太陽自動追蹤系統(tǒng)設計設計

到的轉化降壓()電路的仿真附件：附件：太陽自動追蹤系統(tǒng)設計動跟蹤方法。分析并確定了晴天、陽nerrd課題研究的背景和意義隨著常規(guī)能源的不斷消耗，人類賴以生存的不可再生能源即將面臨枯竭。為此各國紛紛進軍新能能源領域，為人類的發(fā)展尋找動力的支持。其中太陽能作為新能能源與可再生能源的重要組成部分，有著煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源無法比擬太陽能的開發(fā)利用具有巨大的市場前景，不僅能帶來很好的社會和環(huán)境效益，還具有明顯的經(jīng)濟效益。太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的重要方式，發(fā)展前景非常廣闊，并成為未來解決能源危機的重要途徑。但太陽光伏發(fā)電存在的一個瓶頸問題是題的一種重要可行的途徑是進行太陽自動跟蹤。太陽自動跟蹤就是根據(jù)一天中不同時刻太陽在天空中方位的變化，調整太陽能電池板的偏轉角度，從而跟蹤太陽的運據(jù)測定，相同條件下，自動跟蹤式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提高℅左右。因此，太陽自動跟蹤對提高太陽能的利用率有著重大意究的現(xiàn)狀對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究還處在發(fā)展的初期，因此還存在著諸多的問題。其中要有光伏電池板轉換效率低且價格高，逆變器效率低等。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)太陽跟蹤的方法主要有光電跟蹤、太陽運動軌跡跟蹤和兩者的結合。光電跟蹤通過使用光敏二極管、光敏電阻、硅光電池等光敏元件，來檢測太陽的運動方向，并控制跟蹤裝置追蹤太陽的運行。該跟蹤方式是一種基于閉環(huán)控制的跟蹤方法。太陽運動軌跡跟蹤通過使用天文學公式，計算出太陽運動軌跡的理論值來控制跟蹤裝置進行太陽跟蹤。該跟蹤方式是一種基于開環(huán)控制的跟蹤方法。光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤相結合的跟蹤方法首先通過太陽運動軌跡對太陽進行粗略的跟蹤然后啟動光電跟蹤系統(tǒng)進行精確地跟蹤。題研究的主要內(nèi)容本課題的設計方案采用太陽運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合的控制方法進行跟轉換的電能存儲在蓄電池中。主要設計的內(nèi)容如下所示：()光電檢測模塊()二維機械結構()蓄電池充電模塊()單片機控制模塊(三階段充電)A/D轉化板位和光強A/D轉化二維機械跟蹤裝置步進電機驅動本課題的整體設計方案如上圖所示采用太陽運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合的控制方法進行跟蹤控制。首先應用太陽運動軌跡跟蹤模塊進行粗略的跟蹤，然后啟動光電跟蹤模塊進行精確跟蹤。機械結構采用的是雙軸跟蹤裝置實現(xiàn)二維運動。并設計了充電控制模塊把電池板轉換的電能存儲在蓄電池中。2.1跟蹤方法太陽自動追蹤系統(tǒng)采用的是光電跟蹤與太陽運動軌跡跟蹤相結合的跟蹤方法。根據(jù)不同的天氣使用不同的跟蹤模式。晴天使用太陽運動軌跡粗調和光電跟蹤精調相結合的跟蹤模式。多云天氣主要使用的是太陽運動軌跡的跟蹤。陰雨天氣關閉太始位置。2.1.1太陽軌跡跟蹤方法的設計太陽每天東升西落站在地球表面的人能夠觀測到太陽有規(guī)律地運動。視日運動軌跡跟蹤就是利用單片機控制單元根據(jù)相應的公式和參數(shù)計算出白天太陽的實時位置再轉化為相應的脈沖發(fā)送給伺服驅動器驅動伺服電機實時跟蹤太陽以達到對太陽進行實時跟蹤的目的。