光伏发电自动跟踪系统集控方案分析与设计
光伏发电系统中的跟踪装置设计与控制
光伏发电系统中的跟踪装置设计与控制随着能源危机和环境保护意识的不断提高，太阳能作为清洁能源的代表，正越来越受到人们的重视。
光伏发电系统作为利用太阳能进行发电的一种方式，已经被广泛应用于各个领域。
在光伏发电系统中，跟踪装置的设计与控制起着至关重要的作用。
一、跟踪装置的概念和作用在光伏发电系统中，跟踪装置是指可以根据太阳的位置实时调整太阳能电池板的角度和方向，使电池板能够始终朝向太阳，最大限度地接收太阳能，并转化为电能的装置。
跟踪装置的作用是提高太阳能电池板的转换效率，增加发电量。
二、跟踪装置的设计原理1. 光敏传感器光敏传感器是跟踪装置的核心组成部分之一，用于检测太阳的位置和强度。
常用的光敏传感器有光电二极管、硅光电池等。
传感器将通过测量太阳的位置和强度，向控制系统发送信号，以实现跟踪装置的调整。
2. 控制系统跟踪装置的控制系统根据光敏传感器的反馈信号，调整太阳能电池板的角度和方向。
控制系统可以采用单片机或者PLC等设备，通过程序控制定时器、电机和气动系统等，实现对太阳能电池板的精确控制。
3. 组件选择和机械结构设计跟踪装置的成功与否还与组件选择和机械结构设计密切相关。
组件选择需要考虑太阳能电池板的大小、重量、建筑环境等因素，选择合适的材料和电机。
机械结构设计需要考虑转动平稳性、风荷载、抗震性等因素，确保跟踪装置的稳定性和可靠性。
三、跟踪装置的控制策略1. 零误差控制策略零误差控制策略是指让太阳能电池板与太阳完全一致的策略。
通过精确测量太阳的位置和强度，并实时调整太阳能电池板的角度和方向，使其始终与太阳保持完美对齐。
这种控制策略通常适用于精密的光伏发电系统，如太阳能航天器等。
2. 模糊控制策略模糊控制策略是指根据太阳的位置和强度，采用模糊的控制规则进行调整。
模糊控制器将太阳的位置和强度与预设的模糊规则进行匹配，根据匹配结果调整太阳能电池板的角度和方向。
这种控制策略适用于一般的光伏发电系统，可以在一定程度上提高发电效率。
单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计
单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计引言：太阳能光伏发电已经成为可再生能源中最受关注的一种技术。
光伏发电效率受到太阳光照的影响，传统的固定光伏发电系统效率较低。
为了优化光伏发电系统的效率，设计了一种单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统，能够根据太阳位置自动调整光伏板的角度，最大限度地提高太阳能的利用效率。
一、系统工作原理：该单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统由光敏电阻、测量电路、控制电路和执行机构组成。
光敏电阻负责感应太阳光照强度，传递给测量电路进行电信号转换。
控制电路接收到转换后的信号，并与事先设定的峰值进行比较。
然后，根据比较结果来控制执行机构，使光伏板按需自动调整角度。
二、光敏电阻的选择：光敏电阻是该系统中最重要的一个元件，因为它直接影响到系统的准确度和稳定性。
在选择光敏电阻时，需要考虑以下因素：光敏电阻的特性曲线、光敏电阻的响应时间、光敏电阻的阻值范围等。
一般建议选择具有较高灵敏度和稳定性的光敏二极管。
三、测量电路设计：测量电路的作用是将光敏电阻的电信号转换为适合控制电路处理的电信号。
测量电路一般由信号放大器、滤波器和模数转换器构成。
信号放大器用于放大光敏电阻产生的微弱电信号，滤波器用于去除噪声和杂散信号，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。
在设计过程中，需要合理设置放大系数和滤波参数，以确保测量电路的准确性和稳定性。
四、控制电路设计：控制电路是系统的核心部分，其功能是根据光敏电阻测量电路输出的信号，与事先设定的峰值进行比较，并根据比较结果来控制执行机构进行角度调整。
控制电路一般由比较器、运算放大器和逻辑电路构成。
比较器用于将输入信号与参考信号进行比较，运算放大器用于放大比较结果的差别，逻辑电路用于判断角度调整方向，并控制执行机构的运动。
五、执行机构设计：执行机构是该系统中最关键的部分，其功能是根据控制电路的指令，使光伏板按需自动调整角度。
常见的执行机构有两种：电动执行机构和气动执行机构。
光伏发电自动跟踪系统的设计
光伏发电自动跟踪系统的设计一、本文概述随着全球能源危机和环境问题的日益严重，可再生能源的开发和利用受到了越来越多的关注。
其中，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式，具有广泛的应用前景。
然而，传统的光伏发电系统往往存在固定安装、无法有效跟踪太阳位置的问题，导致能量接收效率不高。
因此，本文旨在设计一种光伏发电自动跟踪系统，以提高光伏电池板的能量接收效率，从而推动光伏发电技术的发展和应用。
本文首先介绍了光伏发电的基本原理和现状，分析了传统光伏发电系统存在的问题和不足。
然后，详细阐述了光伏发电自动跟踪系统的设计原理和实现方法，包括硬件设计和软件编程两个方面。
在硬件设计方面，介绍了系统的主要组成部分，如传感器、电机驱动器等，并阐述了它们的工作原理和选型依据。
在软件编程方面，介绍了系统的控制算法和程序流程，包括太阳位置计算、电机控制等。
本文对所设计的光伏发电自动跟踪系统进行了实验验证和性能分析，证明了该系统的有效性和优越性。
也指出了该系统存在的不足之处和改进方向，为未来的研究提供了参考和借鉴。
通过本文的研究和设计，旨在为光伏发电领域提供一种高效、可靠的自动跟踪系统解决方案，推动光伏发电技术的进一步发展和应用，为实现可持续发展和环境保护做出贡献。
二、光伏发电原理及关键技术光伏发电是利用光生伏特效应将光能直接转换为电能的发电方式。
当太阳光照射到光伏电池上时，光子与光伏电池内的半导体材料相互作用，激发出电子-空穴对。
这些被激发的电子和空穴在光伏电池内部电场的作用下分离，形成光生电流，从而实现光能向电能的转换。
光伏发电的关键技术主要包括光伏电池材料的选择、光伏电池的结构设计、光电转换效率的提升以及系统的集成与优化。
光伏电池材料是光伏发电的基础，常用的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及薄膜光伏材料等。
