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中文摘要 3
英文摘要 4
1引言 5
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2系统的总体设计方案 7
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3系统的硬件设计 18
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-12V的转化 23
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4电路仿真 37
(BUCK)电路的仿真 37
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结论 38
道谢 39
[参照文献] 40
附件1: 41
附件2: 42
太阳自动追踪系统设计
摘要:人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁,太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、运用清洁、使用经济等长处,但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺陷,这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的运用率不高。本文研究了基于太阳自动跟踪的独立光伏发电系统。太阳能光伏发电作为太阳能运用的重要方式,发展前景非常广阔。目前,光伏发电系统多采用固定安装的形式,这种发电系统具有发电效率低、成本高、不适宜推广等缺陷。在光伏发电系统中使用太阳自动跟踪,能有效地提高太阳能的运用率。因此,本文的研究对提高光伏发电效率、增进光伏发电的推广应用品有重要的意义。本文一方面提出了一种将光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式相结合的全天候太阳自动跟踪措施。分析并拟定了晴天、多云和阴雨三种天气条件下,应分别采用的跟踪模式;给出了光电跟踪方式的具体设计思路和实现措施;分析并拟定了太阳运动轨迹的计算措施。根据提出的跟踪措施,设计了一套自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统。该系统为小型光伏发电系统,在太阳自动跟踪的基本上,全天候、高效率地独立运营,将尽量多的太阳能转换为电能,储存在蓄电池中。整个系统分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统两个子系统。分别进行了两个子系统的硬件设计和软件设计。硬件设计涉及太阳方位检测、光强检测、单片机控制、数据采集、外部时钟、光伏电源等模块;而软件部分设计了太阳自动跟踪系统的软件体系,实现了各个硬件模块的功能、光电检测数据的解决以及跟踪机构的驱动控制。
本课题设计的自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统,实现了对太阳的自动跟踪,使太阳能电池板基本对准太阳垂直入射的方向,并实现了持续稳定的电能输出,保证蓄电池的正常充电。
核心词:太阳能,光伏发电,光电跟踪,太阳运动轨迹跟踪,蓄电池充电
Abstract:Anstand-alonePV(photovoltaic),-,,.
Firstly,anall-,-scalePVpowergenerationsystem,whichcantrackthesunall-’,computercontrol,dataacquisition,externalclock,,,makesolarlightroughlyexposuretothesolarpanelsperpendicularly,achieveacontinuousandstablepoweroutput.
Keywords:solarenergy,PVpowergeneration,photoelectrictracking,solartrajectorytracking,batterycharging
1引言

随着常规能源的不断消耗,人类赖以生存的不可再生能源即将面临枯竭。为此各国纷纷进军新能能源领域,为人类的发展寻找动力的支持。其中太阳能作为新能能源与可再生能源的重要构成部分,有着煤炭、石油、天然气等常规能源无法比拟的长处:1,储量丰富;2,应用广泛;3,绿色环保;4,经济性。基于以上长处,太阳能的开发运用品有巨大的市场前景,不仅能带来较好的社会和环境效益,还具有明显的经济效益。太阳能光伏发电作为太阳能运用的重要方式,发展前景非常广阔,并成为将来解决能源危机的重要途径。但太阳光伏发电存在的一种瓶颈问题是发电效率低,大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。目前,在太阳能运用领域中,如何最大限度的提高光伏发电效率,仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题的一种重要可行的途径是进行太阳自动跟踪。太阳自动跟踪就是根据一天中不同步刻太阳在天空中方位的变化,调节太阳能电池板的偏转角度,从而跟踪太阳的运营轨迹,使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上,充足地接受太阳辐射能量。据测定,相似条件下,自动跟踪式太阳能光伏发电系统比固定式太阳能光伏发电系统的发电量提高35
℅左右。因此,太阳自动跟踪对提高太阳能的运用率有着重大意义。

