太阳能双轴跟踪控制器的研究

【摘要】：太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生绿色能源,其开发利用有着现实的社会意义。但由于现有技术条件的限制,光伏发电转换效率普遍较低、发电成本较高,严重的制约了光伏发电的应用普及,所以必须要研究提高光伏发电效率的方法。本文研究的就是一种采用双轴跟踪模式,自动控制太阳光的入射角度,从而提高发电效率的控制系统。本文研究的太阳能双轴跟踪控制器有两种跟踪模式。在正常情况下,采用光电跟踪；特殊情况下采用数据库跟踪模式。这样既能保证实时精确跟踪和数据库数据的更新,又可以排除天气的不利影响。该系统在采用四点式双轴光电跟踪的基础上又引入了数据库跟踪的新方式,这两种跟踪模式能够自动切换,从而避免了单一光电式跟踪的弊端,使得跟踪效果更加稳定可靠。为了防止大风天气损坏太阳能电池板,在跟踪控制装置中加入了风速检测处理,当风速超过规定值时,采取避风措施。在方位角的跟踪过程中,为防止由于跟踪装置已到达极限位置,电机由于其他原因仍继续工作而导致电机的损坏,在跟踪装置中又加入了限位控制。为降低跟踪系统的功耗,在控制步进电机的工作过程中,利用电机在不送脉冲1秒后步进电机相电流自动减半的特点来降低能耗；同时又利用了单片机内部时钟分频、夜间掉电处理以降低系统功耗。本系统以单片机STC15F2K16S2为控制核心,设计了整套自动跟踪装置。该系统成本较低、跟踪效果较好、精度高、结构简单、操作方便,可广泛应用于光伏发电系统,能极大的提高光电转换效率。 【关键词】：光电式跟踪 数据库跟踪 双轴跟踪 细分驱动 风速检测
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.1.1 课题研究背景10-11
• 1.1.2 课题研究的意义11
• 1.2 在研课题现状11-12
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12
• 1.3 目前存在的主要问题12-13
• 1.4 本课题研究的主要内容13
• 1.5 论文结构13-15
• 2 太阳能双轴跟踪控制器的总体设计15-20
• 2.1 太阳能跟踪控制器的功能与技术指标15
• 2.1.1 跟踪控制的功能要求15
• 2.1.2 太阳跟踪控制器的技术指标要求15
• 2.2 太阳跟踪方式的确定15-16
• 2.2.1 天文跟踪模式15
• 2.2.2 光电跟踪模式15-16
• 2.2.3 复合跟踪模式16
• 2.2.4 本次采用的跟踪模式16
• 2.3 跟踪装置的确定16-17
• 2.4 系统的总体构成与跟踪原理17
• 2.5 控制芯片的确定17-18
• 2.5.1 选择微控制器17-18
• 2.5.2 STC15F2K16S2单片机特点18
• 2.6 本章小结18-20
• 3 太阳能双轴跟踪控制器的硬件电路设计20-40
• 3.1 硬件电路总体设计方案20
• 3.2 控制系统实现的功能20-21
• 3.3 STC15F2K16S2单片机在跟踪控制系统中的应用21-24
• 3.3.1 STC15F2K16S2单片机的特性21
• 3.3.2 STC15F2K16S2单片机外部接口21-22
• 3.3.3 STC15F2K16S2单片机的引脚分配22
• 3.3.4 单片机最小系统电路22-24
• 3.3.4.1 单片机最小系统122-23
• 3.3.4.2 单片机最小系统223-24
• 3.4 风速传感器电路的设计24-25
• 3.4.1 风速传感器的选择24
• 3.4.2 风速传感器输出模式的选择24-25
• 3.4.2.1 电压型输出模式24
• 3.4.2.2 电流型输出模式24
• 3.4.2.3 脉冲型输出模式24-25
• 3.4.2.4 数字型输出模式25
• 3.5 方位传感器的电路设计25-29
• 3.5.1 光敏元件的选择25-27
• 3.5.2 光电检测跟踪装置的设计27-29
• 3.6 步进电机及其驱动电路设计29-34
• 3.6.1 步进电机的特点29-30
• 3.6.2 步进电机的选择30
• 3.6.2.1 步进电机分类30
• 3.6.2.2 步进电机型号选取30
• 3.6.3 步进电机接线30-31
• 3.6.4 SH-2024细分驱动器31-33
• 3.6.4.1 软件控制31
• 3.6.4.2 硬件控制31
• 3.6.4.3 细分驱动器原理31
• 3.6.4.4 SH-2024细分驱动器的使用31-33
• 3.6.5 步进电机驱动电路设计33-34
• 3.7 系统时钟设计34-36
• 3.7.1 DS1302芯片简介34
• 3.7.2 DS1302引脚功能34-35
• 3.7.3 DS1302电路设计35-36
• 3.8 外围电路的设计36-39
• 3.8.1 按键电路的设计36-37
• 3.8.1.1 独立式按键电路36
• 3.8.1.2 A/D转换式按键电路36-37
• 3.8.2 LCD显示电路的设计37-38
• 3.8.3 接近开关电路的设计38
• 3.8.4 电源设计38-39
• 3.9 本章小结39-40
• 4 太阳能双轴跟踪控制器的软件设计40-58
• 4.1 程序整体结构的设计40-41
• 4.1.1 程序的整体结构设计40-41
• 4.1.2 Keil uVision4简介41
• 4.2 步进电机模块程序设计41-43
• 4.2.1 步进电机相关的参数确定42
• 4.2.2 步进电机工作流程图42-43
• 4.3 光电跟踪模块设计43-44
• 4.4 数据库跟踪程序设计44-49
• 4.4.1 E~2PROM扇区分配44-46
• 4.4.2 E~2PROM扇区的操作46-48
• 4.4.2.1 ISP/IAP操作所用寄存器46-47
• 4.4.2.2 扇区的擦除47
• 4.4.2.3 扇区的单节读写47
• 4.4.2.4 扇区的多字节读写47-48
• 4.4.3 数据库备份跟踪程序设计48-49
• 4.5 风速传感器程序设计49-50
• 4.6 时钟电路的程序设计50-52
• 4.7 显示模块的程序设计52-53
• 4.8 按键电路的程序设计53-55
• 4.9 低压检测的软件设计55-56
• 4.10 系统节能与可靠性设计56-57
• 4.10.1 系统节能56
• 4.10.2 可靠性设计56-57
• 4.11 本章小结57-58
• 5 软硬件联合调试58-62
• 5.1 程序下载说明58
• 5.2 显示电路测试58
• 5.3 按键电路测试58
• 5.4 风速传感器电路测试58-59
• 5.5 光敏电路输出电压测试59
• 5.6 数据库跟踪模式测试59
• 5.7 系统整机测试59-60
• 5.8 跟踪系统各模块实物及样机图60-61
• 5.9 本章小结61-62
• 6 总结与展望62-64
• 6.1 全文总结62
• 6.2 展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-66

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