不同材料具有不同的光电转换效率和成本，因此在选择时需要综合考虑性能和经济性。
光伏电池的结构设计也是影响光伏发电效率的重要因素。
光伏发电自动跟踪系统的设计
引言随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越大。
同时，大量化学燃料的使用，导致能源的迅速短缺与环境污染日益突出。
近年来由于人们对能源环境问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的高度重视。
因此，清洁、可再生的新能源的应用已成为必然的趋势。
人类在开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭而被新的能源所取代。
人类必然及早寻求新的替代能源，研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。
根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，即2050年直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13%到15%之间，而整个可再生资源在能源结构中的比例将大于50%。
太阳能将是目前大量应用的化石能源的主要替代能源之一。
以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源。
它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境，走经济社会可持续发展的必经之路。
第一章概述太阳能作为一种有巨大能量的可再生能源。
每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。
开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少的污染。
太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。
不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。
1.1 选题意义1.1.1 太阳能是化石能源的主要替代能源之一在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。
随着经济的发展，人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。
随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。
在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。
基于太阳能光伏发电自动跟踪式系统的设计
５ ｍ ｉ ｎ每 个 太 阳能 光 伏 板 调 整 一 次与 太 阳 的 电池 板 是 将 接 受 的 太 阳 能 转 化 为 电能 。 然 而 太 阳在 天 空 的 位 工 作 的 方 式 ．每 ２ 每 两周 调 整 一 次和 太 阳的 上 下 对 应 。 置每 时每 刻都 在 变化 ， 若 想 太 阳 能 电 池 板 能 输 出最 大功 率 ， 太 左 右 对 应 ，
需要 用 太 阳 光 自动 跟 踪 系统 。 该 系统 具 有 高抗 干 扰 性 、 高稳 定
性、 高可 靠 性 ， 因 此 可 以 广 泛推 广 应 用 。
２ 太阳能光伏发 电 自动跟踪控制 系统简介
太 阳 能 光 伏 发 电 自动 跟 踪 系 统 的 目 的 就 是 使 太 阳 能 光 伏
向 电 阻值 大 的 一 端 旋 转 。 第一 步 对 左右 ２个 光敏 电 阻 的 阻 值 进 行 比较 ，通 过 左 右 旋 转 调 整 直到 ２个 光敏 电 阻 的 阻值 相 等 照射 太 阳 能 光 伏板 ， 发 电效 率 才会 达 到 高 。 因 而保 持 太 阳 能光 时停 止 旋 转 ；第 二 步 对 水 平 上 方的 电 阻 阻值 和 左 右 方 向 其 中 伏 板 能 与 太 阳 光 垂 直 最 大化 地 接 收 太 阳辐 射 能 就 显 得 十 分 重 的 一 个 电 阻 阻值 进 行 比较 ，通 过 上 下旋 转调 整 直 到 两 个 光敏 要 。目前 最 典 型 的 三 种 跟 踪 系统 分 别 是 单 轴 跟 踪 系统 、 双 轴 跟 踪 系 统和 固 定 式跟 踪 系统 。 和 固定 式 跟 踪 系统 相 比 ． 单 轴 跟 踪 系统 和 双 轴跟 踪 系统 的 日用 功 率 和 年 输 出功 率 高 ．但 从 系统 结构 和成 本 上 来说 ． 单 轴 跟 踪 系统 结 构 简单 、 成本较 。
单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计
单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计摘要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用太阳能等可再生能源已成为人们的共识。
利用洁净的太阳光能，以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。
本课题主要论述了单轴太阳能自动跟踪系统的设计方法。
对自动跟踪控制系统的组成及其功能进行了详细的分析与研究，采用单片机AT89C52作为控制芯片，设计了整套自动跟踪装置。
所设计出的系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点。
单轴太阳能自动跟踪系统通过单片机控制系统自动跟踪太阳方位角，高度角可手动进行调整,使太阳能电池保持较大的发电功率。
通过对单轴自动跟踪系统与双轴自动跟踪系统发电效率的比较,理论证明它的可行性。
本设计取消了用于检测太阳能电池板法线与太阳光线间夹角的传感器，而直接利用太阳能电池板发电量作为角度调节依据实现控制。
我国牧区大量使用的是无跟踪的光伏系统，太阳能发电效率较低。
本文所述的单轴跟踪系统，结构简单，性价比高，特别适宜在这些地区使用。