太陽在天球上的位置可由太陽高度角和太陽方sss平面之間的夾角(0≤≤90°)，可由下式計算得出：s0Os太陽方位角Y是指太陽光線在水平面上的投影和當?shù)刈游缇€的夾角，即：ss 式(1)~(3)中的赤緯角6和時角O的計算需要通過時間確定。簡稱平太陽時t即太陽沿著周年運動的平均速率。真太陽時即太陽時t0存在時差問題。因此必須采用真求。為了得到準確的真太陽時可以根據(jù)定時e0sss12s12計算出日出時角和日落時角后，由式(7)可得出日出時間T和日落時間T即：211T=12+/15(12)222.1.2光電跟蹤方法的設計光電跟蹤主要是通過固定在太陽能電池板上，且與板面平行的太陽方位檢測傳感器和光強檢測傳感器來分別檢測太陽的方位變化和光強變化，進而驅動跟蹤裝置2.1.2.1太陽方位檢測傳感器在光電跟蹤中，通常將若干個光電特性相近的某種光敏器件(如光電二極管、光敏電阻、硅光電池等)以一定的位置關系對稱放置，并與相應的運放電路相連，構成太陽方位檢測傳感器。這種傳感器利用光敏器件在光照下產(chǎn)生的光電流與光照面積和光照強度成正比，且隨著太陽方位變化而改變的原理，間接地確定太陽的偏轉方向，進行太陽跟蹤。在實際應用中，這種形式的太陽方位檢測傳感器中的各光敏器件的光電轉換效率往往不一致，導致檢測誤差比較大，很難保證光電跟蹤的準個探測器分別對應直角坐標系的一個象限，相應的四象限定位原理如圖2.1所示。太陽直射光線通過圖所示的透鏡在四象限探測器的圓形光敏面上形成入射光個象限上探測器輸出的光電信號幅值相等；當太陽移動時，光斑在四個象限上的分南Y東ADBCX西北理論上，鏡筒越長，光電池的靈敏度愈高，但是鏡筒長度和透鏡的參數(shù)也有關系，不可能無限制增長，通常鏡筒長度，以取為宜。用于計算光斑在四象限光電探測器上位置偏移的方法中，比較經(jīng)典的是四象限加減算法，計算公式如式(13)和(14)所示。E=S+SSSxADBCESSSS(14)yABCDABCDxyS+SSSE=ADBCxS+S+S+SABCDS+SSSE=ABCDyS+S+S+SABCD 對于本系統(tǒng)而言，圖中的x軸和y軸分別對應太陽的方位角方向和高度角xyxy號，控制跟蹤裝置中的步進電機旋轉，拖動太陽能電池板自動調整，進行太陽方位2.1.2.2光強檢測傳感器光強檢測傳感器通過檢測太陽入射光強，確定當前環(huán)境中的天氣狀況。光強檢測傳感器也主要由光敏器件構成，利用光敏器件在光照條件下輸出的光電流信號幅度與光照強度成正比的原理來檢測太陽光強。本系統(tǒng)選用線性響應好、性能穩(wěn)定、光譜響應范圍寬、光譜靈敏度接近人眼靈敏度的硅光電池作為光強檢測傳感器。2.2機械結構的設計底座上面大軸相對于底座可以轉動，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接大馬達的輸出軸。大馬達固定在固定架上，固定架以及支架固定安裝在主軸上，太陽能電池板、小馬達安裝在支架上面太陽能電池板相對于支架可以轉動，小馬達的輸出軸二維機械結構實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏移的時候，控制部分發(fā)出控制信號驅動大馬達帶動小齒輪轉動，從而帶動大齒輪轉動，因此帶動支架以及固定在支架上的小軸、小馬達以及電池板轉動；同時控制信號驅動小馬達帶動電池板相對與支架轉動，通過小馬達、大馬達的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點：該跟蹤機構結構簡單，造價低。對于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本。整個跟蹤器的結構緊湊，剛度較高。傳動裝置設置在轉動架下。受到了較好的保護，提高了傳動裝置的壽命。2.3充電模塊的設計2.3.1充電策略的選擇蓄電池是整個太陽自動跟蹤系統(tǒng)能量的存儲設備，通過合理的充電控制盡可能延長其使用壽命是光伏充電控制器最主要的目的之一。