太阳能系统光线直射控制研究

太阳能系统光线直射控制研究

摘要

关键字

1引言

1.1 研究背景

进入到 21 世纪，传统的能源日益枯竭，石油、天然气等能源储存量均无法维持人类使 用的情况下，各种新能源出现在人们的生活中。未来的能源将以太阳、风能、水电、 地热能和生物能为核心，为人类体统清洁环保无污染的新一代能源。根据欧盟在 2013

年的报告中显示，预计到 2050 年，新型能源将占据人类使用能源的 90% ，其中太阳 能占 40% 。太阳能这种最有前途的新能源也现在就已经出现在人类生活中，各类的太 阳能电热水器，光伏发电系统都已经受到市场的肯定。并且其经济成本也在日益下降， 相信最终有一天，太阳能会以低成本、无污染的、 市场。各种能源巨头也都纷纷看好太阳能的发展， 进行深入研究。

光伏发电与传统的能源相比具有如下优势： 1 可以方便接收到太阳能。 2 资源的储量无限大， 能能被人类所使用的能量每年为 1.7*10A13kw

能源的总量的 3 万倍，远远超过人类使用的能源。并且从太阳存在的周期来看，对于 人类社会的生命也是无穷尽的，因此太阳能的储量无限大。 3 无污染，相比传统能源， 石油、天然气、核能等，太阳能在环保方面表现极为出色。基本不会产生任务污染物， 在开采中也不会泄露有毒物质，人类可以放心的使用太阳能，不用考虑废料回收问题。 太阳能也有不足的方面，其中一点就是太阳能转化的问题，太能的总量很大，但是分 布在全球各地的单位面积能量就稍显不足，因此需要高效率的转化装置，将太阳能转 化为人类可使用的电能。还有就是太阳能受到天气的影响较大，阴天、下雨对于太阳 能的开采就是致命的。

1.2 国内外研究现状以及发展趋势

国外太阳能发展走在了前面，美国于 1997 年发表了“百万屋顶”计划，为使用太能能 电池板的家庭企业提供补贴，鼓励人民使用太阳能，此时美国的太阳能电池的装机容 量已经达到了 3000MW ，随后美国政府又制定了 展长期计划，最终目的通过大力发展太阳能实现美国能源摆脱对于传统能源的依赖。 可持续供给的特点占领大部分能源

壳牌、惠普等都已经开始对太阳能

获取方便，不管在地球的任意地点，都

去除掉人类无法获得的太阳能，太阳

，这个数量相当于目前全人类一年使用

5 年发展计划以及 2020 到 2030 的发 预期，在 2010 年美国的光伏发电量为 4.7GW 。德国于 2000 年颁布了可再生能源法案， 鼓励使用太阳能，截止到 2007 年，德国的光伏发电装机容量为 3.86GW ，为全球第一 位，到 2009 年德国的太阳能光伏发电以及累计向市场输送了 我国太阳能的发展起步较晚，目前我国建设的较大的光伏发电站主要有西藏双湖

25KW 光伏发电站，西藏安多 100KW 光伏发电站、新疆北塔山牧场 150KW 光伏发电 站等，太阳能发电都集中在地里位置偏僻，电网覆盖困难的地区，在经济发达的东南 沿海基本没有太能能光伏发电站。不过近年，大部分城市都开始采用太能广告牌、太 阳能路灯，这些采用太阳能的小设备随处可见。截止到 2010 年，我国的光伏发电装机 容量将达到 450MW 。

综上所述，我国的太阳能光伏发电产业还存在巨大的发展空间，也和国外发电国家存

在巨大的差距，在 21 世纪要抓紧时间，追赶发达国家脚步。

1.3 课题研究目标及意义

本设计的目标是以单片机为核心控制芯片，设计智能化的太阳能的跟踪控制系统。该 系统的的主要功能是可以根据不同情况选用不同方案准确的追踪太阳的位置，并且驱 动电机使太阳能电池板与太阳光保持垂直角度，使太阳能电池板工作在做大效率处， 提高光电准换率。面对不同的环境因素，在阳光充足的情况下采用光电传感器追踪太 阳位置，在阴雨天气采用芯片内部根据时钟芯片的信息设定的位置进行追踪。充分考 虑到多种情况下，该系统能追踪到太阳位置。并且该系统采用双电机设计，可以使太 阳能电池板双自由度运动。