关键词：光伏系统；太阳角自动跟踪；单轴跟踪系统AbstractWith the resources being used continuously, the energy structure based on Conventional energy resources will not more and more adapt to requirement of sustainable development. So accelerating the exploitation and utilization of renewable resources that solar energy is principle part has been our common ideas. Using the clean solar light energy, the technology of photovoltaic generating electricity is very promising. The thesis presents a new optimal design method.This thesis mainly describes a method of single axis solar energy automatic tracing system. Every part of this automatic system and its function are analyzed in detail. A set of automatic tracing device is designed with Microcontroller AT89C52. This system has four characteristics, such as smaller cubage, lower power, lower cost, more robust despite strong interfere. Moreover, some programs are designed to debug the designed system, to test its reliability and the results of test are given.Single axis solar energy automatic tracing system follows the orientation angle with Microcontroller system. Height angle can be adjusted by hand, it makes the solar cell keep the higher electricity power.The single axis solar energy automatic tracing system is compared with the double axis solar energy automatic tracing system. we testify its feasibility in theory. Double axis solar energy automatic tracing system consists of solar transducer, this device gets rid of transducer , it uses power of solar cell as angle regulation basis to realize controlling.In a pasturing area of our country, they use photovoltaic system without tracing device, solar electricity efficiency is lower, the tracing system we designed has better tracing effect, its configuration is simple, the capability price ratio is high, it is adapt to be use there in particular. Key words Photovoltaic system; Solar angle automatic tracing; Single axis tracing system 目录中文摘要 (I)Abstract.......................................................................................................II 1 引言. (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题内容..................................................................................... . (1)2 自动跟踪控制的总体设计方案 (2)2.1 控制方法的确定 (2)2.1.1 本课题设计方法的提出 (3)2.1.2 单轴自动跟踪系统数学模型的建立 (4)2.2 设计任务 (4)2.2.1 设计目标................................................................................... .. (4) 2.2.2 设计要求 (4)2.3 总体设计方案 (5)2.3.1 硬件设计方案 (5)2.3.2 软件设计方案 (6)2.4 可靠性设计 (6)2.4.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术 (6)2.4.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术 (7)3 太阳能光伏发电系统的基本组成 (9)3.1 概述 (9)3.2 太阳能电池 (9)3.2.1 太阳能电池工作原理 (9)3.2.2 太阳能电池的分类 (10)4 太阳能辐射能量分析 (13)4.1 日照时间和太阳位置的计算 (13)4.1.1太阳能中天文参数的计算 (13)4.1.2水平面太阳位置的计算 (14)4.2 太阳辐射能的有关计算 (15)5 控制系统的硬件设计 (16)5.1 总体设计方案 (16)5.2 单片机AT89C52简介 (16)5.3 时钟芯片的选择 (17)5.4 印刷版电路的制作 (17)5.5 电机控制电路 (18)5.6 电机驱动电路 (19)6 控制系统的软件设计 (21)6.1 主程序设计 (21)6.2 喂狗程序 (21)6.3 电机驱动程序设计 (24)6.4 数据采集处理程序设计 (24)6.4.1 数据采集子程序 (24)6.4.2 数据处理子程序 (25)6.5 外部中断INT0 中断服务程序设计 (26)6.6 自动控制的优化设计 (27)7 结论 (28)8 致谢 (29)参考文献 (30)附录系统总原理图1引言1.1 课题背景能源问题关系到经济是否能够可持续发展。