選擇合適的充電策略有利于(1)恒流充電法恒流充電將流入蓄電池的充電流控制在一個恒定值上為蓄電池充電，在充電過程中，要不斷的調整蓄電池的電壓使之恒定不變，此種方法適合于小電流長時間的(2)恒壓充電法恒壓充電法對蓄電池進行充是指始終用恒定的電壓電池電壓的升高，電流逐漸減小，在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中不必調整電流。與恒流充電法相比，雖然這種方法不會浪費過多的充電功率，但在恒壓充電初期充電電流過大，可能會嚴重影響蓄電池壽命，甚至使蓄電池極板彎曲，造成報廢。恒壓充電方法如圖2.5所示。(3)階段充電法階段充電方法這是以克服恒合的一種充電恒流充電，到恒壓充電。這不會出現(xiàn)很大會出現(xiàn)過高的階段充電法包括兩和三階段充電方法，流與恒壓缺點而結策略。充電初期使用達一定容量后改為種方式在充電初期電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。兩階段充電完畢后，蓄電池的容量基本達到額定值，改用涓流充電以彌補蓄電池的自放電，這種小電流的充電方式成為浮充，電壓比恒壓的電壓要低大約200壓值為14.5。在恒壓充電過程中，隨著蓄電池內(nèi)部的電化學反應，充電電流逐漸減小，即恒壓充電時，保持充電電壓不變，充電電流不斷下降，當充電電流三段充電方式優(yōu)點是，充電電流較為理想的逼近理想的充電電流曲線，充電器的切換，軟硬件設計相對簡單。2.3.2充電控制器的選擇本文應用的是基于變化的光伏充放電控制器。基于變換電路的光伏充放電控制器的工作過程為：光伏電池輸出的能量送入變換電路，電路控制電路根據(jù)對蓄電池充電的設計需求控制變換輸出一定的電壓或電流，對蓄電池充電。以上控制電路的實現(xiàn)方式可借助單片機監(jiān)控整個系統(tǒng)運行狀態(tài)，結合內(nèi)部程序的控制算法，通過軟硬件協(xié)作完成，從而保護了蓄電池，實現(xiàn)對光伏電池電通過合理的設計外圍輔助，一個完備的光伏充電控制器可以具備光伏充電控制器要求的所有功能要求。雖然增加了電路設計的復雜度，但就目前的技術來整個系統(tǒng)的硬件設計分為太陽自動跟蹤系統(tǒng)和蓄電池充電系統(tǒng)的硬件設計太陽方位檢測傳感器和方位檢測電路光強檢測傳感器和光強檢測電路外部時鐘步進電機驅動電路步進電機驅動電路高度角電機方位角電機充電電流、電壓檢測充電控制器3.1電源模塊的設計眾所周知，電源電路的設計，乃是在整體電路設計的中最基礎的必備功夫。電源模塊設計的好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。電源是硬件系統(tǒng)正常工作非常重要的部分，電源在滿足要求的情況下盡可能的穩(wěn)定，并且要具有監(jiān)控和管理的功能，另外電路中有數(shù)字信號和模擬信號，要解決好信號和電源間的干擾可以有效地減少整個電路的干擾，在元件布局和電路布線時候要對地線與其他信號線的有所區(qū)別，并且要對電源電路本身進行抗干擾設計，如在輸出時對電路進行濾波處理等。 功能的單片控制電路且價格便宜。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，—觸發(fā)器和大電流輸出開關電路等組成。該器件核心，由它構成的DC/DC變換器僅CR V的圖圖外圍元件的計算，包括C(定時電容)、R(限流電阻)、L(電感)、C(濾TSC(min)O3.1.124V到-12V的轉化3.2光電檢測模塊的設計3.2.1太陽方位檢測模塊為與太陽光照面積和光照強度成正比的電壓信號，這些電壓信號又分別通過后級運圖圖圖太陽方位檢測電路主要用于檢測太陽高度角和方位角的變化，該電路主要由型四象限光電探測器和型集成運算放大器構成。