在太阳能电池板保持不动的情况下，太阳能只有很少的一部分被转化为电，只有当太 阳能电池板和光垂直的情况下，才可以最大化的光电转化，本设计的意义就是可以有 效的提高光电转换效率，在同等光照条件下，最大化的获取太阳能。

1.4 论文主要内容

本文的主要内容是总结文献资料分析了当前太阳能电池光伏发电的前景以及研究现状 和发展趋势，并且总结了太阳能跟踪技术的几种方法，在此基础上选择合适的方式整 体设计了一套太阳能跟踪控制系统。采用了视日轨道跟踪和光电自动跟踪两种方式， 可以在不同天气条件下自动切换使用，通过双步进电机以及单片机实现了太阳能跟踪 控制系统的全自动化，合理有效的提高了光电转换效率。

本文分为 6 章，其主要内容如下： 第一章记述了太阳能跟踪系统的研究背景，分析了当前国内外的研究现状以及未来的 发展趋势，分析出本课题的研究目标以及意义。

第二章记述了太阳能跟踪技术的几种方式，视日轨道跟踪技术、光电自动跟踪技术、 最大功率跟踪技术。

第三章记述了太阳能跟踪系统的总体设计方案，分析比较了优点和不足之处，在此基 础上分析跟踪控制系统的方案。 20.6GW 。 第四章记述了太阳能跟踪系统的硬件方案，从单片机最小系统设计开始，光电传感器 电路、角度传感器设计、驱动电路设计都包含在内。

第五章记述了太阳能跟踪系统的软件设计方案，分模块设计了时钟模块、键盘模块、 显示模块、步进电机模块，最终将各个模块组合进行综合设计。

第六章总结了全文的工作，并对于现有不足之处提出了进一步改进的方法。

2太阳能跟踪技术的研究

2.1视日运行轨道跟踪

视日运行轨道跟踪技术主要原理就是根据太阳运行的轨迹来将数据资料直接放置在单 片机内，使整个系统根据数据直接跟踪太阳的运行。该方法具有优点是无需额外繁杂 硬件设备，并且成本低。缺点是

钛电池阵列

垂宜抽商

灵活

性较低，并且精度较低。 视日运行轨道跟踪技术分为单轴跟踪以及双轴跟踪，单轴跟踪技术无法满足现状的需 求被逐渐淘汰。双轴跟踪技术原理就是实现太阳能电池板的双自由度运动，实现对太 阳的实时跟踪。具体如图所示，在两个轴向上太阳能板都可以自由运动，能根据太阳 光直射角度实现实时变化。

2.2 光电自动跟踪

光电跟踪技术的远离是通过光电传感器将光的强弱信号转变为电信号发送给单片机， 单片机分析后找到最强的光信号，将太阳能电池板对准该方向。该方式的优点是精确 度特别高，可以充分的提高光电转换效率，缺点是当天气阴天或者下雨时，光电传感 器无法正常工作。 2.3 最大功率追踪

最大功率追踪技术原理就是通过电池板上的检测电路，分析不同位置情况下太阳能板 的发电功率，单片机分析数据找到最大的发电功率位置，实现最大功率追踪。但是在 实际使用中，最大功率技术确实存在很大困难，外界的很多因素无法控制，很难找到 最大功率的角度，并且在硬件实现上也需要添加复杂的电路结构以及控制模块，因此 该方式目前还是很难实现。