单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计(基于TA89C52单片机)毕业设计论文
单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计(基于TA89C52单片机)毕业设计论文单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计1 引言11 课题背景能源问题关系到经济是否能够可持续发展一次能源的日益枯竭已引起全世界的极大关注现在人们常用的一次能源有煤炭石油原子能等占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的不可再生的太阳是个巨大的能源地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的太阳辐射能与煤炭石油核能相比较有如下的优点1普遍性地球上处处都有太阳能不需要到处去寻找去运输2无害性利用太阳能作为能源没有废渣废料废气废水的排放没有噪声不会污染环境没有公害3长久性只要有太阳就有太阳能因此太阳能可以说是取之不尽用之不绝 4巨大性一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍12 课题内容我国目前已开始在牧区普及使用无跟踪装置的户用太阳能光伏系统但由于太阳能电池价格昂贵无跟踪装置的光伏系统发电效率较低普遍推广应用受到影响相对于无跟踪装置的光伏系统双轴自动跟踪系统虽然能提高发电效率约提高50但其造价高结构复杂维护困难也难以在牧区推广使用针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善此方法必须满足低成本高可靠性高性价比单轴自动跟踪系统和双轴自动跟踪系统相比结构更简单且费用最低单轴太阳能电池自动追踪系统主要包括机械部分和控制部分机械装置由电机驱动可以使电池板水平方向角为0°- 180°控制部分主要由单片机系统构成单片机系统具有成本低智能化程度高扩展性强等优点由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制垂直方向角变化不大可以手动进行调整太阳能电池板转换的电能信号由转换装置送入单片机通过驱动电机使太阳能电池板朝着与太阳垂直的方向转动本课题研究的重点及难点1建立严格的单轴自动跟踪数学模型并与双轴自动跟踪系统进行效率比较从理论上证明它的可行性2通常自动跟踪系统须采用传感器把电池板法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号以实现跟踪本设计考虑到它主要是牧区等阳光充足地区的居民使用所以要满足高性价比取消了传感器而直接利用太阳能电池板发电量作为电信号输入单片机实现跟踪增加了测控难度3自动跟踪系统应能排除阴雨天太阳被云层遮挡引起的输出变化负载变化引起的输出功率变化引起的干扰本设计的主要特点1采用先进的微电子控制技术AT89C52 单片机为跟踪控制器的核心充分利用其内部功能体积小功耗低2性价比高具有良好的应用前景2 自动跟踪控制的总体设计方案21控制方法的确定211 本课题设计方法的提出双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的系统它的跟踪效果好可提高发电量是一种非常有前途的方法但适用于较大型的太阳能发电系统中我国牧区无跟踪光伏系统太阳能发电效率较低针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善此方法必须满足低成本高可靠性高性价比单轴自动跟踪系统和固定式光伏发电系统相比跟踪效果好结构简单且费用较低太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法我们对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进设计出具有很好性能价格比的单轴自动跟踪系统满足牧区的实际需要单轴太阳能发电自动跟踪系统示意图如图41 所示图21单轴太阳能发电自动跟踪系统图22自动跟踪系统跟踪示意图太阳能电池板与地面水平面南北方向成α角此高度角可手动进行调整东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪始终追随太阳的东西方位使太阳能电池保持较大的发电功率后面部分有详细的设计内容这里就不具体介绍了212 单轴自动跟踪系统数学模型的建立如图22 所示建立坐标系一XYZ此时日地心连线为X 轴过地心且与地球轨道平面垂直的直线为Z 轴过地心且与XZ 轴都垂直的直线为Y 轴方向如图所示中午时刻太阳能电池板与太阳光直射方向垂直此时太阳能电池板与地平面的夹角为δφ建立坐标系二XYZ它是坐标系一以Y轴为旋转轴旋转235°得到的假定观测点所在地与地心距离为rAB 的长度为l点A 位于纬度φ中午12 时AB平行于Z 轴且在Z0 的平面在坐标系一下A 点和B 点的坐标分别为XA1 r cosφ δYA1 0 ZA1 r sinφ δXB1 r cosφ δYB1 0ZB1 r sinφ δ l在坐标系二下A 点的坐标和B 点的坐标分别为XA2 r cos φYA2 0ZB2 r sin φXB2 r cosφ l sin 235°YB2 0ZB2 r sin φ l cos 235°地球绕自转轴旋转的角速度为设旋转时间为t 小时此时在坐标系二下A 点旋转ωt角度变为a点B 点旋转ωt角度变为b点此时a点的坐标和b点的坐标分别为Xa1 r cos φcos ωtYa1 r cos φsin ωtZa1 r sin φXb1 r cos φ l sin 235°cos ωtYb1 r cosφ l sin 235°sin ωtZb2 r sin φ l cos φ在坐标一下a 点和b 点的坐标分别为Xa2 r cosφcosωt r sinφtg 