfuels,solarphotovoltaicpowergenerationissimpleandstraightforwardandeffectiveuseinthepowergenerationprocessonsolarphotovoltaicconversionefficiencyandhowtoeffectivelyimprovetheutilizationofphotovoltaictechnologyhasbecomeahotresearchtopictoday,thesubjecthasaveryimportanttheoreticalvalueandsignificance.

 Althoughthestudyofsolarphotovoltaictechnologyisveryactive,butthelowertheefficiencyofphotovoltaicpowergeneration,generallyonly16%to18%,thecostofelectricityisrelativelyhigh,thesefactorshaverestrictedthewideruseofphotovoltaicpowergeneration,innoparticularUnderthepremiseoftechnologicalbreakthroughs,canonlyimprovetheenergyconversionefficiencyofphotovoltaiccelldevice,photovoltaicsolararraystofollowthesuntomovementneedstogetmoreenergy,solarPVworksistorealizeautomatictrackingdevicetofollowthesolarphotovoltaicarraymovementmovement.Thisarticlebrieflydescribesnotonlythesolartrackingoperationrulesandprinciples,andcentralizedtrackingcommonwaytocompare,andtodetectthelightintensityand,asthedaytrackingwaytrackinganalysis,thelargestpublicpowertrackingtechnology（MPPTandCVT）Applicationscontrast,toachievemaximumpowerexperimentalplatformdesign.

 First,thispaper,thepresentsituationofphotovoltaicandsolarautomatictrackingtechnology,theprinciplelaw,thedevelopmentprospectsdescribedindetail,whileachievingcontrolsystemtrackingdevicedesign,includingsoftwaredesignandhardwarecircuitdesignandcontrolsystemsimulationandanalyzedbymeansmaximumpowertestplatformsoftwareprogrammingPICmicrocontroller-basedproductiondevelopment,includingovercurrentprotectionandcharge-dischargeprotection,andthelatitudeandlongitudeclockcheckingtodeterminethedesignofthesoftware,circuitimplementationrole.

Keywords:

solarautomatictracking,dependingonthedatetracking,maximumpowerpointtracking,experimentalanalysis

1绪论

1.1光伏发电的背景

自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成为左右经济和决定国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，自1973年10月爆发石油战争，石油输出国通过对石油的控制来支持中东人民的战争，是西方国家意识到世界发生了能源危机（石油危机），认为现有的能源结构已经发生改变，必须向未来的能源结构过渡，尤其是工业发达国家，加强了对可再生能源技术发展的支持，在世界上兴起了开发利用太阳能的热潮，伴随着一次能源的消耗殆尽，太阳能越来越得到重视，其应用也日益广泛。

太阳能在利用的历史已经有很长一段时间的历史，其应用形式也多样化，把空间应用的太阳能电池转向地面使用，加速了太阳能电池工艺的发展，其中包括航标灯电源、公路和铁路信号灯电源、微波通信电源、电视转差电源以及太阳能车船和飞机，应经成为发展低碳经济的主要手段之一，以典型的太阳能LED路灯为例，据台湾光学产业技术发展联合会统计结果表明，2008年全球太阳能LED路灯的市场规模是10.4亿美元、新增路灯数量90万盏，并且呈现出持续增长的趋势，太阳能LED路灯使用清洁的可再生能源，与传统的高压钠灯相比可以减少CO2的排放量、不需要设交流电输配电缆，其寿命是普通高压钠灯的10倍左右。

与之同时太阳能也开始广泛应用到太空卫星上，充当动力电源，宇宙飞船的研发也有太阳能应用的影子[1]。

1.1.1我国的太阳能资源分布

就资源储量而言，中国大陆地处北半球，大部分地区位于北纬45。

，以南，有2/3的国土的面积年日照小时数在2200h以上，年太阳辐射量总量大于5000MJ/㎡。

我国拥有约1.7×1012t标准煤，相当于上万个三峡工程发电量的总和。

我国拥有1×106k㎡的沙漠资源，具有发展太阳能发电的优越条件，全国沙漠化土地的1%用来安装光伏发电系统，装机容量即可达到1×109KW。

表1.1列出我国太阳能资源分区表

名称

资源代号

指标[

/（㎡*a）]

占国土面积/%

极丰富地带

大于1750

17.4

很丰富地带

1600左右

42.7

丰富带

1200左右

36.2

一般带

小于1000

3.7

1.2国内外太阳能自动跟踪技术的研究

1.2.1国外太阳能自动跟踪技术研究

作为可再生能源利用的重要组成部分，太阳能光伏发电的自动跟踪技术国外备受关注，国外在20世纪80年代就对太阳能跟踪系统进行了研究。

早在1994年捷克科学院物理研究所通过利用形状记忆合金调节器技术研发出了能感受光照温度变化的单轴太阳跟踪器；接下来美国的Blackace在1997年研制出了单轴跟踪器，该跟踪装置采用赤道坐标系下的太阳运行原理完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则要通过手动调节，接收器的热接收效率提高了15％。

