主动式太阳跟踪及驱动系统研究与设计

论文摘要

太阳能是一种非常具有开发潜力的能源,世界各国都在积极开发利用太阳能。我国太阳能的利用,在近十年发展得非常迅速,但是我国的太阳能利用技术还比较落后,且太阳能利用的局限性很大。为了进一步扩大太阳能的利用范围,提高太阳能的利用率,本文开发了一套太阳跟踪与驱动系统,该系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直,其结构简单、成本低廉且跟踪精度高,可用于太阳灶、太阳能热水器等各种太阳能装置上,具有很高的实用价值。论文分析了典型聚光器的基本工作原理、特点及实际使用时应该考虑的问题。在研究了日地相对运动规律的基础上,采用了传感器跟踪和定时器跟踪相结合的方法,在晴天时用传感器跟踪,阴天(乌云遮挡太阳)时用定时跟踪,并且两种跟踪方式根据天气状况可自行切换,在提高了太阳能利用率的同时,系统工作更稳定。设计的太阳跟踪与驱动控制系统主要由三大部分构成:传感器、控制器、机械跟踪平台。传感器由四象限光电池和另外独立的四片光电池组成,置于暗筒内的四象限光电池用于精确跟踪太阳,暗筒外的四片光电池用于粗定位,从而实现大范围跟踪太阳;控制器硬件以单片机C8051F020为核心,完成了控制器的硬件电路设计和制作,系统的硬件电路包括外部时钟电路,模拟输入电路,电机驱动电路,电源电路等。所设计的基于地平坐标系的立轴式聚光器跟踪平台采用蜗轮蜗杆传动方式和方位—俯仰模式的结构,为了克服跟踪平台在高度角方向上运动时产生的不平衡力矩,在跟踪平台上安装有弹簧平衡器,平衡器由垫圈、压缩弹簧、拉杆、延伸杆和外筒组成。同时完成了系统的软件设计,主要包括系统初始化,时钟读写,跟踪控制,电机驱动等。通过实验测试,所设计的传感器性能稳定,在太阳光下输出不会饱和,能满足太阳跟踪的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 太阳能的特点
• 1.1.2 太阳能利用基本方式
• 1.1.3 我国太阳能资源及利用情况
• 1.2 课题意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 目前主要存在的问题
• 1.5 课题的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 系统工作原理及总体设计
• 2.1 太阳运动规律
• 2.1.1 太阳与地球的位置关系
• 2.1.2 相关角度的计算
• 2.1.3 太阳常数和太阳光谱
• 2.2 跟踪控制方式的比较
• 2.2.1 视日运动运动轨迹跟踪
• 2.2.2 光电跟踪
• 2.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
• 2.3 系统组成和基本工作原理
• 2.4 本章小结
• 3 太阳能聚光集热器的研究
• 3.1 太阳张角
• 3.2 聚光度
• 3.3 典型聚光器聚光性能分析
• 3.3.1 抛物面反射镜的聚光性能
• 3.3.2 折射式菲涅尔聚光器
• 3.3.3 复合抛物面（CPC）聚光器
• 3.4 聚光器的选择
• 3.5 本章小结
• 4 太阳跟踪及驱动控制系统硬件设计
• 4.1 硬件总体设计方案
• 4.2 传感器结构与信号提取电路
• 4.2.1 传感器设计
• 4.2.2 信号提取电路设计
• 4.2.3 光电池的特性参数及其选型
• 4.3 跟踪控制系统硬件设计
• 4.3.1 单片机C8051F020 的简介
• 4.3.2 JTAG 和电源电路
• 4.3.3 系统时钟和复位电路
• 4.3.4 模拟量输入电路
• 4.3.5 开关量输入电路
• 4.3.6 外部时钟电路
• 4.4 步进电机驱动与控制模块
• 4.4.1 步进电机控制系统的构成
• 4.4.2 步进电机细分驱动控制
• 4.4.3 步进电机加减速控制
• 4.4.4 步进电机驱动电路
• 4.5 本章小结
• 5 系统软件设计
• 5.1 系统主程序
• 5.2 系统初始化程序
• 5.3 时钟读写程序
• 5.4 跟踪控制程序
• 5.5 数字滤波程序
• 5.6 电机控制程序
• 5.7 中断服务程序
• 5.8 本章小结
• 6 聚光器跟踪平台设计
• 6.1 立轴式跟踪平台
• 6.2 锅具支撑机构
• 6.3 平衡装置
• 6.4 本章小结
• 7 实验结论
• 7.1 光电池实验
• 7.2 电机驱动试验波形
• 8 全文总结与展望
• 8.1 课题总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A: 太阳跟踪控制器原理图
• 附录B：太阳跟踪控制器PCB 图
• 附录C：太阳跟踪控制器实物图
• 附录D：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录