235°cos 235此时直线ab 在XOZ 平面投影的直线的斜率为22 设计任务221 设计目标课题设计目标根据太阳辐射能的特点光伏电池的特性实现对太阳能方位角的跟踪222 设计要求课题设计要求自动跟踪的实现所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机需设计合理的程序近而对电机进行控制适时改变电池板的角度抗干扰性为保证跟踪的准确性系统必须具有较强的抗干扰能力设计应从硬件和软件两方面着手来抑制系统的干扰23 总体设计方案231 硬件设计方案国内外目前已有了很多光伏电站太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统发电成本还很高不利于跟踪系统的推广与发展提高发电效率是降低成本的捷径我们开发的太阳能电池自动跟踪系统使太阳能电池板始终对着太阳保持最大的发电效率具有成本低等优点有较好的推广应用价值太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件同样的一块太阳能板由于放置的角度不同所接受的光辐射能就不同产生的电能就不同因此为了提高太阳能电池电能的产量可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位角的变化而实现跟踪如下是我们研制的单轴太阳方位角跟踪系统太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分机械部分主要由电池板支架底座和直流电机构成控制部分驱动电机可以使电池板在东西方向上的0-180度自由旋转控制部分主要由软件算法构成具有成本低智能化程度高扩展性强等优点高度角可以手动进行调整太阳能自动跟踪系统框图如图23所示太阳能发电自动跟踪系统主要由五部分组成即光电转换装置由太阳能电池构成输入装置单片机控制系统信号放大装置和直流电机由于考虑到最低成本的问题此设计未使用太阳传感器直接利用太阳能电池板的电信号作为单片机控制系统的输入信号图23 系统框图太阳跟踪系统的支撑结构常见的有框架式轴架式和旋转台式三种前两种形式是将光伏阵列安装在可进行太阳时角跟踪的轴向移动固定框架或轴架上其特点是结构简单价格便宜安装方便适用于支撑单轴跟踪的小功率光伏阵列可额外附带简单的季节性仰角调节功能旋转台式形式是一个较大的可进行时角跟踪的旋转台上安装可进行仰角跟踪的光伏阵列它适用于支撑大功率的双轴跟踪光伏阵列其缺点是结构复杂造价较高本设计考虑到高性价比采用轴架式232 软件设计方案根据本课题的设计任务及系统的硬件结构系统的软件设计方案如下单片机软件设计包括跟踪系统主程序设计INT0中断服务程序设计电机驱动程序设计串口发送程序数据采集和处理程序通信控制系统程序设计24 可靠性设计由于现场环境复杂和各种各样的电磁干扰单片机应用系统的可靠性设计抗干扰技术的应用变得越来越重要本设计分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统抗干扰能力的方法241 单片机应用系统的硬件抗干扰技术一供电系统为防止从电源系统引入干扰采取直流稳压电源保证供电的稳定性防止电源的过压和欠压二注意印刷电路板的布线与工艺印制电路板布置接地网可防止产生地电位差和元件之间的耦合印制电路板合理分区模拟电路区数字电路区功率驱动区尽量分开地线不能相混分别和电源端的地线相连元件面和焊接面采用相互垂直斜交或者弯曲走线避免相互平行以减少寄生耦合避免相邻导线平行段过长加大信号线间距高频电路互联导线尽量短使用45度或者圆弧折线布线不要使用90度折线以减小高频信号的发射印制电路板按单点接电单点接地的原则送电三个区域的电源线地线分三路引出地线电源线要尽量粗噪声元件与非噪声元件尽量离远一些时钟振荡电路部分用地线圈起来让周围电场趋近于零三用满足系统要求的最低频率的时钟时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件在石英晶体振荡器下面加大接地的面积而不走其它信号线四驱动器件功率放大器件尽量靠近印制板的边靠近引出接插件重要的信号线尽量短并要尽量粗并在两侧加上保护地五原则上每个IC元件要加一个去耦电容布线时去耦电容尽量靠近电源脚和接地脚去耦电容焊在印制电路板上时引脚尽量短六闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入单片机不用的IO口定义成输出七提高元器件的可靠性选用质量好的电子元件并进行严格的测试筛选和老化设计时元件技术参数要有一定的余量提高印制板和组装的质量242 单片机应用系统的软件抗干扰技术一数据采集误差的软件对策用软件滤波算法可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的输出控制错误最常用的方法有算术平均值法比较舍取法中值法一阶递推数字滤波法本设计根据信号的变化规律选择算术平均值法对输入量采用多次采集的办法来消除开启的抖动二程序运行失控的软件对策对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态并及时将系统引导到初始状态软件冗余技术AT89C52所有指令都不超过3个字节且多为单字节指令指令由操作码和操作数组成操作码指明CPU完成什么样的操作单字节指令仅有操作码隐含操作数CPU受到干扰后PC内容发生变化当程序弹飞到某一单字节指令时便自动纳入正规当跑飞到某一双字节或3字节指令时若恰恰在取指令时刻落到其操作数CPU 就将操作数当做操作码来执行引起程序混乱因此软件设计应采用单字节指令并在关键的地方人为地插入一些空操作指令NOP或将有效的单字节指令重写这称为指令冗余在实际软件设计中往往在双字节指令和3字节指令之后插入2个NOP 可以保证程序跑飞后其后面的指令不会拆散后面的程序可以正常运行在那些对程序流向起决定作用的指令例如在RETRETIACALLLJMPJZJNC等之前也插入2条NOP可保证跑飞的程序迅速进入正确的控制轨道软件陷阱技术软件冗余技术适用于干扰后PC指向不正确的程序区当跑飞程序进入非程序区例如EPROM未使用的空间或表格区时使用冗余指令的措施已不再适用可采用软件陷阱的办法拦截跑飞程序将其迅速引向一个指定的位置执行一段对程序运行出错的处理程序软件陷阱可采用以下形式NOPNOPLJMP ERROR ERROR为指定地址安排有出错处理程序软件陷阱可安排在下面几个区域a未使用的中断向量区当干扰使未使用的中断开放并激活这些中断时就会引起系统程序的混乱如果在这些地方设置陷阱就能及时捕捉到错误中断 