3 太阳能跟踪控制系统总体设计

3.1 系统总体设计方案

太阳能跟踪控制系统总体方案如框图所示，其以单片机为核心，包含了单片机最小系 统盘，在单片机外部设计了键盘模块，时钟模块， LCD 显示模块以及与太阳能跟踪控

制直接相关的光电传感器模块、角度传感器模块、步进电机模块。

该系统实现的功能是，用户根据当前日期时间在键盘中输入到单片机中，单片机会根 据时钟模块自动开始运行，根据光电传感器和角度传感器的数据分析，自动判断采用 什么方式跟踪太阳角度，最后反馈回来数据单片机根据数据驱动步进电机完成跟踪控 制系统。其中 LCD 显示模块功能显示当前状态、显示设置时间、显示跟踪方式、，角 度传感器功能是防止太阳能板超过所能运动最大角度，对太阳能板和整个系统设备造 成损坏。 3.2跟踪控制系统方案设计

这里主要分析下跟踪控制系统的设计方案，本设计采用了视日运行轨道跟踪方式和光 电自动跟踪方式，两种方式自动切换。这样能将两种方式的优点互补，在阴雨天气情 况不好的情况下采用视日预定轨道跟踪，这样就能减少天气的不良情况对于转换效率 的影响，在天气情况良好，日光强烈的条件下启用光电自动跟踪方式，精确度高，最 大化的实现光电转换。

系统处于视日预定轨道跟踪方式下，系统每隔一段时间从时钟模块下读取一次时间, 利用时间就可以确定太阳的高度和角度，就可以确定太阳能板的位置。 自动跟踪的情况下，系统根据传感器数据自动选取太阳能最大的地方， 准该位置。

4太阳能跟踪控制系统硬件设计

4.1硬件总体设计

太阳能跟踪系统的硬件部分主要包括如下几部分，核心控制器、

源、光电传感器、电机驱动等。其结构如图所示，其中键盘的功能是作为系统的输入 端，让用户设置当前时间信息，包括年月日时分秒，并且还可选择太阳跟踪方式，轨 迹跟踪方式和光电跟踪方式；时钟模块的功能是根据用户设置的当前时间信息能保持 时间准确运行下去，使系统可以根据时间信息对照计算出太阳高度角和方位角； LCD

显示模块的作用是将模式信息和时间信息显示在 LCD液晶屏上；电源模块为整个系统

供电，为单片机部分供电以及光电传感和电机部分供电；光电传感器功能是提供当前 传感器位置的光强信息，使核心控制器可以分析哪个位置太阳光照强度最大；电机模 块包含了电机驱动和步进电机两个部分，其驱动两个步进电机从而控制太阳能板的位 置。 系统处于光电

将太阳能板对

LCD显示、键盘、电 __i

4.2单片机控制单元设计

421最小系统电路设计

51单片机的最小系统是指可以让单片机正常工作的所采用的最小的元器件，通常情况 包含3个部分单片机、晶振电路、复位电路。

晶振电路是负责为单片机提供稳定的震荡波形来作为系统基准信号，这里采用了 11.0592MHz目的是为了在串口通信采用 9600波特率的时候方便计算定时器。晶振电

路的两侧有两个30pf的电容起到帮助晶振起振以及稳定频率的作用。 30pf的数字是根

据经验得来的数据。

复位电路由一个电容和一个电阻并联组成。存在两种复位模式，第一种是手动复位，

在电路正常工作情况下 按下RST按键使VCC通过R1直接接到RST引脚上，给引脚一 个高电压使单片机复位。第二种模式是上电复位，刚给电片机上电的时候，根据电容 不突变的原则 RST引脚的电压有0快速到4.2v然后缓慢降为Ov,可以实现上电复位, 4.2v到Ov的这个时间可以持续

4.2.2键盘电路设计

键盘电路图如图所示，其采用了

口，16个按键的键盘只占用了

4.7k Q电阻上拉至5v电源，该设计目的是方便软件时能准确检测出哪个按键被按下, 在下文会有详细叙述。按键均采用最普通的按键，消抖问题采用软件消抖来解决。亡i

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2个机器周期以上完成上电复位。

4*4矩阵扫描键盘，这样的优势是能大量的节省 10端

8个IO端口。在同一行按键的左引脚共同接了一个 If