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毕业设计
太阳方位角检测装置设计
摘要
随着社会经济的快速发展,人类所面临的能源问题越来越突出,太阳能作为一种清洁能源,无疑受到各国的普遍重视。
在相同条件下,光照强度越大,太阳能电池输出功率越大。
因而增大太阳能电池受光面的光照强度,就可增大太阳能电池输出功率。
除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外,对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段。
因此,在太阳能的利用过程中,实施太阳跟踪是很有必要的。
对太阳进行跟踪的方法很多,但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系统,即赤道坐标系和地平坐标系,并分为双轴跟踪和单轴跟踪。
单轴跟踪已在很多文献作了介绍,本文要讨论的为双轴跟踪。
为了叙述方便,在以后的陈述中将两种坐标系下的整个系统统称为太阳能板。
本文采用在地平坐标系下的太阳跟踪及程序跟踪和传感器跟踪相结合的控制方式,即采用程序控制,利用光学传感器对太阳能板做自动定位和误差校正,而通过单片机控制步进电机来实现。
单片机利用时钟提供的日期和时间,计算出太阳能板的预期位置,与编码器提供的当前位置比较,输出控制信号。
驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点,从而进行跟踪。
传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正。
关键词:
太阳跟踪;传感器;步进电机;单片机
Solarazimuthdetectiondevicedesign
Abstract
Withtherapiddevelopmentofeconomy,energyissuesfacinghumanitymoreandmoreprominent,andsolarenergyasacleanenergywillundoubtedlywidespreadattentionbyallcountries.Underthesameconditions,thegreaterthelightintensity,thegreaterthepoweroutputofsolarcells.Whichincreasesthesolarlightintensitybythesmooth,youcanincreasesolarcelloutputpower.Inadditiontoincreasingthebatteryitself,theconversionsofsunlighteffectsandimprovethebatterychargeanddischargeeffect,theautomatictrackingofthesun'ssolarphotovoltaicsystemisanothereffectivemeansofimprovingefficiency.Therefore,useofsolarenergyduringtheimplementationofsun-trackingisnecessary.
Methodoftrackingthesunalot,butnomorethandeterminethepositionofthesunfortheintroductionofthetwocoordinatesystemused,theequatorialcoordinatesystemandthehorizoncoordinatesystem,andisdividedintotwo-axistrackingandsingle-axistracking.Single-axistrackinghasbeenintroducedinmanyliteratures,thisarticleistodiscusstwo-axistracking.Fornarrativeconvenience,thestatementsinthefuturewillbeintwocoordinatesoftheentiresystemreferredtoassolarpanels.
Inthispaper,thehorizoncoordinatesystemandproceduresfortrackingthesuntrackingandsensortrackingacombinationofcontrol,whichadoptstheprogramcontrol,theuseofopticalsensorsonthesolarpanelsforautomaticpositioninganderrorcorrection,andsteppermotorcontrolthroughthemicrocontrollertoachieve.Microcontrollerusingtheclocktoprovidethedateandtime,calculatetheexpectedlocationofsolarpanels,andthecurrentpositionoftheencodertoprovidecomparison,theoutputcontrolsignal.Drivesignalcontrolbasedonmicrocontrollerspitchangleazimuthmotortomotorandsolarpanelsrunningperpendiculartothesolarradiationpointstobetracked.Sensorlocationerrorsinthesolarpanelwhenthecorrection.
Keywords:
solartracking;sensor;stepmotor;microcontroller
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目录
摘要………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………Ⅰ
1绪论…………………………………………………………………………1
1.1课题背景…………………………………………………………………………1
