1、太阳光自动跟踪仪系统设计太阳光自动跟踪仪系统设计 姓名：XXXXX学号：XXXXX指导老师：XXXXX结论结论 第第1章章 绪论太阳绪论太阳能光伏发能光伏发电概述电概述第第2章章 光伏电池光伏电池的研究和的研究和分析分析第第3章章 光伏发电光伏发电系统中聚系统中聚光器的研光器的研究与设计究与设计第第4章章 自动跟自动跟踪系统踪系统第第5章章 软件流软件流程程1.新能源已成为全球性能源的重要组成部分，开发新能源已成为全球性能源的重要组成部分，开发了利用新能源已成为世界发展的大趋势，新能源了利用新能源已成为世界发展的大趋势，新能源战略也成为新不发达国家占领国际市场竞争新的战略也成为新不发达国家占领
2、国际市场竞争新的制高点，主导全球价值链的新王牌。短期内尽管制高点，主导全球价值链的新王牌。短期内尽管新能源还无法代替传统石化能源，但是世界范围新能源还无法代替传统石化能源，但是世界范围内能源的供给紧张以及应对气候变化为新能源发内能源的供给紧张以及应对气候变化为新能源发展提供了广阔的空间，新能源将会为世界环境及展提供了广阔的空间，新能源将会为世界环境及经济做出巨大贡献经济做出巨大贡献 新能源开发的现状和意义新能源开发的现状和意义基本的光伏发电系统包括光伏电池板、基本的光伏发电系统包括光伏电池板、DC/DC变换装置、储能装置、电能输出变换装置变换装置、储能装置、电能输出变换装置、控制器五大部分（如
3、图、控制器五大部分（如图1-1）。为了提高光伏电池的转换率，光伏电池板部分可以采）。为了提高光伏电池的转换率，光伏电池板部分可以采用聚光器，常用的聚光器有抛物槽、菲涅耳透镜、用聚光器，常用的聚光器有抛物槽、菲涅耳透镜、CPC聚光器、荧光式聚光器、全息聚聚光器、荧光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它们都可以不同程度的提高光伏电池的转换率。光伏电池产光器和中心接受聚光器等，它们都可以不同程度的提高光伏电池的转换率。光伏电池产生的电流通过生的电流通过DC/DC变换装置可以直接供给各种直流负载，同时为储能装置充电。储能变换装置可以直接供给各种直流负载，同时为储能装置充电。储能装置一般采用蓄电池
4、，尤其是铅酸蓄电池。在联网光伏电源系统中还要有交流联网装置装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。在联网光伏电源系统中还要有交流联网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负责对系统各运行参数进行检测，并和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负责对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。如果有根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。如果有自动跟踪装置，也是由同一个控制器进行集中控制，来跟踪太阳位置的变化。自动跟踪装置，也是由同一个控制器进行集中控制，来跟踪太阳位置的变化。独立光伏发电的跟踪系统主要
5、部分如图中独立光伏发电的跟踪系统主要部分如图中A点左侧所示，主要包括聚光器，对太阳的跟点左侧所示，主要包括聚光器，对太阳的跟踪，最大功率点的跟踪，以及对蓄电池冲放电的控制。踪，最大功率点的跟踪，以及对蓄电池冲放电的控制。2.光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化稼光伏电池等。目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高（澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到24%），所以现在开发得也
6、最快。光伏电池的原理光伏电池的原理为光伏电池的单元模型和外观。电池单元是为光伏电池的单元模型和外观。电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。将每个单元进行串、并联并封装后就使用。将每个单元进行串、并联并封装后就成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件需要再进瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件需要再进行串、并联后形成光伏电池阵列，就构成了行串、并联后形成光伏电池阵列，就构成了“太阳能发电机（太阳能发电机（Solar Generator）”。这。这与传统的发电方式是完全不同的：既没有旋
7、与传统的发电方式是完全不同的：既没有旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、无噪声的发电机。无噪声的发电机。单个光伏电池的模型和外观单个光伏电池的模型和外观 光伏发电的伏安特性:在一定光照强度、特定温度下，由电池负载外特性，来直接反映电池的输出功率。光伏电池的特性曲线由它的P-N结特性和电阻分散参数确定。在不同的光照强度下，光伏电池会有不同的输出特性曲线，曲线上的工作点（曲线上的任何一点都可以是工作点）对应的横坐标和纵坐标分别对应工作电压、工作电流，输出功率为工作电压和工作电流之积：P=VI。如图所示。光伏发电的光伏发电的I-V、P-V曲线曲线光伏电池的光