b未使用的EPROM区假设使用了1片EPROM芯片2764但程序并没有用完这个2764芯片的区域这些非程序区可以用020000数据填满020000是指令LJMP0000H的机器码当跑飞程序进入此区后便会迅速自动进入正确轨道 c数据表格区由于表格中内容和检索值有一一对应关系在表格中安排陷阱将会破坏其连续性和对应关系应在表格区的尾部设置软件陷阱 d程序区前面已介绍跑飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决也可以设置软件陷阱更有效地抑制程序跑飞程序设计常采用模块化设计模块化的程序是由一序列执行指令构成的一般不能在这些指令串中间任意安排陷阱否则正常执行的程序也可能被抓走可以将陷阱指令分散放置在各模块之间的空余单元中正常程序中不执行这些陷阱指令但程序跑飞一旦进入陷阱区马上将程序拉回正确轨道e非EPROM芯片空间除了EPROM芯片占用的地址外还剩余大片未编程的EPROM空间当PC跑飞进入这些空间时读入数据为0FFH对单片机而言相当于指令MOV R7A将修改R7的内容当CPU读程序存储器时会产生一个低电平信号PSEN可利用该信号和EPROM的地址译码信号产生选通信号引起一个空闲的中断在中断服务程序中设置软件陷阱将跑飞程序拉入正规看门狗技术当跑飞的程序落到非程序的数据表格区或跑飞的程序在没有碰到冗余指令之前已经自动形成一个死循环则指令冗余和软件陷阱均无法使失控程序摆脱死循环这时可采用看门狗WATCHDOG技术解决看门狗技术就是不断监视程序循环运行的时间若发现时间超过正常的循环时间则认为系统陷入了死循环这时强迫系统执行一段出错处理程序使系统脱离死循环转人正轨运行3 太阳能光伏发电系统的基本组成31 概述太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统并网运行光伏发电系统是指与电网相连可以给电网供电的光伏发电系统太阳能光伏发电系统一般由蓄电池太阳能电池方阵控制器逆变器交流配电设备等组成如图31 所示图31光伏放电系统框图当负载为直流时如通讯设备石油管道阴极保护等电源则可以省略逆变器和交流配电设备系统比较简单成本也降低如果发电系统与交流电网并联运行则可以省略蓄电池组控制器和逆变器合而为一系统的成本可以大大降低同时还可以减少由于蓄电池组造成对环境带来的影响可见太阳能并网发电系统是今后的主要形式但在我国广大的牧区和偏远无电地区户用光伏系统和风光互补系统在很长一个时期内将是主要的供电方式32 太阳能电池321 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体PN 结的光生伏打效应即当物体受到光照时物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应硅的外层电子受到太阳光辐射时成为自由电子同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中的空穴由于电子和空穴的扩散在结合的PN 半导体的交界面处即PN 结的两边形成内建电场又称势垒电场当太阳光照射PN 结时在势垒电场的作用下电子被驱向N 型区空穴被驱向P 型区从而使N 型区有过剩的电子P 型区有过剩的空穴形成了光生电场在N 型区与P 型区之间的薄层产生了电动势即光生伏打电动势接通外电路时便有电能输出如图32 所示那样当具有适当能量的光子入射于半导体时那么电子向N 型半导体扩散空穴向P 型半导体扩散并分别聚集于两个电极部分即负电荷和正电荷聚集于两端这样如用导线连接这两个电极就有电荷流动产生电能图32 太阳能电池的发电原理322 太阳能电池的种类太阳能电池按照材料的不同可分为如下三类1硅太阳能电池这种电池是以硅为基体材料的太阳能电池如单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池等制作多晶硅太阳能电池的材料用纯度不太高的太阳级硅即可而太阳级硅由冶金级硅用简单的工艺就可加工制成多晶硅材料又有带状硅铸造硅薄膜多晶硅等多种用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种 2硫化镉太阳能电池这种电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池如硫化亚铜硫化镉太阳能电池碲化镉硫化镉太阳能电池铜铟硒硫化镉太阳能电池等 3砷化镓太阳能电池这种电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池同质结砷化镓太阳能电池异质结砷化镓太阳能电池等按照太阳能电池的结构来分类其物理意义比较明确因而已被国家采用作为太阳能电池命名方法的依据323 光伏阵列特性一光伏阵列的I-V 方程光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件其输出的I-V 特性强烈地随日照强度和较强烈地随电池温度T 而变化其等效电路如图33 所示由于器件瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道因此结电容 C 在光伏能阵图33 光伏阵列单元等效电路列的理论分析中加以忽略规定图中电压电流方向得出光伏阵列的输出电流电压I-V方程为式3-1式3-1I L光电流AI 反向饱和电流Aq 电子电荷1610-19JKK玻尔兹曼常数13810-23JKT绝对温度KA二极管因子R S 串联电阻ΩR Sh 并联电阻Ω二光伏阵列 I-V 特性曲线由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的I-V 特性首先让我们来了解光伏阵列的几个重要参数1短路电流IsC为给定日照强度和温度下的最大输出电流2开路电压Voc为给定日照强度和温度下的最大输出电压3最大功率点电流Im在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流 4最大功率点电压Vm在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压 5最大功率点功率Pm在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率PmIm×Vm 其意义如图34 所图34 光伏阵列特性参数说明一太阳能光伏阵列在相同温度不同日照下的I-V 与P-V 