1.1.1能源的现状及发展…………………………………………………………2
1.1.2中国太阳能资源……………………………………3
1.2课题意义…………………………………………3
1.3国内外研究现状………………………………………………………4
1.3.1国外太阳跟踪系统研究…………………………………………5
1.3.2国内太阳跟踪系统研究…………………………………………5
1.4相关工作………………………………………………………………………5
1.4.1太阳方位角的概念………………………………………
1.4.2太阳方位角的公式求解…………………………………………5
1.5本文主要研究内容………………………………………………………………8
2本文结构…………………………………………………………………………9
2.1引言…………………………………………………………………………10
2.2硬件系统组成……………………………………………10
2.2.1智能单元与双坐标步进电机控制系统………………………………………
2.2.2光电传感器………………………………………
2.2.3采样保持与A/D转换电路………………………………………
2.2.4时钟芯片DSl302………………………………………
2.3软件设计………………………………………
2.3.1定时器1溢出中断服务程序………………………………………
2.3.2控制算法………………………………………
2.3.3控制量输出………………………………………
2.3.4A/D转换及其转换结果处理和分析………………………………………
2.3.5异常处理………………………………………
结论……………………………………………………………………………………5
参考文献…………………………………………………………………………55
附录………………………………………………………………………………56
致谢……………………………………………………………………………58
1绪论
1.1课题背景
1.1.1能源的现状及发展
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。
当前,包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。
而石油、天然气和煤炭都是有限的,不可再生的。
据有关资料显示:
石油储量的综合估算,可支配的化石能源的极限,大约为1180—1510亿吨,以1995年世界石油的年开采量3.2亿吨计算,石油储量大约在2050左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800、152900兆立方米,年开采量维持在2300兆立方米,将在57、65年内枯竭;煤的储量约为560亿吨,1995年煤炭开采量为33亿吨,可以供应169年。
形势是很严峻的,当前世界多数国家对能源问题都很重视。
新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展,人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视,在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。
据统计,20世纪90年代,全球煤炭和石油的发电量每年增长1%,而太阳能发电每年增长达20%,风力发电的年增长率更是高达26%。
脚预计在未来5至10年内,可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡,从而结束了矿物燃料一统天下的局面。
太阳是一个巨大的能源,万物生长都要依靠太阳,地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。
煤炭,石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。
全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一,因此利用太阳能的潜力是十分大的。
而相对于日益枯竭的化石能源来说,太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
太阳辐射能与煤炭,石油,核能相比较。
有如下的优点:
(1)储量的“无限性”
太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用能量巨大。
太阳总辐射能量大约是3.75x1037KW,而地球上每年接受的太阳能量约为1.68x1037卡/年或1.51×1018度的电力,这个能量比全世界每年消耗的总能量多3万倍,太阳的寿命至少尚有40亿年,相对于人类历史来说。
太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。
相对于常规能源的有限性,太阳能具有储量的“无限性”,取之不尽,用之不竭。
这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。
(2)存在的普遍性
虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀,但相对于其他能源来说,太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用,这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
(3)利用的清洁性
太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样,其开发利用时几乎不产生任何污染,加之其储量的无限性,是人类理想的替代能源。
(4)利用的经济性
可以从两个方面看太阳能利用的经济性。
一是太阳能取之不尽,用之不竭,而且在接收太阳能时不征收任何“税”,可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下,有些太阳能利用己具经济性。
随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破,太阳能利用的经济性将会更明显。
1.1.2中国太阳能资源
我国地处北半球欧亚大陆的东部,土地辽阔,幅员广大。