美国哈佛大学研究出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用机械装置实现跟踪，采用了铝型材框架，较已经研制的设备重量轻、结构紧凑，使跟踪器的应用领域变得更加广泛。

西班Acciona太阳能公司在2006年2月建成被称为西班牙最大的太阳能跟踪式电站设施，与固定安装的平面系统相比可增加35％的能源产出量，与此同时，太阳能自动跟踪系统已经从小规模的示范应用逐渐准换到大规模商业推广，各国也陆续建成多个兆瓦级以上的大型跟踪式光伏电站[3]。

1.2.2国内太阳能自动跟踪技术发展

我国蕴含着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。

随着，国外对太阳能研究如火如荼，我国的光伏产业也迎来了迅速发展时期，从20世纪70年代起，经过30多年的努力，在“光明工程”和“送电下乡”工程等国家项目及世界光伏市场的拉动下，我国的光伏发电产业迅猛发展。

随之也带动了光伏自动跟踪技术的进步。

2009年3月，我国由科诺伟业控制设备有限公司首个自主研发了10MW“向日葵”式光伏自动跟踪系统。

该系统的太阳能电池就像向日葵一样，通过实时跟踪太阳运动增强了太阳辐射接收量，在适合的纬度能够提高发电量40%左右，能够较好的适用于多霜雪、多风沙的环境，在无人值守的光伏电站中也能够可靠工作。

从跟踪的是否连续的角度来看，这种跟踪方式的光伏自动跟踪系统采用了步进电机跟踪方式，与连续跟踪方式相比，步进跟踪方式能够大大地降低跟踪系统自身能耗。

随着太阳能应用的普及，目前国内的太阳能跟踪实验平台发展的也比较快，锦州阳光科技发展有限公司生产的TZG-2型全自动太阳能跟踪实验平台，是针对太阳能产品测试、研究、实验、老化等高效率阳光聚集装置，整个跟踪装置过程才采用微机控制，并使用光感传感器与天文定位系统跟踪两种方式，自动跟踪天气状况在两种模式之间切换，实现高精度的太阳跟踪。

该系统可根据实验要求，与太阳能入射角或方位角要求进行定位跟踪，同时可构成线性聚光与球形聚光的跟踪装置[2]。

1.3太阳能自动跟踪的意义

太阳能虽然“取之不尽，用之不竭”，不过太阳能也有不足的地方：

一是能量密度低，在发电的过程中存在达不到规定的电量值，对电网平衡提出了更高的要求;二是太阳能的光照强度受到季节、地点、气候的影响明显，无法保证常量不变。

由于地球自转产生昼夜变化，而季节是由于地球的自转轴线与地球围绕太阳公转的轴线呈23.27造成的，使得一年四季中地球公转与自转太阳方位的变化无法同步，如果太阳电池阵列在固定安装的方式下无法保证太阳光一直垂直射于太阳电池接受面，造成实际的光伏利用率较低，需要增加更多的太阳能电池阵列来保证光伏发电系统的装机容量，导致设备成本增加，在无法实现新型光伏电池材料的突破来弥补损失掉的部分太阳能的情况下，太阳能自动跟踪技术的利用，会使得光伏发电系统在相同的太阳光照耀下获得更多的能量，降低成本，提高光伏利用率。

相关资料表明，仅仅通过跟踪太阳方位，实现太阳光线和光伏电池的垂直入射跟踪，与固定安装的光伏发电系统相比，就能使现有系统的发电能力提高35％，成本下降25％，而且光伏发电系统的装机容量越大，设备成本投入降低就越多[4]。

