太陽能電池畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著以常規(guī)能源為基礎的能源結構隨著資源的不斷耗用將越來越適應可持續(xù)發(fā)展的需要，包括太陽能在內的可再生資源將會越來越受到人們的重視。利用潔凈的太陽光能，以半導體光生伏打效應為基礎的光伏發(fā)電技術有這十分廣闊的應用前景。</p><p>　　本設計嘗試設計一種能夠自動跟蹤太陽光照射角度的雙軸自動跟蹤系統(tǒng)以提高太

2、陽能電池的光-電轉化率。該系統(tǒng)是以單片機為核心，利用太陽軌道公式進行太陽高度角及方位角計算，并利用計時芯片以及步進電機驅動雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終垂直于太陽入射光線，從而提高太陽能的吸收效率。</p><p>　　目前本設計僅通過簡單的計算公式得到的數據，對東西向進行每小時一次的角度改變，南北向進行每天一次的角度改變，再通過單片機的判斷進行每晚的東西向回歸控制以及每半年的南北向跟蹤方向的改變控制。<

3、/p><p>　　由于時間及作者目前的知識限制，跟蹤系統(tǒng)只是進行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機會再進行改進。</p><p>　　關鍵詞：太陽能電池 太陽照射角 自動跟蹤 單片機 步進電機</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　With the conventinuous

4、 consumption of resources , the conventional enenrgy-based energt strcucture has not already more and more adapt to the needs for sustainable development,sppeing-up the development of and utilization of solar energy , t

5、he photovoltaic technology based on the photovoltaic effect has a very bord application prospect.</p><p>　　In the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar

6、 light - electricity conversion efficiency. The system is based on single-chip, orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculating azimuth and take the time chip advantage of dual-axis stepper motor driv

7、en tracking system, make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, to improve the absorption efficiency of solar energy. </p><p>　　At present, the design of a simple formula was only for ca

8、lculating the data, the east-west to the point of view will be changed once an hour, the north-outh perspective will be changed once a day, and then the MCU to return to control things through the night to determine, as

9、well as every haif a year to track the direction of the north-south change in control. </p><p>　　Because of the time and the current limitations of the knowledge of the author’s , the tracking system to trac

10、k the point of view is rough , there are many errors , if the opportunity arised the design will be iomproved in the future.</p><p>　　Keywords: solar cells Inrradiation angle of sun tracking automatically

11、 single-chip Stepping motor</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論4</b></p><p>　　1.1背景和意義4</p><p>　　1.2太陽追蹤系統(tǒng)的國內外研究現狀4</p><p>　

12、　1.2.1光電追蹤5</p><p>　　1.2.2視日運動軌跡追蹤5</p><p>　　1.3論文系統(tǒng)設計方案7</p><p>　　1.3.1機械運動實現方案7</p><p>　　1.3.2控制系統(tǒng)方案8</p><p>　　第二章 跟蹤系統(tǒng)的設計構想及框架9</p><p&g

13、t;　　2.1 跟蹤系統(tǒng)的設計要求9</p><p>　　2.2 跟蹤系統(tǒng)的組成9</p><p>　　2.1.1.太陽能采集裝置10</p><p>　　2.1.2.轉向機構10</p><p>　　2.1.3.控制部分10</p><p>　　2.1.4.貯能裝置11</p><p&

14、gt;　　2.1.5.逆變器11</p><p>　　2.1.6.控制器12</p><p>　　2.3 太陽照射規(guī)律12</p><p>　　2.3.1.地球圍繞太陽的運行規(guī)律12</p><p>　　2.3.2.太陽高度角和方位角的確定13</p><p>　　第三章 機械部分設計17</p>

15、;<p>　　3.1整體框架的設計17</p><p>　　3.2 減速裝置的選型18</p><p>　　3.3驅動電機的選型19</p><p>　　3.4支撐架設計20</p><p>　　3.5機械結構的整體布局21</p><p>　　第四章 控制部分的設計23</p>

16、<p>　　4.1 整體電路圖的設計23</p><p>　　4.2輔助電路最小理論值23</p><p>　　4.2.1振蕩電路23</p><p>　　4.2.2復位電路24</p><p>　　4.3電機驅動電路26</p><p>　　4.4太陽能控制電路27</p>&l

17、t;p>　　4.5液晶顯示電路28</p><p><b>　　第六章 總結35</b></p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p><b>　　致謝38</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b><

18、/p><p><b>　　1.1背景和意義</b></p><p>　　當前，以石油，煤，天然氣等為主的常規(guī)能源，面臨著日益“枯竭”的緊迫情勢?，F有的已探測儲量僅夠人類使用幾十年。并且，這些常規(guī)能源的使用，對環(huán)境有著很大的影響，是導致溫室效應的罪魁禍首。因此，開發(fā)和利用新能源的來取代常規(guī)能源變的十分緊迫，也是人類當務之急的“任務”之一。目前，所開發(fā)和利用的新能源主要有太陽

19、能、風能、核能、潮汐能等。太陽能與其他新能源相比可以普遍使用，并且技術上要求沒有其他的能源苛刻。自古以來，人類就開始利用太陽能。太陽能作為一種“綠色”能源，是解決能源危機和溫室效應的主要途徑之一。因此，世界上越來越多的國家已經或開始重視太陽能的開發(fā)利用。</p><p>　　雖說太陽能具有很多優(yōu)點，但是在有效利用上還是有所不足。盡管太陽能的總能量是巨大的，但是平均密度不高。太陽能的利用一般都是靠面積比較大的太陽能