我国的国土跨度从南至北,自西至东,距离都在5000km以上,总面积达960X104km2,占世界陆地总面积的7%,居世界第三位。
在我国广阔富饶的土地上,有着十分丰富的太阳能资源。
全国各地太阳能总辐射量为3340~8400MJ/(m2.a),中值为5852MJ/(m2”a)。
我国太阳能资源丰富和比较丰富的I,IIIII类地区,年日照时数大于2200h,太阳辐射总量高于50165852MJ/(m2”a),面积约占全国总面积的2/3以上。
截至1999年底,中国有2万多个村落(全国农村的3.81%)和700多万户(全国农户的3.55%)居民没有通电。
这些村落和居民主要分布在西部的边远欠发达地区,其中相当多数是少数民族。
没有电严重地制约了当地的社会和经济发展,这些地区与中东部发达地区的差距正在日益加大。
这部分地区的人口分布稀疏,远离电网,缺乏水力和煤炭资源,农民的生活用电问题很难通过采用电网输电、建立水电站和火电站等常规办法来解决。
在这些无电的自然乡村中,人口居住相对集中,具有丰富的太阳能资源,可以通过建立独立的太阳能电站解决供电问题。
1.2课题意义
巨大的太阳能是地球上万物生长之源,除了其“无限性”和“普遍性”之外,还具有“广泛性”、“分散性”、“随机性”、“间歇性”、“区域性”和“清洁性”等特点“。
在石油、天然气和核矿藏日渐枯竭的今天,充分利用太阳能显然具有持续功能和环保双重伟大的意义。
在美国遭遇“9·11”事件后,巨型电网受到挑战,在日本核泄漏问题后,核能的发展也遭到了质疑,因此利用太阳能的分布式能源系统日益受到重视。
利用太阳能的方式很多,主要有“太阳能发电”、“太阳能热利用”、“太阳能动力利用”、“太阳能光化利用”和“太阳能生物利用”等。
目前太阳发电方式主要有塔式发电、碟式发电、光伏发电等,但利用率不高。
如何最大限度的提高太阳能的利用率,仍为国内外学者的研究热点。
解决这一问题应从两个方面入手,一是提高太阳能装置的能量转换率,二是提高太阳能的接收效率,前者属于能量转换领域,还有待研究,而后者利用现有的技术则可解决。
太阳能跟踪系统为解决这一问题提供了可能。
不管哪种太阳能发电系统,如果需要提高太阳能的利用率,那就必须要对太阳方位角进行检测,实行太阳跟踪。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外太阳跟踪系统研究
对于跟踪系统的研究,Inha大学机电工程系YongKim建立极坐标系单轴太阳跟踪系统用于CPC太阳能收集热性能的评价。
结果表明跟踪式太阳能CPC热收集器比固定式效率提高14.9%。
智利玛利亚大学(UTFSM)从1962年由Finster建立第一个太阳跟踪器,后来附加了电子控制自动跟踪系统去定位热量计,Maldonado建立了由计算机程序控制的系统,之后附加了瑞士的INTRA单元,这代表了同时融合了微处理控制和光电控制的优点,代表着一种新型的太阳跟踪系统,能够提供较为精确的控制精度。
Rubio.F.R.提出了一种应用新的控制策略即复合跟踪系统的双轴太阳跟踪器,包括建立在太阳运动模型上的开环跟踪策略和一个动态反馈控制器使跟踪系统能够高精度的跟踪太阳而无需准确的安装跟踪器和校准。
在高倍聚光发电系统方面,AMONIX公司开发的高效率聚光太阳能电池发电(IHCPV)就是通过GPS卫星定位系统和光敏定向系统确保双轴液压自动跟踪系统的聚光精度最大不超过0.5°,从而使该系统的光电转换总效率高达18%,高于目时平板型硅太阳电池发电系统的光电转换总效率。
获取当地时间和地理位置(包括纬度和经度)信息计算太阳位置,并在高度角和方位角输出轴上连接位置编码器,实现开环控制法则。
1.3.2国内太阳跟踪系统的研究
国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式,这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。
光电追踪的灵敏高,但受天气的影响较大。
也有视同运动轨迹跟踪,包括单轴和双轴两种。
国家太阳能检测中心最近开发了一套太阳集热器性能测试系统,其中就包括了太阳跟踪器。
该中心在集热器性能测试试验中,要求集热器采光面始终垂直太阳光线,入射角偏差不超过5°,因此需要对太阳进行实时跟踪。
该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式,主要由水平回转转台、垂直回转转台、两台步进电机以及集热器台架组成。
国产太阳跟踪器的精度有待于进一步的提高。
民用太阳跟踪装置由原来依靠重力,压差的被动式跟踪,发展到现在利用传感器的主动式跟踪,经历了一个很长的时间。
近几年,开始研究、开发和利用新能源,国内一些太阳能利用研究机构,例如,中国科学研究院电工研究所,中国科学技术大学,广州能源研究所,中山大学太阳能系统研究所,华中科技大学,上海交通大学等,也在不断深入对太阳跟踪技术进行研究,例如,中科院电工研究所刘四洋等设计了一套主动式双轴太阳跟踪控制器。
在西藏羊八井国家可再生能源实验基地的实地运行中,此太阳跟踪控制器表现出了良好的性能,与固定式光伏发电系统相比,发电量提高30%以上。
伍春生等以PICl6F877A为核心控制单元,设计了一种自动太阳跟踪器,能自动跟踪太阳的高度角与方位角,使太阳光线始终垂直入射在光伏阵列的表面以获取晶大发电效率。
郑飞研究的太阳跟踪器应用于聚光式太阳集热器,采用80C196KC单片机通过预先计算的太阳位置进行跟踪,并通过光学传感器校正位置量可能出现的误差,使集热器获得中温和高温,优于平面太阳集热装置。
国家气象计量站研制的FST型全自动太阳跟踪器采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的设计弥补了赤道架型太阳跟踪器的缺点,具有全自动、全天候、跟踪精度高等优点,充分保证了太阳辐射观测的需要,大大减轻了观测人员的劳动强度。
华中科技大学能源与动力工程学院王尚文等提出了一种新型混合双轴太阳自动跟踪装置,是一种藕合程序跟踪和传感器跟踪的混合跟踪系统,即第一级用程序控制跟踪,第二级采用传感器跟踪校验。
最近光伏国际交流会上某公司展出了最新跟踪系统的传感器部分,该传感器可以达到一定范田内比较灵敏地跟踪.并具有一定的防干扰能力和自动处理意外情况的能力。
1.4相关工作
1.4.1太阳方位角的概念