2太阳能自动跟踪技术原理

2.1太阳运行天文规律

地球绕地轴自西向东旋转，自转一周即一昼夜24小时。

同时地球还以黄道面为运行轨道，绕着太阳公转，周期为1年。

地球的自转轴与公转运行轨道面的法线夹角为23．27。

，而且在地球公转时自转轴的方向始终指向地球的北极，这就使得太阳光线直射赤道的位置有时偏南，有时偏北，形成地球上的季节变化。

人们为了描述太阳在天空中的位置，假想出一个以观察者为中心，以无限长为半径的球体，这个假想的球体即为天球。

虽然太阳在天球上的位置时刻都在变化，但其运行具有严格的规律性，采用天球坐标便能确定太阳在天球上的位置，常用的天球坐标有赤道坐标系和地平坐标系两种[5]。

2.1.1赤道坐标系

赤道坐标系位置坐标如图2.1所示。

图中P为北极，P’南极。

通过南极和北极的经度圈在天球坐标系中称为时圈。

其中&为太阳的位置，δ为太阳赤纬角，

为时角。

在赤道坐标系中，太阳位δ和

确定。

图2.1赤道坐标系

2.1.2地坐标系

地平坐标系是一种天球坐标系，以正南方向为主方向。

从地球上看，太阳所处的方位由太阳高度角和太阳方位角这两个角度参数来确定。

即使在同一时刻，在地球上的不同位置，太阳的高度角和方位角也不一样。

地平坐标系如图2.2所示：

太阳的天顶角是指入射光线与地平面法线PQ之间的夹角。

然而太阳高度角h是指太阳入射光线OP与它在地平面上赡之间的夹角。

方位角是太阳入射光线在地面上的投影与正南方所组成的夹角啪1。

方位角是以正南方向为起点（即O。

），往西（顺时针方向）为正∞，往东为负。

图2.2地坐标系

2.2太阳跟踪装置及工作原理

2.2.1太阳跟踪装置分类

工作平台能够实时对准太阳方位的机电装置称为太阳能跟踪装置。

太阳能跟踪装置由机构和控制系统2部分组成。

按机构自由度数目，太阳跟踪装置分为单轴和双轴2种；按控制系统的控制方式，太阳能跟踪装置分为光电传感器跟踪和太阳运行轨迹跟踪2种；按控制系统信息反馈方式分为闭环、开环、混合控制3种。

2.2.2单轴、双轴太阳能跟踪装置

（1）单轴跟踪装置有三种布置方式：

倾斜布置，东西跟踪；

焦线南北布置，东西跟踪；

焦线东西水平布置，南北跟踪。

这三种方式的工作原理相似，以第三种方式为例，其原理：

跟踪系统的转轴（或焦线）东西布置，根据事先设定的条件，此时热量最大；而在早上或下午太阳光线都是倾斜。

单轴跟踪的优点是结构简单，但是入射光线不能始终与主轴平行，收集太阳效果不佳。

（2）双轴跟踪装置在太阳高度角和赤纬角变化时，如果太阳跟踪装置能够实时跟踪太阳就可以获得更多的太阳能，双轴跟踪装置是为了满足这样的要求而设计的。

根据坐标的种类不同，双轴跟踪装置可以分为极轴式和高度角-方位角2种方式。

极轴跟踪装置。

极轴式跟踪装置的原理是：

聚光器的一轴指向天球北极，即与地球自转平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤尾轴。

工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同、方向相反，用以跟踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤尾轴做俯仰运动是为了适应赤尾角的变化，通常根据季节的变化定期调整。

这种跟踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的质量重心不通过极轴线，极轴支撑装置的设计比较复杂[1]。

（3）高度角—方位角式跟踪装置。

高度角-方位角式太阳能跟踪方法又称为地坐标系双轴跟踪，其原理与其他跟踪装置相似。

工作台的方位轴垂直于地面，另一根轴与方位垂直，称为俯仰轴。

运作时，工作台根据太阳能的视日运动绕方位轴转动改变方位线平行。

这种跟踪装置的特点是跟踪精度高，而且工作台装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支撑结构设计比较容易。

工作台在采光面上，阳光入射角θ、工作台倾角β、工作台方位角γ和实验地的纬度Φ计算，计算公式如下：

cosθ=（sinδsinΦcosβ）-（sinδcosΦcosγ）+（cosδcosΦcosβcosw）+　　　　（2.1）

（cosδsinβsinΦcosγcos

）+（cosδsinβsinγsin

）

1a内第n天的太阳赤纬角δ计算为：

δ=23.45sin

（2.2）

从式（2.1）、（2.2）可以看出，当δ，

，Φ确定后，工作台倾角β和方位角γ的值决定了阳光入射角θ，因此只要控制工作台的角度使其有合适的倾角和方位角，就可以保证入射光线θ为0，从而最大限度地收集太阳能。

2.3光电传感器跟踪、太阳能运行轨迹跟踪

2.3.1光电传感器跟踪的原理

太阳位置改变时，太阳光照强度的变化引起光电传感器输出电信号的改变，这一改变经过分析、判断、处理、获取的信息结果用以驱动电机运转，以改变太阳能跟踪装置位置，使光电传感器达到新的平衡。

如此反复。

该跟踪模式的特点主要是靠光电传感器与太阳运行方位间的信息交互作用实现太阳能跟踪，光电传感器实时采集太阳的方位信息，计算机分析比较太阳的光强变化，从而驱动太阳能跟踪装置追踪太阳[6]。