20、光電池板來吸收能量。每一塊電池板由許多的太陽能電池組成。太陽能電池造價較高，這就為開發(fā)和利用太陽能提高了門檻。另外，太陽能的利用對自然環(huán)境比較“敏感”，刮風，下雨，陰天等惡劣的天氣情況都影響太陽能的使用。</p><p>　　太陽追蹤系統(tǒng)是利用太陽能不可缺少的重要組成部分，而完善太陽追蹤裝置是充分利用太陽能和環(huán)境保護必不可少的重要組成部分。另外，計算機在自動化技術中發(fā)揮著極其重要的作用。而單片機在一塊芯片上集成了

21、CPU、ROM、RAM、I/O接口、定時器、計數器等，使其具備了一臺微型計算機的特征。但單片機的應用領域有別于通用計算機，其主要應用于控制領域。本課題在前人研究的基礎上設計出一套以單片機為控制核心的太陽自動追蹤控制系統(tǒng)，能夠隨著太陽光照射方向的變化而使太陽能板始終與太陽光線垂直。具體要求為結構簡單、成本低，不但能在晴天時正常追蹤太陽，當突然出現陰天時也能自動追蹤，這樣就提高了追蹤的精度。</p><p>　　基于

22、當今世界能源問題和環(huán)境保護問題已成為全球的一個“人類面臨的最大威脅”的嚴重問題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，而進行太陽追蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究，這對我們面臨的能源問題有重大的意義。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義。</p><p>　　1.2太陽追蹤系統(tǒng)的國內外研究現狀</p><p>　　太陽能作為一種清潔無

23、污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術。然而它也存在缺點，如能量密度低，不易收集，不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化等，使太陽能的利用有著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，由此對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，無法保證太陽光的垂直照射，不能充分利用太陽能資源，使其發(fā)電效率低下。據實驗得知，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動追蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)

24、電設備的發(fā)電量提高40%，因此在太陽能利用中，有必要進行太陽追蹤。</p><p>　　目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式；另一種是根據視日運動軌跡追蹤。前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。</p><p><b>　　1.2.1光電追蹤</b></p><p>　　目前，國內常用

25、的光電追蹤有重力式、電磁式和電動式。這些光電追蹤裝置利用光敏傳感器，如硅光電管進行太陽光的檢測。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板。通過調整遮光板的位置使遮光板對準太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；當太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經放大電路放大，由伺服機構調整角度使追蹤裝置對準太陽完成追蹤。光電追蹤靈敏度高，結構設計較為簡單；但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現烏云遮住太陽的情況，太陽光

26、線往往不能照射到硅光電管上，導致追蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執(zhí)行機構的誤動。</p><p>　　1.2.2視日運動軌跡追蹤</p><p>　　視日運動軌跡系統(tǒng)根據追蹤系統(tǒng)的軸數，可分為單軸和雙軸兩種。</p><p><b>　　(1)單軸追蹤</b></p><p>　　單軸追蹤一般采用：①傾斜布置東西追蹤；②

27、焦線南北水平布置，東西追蹤；③焦線東西水平布置，南北追蹤。這三種方式都是單軸轉動的南北向或東西向追蹤，工作原理基本相似。圖1-2是第3種追蹤方式的原理，追蹤系統(tǒng)的轉軸(或焦線)東西向布置，根據事先計算的太陽赤緯角的變化，柱形拋物面反射鏡繞轉軸作俯仰轉動追蹤太陽。采用這種追蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時熱流最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸追蹤的優(yōu)點是結構簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行

28、，收集太陽能的效果并不理想。</p><p>　　圖1.1 單軸焦線東西水平布置</p><p><b>　　(2)雙軸追蹤</b></p><p>　　如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠追蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全追蹤即雙軸就是根據這樣的要求而設計的。雙軸追蹤又可以分為兩種方式：極軸式全追蹤和高度角方位角式全追蹤。</p&g

29、t;<p><b>　　①極軸式全追蹤</b></p><p>　　極軸式全追蹤原理如圖1-3所示：聚光鏡的一軸指向天球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉，其轉速的設定與地球自轉角速度大小相同方向相反用以追蹤太陽的視日運動；反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉動是為了適應赤緯角的變化，通常根據季節(jié)的變化定期調整。這種追蹤方式并不復

30、雜，但在結構上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設計比較困難。</p><p>　　圖1.2 極軸式追蹤</p><p>　?、诟叨冉?方位角式太陽追蹤</p><p>　　高度角和方位角式太陽追蹤方法又稱為地平坐標系雙軸追蹤，其原理如圖1-4所示。集熱器的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時集熱器根據太陽的視日運動繞方位軸轉動改變方

31、位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變集熱器的傾斜角，從而使反射鏡面的主光軸始終與太陽光線平行。這種追蹤系統(tǒng)的特點是追蹤精度高，而且集熱器裝置的重量保持在垂直軸所在的平面內，支承結構的設計比較容易。集熱器采光面上直接日射入射角θ由太陽赤緯角δ、太陽時角ω、集熱器傾角β、集熱器方位角γ和試驗地的緯度φ的計算，可按下式求得：</p><p>　　cosθ=(sinδsinφcosβ)-(sinδcosφsinβcosγ)+(c