8、伏电池的I-V和和P-V特性曲线特性曲线光伏电池的主要参数光伏电池的主要参数1.开路电压 Voc：即在标准光照条件下，面板的正负极断开，量取的电压。2.短路电流 Isc：即在标准光照条件下，面板的正负极直接相连的电流。4.最大功率点电流 Impp：在组件最大功率点的组件输出电流。3.最大功率点电压 Vmpp：在组件最大功率点的组件输出电压。5.填充因子 FF；FF（Impp/Isc)*(Vmpp/Voc)。6.组件的最大功率点功率：在标准光照条件下，组件的最大输出功率。7.组件的转换效率：组件将光能（AM1.5标准太阳光谱）转换成电能的效率。8.光伏组件的伏安特性：组件在不同光照条件或温度条件
9、下的，组件输出电流和电压的曲线。9.光伏组件的PV特性：组件在不同光照条件或温度条件下，组件输出功率和输出电压的曲线。10.温度对开路电压的影响系数：温度对开路电压影响的比例。11.温度对短路电流的影响系数：温度对短路电流影响的比例。太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 图图2-5中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。图图2-6不同日照强度下的光伏特性
10、不同日照强度下的光伏特性（a）光伏电池的伏安曲线；（）光伏电池的伏安曲线；（b）光伏电池的功率电压曲线）光伏电池的功率电压曲线 从实验中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从实验中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从从200-1000W/m开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大；而天空光线极中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大；而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为差时，开路电压会直线下降，几乎为0。而短路电流是随光强的。而短路电流是随光强的增加
11、而成正比的增加增加而成正比的增加所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径：可而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径：可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。电池的使用，降低光伏
12、发电的成本。3.利用光学系统（反射或折射器）使较大面积的入射光聚集在较利用光学系统（反射或折射器）使较大面积的入射光聚集在较小面积上，提高单位面积上的入射光强度。对于给定的总能量，小面积上，提高单位面积上的入射光强度。对于给定的总能量，聚集在较小的面积上意味着较小的热量损失。虽然太阳光经过会聚集在较小的面积上意味着较小的热量损失。虽然太阳光经过会聚之后会造成一定的光学损失，流失一部分能量（相对较少），聚之后会造成一定的光学损失，流失一部分能量（相对较少），但实验表明在一定程度的光线会聚之后，工作温度有一定程度的但实验表明在一定程度的光线会聚之后，工作温度有一定程度的提高。具体的聚光器工作原理和
13、性能特点在下文中将予以详细的提高。具体的聚光器工作原理和性能特点在下文中将予以详细的分析。分析。太阳能聚光器的工作原理太阳能聚光器的工作原理菲涅尔聚光器是一种使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面为平面，另一面为按照一定宽度和角度设计的锯齿棱角，如图3-5所示，它可以设计成点聚焦式（圆盘镜），也可以设计成线聚焦式（长条镜）。菲涅尔透镜聚光方式折折射射式式菲菲涅涅尔尔聚聚光光器器通过对以上三种典型的聚光器的分析对比可知，对于太阳能通过对以上三种典型的聚光器的分析对比可知，对于太阳能中温工业所需要的基本工作温度来说，三种聚光器的性能相中温工业所需要的基本工作温度来说，三种聚光器的性能相差不多，
14、选择的关键就是成本问题。抛物面反射镜的制造成差不多，选择的关键就是成本问题。抛物面反射镜的制造成本高，同时需要跟踪装置，成本相对最高；复合抛物面镜的本高，同时需要跟踪装置，成本相对最高；复合抛物面镜的制造成本也很高，虽不需跟踪装置，但是使用的方便性有所制造成本也很高，虽不需跟踪装置，但是使用的方便性有所降低；菲涅尔聚光器的成本非常低廉，制造工艺也非常简单降低；菲涅尔聚光器的成本非常低廉，制造工艺也非常简单，适合大规模开发应用。如果有了高精低廉的跟踪装置相配，适合大规模开发应用。如果有了高精低廉的跟踪装置相配合，同时对目前存在的一些问题进行研究解决，其发展前景合，同时对目前存在的一些问题进行研究