特性图35不同日照下的I-V 关系曲线图图36不同日照下的P-V 关系曲线图图35图36 分别是太阳能光伏阵列在温度为25℃时不同日照S下表现出的电流-电压I-V和功率-电压P-V特性从图35 可知太阳能光伏阵列的输出短路电流Isc和最大功率点电流Im随日照强度的上升而显著增大也就是说式3-1中IL强烈地控制着I 的大小虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大但对电流与电压相乘的结果-最大输出功率来说变化显著如图2-6 中虚线与各实线的交点所示二太阳能光伏阵列在相同日照不同温度下的I-V 与P-V 特性图37 不同温度下的I-V 关系曲线图图38 不同温度下的P-V 关系曲线图图37图38 分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000Wm2 和在变化温度[T]的情况表现出典型的I-V 和P-V 特性可以看出温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大但对它的输出开路电压影响较大因而对最大输出功率影响明显见图38 各实线的波峰的幅值变化4太阳辐射能量分析太阳辐射资源变化极其复杂加上储能设备等因素需要建立合理的理论模型本课题在太阳辐射能方面做了研究工作主要介绍日照时间和太阳位置的计算以及太阳辐射能的有关计算41 日照时间和太阳位置的计算411太阳能中天文参数的计算1日地距离由于地球绕太阳的运行轨迹是一个椭圆所以地球与太阳之间的距离在一年之内是变化的日地平均距离及最大最小距离列在表31中到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方r r02成反比r0为日地平均距离r为任意时刻日地距离的准确值r r0210033cos360n365日期距离km 日期距离km1月1日147001000 7月1日1520030004月1日149501000 10月1日149501000表31 日地距离地变化2太阳赤纬角δ日地中心的连线与赤道面间的夹角每天实际是每一瞬间均处在变化之中这个角度称为太阳赤纬角δ2345°sin360×284n365式中n为一年中的日期序号从每年1月1日算起太阳赤纬随日期序号的变化见图32春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道即天赤道的δ 0北半球夏至的正午时刻太阳直射北回归线δ 2345°北半球冬至的正午时刻太阳直射南回归线时δ 2345°图32 太阳赤纬412水平面太阳位置的计算在太阳能的利用中必然要涉及到太阳高度角方位角日照时间等问题1太阳高度角αs地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角为太阳高度角太阳高度角αs 的计算公式为sin sin δsin φ cos δcos φcos ω式中δ太阳赤纬角φ当地的地理纬度ω当时的太阳时角其计算公式为ωTs 12 ×15°34式中Ts0-24h为每日时间时角上午为正下午为负2太阳方位角γs地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角就是太阳方位角太阳方位角γs的计算式为cos γsin sin φsin δ cos cosφs s ααs 353日出日没角ωhαsγsω±cos1tan φtan δ 36式中负值表示日出时角正值表示日没时角αs 0cos γ sin δ cos φs 374正午时刻γs 0385理论日照时间N 由下式给出 3942 太阳辐射能的有关计算日辐射与小时辐射一般从气象部门所能得到的太阳能辐射资料多为日总辐射量当需要用每小时的辐时数据时可根据日辐射数据来估算小时值用日总辐射量来推算小时辐射量的方法在晴天条件下结果和实际情况吻合5 控制系统的硬件设计51 总体设计方案本文设计的单轴自动跟踪电路主要包括电压电流传感器单元单片机控制单元和电机驱动电路如图51所示图51 自动跟踪控制电路结构框图电压传感器和电流传感器如图52和图53所示电流传感器采用50A150mV 的分流器和运算放大器AD820当负载一定时太阳能电池板的输出电压随输入光功率变化而变化通过电压传感器检测电压值可知道当前功率的大小进而可以得到太阳光线偏离太阳能电池板法线的角度变化当负载变化时电流值变化通过电流传感器可观测电流的变化情况当电流稳定后再通过检测电压传感器的电压值。
自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究
自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究引言随着全球能源需求的不断增加和环境问题的持续恶化，太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了广泛关注。
太阳能光伏发电系统是利用太阳能转化成电能的装置，已经成为追求可持续能源的重要途径之一。
然而，传统的固定式太阳能光伏发电系统存在着效率低下和难以灵活适应光照变化等问题。
为了提高光伏发电系统的能量利用效率，自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统应运而生。
一、自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统的原理与结构自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统是一种根据太阳位置变化自动调整发电板角度的系统，从而最大限度地接收太阳辐射能量。
该系统由发电板、跟踪器、电池和控制器等组成。
发电板是系统的核心部件，通过将太阳辐射能转化为电能。
采用高效率的太阳能电池板，能够更好地捕捉和转化太阳能。
跟踪器是负责控制发电板转动的装置，根据实时测量的太阳位置数据，自动调整发电板的角度，使其始终面向太阳，以获得最大光照面积。
电池则用于将光伏板产生的电能存储起来，以供夜间或阴天时使用。
控制器是整个系统的核心，负责协调发电板、跟踪器和电池之间的工作关系，确保系统的稳定和高效运行。
二、自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统的优势相较于传统的固定式太阳能光伏发电系统，自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统具有以下优势：1. 提高能量利用效率：自动跟踪系统可以根据太阳位置的变化调整发电板的角度，最大限度地吸收太阳辐射能，因此能够提高能量利用效率。
