基于MCU的双轴太阳能追日系统设计与实现
发布时间：2021-08-15 03:30
虽然太阳能利用技术开发历史已逾300年,但由于太阳光能量密度小,易受季节、地理位置、天气影响的特点,太阳能的转换效率仍然不足30%,如何提高太阳能的利用效率一直是困扰人们的一大难题。本文以延长太阳能直射时间为视角,基于MCU控制技术设计了方位角-高度角双轴太阳能追日系统,采用了视日运动轨迹跟踪方法预先计算太阳的运动轨迹,通过自主设计的单片机控制器控制太阳能电池板实现精确跟踪。本文着重介绍了视日运动轨迹的计算、追日系统结构设计及控制系统设计三部分,基于Keil嵌入式开发环境完成太阳角度计算以及追日程序的编译。本文追日系统具有以下特点:1.搭载GPS定位模块,可以实现经纬度地理位置信息和时间信息的自动获取,跟踪系统基于视日运动轨迹方法设计,不依赖于光电跟踪传感器,能够在复杂天气情况下精确计算太阳位置;2.设计了高度角-方位角双轴跟踪方案,太阳能电池板可以实现水平轴、赤道轴两种形式的运动跟踪;3.本文采用了轻量化设计,设计了风速传感模块,在大风环境下自动响应中断程序,保护太阳能追日系统免受大风破坏。本文设计的太阳能追日系统可以实现对太阳运动轨迹跟踪,通过延长太阳光照直射时间提高太阳能电池阵列...
【文章来源】：河北科技师范学院河北省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
跟踪式与非跟踪式光伏组件太阳能接收情况对比图
第二章太阳能追日系统跟踪方案设计图2-1太阳能追日系统转轴旋转示意图Fig.2-1Schematicdiagramoftherotationaxisofsolartrackingsystem（2）极轴式跟踪系统与高度角-方位角式跟踪系统不同，极轴式跟踪系统的两根旋转轴分别平行于地球的赤纬轴和天轴（地轴）的极轴[20]。工作时，追日系统控制电池板自东向西绕极轴运动，旋转速度与地球自转速度相当；同时，定期绕赤纬轴做俯仰运动以跟踪太阳高度角的变化。这种跟踪方式易于实现，但在支承装置的设计上存在困难，因此使用较少。出于设计稳定性和跟踪精度考虑，本文选用方位角-高度角双轴式跟踪方案，这种结构适用性高，设计时可不用考虑经纬度位置，适用于大多数地区使用，跟踪精度较高。2.2太阳能追日系统跟踪工作原理本文设计的太阳能追日系统采用视日运动轨迹跟踪方法，是一种根据太阳的天文学参数设计的闭环控制系统。其跟踪原理是：先根据当地的经纬度信息和时间信息预先计算出太阳的运行规律，即事先计算出太阳在一天内各时刻的运动轨迹的理论值，同时光敏传感器检测到的太阳轨迹信息对理论值进行位置误差补偿，由MCU控制器发出驱动信号，以理论值和补偿值为依据驱动执行机构实现对太阳能电池板的角度调9
第二章太阳能追日系统跟踪方案设计整，最终实现对太阳轨迹的精确跟踪。图2-2所示为视日运动轨迹跟踪工作原理图。图2-2跟踪装置工作原理图Fig.2-2Workingprinciplediagramofsolartrackingsystem太阳能追日系统安装了光敏传感器，将检测到的太阳光的位置信号发送给MCU控制器，MCU预写程序自动计算太阳方位角、高度角的补偿量α、β，并对理论值计算结果进行修正补偿。通常，每当太阳偏转角度达到设定值时，或每隔一定时间段后（一般5-10分钟左右），控制器向驱动器发出指令，执行机构执行旋转命令，控制太阳能电池板运动至其法线与太阳光线方向平行，然后静待下一次运动指令。太阳能追日系统一直重复这样的间歇性运动，当夜间没有太阳的时候则一直保持静默。太阳能追日全过程全自动运行，可以是南北向、东西向双方向控制，也可以单向控制，整个过程自动化程度高[21-22]。2.3太阳运动轨迹计算视日运动轨迹跟踪设计就是预先在控制器MCU中写入太阳的运动轨迹计算方法，当系统输入时间和位置信息后，控制器可根据输入信息计算得出太阳不同时刻的运动轨迹信息。知道太阳高度角、方位角信息后，控制器MCU即可驱动直流电机实时跟踪太阳位置[23-24]。因此，如何根据地理位置和时间信息计算出太阳的运动轨迹是太阳能追日系统设计的关键。2.3.1太阳高度角αs10