32、osδcosφcosβcosω)</p><p>　　+(cosδsinφsinβcosγcosω)+ (cosδsinβsinγsinω) (1-1)</p><p>　　式(1-1)中一年內第n天的太陽赤緯角計算為：</p><p>　　δ=23.5°sin360(284+n)/365 (1-2

33、)</p><p>　　可以看出，當δ、ω、φ確定以后，集熱器傾角β和方位角γ的值決定了直接日射入射角θ，因此只要控制集熱器的角度使其具有合適的傾角和方位角，就可以保證太陽光線入射角θ為0，從而最大限度地收集太陽光能。</p><p>　　圖1.3 高度角-方位角式全追蹤</p><p>　　由上文得知，目前的幾種太陽追蹤方式各有優(yōu)缺點，要想進一步提高太陽能利用率，

34、完善太陽追蹤系統(tǒng)，需要更深一步地研究和探討。本文就是在此基礎上作的進一步的研究。</p><p>　　1.3論文系統(tǒng)設計方案</p><p>　　1.3.1機械運動實現方案</p><p>　　本太陽能跟蹤控制器設計為兩個自由度，即一個水平方向轉動自由度和一個豎直方向轉動自由度，由兩個步進電機來分別驅動，以實現調整太陽能電池板的姿態(tài)使其板面接近于與太陽光線垂直的方向

35、，達到最大限度接收太陽能量的目的。</p><p>　　1.3.2控制系統(tǒng)方案</p><p>　　高精度太陽能跟蹤器的硬件系統(tǒng)包括三大部分：檢測系統(tǒng)電路、控制系統(tǒng)電路和電機系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)電路是整個控制系統(tǒng)的重要部分，其主要由傳感器檢測電路和信號處理電路組成。傳感器檢測電路主要是通過光電池采集板，由光電池傳感器檢測周圍光信號，把相應的光信號轉變成電壓信號?？刂葡到y(tǒng)主要由單片機主控、時鐘電路

36、、電源電路、信號采樣等部分組成，完成整個電路的控制和驅動。電機系統(tǒng)主要由步進電機和步進電機驅動器組成。</p><p>　　第二章 跟蹤系統(tǒng)的設計構想及框架</p><p>　　2.1 跟蹤系統(tǒng)的設計要求</p><p>　　本系統(tǒng)研制的出發(fā)點是更加有效的利用太陽能。對太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確

37、定了使用太陽能電池板把太陽能量轉化為電能。對太陽能進行電能轉換的時候，由于太陽的位置是隨著時間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時段有效的吸收太陽能，在其他時段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系統(tǒng)對太陽進行實時跟蹤是可行和有效的。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對太陽進行即時跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對太陽，從而提高吸收效率。</p>

38、<p>　　本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經濟、結構簡單、性能可靠。根據本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應該選用常用而且性價比與可靠性較高的構件，充分考慮其經濟性.在結構設計中，要使系統(tǒng)機構盡量簡潔，避免過于復雜和昂貴，要便于安裝和維護。在控制部分的設計中，要考慮到系統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。</p><p>　　2.2 跟蹤系統(tǒng)的組成</p>

39、<p>　　跟蹤系統(tǒng)主要構成一般為：（1）太陽能采集裝置；（2）轉向機構；（3）控制部分；（4）貯能裝置；（5）逆變器。系統(tǒng)組成如圖2.1所示。</p><p>　　2.1.1.太陽能采集裝置</p><p>　　本光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的即是對太陽能進行有效的吸收，從而盡可能多的把太陽能量轉化為可用電能，提供給耗電負載使用，起到節(jié)省能源的目的。在本系統(tǒng)的研發(fā)中，太陽能電池是太陽能采集

40、裝置的首選部件。</p><p>　　但是太陽能電池本身容易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在大氣的環(huán)境中，光電轉化的效率就會由于環(huán)境潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，最后以至于破碎失效。不能滿足本系統(tǒng)經久耐用的研發(fā)要求。因此，太陽能電池需要通過膠封、層壓等方式封裝成平板式結構才能投入使用，如層壓的封裝方式，即將太陽能電池片的正面和背面各用一層透明、耐老化、黏結性好的熱熔性膠膜封裝，并采用透明度高、耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做為

41、蓋板，用耐濕抗酸的復合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通過真空層壓工藝將電池片、正面蓋板和背板薪合為一個整體，從而構成一個使用的太陽能電池發(fā)電器件，稱為太陽能電池組件。</p><p>　　目前市場上的太陽能電池基本都為封裝后的成品，通過封裝處理的太陽能電池就可以應對各種氣候條件，并且耐沖擊，可以適應各種應用條件，達到了長期使用的目的，從而很好的滿足了本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)要求。</p><

42、p>　　2.1.2.轉向機構</p><p>　　由于本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)要求最大限度的利用太陽能，因此必須要研制一套機構用來跟蹤太陽的實時位置。</p><p>　　轉向機構機械部件的選取必須滿足性能可靠、價格低廉和結構簡單的研發(fā)要求。選取的是普通的市面常見的裝置，這樣能使整個轉向機構結構緊湊、性價比高。轉向結構的構成設想基于簡單易安裝的要求，主要由底座、驅動電機、聯軸器、減速機構