与固定式系统相比，能够将光能捕捉效率提高约30%。
2. 优化系统功率输出：跟踪器的自动调整功能可以确保发电板始终朝向光照最强的方向，最大限度地提高系统的功率输出。
3. 增加系统灵活性：传统的固定式系统在布置位置上较为受限，而自动跟踪式系统可根据太阳位置的变化进行角度调整，能更灵活地适应不同的光照条件。
4. 增加系统可靠性：自动跟踪系统具备自我调节和自我保护的功能，能够根据实时测量数据自主判断并进行适当的调整，保证系统稳定运行。
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一
年 中每 一天 不 同时刻 太 阳的位 置 。为 了确定 太 阳
（ ） 平坐 标 系 １地 地 平 坐标 系是 人 在 地 球 上 观 看 空 中 的 太 阳相
．
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・ 一 … ～ ～ ～
一
的位 置 。 们 引入地 平坐 标 系 。 我
对 地 平 面的位 置 ， 图 １ 如 所示 。
某 一 时 刻 太 阳 相 对 于 自动 跟 踪 系 统 的 地 理 坐 标 的相对 位置 用太 阳的方位 角 与高 度角来 表 示 。所 谓 的方 位 角 ， 的是 地平 面 上 正南 方 向线 与太 阳光 指 线 在 地 平 面上 投 影 间 的夹 角 ， 它表 示 太 阳光 线 的水
的 自转并 不 是 均 匀 的 ， 每天 并 不都 是 ２ ４小 时 ， 时 有
所 谓 时 角 是 指 地 面上 任 意一 点 与地 心 连线
在赤 道 平 面 上投 影 与 当地 ｌ ２点 钟 的太 阳至 地 球 中 心连 线在 赤道 平 面上 投影 之 间的 夹角 。时角描 述 因
地球 自转 而 引起 的太 阳 与地球 相对 位 置的 变化 。
图 １ 地 平 坐 标 系
阳赤纬 角ｆ 或称太 阳赤 纬）它 描述 地球 以一定 的倾 斜 。
度 绕太 阳公转 而引起 二者 相对 位置 的变化 。 年 中 ， 一 太 阳光线 在地 球表 面上 的垂 直 照射点 的 位置在 南 回
归线 、 赤道 和北 回归线 之问往 复 运动 ， 使该 直 射点 与
地 心连线 在赤 道面上 的夹 角也 随之 重复 变化 。 赤 纬 角 每 天 有 固 定 的 值 ，工 程 实 际 中 根 据 Ｃ ｏｅ ｏｐ ｒ国际通用 算法 近似 计算 得 到 ， 见公 式 （ ） １ ，不
是 常数 ， 某一 天 的赤 纬角 也是 定值 ， 同 时刻 的时 不
其 中 ： 一 年 中 的 日期 序 号 ， 元 旦 为 ： ＝ ， 分 ｎ为 如 ｎ ｌ春
角 ∞决定 了不 同时刻 太 阳的高 度角 和方位 角 。自动
效果几乎 没有什 么差 别 ．跟踪精 度 足够满 足 ＿ 程要 Ｔ
时 角 的大 小 跟计 时有 关 ， 我们 Ｈ常 用 的计 时是 平太阳时 ， 即假 设 地 球 绕 太 阳是 标 准 的 圆形 ， 年 一
中每 天都 是均 匀 的 。 每天都 是 ２ ４小 时 。 果考 虑地 如 球 绕 太 阳运 行 的轨 道是 椭 圆 的 ， 地 球 相 对 于太 阳 则
候 少 有 时 太 阳 时 。真 太 阳时 要 求每 天 的 中午 １ ２点 太 阳处在 头 顶
平面 投影 偏离 正南 方 向 的角度 。高度角 指 的是太 阳
光 线 和 它在 地 平 面上 投影 线 之 间 的夹 角 ， 它表 示 太 阳高 出水 平面 的角 度ｆ ３ １ 。 要 计 算 方位 角 与 高度 角 这 两个 参 数 ， 们 还 需 我 要 引 入赤 道坐 标 系。 （ ） 道坐 标 系 ２赤 赤 道 坐标 系是 人 在 地 球 以外 的宇 宙 空 间 里 看 太 阳相 对 于地 球 的位 置 ， 时 太 阳相 对 于地 球 的 位 这 置 是 相对 于赤 道平 面 而 言 ， 用赤 纬 角 和 时角 这 两 个 坐 标 表示 ， 图 ２所 示 。 如 所 谓 的赤 纬角 ６是 指太 阳 中心与 地球 中心 的连 线 ｆ 即太 阳光线 在 地球 表 面直 射点 与地 球 中心 的连 线１与此 连 线在 赤道 平 面上 的 投影 间 的夹 角称 为 太
影 响 工 程 应 用 精 度 ［ ６ ３ 。
ｃｓ － ｏ ％
粤！
Ｃ Ｓ ￣ ｓｎ ￣ Ｏ Ｏｓ ｌ ｑ ‘
（） ５
８３ ｘ （０ ８ｎ ＝． ｓ ３× ４ ） ２ ５ｉ ６ ＋ ４ｎ ２
（ １ ）
在 公 式 （） 公 式 （） ， 于某 地 来 说 ， 度 ４和 ５中 对 纬
能
～ｚ。 × ｍ＜ 一 ｚｃ ｚ
在 上 述 公 式 （）公 式 （ 、 式 （）的 计 算 基 础 １、 ２ 公 ） ３
上 ， 阳在地 平 坐 标 系 中位 置 可 以用 公式 （） 太 ４和公 式 ｆ） 计算 【 ５来 ９ ］ ： 太 阳高 度 角 Ｏ ： ／ ｓ ａ＝ ｉ￣・ ｎ ＋ ｏ￣・ｏ ＣＳ） ｉ ｓ ｎ ｎ ｓ ６ ｃｓ ｃ ・Ｏ（ ｉ ／ 式 中 ： 为 当地 纬度 。 太 阳方 位 角 ： （） ４
某 地 真太 阳 时 ＝ 京 时 间＋ ｎ （ 地 经 度 一 北 ４ｍｉｘ 某
１ ０ ） 真 太 阳时修 正 系数 ２ 。＋ ∞ （２ 真 太 阳时 ） １ 。 新 ＝ １一 ｘ ５ （ ） 阳位 置 的计算 ３太
（） ２ （） 源 ３
时角 ０ 的数值等 于离正午 的时 间（ ９ 小时） 以 ｌ。 乘 ５
跟 踪 控 制 系 统 根 据 上 述 的公 式 算 出 每一 时刻 的太
阳位 置后 。就 可 以发 出控 制 指 令 调 整 太 阳能 电池
最 高 。传 统 上确定 时 辰 ， 使用 真 太 阳时 ， 以要把 需 所 平 太 阳时调 整 为 真太 阳时 。我 们 用 的是 北 京 时 间 ，
北 京 时 间是 以西 安 的经 度定 的 ，而非 北 京 的 经度 。 地 理 经度 大 于东 经 １０ 贝 每 一经 度 加 ４ｍ ｎ ２ ｏ０ ｉ ，小 于 东 经 １０ 每度 则 减 ４ｍｉ 。 ２。 ｎ
【 ，一 － ’ ’ ／，一 －一 一７。 ．， 一 。 ， ・ ／ ‘ 赤道 面
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图 ２ 赤 遭 坐 标 系
为 ： ＝ １ ｎ ８。