15、解决，其发展前景非常广阔。非常广阔。4.自动跟踪系统结构通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台自动跟踪系统的工作原理 自动跟踪系统基本结构如图所示，主要由单片机、传感器、步进电机等组成。它的基本原理是：当太阳光照射到传感器上时，把电池列阵和太阳位置偏差（即列阵平面与阳光不垂直时）给出的传感信号，经过前置放大器放大、电压跟随器后保存到单片机中，由单片机进行一定的处理后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而移动，从而达到跟踪的目的。自动跟踪系统要实现的工作过程是：从早上时开始跟踪太阳位置的变化，使聚光器始终接收到最强的太阳辐射，当太阳落下或者天空光线极差时，聚光
16、器自动回复到朝向东方的初始位置，再检测到太阳升起或天空光线变强时，继续跟踪最强的光照图5-11照度电阻特性 光敏电阻分别与滑动变阻器、和两个光敏电阻分别与滑动变阻器、和两个5K的电阻共同构成惠斯电桥。如图所示。该型号的的电阻共同构成惠斯电桥。如图所示。该型号的电阻值较小，所以滑动变阻器比较难容易得到，电桥比较容易组建。电压前置放大器为差电阻值较小，所以滑动变阻器比较难容易得到，电桥比较容易组建。电压前置放大器为差动放大器，它将桥臂的输出信号放大，再经电压跟随器动放大器，它将桥臂的输出信号放大，再经电压跟随器741，由单片机，由单片机ADC812内置内置12位高位高精度的自校准模数转换器进行精度
17、的自校准模数转换器进行A/D转换，然后进行数据处理。电压跟随器作用是提高电压信转换，然后进行数据处理。电压跟随器作用是提高电压信号的负载能力，防止信号受号的负载能力，防止信号受A/D负载的影响。有负载的影响。有3路这样的电桥同时采集信号到单片机中。路这样的电桥同时采集信号到单片机中。传感器光敏二极管的工作过程传感器光敏二极管的工作过程光敏二极管光敏二极管CDS是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光电阻，本系统采用电阻，本系统采用3个光敏电阻作为传感器来检测天空光线个光敏电阻作为传感器来检测天空光线的变化，跟踪太阳的位置。的变化，跟踪太阳的位置。光敏电阻的特
18、性与人眼最为接近，所以适合可见光的测量光敏电阻的特性与人眼最为接近，所以适合可见光的测量。选用的型号是。选用的型号是GL5516，它的暗电阻为，它的暗电阻为100K欧，亮电阻为欧，亮电阻为5l0K欧。欧。CDS的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的，它的阻值的变化是在一个范围内沿着一条直线上升或的，它的阻值的变化是在一个范围内沿着一条直线上升或下降，如图所示。下降，如图所示。3个光敏电阻中，个光敏电阻中，CDS1用于判断是白天还用于判断是白天还是黑夜，另外两个光敏电阻是黑夜，另外两个光敏电阻CDS2和和CDS3用于测量聚光器与用于测量聚光器与太阳位置的偏
19、差，太阳位置的偏差，CDS1的优先级高于的优先级高于CDS2和和CDS3。步进电机及其特性步进电机及其特性步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，
20、从而达到调速频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。的目的。步进电机是感应电机的一钟，其工作原理是利用步进电机是感应电机的一钟，其工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的、多相时序控制电子电路，将直流电变成分时供电的、多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能可电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能可以正常运行工作。以正常运行工作。基于单片机基于单片机ADC812控制的驱动电路控制的驱动电路UC3717驱动电路驱动电路UC3717是一种用来驱动二相步进电机的专用是一种用来驱动二相步进电机的专用芯片。它由可控制逻辑输入端，电流传感芯片。它由可控制逻辑输入端
21、，电流传感器，含有内置式保护二极管的单稳态输出器，含有内置式保护二极管的单稳态输出端组成。两片端组成。两片UC3717和一些外部元件可和一些外部元件可以组成一个完备的二相步进电机驱动系统以组成一个完备的二相步进电机驱动系统。UC3717组成的驱动电路5.系统初始化模块是当步进电机复位到初始位置时，通系统初始化模块是当步进电机复位到初始位置时，通过触发开关向控制端口发送电平信号，单片机识别后立即过触发开关向控制端口发送电平信号，单片机识别后立即中止驱动脉冲的发送。这种模式主要针对系统工作异常和中止驱动脉冲的发送。这种模式主要针对系统工作异常和日落后系统自动返回初始而设置的，也可以减小因步进电日落后系统自动返回初始而设置的，也可以减小因步进电机的传动而产生的误差积累。聚光器跟踪太阳的子程序为机的传动而产生的误差积累。聚光器跟踪太阳的子程序为STARTI，早上回到初始位置的子程序为，早上回到初始位置的子程序为START2。整个自动。整个自动跟踪控制系统软件主流程图如下图跟踪控制系统软件主流程图如下图 图流流程程谢谢观看！谢谢观看！2020