43、、電池板固定框架等構成。</p><p>　　在轉向機構的組成中，底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動。驅動電機選用的是步進電機，此種電機性能可靠，對于角度量轉向控制精確。連軸器選用的是普遍使用的彈性聯軸器，耐沖擊，經久耐用。由于研發(fā)要求系統(tǒng)要結構緊湊，電機選取的為小型步進電機，輸出扭矩達不到轉向要求，因此要選用減速機構來提升輸出扭矩，在本光伏系統(tǒng)中，選取的是小型渦輪蝸桿減速機構;并且，太陽的角度控制要求

44、精確，要合理的選取渦輪蝸桿減速機構的傳動比，在系統(tǒng)設計中選用的傳動比為50:1即可達到要求。電池板固定架用來對太陽能電池板進行固定，要求設計合理，穩(wěn)定。</p><p>　　2.1.3.控制部分</p><p>　　在本系統(tǒng)中，要根據即時時間進行太陽角度的運算，調整系統(tǒng)精確轉向，因此要合理選用控制芯片完成此功能。</p><p>　　由于太陽的位置角度和時間有關，要

45、對時間進行實時監(jiān)控和有效讀取，必須選取計時芯片完成此功能。在本系統(tǒng)中使用的時間芯片是8563，用來進行時間的控制。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，考慮選用的控制核心為單片機。單片機將中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數器單元集成在一塊芯片上，構成一個完整的計算機體系。單片機把各項功能部件都集成在一塊芯片上，因此它的結構緊湊、超小型化、價格低廉、易于開發(fā)應用。本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分選用的

46、AT89C51單片機。</p><p>　　2.1.4.貯能裝置</p><p>　　本系統(tǒng)的制造目的是對太陽能進行采集，并加以利用，因此需要將太陽能電池組件產生的電能儲存起來，用于其他耗電場合.蓄電池組是本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的貯能裝置，它的作用是將太陽能電池方陣從太陽輻射能轉換來的直流電轉換為化學能貯存起來，以供應用。</p><p>　　蓄電池在太陽能光伏發(fā)電系

47、統(tǒng)中的充電方式為：當太陽能電池板的電勢大于蓄電池的電勢時，電能充入蓄電池，蓄電池處于充電狀態(tài)。當太陽能電池方陣不發(fā)電或電動勢小于蓄電池電勢時，由于阻塞二極管的作用，蓄電池不會通過太陽能電池方陣放電。</p><p>　　在本光伏發(fā)電系統(tǒng)中考慮使用的蓄電池可以選用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池。比對兩種蓄電池的特點，鉛酸蓄電池價格低廉，原材料易得，維護方便，原材料豐富，但體積較大。堿性蓄電池維護容易，壽命較長，結構堅固，不

48、易損壞，但價格昂貴，制造工藝復雜。從技術和經濟方面綜合考慮，在本系統(tǒng)中貯能裝置應采用鉛酸蓄電池為宜。</p><p><b>　　2.1.5.逆變器</b></p><p>　　本系統(tǒng)能對太陽能量加以吸收和轉化，并將其產生的電能貯存起來，但是因為鉛酸蓄電池提供的是直流電，不能直接給交流用電器供電，普通的用電器的電壓為220V交流電，因此必須采用逆變器將蓄電池的直流電轉

49、化為普通用電器可以使用的交流電。</p><p>　　逆變器是將直流電變換為交流電的電力變換裝置，逆變器技術在電力電子技術中已經較為成熟。</p><p>　　作為在本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用的逆變器，要滿足以下要求：</p><p>　　1）對輸出功率和瞬時峰值的要求；</p><p>　　2）對逆變器輸出效率的要求；</p>

50、<p>　　3）對逆變器輸出波形的要求；</p><p>　　4）對逆變器輸入直流電壓的要求。</p><p>　　逆變器與正變換正好相反，它使用具有開關特性的全控功率器件，通過一定的控制邏輯，由主控制電路周期性的對功率器件發(fā)出開關控制信號，再經變壓器耦合升（降）壓、整形濾波就可得到交流電。通過逆變器產生的交流電，就可以廣泛應用于普通的交流用電器。</p><

51、;p><b>　　2.1.6.控制器</b></p><p>　　為了最大限度地利用蓄電池的性能和延長使用壽命，必須對它的充電條件加以規(guī)定和控制。無論太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是大還是小，是簡單還是復雜，充電控制器都必不可少。一個好的充電控制器能夠有效地防止蓄電池過充電和深度放電，并使蓄電池使用達到最佳狀態(tài)。</p><p>　　蓄電池充電控制通常是由控制電壓或分并聯調

52、節(jié)器、串聯調節(jié)器，齊納二級管（硅穩(wěn)壓管），次級方陣開關調節(jié)器控制電流來完成的。一般而言，蓄電池充電方法有三種：恒流充電、恒壓充電和恒功率充電，每種方法具有不同的電壓和電流充電特性。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用充電控制器來控制充電過程，并對過充電進行保護，最常用的充電控制器有：完全匹配系統(tǒng)、并聯調節(jié)器、部，脈沖寬度調制（PWM）開關，脈沖充電電路。針對不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以選用不同的充電控制器，主要考慮的因素是要盡可能的可靠、控制精度高及低成

53、本。所用開關器件，可以是繼電器，也可是MOS晶體管。但采用脈沖寬度調制型控制器，往往包含最大功率的跟蹤功能，只能用MOS晶體管作為開關器件。此外，控制蓄電池的充電過程往往是通過控制蓄電池的端電壓來實現的，因而光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電控制器又稱為電壓調節(jié)器。</p><p>　　控制器可分為并聯控制器和串聯控制器兩種，本設計中選擇并聯控制方式。</p><p>　　第三章 機械部分設計</