对太阳能光伏发电系统的研究还处在发展的初期,因此还存在着诸多的问题。其中要有光伏电池板转换效率低且价格高,逆变器效率低等。
太阳能光伏发电系统中,用于实现太阳跟踪的措施重要有光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪和两者的结合。光电跟踪通过使用光敏二极管、光敏电阻、硅光电池等光敏元件,来检测太阳的运动方向,并控制跟踪装置追踪太阳的运营。该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪措施。太阳运动轨迹跟踪通过使用天文学公式,计算出太阳运动轨迹的理论值来控制跟踪装置进行太阳跟踪。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪措施。光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪措施一方面通过太阳运动轨迹对太阳进行粗略的跟踪然后启动光电跟踪系统进行精确地跟踪。
根据跟踪系统使用的轴数,该跟踪措施可分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪分为三种方式:1,倾斜布置东西追踪;2,焦线南北水平布置,东西跟踪;3,焦线东西水平布置,南北跟踪。她们跟踪原理是相似的,即电池阵列绕单一轴转动,其转动方向为自东向西或南北方向,驱动电池阵列转动使电池阵列方位角与太阳方位角相似。双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术,它弥补了单轴跟踪的局限性之处,目前视日运动轨迹的双轴跟踪重要分为两种方式:极轴跟踪方式,高度-方位角太阳轨迹跟踪方式
。

本课题的设计方案采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制措施进行跟踪控制。一方面应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪,然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械构造采用的是双轴跟踪装置。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。重要设计的内容如下所示:
光电检测模块
二维机械构造
蓄电池充电模块
单片机控制模块
2系统的总体设计方案
蓄电池
充电控制模块
(三阶段充电)
A/D转化
单片机控制模块
A/D转化
充电电流电压检测
太阳能电池板
光电检测模块
太阳方位和光强检测
步进电机驱动
二维机械跟踪装置
外部时钟
本课题的整体设计方案如上图所示采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制措施进行跟踪控制。一方面应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪,然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械构造采用的是双轴跟踪装置实现二维运动。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。

太阳自动追踪系统采用的是光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪措施。根据不同的天气使用不同的跟踪模式。晴天使用太阳运动轨迹粗调和光电跟踪精调相结合的跟踪模式。多云天气重要使用的是太阳运动轨迹的跟踪。阴雨天气关闭太阳跟踪保持机械装置的初始位置。

太阳每天东升西落,站在地球表面的人可以观测到太阳有规律地运动。视日运动轨迹跟踪就是运用单片机控制单元根据相应的公式和参数,计算出白天太阳的实时位置,再转化为相应的脉冲发送给伺服驱动器,驱动伺服电机实时跟踪太阳,以达到对太阳进行实时跟踪的目的。太阳在天球上的位置可由太阳高度角和太阳方位角拟定。太阳高度角又称为太阳高度或太阳仰俯角,是指太阳光线与地表水平面之间的夹角(0≤≤90°),可由下式计算得出:
(1)
(2)
公式中:各角度单位均为°。其中为本地的纬度角;为太阳赤纬角,春分和秋分时=0°,夏至时=°,冬至时=-°;为时角,是用角度表达的时间;为1年中的日期序号,从1月1日开始,=1,每往后加一天,即=+1。
太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和本地子午线的夹角,即:
(3)
式(1)~(3)中的赤纬角和时角的计算需要通过时间拟定。
由于太阳在一年中的时角运动很复杂,平常生活中的钟表时间采用平均太阳时(简称平太阳时,),即太阳沿着周年运动的平均速率。真太阳时(即太阳时,)与平太阳时之差即称为时差,在工程计算中就会存在时差问题。因此,必须采用真太阳时,以达到实际计算中的精度规定。为了得到精确的真太阳时,可以根据定期原则来校正时差值,国内区域的时差拟定如下:
(4)
(5)
(6)
式中:为光伏发电地点的地理经度,中国地区的北京原则时间的经度为;为北京时间。
由于地球每24h自传1圈,因此每15°为1h;且正午时,时角=0°,上午时>0°,下午时<0°,则可由下式计算得到,即:
(7)
当太阳在正南方向时,式(3)中的方位角=0°;正南以西时,