基于FPGA的太阳自动跟踪系统的研究与实现

论文摘要

随着社会经济的发展,能源的需求量日益增加,以化石能源为基础的能源结构越来越不适应可持续发展的需要,人类面临能源严重短缺和燃烧化石能源造成的环境问题。由此,太阳能应用逐渐成为新能源技术的研究热点。针对太阳能存在着光能密度低、间歇性、空间分布不断变化的特点,本文主要围绕太阳跟踪技术进行研究,通过太阳跟踪减小太阳入射光线与太阳能电池阵列的入射角,以提高太阳辐射利用率,降低发电系统成本。首先,在介绍目前国内外太阳跟踪器发展现状及原理的基础上,本文提出了一种视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的跟踪策略,实现对太阳的大范围、日照时间内的全自动跟踪。其次,设计完成了高度角方位角跟踪装置,并根据采用的太阳跟踪系统跟踪策略完成了硬件电路部分的元器件选型和设计。再次,根据应用场合的需求,完成了基于FPGA软件部分的设计及仿真,包括:视日运动轨迹算法、光电跟踪太阳图像处理算法和电机驱动算法的研究与实现。最后,针对本文所设计的太阳跟踪系统进行了系统调试。实验结果充分表明,本文设计的太阳跟踪控制系统的研究思路、控制方法、硬件设计以及软件设计都是切实可行的。系统具有结构简单、运行平稳、跟踪精度高、抗干扰性强等特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 开发太阳能的重要意义
• 1.1.2 中国太阳能资源
• 1.1.3 太阳能应用基本方式
• 1.1.4 太阳能发电的特点
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 相关领域的国内外现状
• 1.3.1 太阳能发电的发展历程
• 1.3.2 太阳能发电的国内外现状
• 1.3.3 太阳跟踪系统的国内外研究现状
• 1.4 课题研究内容和文章结构
• 第2章 太阳跟踪系统的相关理论
• 2.1 引言
• 2.2 实施太阳跟踪的理论依据
• 2.2.1 太阳能电池的原理
• 2.2.2 太阳跟踪必要性分析
• 2.3 太阳跟踪方法
• 2.3.1 视日运动轨迹跟踪法
• 2.3.2 光电跟踪法
• 2.3.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
• 2.4 太阳跟踪装置
• 2.4.1 单轴跟踪装置
• 2.4.2 双轴跟踪装置
• 2.5 本章小结
• 第3章 太阳跟踪系统的总体设计方案
• 3.1 引言
• 3.2 系统设计的原则和目标
• 3.2.1 系统设计原则
• 3.2.2 系统设计目标
• 3.3 课题软硬件开发平台介绍
• 3.3.1 本课题硬件开发平台
• 3.3.2 FPGA 简介
• 3.3.3 FPGA 的设计流程
• 3.3.4 Verilog HDL 介绍
• 3.4 太阳跟踪系统的总体设计
• 3.4.1 太阳跟踪系统跟踪方法的选择
• 3.4.2 太阳跟踪系统跟踪装置的选择
• 3.4.3 太阳跟踪系统总体方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 太阳跟踪系统的硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 太阳跟踪平台机械执行机构的设计
• 4.2.1 机械部分的设计要求
• 4.2.2 太阳跟踪平台机械部分设计
• 4.3 控制执行部分的设计
• 4.3.1 控制执行部件的选择
• 4.3.2 步进电机控制系统设计
• 4.4 光电跟踪部分硬件设计
• 4.4.1 光电跟踪部分的结构设计
• 4.4.2 元器件的选型
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统软件视日运动轨迹跟踪算法设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 视日运动轨迹跟踪算法的软件设计
• 5.3 视日运动轨迹跟踪算法的软件实现
• 5.3.1 数学计算模块的SOPC 实现
• 5.3.2 时间计算模块实现
• 5.3.3 太阳高度角方位角计算功能模块实现
• 5.3.4 日出日落时间计算模块实现
• 5.3.5 步进电机驱动模块实现
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统软件光电跟踪算法的设计与实现
• 6.1 引言
• 6.2 系统软件光电跟踪算法的设计
• 6.3 系统软件光电跟踪算法的实现
• 6.3.1 图像采集实现
• 6.3.2 图像处理算法实现
• 6.4 本章小结
• 第7章 系统实验结果分析
• 7.1 引言
• 7.2 调试准备工作
• 7.3 太阳跟踪系统各功能模块调试
• 7.3.1 视日运动轨迹法
• 7.3.2 光电跟踪算法
• 7.3.3 步进电机驱动模块
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