54、p><p>　　3.1整體框架的設計</p><p>　　本設計中通過東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤達到使太陽能電池板能夠始終正對太陽照射角，從而達到提高太陽能利用率的目的，因此轉向部分首先需要滿足能夠進行東西向和南北向的自由轉動。同時，此跟蹤系統(tǒng)的設計還必須本著造價低廉、可靠性高、結構簡潔的原則進行。機械轉向機構在結構上要做到結構緊湊、布局合理，選件不能過大臃腫，在同等條件下，盡量

55、選用小型的構件。</p><p>　　通過對目前多種太陽能采集裝置的機械結構的收集和對比，再在幾種比較合適的結構的基礎上進行一些修改以更加符合本設計的要求，最終得到的結構如圖2.1所示。此結構在東西向和南北向都有很大的轉動空間，并且結構簡單，耗材較少，比較適合小型的太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　如圖2.1，本機械轉向機構基本組成主要有：底座、下層平臺、上層平臺、驅動電機、減速裝

56、置、電池板固定框架等。</p><p>　　圖3.1 跟蹤系統(tǒng)的機械結構</p><p>　　如圖3.2，該示意圖是太陽能跟蹤控制器的機械結構總體外觀圖，包括以下部分：1 底座支架 2 水平旋轉自由度方向機構 3 豎直旋轉自由度方向機構 4 電池板支撐機構 5 傳感器裝置部分。</p><p>　　圖3.2 太陽能跟蹤控制器的機械結構總體外觀圖</p>

57、<p>　　注：1 底座支架 2 水平旋轉自由度方向機構 3 豎直旋轉自由度方向機構 4 電池板支撐機構 5 傳感器裝置部分</p><p>　　3.2 減速裝置的選型</p><p>　　在本光伏發(fā)電系統(tǒng)的研制中，要求結構緊湊，因此要選用的電機體積不能太大，由于結構的限制，電機的功率和扭矩也不會很大，不能直接帶動機械轉向機構做跟蹤太陽的運動。因此要選用合適的減速機構來提高扭

58、矩，使轉向機構正常運轉。為了滿足整個系統(tǒng)結構緊湊、體積小的要求，在本機械轉向機構中可以選用的減速器有以下三種:渦輪蝸桿減速器、諧波減速器和行星減速器。這三種減速器的性能比較如表。</p><p>　　這三種減速器各自的特點如下:</p><p>　　(1)蝸輪蝸桿減速器的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效

59、率不高。</p><p>　　(2)諧波減速器的諧波傳動是利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運動和動力的，體積不大、精度很高，但缺點是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差。輸入轉速不能太高。</p><p>　　(3) 行星減速器其優(yōu)點是結構比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大。但價格略貴。</p><p>　　本系統(tǒng)由于起停

60、比較頻繁，沖擊較大，因此不適合選用諧波減速器。行星減速器雖然精度較高，但價格昂貴，也不能滿足本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計初衷。因此在本雙軸跟蹤機構中，選取渦輪蝸桿減速器是較為合適的。</p><p>　　表3.1 減速器性能比較表</p><p>　　在本設計中具體選用的渦輪蝸桿減速器為NMRV04O渦輪蝸桿減速箱，此減速機的結構小巧而緊湊、外形美觀、體積小，箱體的各個面上都有安裝孔位，可

61、以適應各種安裝方式。</p><p>　　NMRV040技術參數： </p><p>　　功 率：0.06KW～7.5KW </p><p>　　轉 矩：2.6N·m～2379N·m </p><p><b>　　傳動比：5-100</b></p><p>　　3.3驅動電

62、機的選型</p><p>　　本太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)要求能夠比較準確的跟蹤太陽位置，因此要求驅動電機能夠準確的把電信號轉化為電機軸上的角位移。本系統(tǒng)選取步進電機作為驅動電機。</p><p>　　步進電機又稱為脈沖電動機，是數字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號變換成相應的角位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉動一個角度或前進一步。步進電動機的移量或者線位移量S

63、與脈沖數k成正比;它的轉速n，或者線速度v與脈沖頻率f成正比。在負載能力范圍內這些關系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化.因而可適用于開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。步進電動機可以在很寬的范圍內通過改變脈沖頻率來調速;能夠快速反轉和制動。它不需要變換可直接將數字脈沖信號轉換為角位移，很適合采用微型計算機控制。步進電動機是純粹的數字控制電動機。它將電脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步動機就轉動一個角度，因此作

64、常適合于單片機控制。</p><p>　　按勵磁方式分類，步進電動機可分為3大類：</p><p>　?。?）反應式步進電動機(anv baelelrcutance，簡稱VR)</p><p>　　反應式步進電動機又稱為磁阻式步進電動機。它的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，.但動態(tài)性能較差。</p>&

65、lt;p>　?。?）永磁式步進電功機(Pemranentmanegt，簡稱PM)</p><p>　　永磁式步進電動機的轉子是用永磁材料制成的.轉子本身就是一個磁源。它的輸出轉矩大，動態(tài)性能好。轉子的極數與定子的極數相同，所以步距角一般較大。需供給正負脈沖信號。</p><p>　?。?） 混合式步進電動機（hybird，簡稱HB）</p><p>　　混合式