其中，是四運放集成電路，具有低功耗、高輸入阻抗、高共模抑制比的特點，適用于對微弱應的個光電二極管的公共陰極與直流電源相連，陽極分別與中的節(jié)中提出的四象限加減法計算出太陽在方位角和高度角方向的偏移信號，進而控制跟蹤機構進行太陽方位跟蹤。圖計算公式如式(15)和(16)所示，式中代表太陽入射光斑在探測器四個象限上分布面積的S、S、S、S分別與太陽方位檢測電路的輸出電壓U、ABCDAUU、U的幅值成正比，故式(15)和(16)可分別等價為式(17)和(18)。為消除光線BCDXYU+UUUE=ADBCXU+U+U+UABCDU+UUUE=ABCDYU+U+U+UABCD單片機根據(jù)E和E的數(shù)值和符號，分別控制二維機械結構帶動太陽能電池板在水平方向(即太陽方位角方向)和垂直方向(即太陽高度角方向)旋轉，以閉環(huán)反饋控制的形式減小太陽運動軌跡跟蹤的積累誤差，使光線盡可能的垂直照射到太3.2.2太陽光強檢測模塊敏度，可用于偽鈔鑒別、紫藍光探測電器、電子儀器、光學儀表、自控設備、光纖光強檢測電路將太陽光線的輻射強度信息轉化為電壓信號的形式輸出，主要由型硅光電池和圖圖圖在光強檢測電路中，硅光電池的正端與前級運放的正向輸入端相連后接地，負端與前級運放的反向輸入端相連，硅光電池處于零偏狀態(tài)。硅光電池在光照條件下(RU=R|14+1(RG12RG由式()可知，U與I呈正比例關系，且I與光照強度成正比，故光強檢測電路GGGGADU。G3.3單片機控制模塊3.3.1單片機的選擇工作性受到環(huán)境的影響較小，即使在外界環(huán)境較差的情況下，單片機仍然能夠穩(wěn)定工作。而且，這款單片機的指令周期是屬于單周期指令，這更加有利于提高控制器圖3.3.2外部時鐘電路是公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘日歷和字節(jié)靜態(tài)，通過簡單的串行接口與單片機進行實時時鐘日歷電路。提供秒、分、時、日日期。月年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調整時鐘操作可通采用或小時格式。與單片機之間能簡單的采用同步串行時鐘。時鐘的讀寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達字節(jié)的字符組方式通信。程涓流充電電源附加七個字節(jié)存儲器。它廣泛應用于電話傳真便攜式儀器以及電池的應用電路圖如圖。進電機驅動電路步進電機驅動的驅動采用的是圖Q的電阻來設定，對應的斬波頻率是~。衰減模式和斬波頻率的設定，圖3.4蓄電池充電模塊圖發(fā)送各種控制指令如給定的充電電壓、電流值等，保證系統(tǒng)按設計要求正常工作。光伏電池輸出的直流電壓通過功率回路中變換器按單片機控制給定的要求輸出相應的直流電壓、電流，完成能量的變換傳遞。VV=DV=ONV4.1DC/DC變換電路閉環(huán)變換電路有升壓()型、降壓()、升降壓(或)型。因為光電池的輸出電壓大于蓄電池的電壓所以采用降壓電路，且電流較小，可以相應的降低開關管導通時的電流，減少開關管的導通損耗和因此產(chǎn)生的熱量。其工作原理如圖所示。圖互電感被充電，電感也吸收了能量。當斷開時，電感特性決定其要保持電流不能跳變，從而導致電流流過二極管，電感，電容，負載尺，這是一個變換器的工作周期。如果減少占空比，開通時間減少，斷開時間增加，則輸出電壓也將tOINTINSTSONINO(1)輸出濾波電感：電感的選擇應保證輸出到額定電流的1/10時，電感電流仍然I=5A。5(VV)VL=INOOVIFINONSW(2)輸出濾波電容：大的電容可以抑制輸出的波紋，但選擇過大會影響到系統(tǒng)的MOSFET電路變換器的性能。本設計中變換器采用驅動電路如圖。作為功率開關。圖1S1ABG1A535253S1S1222V=V=[R/(R+R)]V=，V此時只需設計[R/(R+R)]V=12就可以使得BA535253S1G535253S1MOSFET迅速關斷。