2.3.2太阳运行轨迹的跟踪原理

利用计算机数据库技术，根据天文学公式计算出1a中每天日出至日落每一时刻太阳的方位角与高度角数据，存储于计算机中，根据太阳能当日当时的指定方位信息，控制电机转动，带动跟踪装置跟踪太阳。

太阳能运行跟踪轨迹模式的特点：

根据地理位置和时间来确定太阳的位置信息，按太阳跟踪装置所在地当前时日的固有运行轨迹进行约定性的跟踪。

该方式不受天气状况的影响，但是，太阳运行轨迹随跟踪装置安放的地理位置、赤纬度和季节变化而变化[6]。

2.4太阳能光伏电池的光伏特性（最大功率点）分析

图2.3太阳能电池光伏功率特性曲线

从图中的功率特性曲线中分析，假设通过增加负载的电阻值或组件的分压使输出电压接近于0（短路条件），按着电压的增加，输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值

时，功率已经达到最大功率，这时当阻值继续增加时，功率跃过最大点，并且迅速减少到零，即电压的数值达到了开路电压

.在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率电压

；该点所对应的电流，称为最大功率电流

；该点的功率，称为最大功率

。

光伏电池的输出特性由多种因素决定，如日照情况、温度等，在不同的环境中，光伏电池的输出特性曲线是不同的，相应的功率也不同[7]。

日照增加，光伏电池能够输出的功率增加，电压、电流增大；

温度增加，光伏电池能够输出的功率减小，电压、电流减小；

.

2.5最大功率跟踪技术及对比

最大功率点跟踪（MPPT）技术是光伏发电系统研究发电效率必须要考虑的的关键技术之一。

太阳光照强度、外界环境温度、地区纬度以及电压负载等因素都对光伏电池板的输出特性产生一定的影响，这些因素导致光伏电池板的输出特性呈非线性特征。

人们早期对MPPT技术的认识主要停留在表面，即改变光伏电池的串并联组合方式，在设定的前提下获得较大的输出功率。

最大功率点跟踪成为了国内外学者争相研究的热门课题，本文设计的模拟实验平台的装置，主要通过光源的强弱、光源的方向改变来实现进行数据采样，并将实验数据以信号的形式反馈给主控制系统，主控制系统会自动分析数据找到光伏太阳电池板的最合适的位置，保证能够最大限度地接受太阳光，从另一种角度讲，本文以一种更简洁、直接有效地方式解决最大功率跟踪点的确定[7]。

3太阳能自动跟踪模拟平台软件部分设计

3.1MPLAB语言介绍

MPALB是一个集多种单片机应用开发工具软件于一体的功能完备的“软件包”。

在此仅对其中的工程项目管理器、源程序编辑器、汇编器、软件模拟器及在线调试工具CID的支持程序这5种工具软件做一简要介绍。

（1）工程项目管理器（ProjectManager）工程项目管理器是MPLAB的核心部分,用于创建和管理工程项目,为开发人员提供和定制一个自动化程度高、操作简便的符号化调试的工作平台。

“符号化”是指对于指令、指令地址、常数、变量、寄存器等,在屏幕上均用表义性和可读性很强的符号来显示。

（2）源程序编辑器是（Editor）一个全屏幕文本编辑器,用于创建和修改汇编语言源程序文件。

源程序文件以纯文本格式保存,其文件扩展名为“.asm”。

（3）汇编器（MPLABAssembler）他可以用于将汇编语言源程序文件（.asm）汇编成机器语言的目标程序文件（.hex）,并负责查找语法错误和格式错误等一系列简单的错误。

（4）软件模拟器（MPLAB-SIMSoftwareSimulator）软件模拟器是一种用来代替价格较贵的硬件仿真器的调试工具,它是一种非实时、非在线的纯软件的调试工具。

借助于这个在微机系统上运行的工具软件,我们可以不需要任何额外的附加硬件,仅用软件的手段,来模仿PIC系列单片机的指令的执行和I/0端口信号的输人/输出,从而实现对用户自编单片机源程序的模拟运行、功能调试和（深层次）逻辑错误查找[9]。

3.2太阳自动跟踪模拟程序设计思路

图3.1主程序设计流程图

图3.1为主程序流程图，其实现过程是，系统在达到上电位时进行初始化，从时钟芯片中读取时间信息和装置该时刻的角度信息，然后进行昼夜判断进行判断，如果是白天则使跟踪装置转到预设的基准位置，同时启动最大功率跟踪程序，并且进行阴晴天判断，若是阴天则启用视日运动轨迹跟踪模式，如果是晴天则启用光强检测跟踪模式，并且记录角度信息，判断跟踪时间是否