66、步進電動機也稱為感應式步進電動機。它綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉矩大，動態(tài)性能好，步距角小。</p><p>　　在本設計中，考慮到驅動電機帶動的負載較大，故選用了兩相混合式步進電機做為系統(tǒng)驅動源。本設計選用的步進電機為85BYGH350A。</p><p>　　表3.2 步進電機的技術參數</p><p><b>　　3.4支撐架設計&l

67、t;/b></p><p>　　底部支撐架設計為梯形立體，四角打孔可以固定。</p><p>　　3.5機械結構的整體布局</p><p>　　(1)水平旋轉自由度方向結構</p><p>　　水平旋轉自由度方向主要由1個步進電機、1個步進電機驅動器、1個電機法蘭、1個軸承和1個豎直自由度支撐法蘭組成，如圖2.3所示（步進電機驅動器未在

68、圖中顯示）。</p><p>　　電機法蘭安裝在底座支架上，由兩個支架支撐，相對于底座固定不動。水平旋轉自由度電機安裝在該法蘭上，電機輸出軸穿過法蘭中間的孔與上面的豎直自由度支撐法蘭通過緊定螺釘固連。另外，豎直自由度支撐法蘭通過軸承安裝到電機法蘭上，由安裝在電機法蘭下面的電機直接驅動。</p><p>　　圖3.3 水平旋轉自由度方向結構爆炸圖</p><p>　　

69、注：1 步進電機 2 電機法蘭 3 軸承 4 豎直自由度支撐法蘭</p><p>　?。?）豎直旋轉自由度方向結構</p><p>　　豎直旋轉自由度方向主要由1個步進電機、1個步進電機驅動器、1組蝸輪蝸桿、1個蝸輪軸、1個蝸桿支承座、1個電機支承座、2個蝸輪支承座以及3個軸承等組成。</p><p>　　豎直旋轉機構通過豎直自由度支撐法蘭安裝在水平旋轉機構上，并由

70、水平旋轉機構驅動，可實現水平面內的360°旋轉。</p><p>　　豎直機構通過1組蝸輪蝸桿實現電池板在豎直平面內的傾角調整。蝸桿一端與電機輸出軸通過緊定螺釘固連，另一端通過軸承與支座相連，支座固定安裝在豎直自由度支撐法蘭上。蝸輪通過鍵安裝在蝸輪軸上，蝸輪軸兩端通過軸承連接到蝸桿支承座上，蝸輪支承座同樣固定安裝在樹枝自由度支撐法蘭上。電機則安裝在電機支承座上。</p><p>

71、　　另外，在蝸輪軸上，蝸輪兩側安裝有電池板的兩個支撐架，這兩個支撐架與蝸輪相對靜止，通過兩側的緊固螺母固定在蝸輪兩側。</p><p>　　圖3.4 豎直旋轉自由度方向結構</p><p>　　注：1、蝸桿支承座 2、軸承a 3、蝸輪 4、緊固螺母a 5、蝸輪軸 6、軸承b 7、蝸輪軸支承座a 8、太陽能電池板支撐架a 9、太陽能電池板支撐架b 10、豎直自由度驅動電機 11、

72、緊固螺母b 12、軸承c 13、蝸桿 14、電機支承座 15、蝸輪支承座b</p><p>　　第四章 控制部分的設計</p><p>　　4.1 整體電路圖的設計</p><p>　　本跟蹤系統(tǒng)設計的電路圖如圖3.1所示，計時芯片的時間數據由P1.0、P1.1兩口讀入單片機，經過處理后單片機通過P0.1～P0.4以及P2.0～P2.4分別向控制東西方向以及南北

73、方向的步進電機驅動芯片傳輸控制信號來控制太陽能電池板始終正對太陽。</p><p>　　圖4.1 整體電路圖</p><p>　　4.2輔助電路最小理論值</p><p><b>　　4.2.1振蕩電路</b></p><p>　　在XTAL1和XTAL2引腳上接上石英晶體和電容構成振蕩器，C1，C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快

74、速起振的作用，典型值為47pF。內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中應用較多。連接如圖4.3所示：</p><p>　　圖4.2 系統(tǒng)復位電路 圖4.3 振蕩電路</p><p><b>　　4.2.2復位電路</b></p><p>　　復位是單片機的初始化操作。單片機在啟動運行時，都需要先復位，以便中央處

75、理器CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但是單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路才能實現。MCS-51的RST引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，持續(xù)時間要有兩個機器周期以上。</p><p>　　(1)復位信號的產生</p><p>　　整個復位電路包括芯片內外兩部分，外部電路產生的復位信號通

76、過復位引腳RST進入片內的斯密特觸發(fā)器（抑制噪聲作用）再與片內復位電路相連。80C51內部復位電路原理圖如圖3-22所示。復位電路每個機器周期對斯密特觸發(fā)器的輸出采樣一次，當RST引腳端保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，80C51進入復位狀態(tài)。</p><p><b>　　(2)復位狀態(tài)</b></p><p>　　復位時，ALE和PSEN成輸入狀態(tài)，

77、即ALE=PSEN=1，片內RAM不受復位影響。復位后，P0～P3口輸出高電平且使這些雙向口都處于輸入狀態(tài)，并且將07H寫入堆棧指針SP，同時將PC和其余專用寄存器清為“0”。此時，單片機從起始地址0000H開始重新執(zhí)行程序。</p><p>　　(3)外部復位電路的設計</p><p>　　圖4.4 復位電路原理圖</p><p>　　單片機的外部復位電路就是為內