由于采用了電平移位電路交替驅動Q、Q構成的推免電路，對123.4.3電壓采樣電路電壓采樣電路通過電阻分壓間接測量串聯(lián)電阻上的電壓得到，然后將放大器的輸出接在單片機的轉換接口進行信息傳輸。實際應用的電路如圖。圖3.4.4電流采樣電路對電流檢測采用電流傳感器來測量，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓。具有低噪聲，響應時間快，使用方便、性價比高、絕緣電壓高等特點，主要應用于電動機控制、載圖3.4.5蓄電池溫度檢測電路相關研究表明：當蓄電池溫度低于℃時，蓄電池的充滿電壓應適當提高，相反，高于該溫度時蓄電池的充滿電壓應適當降低，否則會損壞蓄電池。故需對蓄電能直接將環(huán)境溫度轉化成數(shù)字信號，以數(shù)碼信號與單片器傳輸，簡化了傳感器與單分辨率可達℃。檢測電路如圖。圖4.6PWM方波設計所以本課題采用了一種專門的產(chǎn)生芯片進行的產(chǎn)生設計。設計電路圖如圖圖設計的電路部分應用進行了部分電路的仿真，包括降壓()4.1降壓(BUCK)電路的仿真仿真電路如圖，改變圖4.2太陽光強和方位檢測電路的放大電路的仿真為了完成本次畢業(yè)設計，參考了大量文獻，其中包括博士、碩士畢業(yè)設計論文和期刊文獻等，初步完成了整體的設計方案。在后續(xù)的設計中不斷修正設計方案使()二維機械結構的設計和工程圖的繪制。()太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設計和硬件電路圖的繪制。()蓄電池充電系統(tǒng)的設計和硬件電路圖的繪制。太陽自動跟蹤系統(tǒng)的理論設計基本完成但是由于時間問題沒有及時的完成軟件部分的的編程，不能進行實際操作的調試，所以本設計主要停留在理論層面的設計。但是基本要求的功能和指標基本完成。非常感謝王標老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給自己的指導，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，王老師給了我耐心的指導和無私的幫助。為了指導我們的畢業(yè)論文，王老師放棄了自己的休息時間，他的這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她們表示我誠摯的謝意。同時，感謝所有任課老師和所有同學在這四年來給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)天下！在這四年的學期中結識的各位生活和學習上的摯友讓我得到了人生最大的一筆有我的今天，在這一刻，將最崇高的敬意獻給你們！本文參考了大量的文獻資料，在此，向各學術界的前輩們致敬！合肥工業(yè)大學出版社，，鄔麗娜基于單片機的太陽能充電控制器設計實驗室研究與探索，孫艷玲一種基于單片機實時顯示太陽能充放電控制器設計電子器件，李立偉獨立光伏電站蓄電池優(yōu)化管理研究電力自動化設備，丁南菊一種基于單片機的太陽能光伏控制器的設計探討中國新技術新黃原蓄電池光伏充電控制器的設計武漢理工大學，張毅獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中充電控制芯片的研究與設計浙江大學電氣工程畢業(yè)設計(論文)原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計(論文)，是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，不包含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作使用授權說明 本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計(論文)