太阳方位角即太阳所在的方位,指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角,可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。
方位角以正南方向为零,向西逐渐变大,向东逐渐变小,直到在正北方合在±180°。
一天中,太阳升起时的方位角为-180°~0°,落下时的方位角为0°~180°,正午时北回归线以北地区为0°,南回归线以南地区为180°,热带(南北回归线之间)太阳直射点以北为0°,以南为180°。
太阳升起时的方位角的变化:
北回归线以北地区在春分至秋分期间为-90°~-180°,秋分至春分期间为0°~-90°,春分、秋分为0°,南回归线以南地区在春分至秋分期间为0°~-90°,秋分至春分期间为-90°~-180°,春分、秋分为0°,热带地区则在-66.5°~-113.5°之间。
太阳落下时的方位角的变化规律与升起时相同,只是变为正。
1.5本文主要研究的内容
太阳能电池板发出的电流与太阳光的入射角有直接关系,当太阳光线与太阳能电池板平面成垂直时发出的电流最大,如果改变光线入射角,发出的电流将明显下降。
目前,太阳能电池板普遍采用固定方位角发电方式。
根据有关资料报道,采用自动跟踪太阳的方式,可提高发电量40%,降低项目投资20%。
利用AT89C51单片机实现太阳能电池板方位角检测装置的设计,实现太阳能电池板对太阳运动的自动跟踪。
作者在太阳方位角检测装置的设计领域主要进行了如下三个方面的工作:
1.了解太阳方位角的基本概念和太阳方位角检测的基本原理。
2.掌握太阳方位角检测传感器的工作原理和自动跟踪太阳方位角算法的程序设计。
3.实现太阳方位角检测的硬件电路和软件设计。
2本文结构
2.1引言
随着社会经济的快速发展,人类所面临的能源问题越来越突出,太阳能作为一种清洁能源,无疑受到各国的普遍重视。
在相同条件下,光照强度越大,太阳能电池输出功率越大。
因而增大太阳能电池受光面的光照强度,就可增大太阳能电池输出功率。
除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外,对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段。
因此,在太阳能的利用过程中,实施太阳跟踪是很有必要的。
对太阳进行跟踪的方法很多,但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系统,即赤道坐标系和地平坐标系,并分为双轴跟踪和单轴跟踪。
单轴跟踪已在很多文献作了介绍,本文要讨论的为双轴跟踪。
为了叙述方便,在以后的陈述中将两种坐标系下的整个系统统称为太阳能板。
本文采用在地平坐标系下的太阳跟踪及程序跟踪和传感器跟踪相结合的控制方式,即采用程序控制,利用光学传感器对太阳能板做自动定位和误差校正,而通过单片机控制步进电机来实现。
单片机利用时钟提供的日期和时间,计算出太阳能板的预期位置,与编码器提供的当前位置比较,输出控制信号。
驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点,从而进行跟踪。
传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正。
2.2硬件系统组成
系统由时钟、单片机、驱动装置、编码器、太阳能板和传感器6部分组成。
系统的核心部件是传感器和单片机。
太阳跟踪系统原理见图1。
图1太阳跟踪系统原理图
2.2.1智能单元与双坐标步进电机控制系统
本文的控制系统选用了AT89C51单片机作为智能单元。
AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。
片内带有一个4KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器。
文中所述系统为地平坐标系的双轴自动跟踪控制系统,因此采用双坐标步进电机控制,双坐标步进电机控制就是在x轴方向控制1台步进电机,在y轴方向控制1台步进电机。
这2台步进电机同时驱动同一个对象,使对象在一个平面上以任意曲线运动。
二维步进电机控制系统原理如图2所示。
图2二维步进电机控制系统电路原理图
AT89C51单片机通过P2口输出控制脉冲信号,P2.0~P2.3为一路,P2.4~2.7P为一路,分两路各控制1台步进电机。
P3.2~P3.5设置为行程保护开关,作二维步进电机正反向最大行程保护。
功率放大电路中采用74LS05将单片机P2口脉冲信号进行放大,经9014控制光电耦合器,隔离后,由功率管DK63驱动步进电机的各相绕组,图中L11,L12即为步进电机的各相线圈。
2.2.2光电传感器
本控制系统中所采用光电传感器为6块相同的硅光电池,其中4块用来制作四象限硅光电池,进行误差校正。
2块作为判断光照强弱的信号输出传感器。
太阳跟踪传感器是本系统的关键部件。
为了保证太阳能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不发生偏离,采用特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感器。
如图3所示为四象限跟踪太阳传感器原理图。
当光轴对准太阳时,光斑的中心在光轴上。
四个象限接收到相同的光功率,输出相同的电压信号。
当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度θ时,光线经光学系统照射到四象限光电池上形成的光斑必然发生偏移即(x≠O,y≠O)。
由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比,每个象限被光斑覆盖的面积不同,因此各象限光电池产生的电压不尽相同。
根据上述将Vx,Vy进行模数转换,然后送入单片机。
单片机通过驱动设备可控制俯仰角电机和方位角电机转动,直到Vx=Vy=O,即x=O,y=O,则表明系统光轴已经对准太阳,根据以上原理即可对太阳能板位置误差进行正。
图3太阳跟踪传感器工作原理图
判断光强信号传感器由两块光电池组成,一块接受太阳辐射,另外一块受光面背光。
如图4所示,前一块光电池的作用是:
判断太阳直射辐射的强度,在直射辐射较弱时不启动跟踪程序,从而避免多云天气的盲目跟踪
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