78、部復位電路提供兩個機器周期以上的高電平設計的。通常有兩種形式：上電自動復位和按鍵手動復位。本系統(tǒng)采用的是上電復位電路，也就是在通電瞬間在RC電路充電過程中，RST端出現正脈沖，從而使單片機復位[56]。本系統(tǒng)的復位電路就是采用了如圖3-23所示的方式，其中電容C的值為22μF，電阻值為1k?，連接之后，經過多次試驗，電路很穩(wěn)定，能夠保證每次上電都能準確地復位。</p><p><b>　　(4) 檢測電

79、路</b></p><p>　　圖4.5 檢測電路原理圖</p><p>　　(5) PO按鍵電路</p><p>　　本系統(tǒng)中需要調整時間，因此設置了3個按鍵K1、K2、K3，將按鍵的一端連在一起與GND相接，另一端分別與單片機引腳P2.4、P2.5、P2.6相接。如果無鍵按下，則P2.4、P2.5、P2.6口為高電平；如果有鍵按下，則P2.4、P2.

80、5、P2.6口為低電平。為提高按鍵工作穩(wěn)定性，給P2.4、P2.5、P2.6口分別加上一個4.7K的上拉電阻。按鍵輸入電路如圖3-25所示：其中K1是功能鍵用于選擇調整系統(tǒng)的月、日、時、分，K2是加鍵，K3是減鍵，K2和K3分別用于對月、日、時、分進行加1或減1。在調整時，按一下加鍵則加1，長按加鍵則系統(tǒng)自動連續(xù)加1，直到松開為止，減鍵也是一樣。</p><p>　　圖4.6 按鍵電路原理圖</p>

81、<p><b>　　4.3電機驅動電路</b></p><p>　　步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備—步進電機驅動器。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與電機自身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。因此，對步進電機驅動器的研究幾乎是與對步進電機的研究同步進行的。常見的驅動方式有:單電壓驅動;高低電壓驅動;斬波型驅動;調頻調壓型驅動;H橋雙極性驅動;細分

82、驅動等。</p><p>　　本文選用的是ULN2803步進電機驅動芯片驅動，ULN2803用來功率放大的驅動芯片也就是單片機輸出的電流信號特別小無法直接驅動大的負載，所以可以用ULN2803來實現單片機與負載的連接，應用電路圖如圖：</p><p>　　圖4.7電機驅動電路</p><p>　　圖4.8 ULN2803 內部電路圖（1/8單元）</p>

83、<p>　　4.4太陽能控制電路</p><p>　　如圖所示，雙運放LM358與R1、R2構成兩個電壓比較器，參考電壓為VDD(+12V)的1／2。光敏電阻RT1、RT2與電位器RP1和光敏電阻RT3、RT4與電位器RP2分別構成光敏傳感電路，該電路的特殊之處在于能根據環(huán)境光線的強弱進行自動補償。如下圖所示，將RT1和RT3安裝在垂直遮陽板的一側，RT4和RT2安裝在另一側。當RT1、RT2、RT

84、3和RT4同時受環(huán)境自然光線作用時，RP1和RP2的中心點電壓不變。如果只有RT1、RT3受太陽光照射，RT1的內阻減小，LM358的3腳電位升高，1腳輸出高電平，三極管VT1飽和導通，繼電器K1導通，其轉換觸點3與觸點1閉合，同時RT3內阻減小，LM358的5腳電位下降，K2不動作，其轉換觸點3與靜觸點2閉合，電機M正轉；同理，如果只有RT2、RT4受太陽光照射，繼電器K2導通，K1斷開，電機M反轉。當轉到垂直遮陽板兩側面的光照度相同

85、時，繼電器K1、K2都導通，電機M才停轉。在太陽不停地偏移過程中，垂直遮陽板兩側光照度的強弱不斷地交替變化，電機M轉-停、轉-停，使太陽能接收裝置始終面朝太陽。</p><p>　　4只光敏電阻這樣交叉安排的優(yōu)點是：LM358的3腳電位升高時，5腳電位則降低，LM358的5腳電位升高時，3腳電位則降低，可使電機的正反轉工作既干脆又可靠?？芍苯佑冒惭b電路板的外殼兼作垂直遮陽板，避免將光敏電阻RT2、RT3引至蔽陰處

86、的麻煩。使用該裝置，不必擔心第二天早晨它能否自動返回。早晨太陽升起時，垂直遮陽板兩側的光照度不可能正好相等，這樣，上述控制電路就會控制電機，從而驅動接收裝置向東旋轉，直至太陽能接收裝置對準太陽為止。</p><p>　　圖4.9太陽能控制電路</p><p><b>　　4.5液晶顯示電路</b></p><p>　　引腳號引腳名稱方向功

87、能說明</p><p>　　1VSS-模塊的電源地</p><p>　　2VDD-模塊的電源正端</p><p>　　3V0-LCD驅動電壓輸入端</p><p>　　4RS(CS)H/L并行的指令/數據選擇信號；串行的片選信號</p><p>　　5R/W(SID)H/L并行的讀/寫選擇

88、信號；串行的數據口</p><p>　　6E(CLK)H/L并行的使能信號；串行的同步時鐘</p><p>　　7DB0H/L數據0</p><p>　　8DB1H/L數據1</p><p>　　9DB2H/L數據2</p><p>　　10DB3H/L數據3</p><