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于单片机的太阳能自动跟踪双轴系统设计[J]. 扎西顿珠,袁超,胡石峰. 黑龙江科学. 2019(24)
[2]基于STC89C52单片机的太阳能双轴跟踪系统的设计[J]. 赵宇兰. 山西电子技术. 2019(06)
[3]关于光伏发电系统跟踪太阳聚光发电优化控制[J]. 初永玲,李绍春. 电子器件. 2019(05)
[4]全自动双轴跟踪太阳能发电车设计[J]. 刘新林. 中国新技术新产品. 2019(13)
[5]太阳能自动跟踪系统研究[J]. 葛海浪,臧勇,唐友亮,杨凯程. 计算机测量与控制. 2019(06)
[6]一种双轴跟踪光伏支架的结构优化设计[J]. 边明茹. 机械研究与应用. 2019(02)
[7]太阳能电池板自动跟踪系统的分析与研究[J]. 邱燕. 自动化与仪器仪表. 2019(04)
[8]光伏电池板的光线自动化追踪模式研究[J]. 张雪珍. 自动化应用. 2019(04)
[9]基于单片机的双轴太阳能跟踪系统设计[J]. 段开源,刘成国,张文涛. 电子设计工程. 2019(08)
[10]光伏发电的双轴自动跟踪控制系统[J]. 王聪. 电工技术. 2019(06)
硕士论文
[1]光伏发电双轴自动跟踪与监控系统的研究[D]. 王聪.安徽理工大学 2019
[2]高精度太阳位置跟踪关键技术研究[D]. 张康龙.西安工业大学 2019
[3]光伏发电双轴跟踪系统的研究与设计[D]. 王万乐.山东科技大学 2018
[4]基于太阳能自动跟踪技术的光伏发电系统研究[D]. 张双华.武汉工程大学 2018
[5]光伏跟踪系统设计与控制算法研究[D]. 刘韦辰.西安建筑科技大学 2018
[6]太阳能自动跟踪控制系统的设计[D]. 张智文.东北农业大学 2017
[7]太阳能电池板追光系统的研究[D]. 王阳.沈阳工业大学 2017
[8]太阳能光伏结构的力学研究[D]. 陈铎民.华中科技大学 2016
本文编号：3343761
【文章来源】：河北科技师范学院河北省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
跟踪式与非跟踪式光伏组件太阳能接收情况对比图
第二章太阳能追日系统跟踪方案设计图2-1太阳能追日系统转轴旋转示意图Fig.2-1Schematicdiagramoftherotationaxisofsolartrackingsystem（2）极轴式跟踪系统与高度角-方位角式跟踪系统不同，极轴式跟踪系统的两根旋转轴分别平行于地球的赤纬轴和天轴（地轴）的极轴[20]。工作时，追日系统控制电池板自东向西绕极轴运动，旋转速度与地球自转速度相当；同时，定期绕赤纬轴做俯仰运动以跟踪太阳高度角的变化。这种跟踪方式易于实现，但在支承装置的设计上存在困难，因此使用较少。出于设计稳定性和跟踪精度考虑，本文选用方位角-高度角双轴式跟踪方案，这种结构适用性高，设计时可不用考虑经纬度位置，适用于大多数地区使用，跟踪精度较高。2.2太阳能追日系统跟踪工作原理本文设计的太阳能追日系统采用视日运动轨迹跟踪方法，是一种根据太阳的天文学参数设计的闭环控制系统。其跟踪原理是：先根据当地的经纬度信息和时间信息预先计算出太阳的运行规律，即事先计算出太阳在一天内各时刻的运动轨迹的理论值，同时光敏传感器检测到的太阳轨迹信息对理论值进行位置误差补偿，由MCU控制器发出驱动信号，以理论值和补偿值为依据驱动执行机构实现对太阳能电池板的角度调9
