一种侧拉式太阳能跟踪器的研究与设计

论文摘要

太阳能取之不尽用之不竭,是被世界公认的理想的清洁能源。太阳能的利用已经成为研究的热点。目前,制约太阳能光伏发电的主要因素是光电转换成本高,发电量波动大,不适合于远距离输送。采用自动跟综系统可以延长太阳能发电时间,增加发电量,一定程度上降低发电量的波动,降低太阳能发电成本。为了促进自动跟日技术研究,推动太阳能发电技术的快速发展,本文根据许启明导师的发明专利,结合了跟踪器的机械原理和控制原理,在有关机械、控制工程师的配合下,研究了基于单片机控制的全新概念太阳能跟踪器。在研究了近年来国内外在自动跟日技术和自动跟日系统领域的主要研究成果,技术特征和应用状况的基础上,讨论了一种全新机械设计理念,基于单片机控制的单轴跟踪器。跟踪控制器采用MSP430作为控制芯片,光敏检测装置校正跟踪误差。该跟踪器的主要优点在于结构简单、成本低廉、稳定性好、抗风暴能力强、跟踪能耗低、控制程序简单、精度高等特点。本文主要工作如下:(1)研究了太阳能利用跟踪技术的主要成果,分析主动式跟踪和被动式跟踪,单轴跟踪和双轴跟踪各自的优缺点和适用场合,确定了本跟踪器设计的方案。(2)讨论了太阳能跟踪器的机械结构,该结构具有一个自由度,东西方向跟踪太阳转动,南北方向固定角度放置。该机械结构的运动由一个步进电机驱动,完成对太阳的跟踪。(3)讨论了太阳能跟踪控制系统的硬件系统。硬件系统主要由单片机控制单元、电源单元、光电检测单元、电机驱动、和键盘及信号采集等部分组成,完成整个电路的控制和驱动。(4)完成了太阳能跟踪控制系统的软件设计。根据各软件功能模块设计相应的软件。主要功能模块为:信号采集模块、步进电机模块以及其他相关功能的模块设计。运用中天定位,使程序控制简化、方便,有利于提高跟踪精度。(5)对太阳能跟踪系统的控制系统进行了性能测试并进行了经济性分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1 引言
• 1.1 发展太阳能光伏发电的重大意义
• 1.1.1 降低“温室效应”
• 1.1.2 缓解化石能源危机
• 1.1.3 解决无电地区的用电问题
• 1.1.4 光伏发电技术存在的主要问题
• 1.2 本文研究内容
• 1.2.1 机械结构部分
• 1.2.2 控制系统硬件设计
• 1.2.3 控制系统软件设计
• 第2章 太阳能光伏发电跟踪原理
• 2.1 光伏发电跟踪原理
• 2.1.1 赤道坐标系
• 2.1.2 地平坐标系
• 2.2 太阳能跟踪技术的发展现状
• 2.2.1 主动跟踪系统
• 2.2.2 被动跟踪系统
• 2.2.3 混合式跟踪系统
• 2.3 单双轴跟踪系统发电量比较
• 2.4 跟踪系统的广泛应用
• 2.5 太阳能光伏发电产业发展现状
• 2.6 太阳能跟踪技术存在的问题
• 第3章 侧拉式跟踪器设计方案的确定
• 3.1 简介
• 3.1.1 单双轴跟踪系统分析
• 3.1.2 主被动跟踪方式分析
• 3.2 跟踪系统方案
• 3.2.1 跟踪轴数的确定
• 3.2.2 跟踪控制方式的确定
• 3.3 侧拉式跟踪器设计方案
• 3.4 设计方案的创新点
• 3.4.1 机械设计原理创新
• 3.4.2 控制系统创新
• 3.5 本章小结
• 第4章 太阳能跟踪控制器机械结构
• 4.1 太阳能跟踪器机械结构组成
• 4.1.1 水平跟踪自由度方向结构
• 4.2 太阳能跟踪器机械结构的工作原理
• 第5章 系统硬件设计
• 5.1 概述
• 5.2 硬件设计辅助软件
• 5.3 控制系统的电路设计
• 5.3.1 单片机电路
• 5.3.2 电源电路
• Ⅰ 源芯片的选型
• Ⅱ 源芯片电路设计
• 5.3.3 时钟电路
• Ⅰ 钟电路芯片选型
• Ⅱ时钟电路设计
• 5.3.4 步进电机
• 5.3.5 光敏检测电路
• 5.3.6 串口通信
• Ⅰ 片选型
• Ⅱ 口电路设计
• 第6章 系统的软件实现
• 6.1 WORKBENCH的应用
• 6.2 软件设计的程序流程图
• 6.2.1 主体程序
• 6.3 电机驱动的程序设计
• 6.4 软件调试
• 第7章 性能测试与经济效益分析
• 7.1 概述
• 7.2 侧拉式太阳能自动跟踪器的实验与分析
• 7.2.1 太阳能自动跟踪控制器
• 7.2.2 力学性能测试
• 7.3 侧拉式太阳能跟踪器效益分析
• 7.3.1 侧拉式光伏发电跟踪系统缩短能量偿还时间
• 7.3.2 侧拉式光伏发电跟踪系统经济收益分析
• 2排放'>7.3.3 侧拉式光伏发电跟踪系统减少CO₂排放
• 7.3.4 增加就业岗位
• 第8章 结论与展望
• 参考文献
• 附录：硕士研究生期间表论文与科研情况
• 致谢