89、;p>　　11DB4H/L數據4</p><p>　　12DB5H/L數據5</p><p>　　13DB6H/L數據6</p><p>　　14DB7H/L數據7</p><p>　　15PSBH/L并/串行接口選擇：H-并行；L-串行</p><p><b>　　16

90、NC空腳</b></p><p>　　17/RETH/L復位 低電平有效</p><p><b>　　18NC空腳</b></p><p>　　19LED_A（LED+5V）背光源正極(加int？)</p><p>　　20LED_K（LED-OV）背光源負極</p>

91、<p>　　4.10 液晶顯示電路圖</p><p>　　4.11 液晶顯示接線圖</p><p><b>　　第五章 軟件設計</b></p><p>　　5.1系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)是指用單片機組成應用系統(tǒng)從任務提出到設計定型、制造調試、直到使用的整個過程。在單片機控制系

92、統(tǒng)的開發(fā)和設計中，首先要明確設計要求，即確定系統(tǒng)的功能指標，然后制定系統(tǒng)方案，最后是方案的實施。</p><p>　　單片機控制的主要內容包含總體設計、硬件開發(fā)、軟件開發(fā)及樣機聯調等。硬件開發(fā)時要先設計、繪制原理圖，根據系統(tǒng)的各項技術指標獨立進行軟件設計；還要根據所設計的原理電路，綜合考慮系統(tǒng)的性能和計算要求，合理布置元器件。再進行印刷電路板的設計、加工，最后將元器件仔細核對后焊接在線路板上。然后用萬用表、邏輯測

93、試筆、示波器等儀器對硬件線路進行檢查排錯，必要時借助仿真器進行硬件調試。在完成了硬件和軟件的分別調試后就可進行聯機調試，進一步排除軟、硬件的錯誤和不足，發(fā)現設計中的錯誤之處及時修正，直至所設計的系統(tǒng)達到預期的要求。圖示單片機系統(tǒng)的研制開發(fā)流程，本次設計就按照此流程來進行設計開發(fā)。</p><p>　　圖5.1 單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程圖</p><p>　　5.2電機驅動軟件流程圖</p

94、><p>　　圖5.2電機驅動軟件流程圖</p><p>　　5.3液晶顯示軟件流程圖</p><p>　　圖5.3液晶顯示軟件流程圖</p><p><b>　　第六章 總結</b></p><p>　　本文主要是對高精度太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的設計與研究。設計了太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的機械結構，其具有兩個

95、自由度：水平方向轉動自由度和豎直方向轉動自由度。在研究國內外常見的視日運動軌跡控制方式和光電傳感器跟蹤控制方式的基礎上，針對國內外現有的太陽能跟蹤控制的缺點，以單片機為主控制芯片，提出了軟件粗控制和傳感器精確控制相結合的控制策略，利用這種跟蹤控制策略，在保證跟蹤控制精度的基礎上，可以極大的提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。</p><p>　　(1)設計太陽能跟蹤控制器機械結構，該結構具有兩個自由度，即水平方向轉動自由

96、度和豎直方向轉動自由度。該機械結構的運動由兩個步進電機來驅動，完成對太陽高度角和方向角的跟蹤。</p><p>　　(2)設計太陽能跟蹤控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。</p><p>　　本文針對現有在現有的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的基礎上，提出了新的控制策略，雖然獲得了一定的進展，但是機械機構、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)等方面有這種一定的不足，還存在進一步提高和優(yōu)化的空間，來實現高精度的太陽能跟蹤控制。&

97、lt;/p><p>　　本文設計的基于單片機的高精度太陽能跟蹤控制器只是一個小系統(tǒng)，現實中的很多因素都沒有考慮進去。機械結構設計并未考慮自然因素的影響和作用，比如風力、雷雨、沙塵等。因此并未做抗風力、防雨水以及防沙塵等設計考慮。同樣相應的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)也沒有考慮到各種突發(fā)事件，要使跟蹤控制器成為真正的產品還有很多問題要解決。通過對本課題的研究和學習，深感研究高精度太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的緊迫性和重要性，這對人們面臨的

98、日益嚴峻的能源危機有很重要的作用和意義。雖然本人對此做了一點研究，但很希望有更多的人參與類似新能源利用的項目，設計出滿足各種環(huán)境，滿足不同要求的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)，來實現太陽能利用的大面積推廣。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 徐科軍主編,馬修水等副主編. 傳感器與檢測技術(第2版). 北京：電子工業(yè)出版社，2008</

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104、現狀及發(fā)展趨勢.世界科技研究與發(fā)展，2001.35～39</p><p>　　[19] 黃寶圣.太陽能電池的新進展，化學教育，2000.7～9</p><p>　　[20] 韓晶，石久勝.太陽能熱水供應的現狀與發(fā)展.長春工程學院學報，2001.32～33.</p><p>　　[21] 中國資源綜合利用協會.中國光伏發(fā)電的技術現狀及展望.可再生能源，2002.5～8

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109、/p><p>　　作者在設計（論文）期間是在***老師的全面指導下進行的，在設計期間*老師對我們進行一步步的教育引導，耐心的指導我們完成了設計。在設計期間，*老師教給我們的不僅僅是一個設計中的內容，更通過設計中的一些事情、一些問題教會了我們許多在做事情時候需要抱有的態(tài)度以及在解決問題的時候的解決方法，這些東西都將使我們受益終生。在此，謹向*老師致以深深的敬意和衷心的感謝。</p><p>