第二章太阳能追日系统跟踪方案设计整，最终实现对太阳轨迹的精确跟踪。图2-2所示为视日运动轨迹跟踪工作原理图。图2-2跟踪装置工作原理图Fig.2-2Workingprinciplediagramofsolartrackingsystem太阳能追日系统安装了光敏传感器，将检测到的太阳光的位置信号发送给MCU控制器，MCU预写程序自动计算太阳方位角、高度角的补偿量α、β，并对理论值计算结果进行修正补偿。通常，每当太阳偏转角度达到设定值时，或每隔一定时间段后（一般5-10分钟左右），控制器向驱动器发出指令，执行机构执行旋转命令，控制太阳能电池板运动至其法线与太阳光线方向平行，然后静待下一次运动指令。太阳能追日系统一直重复这样的间歇性运动，当夜间没有太阳的时候则一直保持静默。太阳能追日全过程全自动运行，可以是南北向、东西向双方向控制，也可以单向控制，整个过程自动化程度高[21-22]。2.3太阳运动轨迹计算视日运动轨迹跟踪设计就是预先在控制器MCU中写入太阳的运动轨迹计算方法，当系统输入时间和位置信息后，控制器可根据输入信息计算得出太阳不同时刻的运动轨迹信息。知道太阳高度角、方位角信息后，控制器MCU即可驱动直流电机实时跟踪太阳位置[23-24]。因此，如何根据地理位置和时间信息计算出太阳的运动轨迹是太阳能追日系统设计的关键。2.3.1太阳高度角αs10
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于单片机的太阳能自动跟踪双轴系统设计[J]. 扎西顿珠,袁超,胡石峰. 黑龙江科学. 2019(24)
[2]基于STC89C52单片机的太阳能双轴跟踪系统的设计[J]. 赵宇兰. 山西电子技术. 2019(06)
[3]关于光伏发电系统跟踪太阳聚光发电优化控制[J]. 初永玲,李绍春. 电子器件. 2019(05)
[4]全自动双轴跟踪太阳能发电车设计[J]. 刘新林. 中国新技术新产品. 2019(13)
[5]太阳能自动跟踪系统研究[J]. 葛海浪,臧勇,唐友亮,杨凯程. 计算机测量与控制. 2019(06)
[6]一种双轴跟踪光伏支架的结构优化设计[J]. 边明茹. 机械研究与应用. 2019(02)
[7]太阳能电池板自动跟踪系统的分析与研究[J]. 邱燕. 自动化与仪器仪表. 2019(04)
[8]光伏电池板的光线自动化追踪模式研究[J]. 张雪珍. 自动化应用. 2019(04)
[9]基于单片机的双轴太阳能跟踪系统设计[J]. 段开源,刘成国,张文涛. 电子设计工程. 2019(08)
[10]光伏发电的双轴自动跟踪控制系统[J]. 王聪. 电工技术. 2019(06)
硕士论文
[1]光伏发电双轴自动跟踪与监控系统的研究[D]. 王聪.安徽理工大学 2019
[2]高精度太阳位置跟踪关键技术研究[D]. 张康龙.西安工业大学 2019
[3]光伏发电双轴跟踪系统的研究与设计[D]. 王万乐.山东科技大学 2018
[4]基于太阳能自动跟踪技术的光伏发电系统研究[D]. 张双华.武汉工程大学 2018
[5]光伏跟踪系统设计与控制算法研究[D]. 刘韦辰.西安建筑科技大学 2018
[6]太阳能自动跟踪控制系统的设计[D]. 张智文.东北农业大学 2017
[7]太阳能电池板追光系统的研究[D]. 王阳.沈阳工业大学 2017
[8]太阳能光伏结构的力学研究[D]. 陈铎民.华中科技大学 2016
本文编号：3343761
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