太阳能跟踪器的设计和实用性分析
太阳能跟踪器的设计和实用性分析[20200408101603]
摘要
随着工业的快速发展和人口的急速膨胀，人类对能源有了更迫切的需求。太阳能有着取之不尽，用之不竭，干净，普遍的优点成了常规能源的最佳替代能源。本文是从应用的角度出发设计出了一种自动跟踪装置，是太阳能电池板始终保持与太阳光线垂直，从而提高太阳光的利用率。
常用的太阳能自动跟踪方法有两种方法，即光电检测追踪和视日运动轨迹追踪。本论文采用的是这两种方法的结合。晴天时，采用光电检测追踪；阴天时,采用视日运动轨迹追踪。在不同天气情况下，采用不同的方法，获得了良好地精确度，可以较科学地解决太阳能电池片效率低的问题。
本论文将分硬件部分和软件部分介绍，硬件详细介绍太阳能电池片，舵机，单片机最小系统，甲乙类功率放大电路，A/D转换模块，光敏传感器。软件部分将分析部分软件代码。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:光电检测追踪视日运动轨迹追踪太阳能单片机光敏电阻；
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的目的 1
1.3 太阳能自动跟踪装置 2
1.4 自动跟踪装置国内外研究的现状 2
2. 追踪系统硬件设计 4
2.1 硬件系统概述 4
2.2 单片机选择及最小系统 5
2.2.1单片机选择概述 5
2.2.2 AT89S52 5
2.2.3 单片机最小系统 5
2.3 光电检测模块 7
2.3.1 模块概述 7
2.3.3 模数转换模块ADC0832 8
2.4 机械转动模块 9
2.4.1 转动模块概述 10
2.4.2 舵机 10
2.4.3 舵机驱动 10
2.4.5 舵机控制 11
2.5 串口调试模块 11
3. 追踪系统软件设计 13
3.1 追踪系统软件概述 13
3.2 光电追踪 14
3.2.1 光电追踪软件概述 14
3.2.2 AD模数转换 17
3.2.2 舵机控制 18
3.3 视日运动轨迹追踪 19
3.3.1 太阳高度角计算 19
3.3.2视日追踪算法 20
4. 全文总结与实用性分析 23
4.1 实验结果 23
4.2 总结与实用性分析 26
参考文献 28
附录 29
致谢 30
1. 绪论
1.1课题研究的背景
跟着环球经济的急剧发展的脚步，人类生齿的数量也快速增加，全人类对能源需要亦然日益增长。人类在过去20年间，对能源的消耗增加了40%，因此寻找新能源成了人类面临的一项新挑战。
目前，全球的能源消耗主要来自化石能，水电和核电这三部分。化石燃料，包括天然气，石油和煤的资源。化石能源在使用中，不断地产生CO2和带有污染的烟气,CO2是一种温室气体，破换了地球原有的生态平衡。同时，跟着人类不断地挖掘，化石能的干涸是不可避免的。水电是固然是清洁动力，而且可再生。但是，它周期较长，投资较大，协作部门较多，同时又受着自然资源，地形，地质及水文气象等多方面影响，所以水电并不是一种较为方便的能源供给方式。使用原子核里面保存的能量发电是核电。核能一般情况下可以分为核裂变能和核聚变能。前者是由重原子能分裂产生能量，而后者是由轻原子核的融合产生能量。核能存在着不会造成污染空气的优势同时，也存在着核辐射和核爆炸的劣势。因此，寻找新能源成为了全球经济更好，更快，更长的必然选择。随着国家措施的逐步实施，技术的日益成熟，风能和太阳能在新能源中凸显出来。在寻找新能源的道路上，我国光伏产业也已迈开了坚实而稳定地脚步。
1.2课题研究的目的
人们的注意力不自觉地转移到了太阳能，因为它独占了巨大，长期，普及，无害等鲜有优势，但是其也存在着效率较低，本钱较高，其经济性还不能与煤，石油，天然气等传统动力相比拟的劣势。此外太阳能还存在着比较分散和稳定性不高的缺点。目前如何提高太阳能的发电效率和经济性已经成为了一个亟待解决的问题。
太阳能是一种密度较为均衡、普照存在间歇性、空间分布存在着不平均的特色动力能源，这样就要求我们对太阳能的收集的条件较高。除太阳能意外的其它动力在制造和使用过程中对环境和环球发展产生了负面影响，因此可以通过太阳能利用率的提高就而减少其它能源的大量使用，对于人类的现在的生活与未来发展意义重大。国际的研究热点和难点就是使太阳能的利用率提高达到最大幅度，这对现在利用太阳能发电的收集设备也意义重大。解决这一困难应该从两个方面着手：一、发电装置的能量转换效率的提高；二、发电装置中的接收装置的采集效率的增大【1】。
本论文旨在设计一种精度较高、结构较简、价格较低的自动跟踪系统，从而达到提高太阳能发电系统的实际效率。本系统的目的是适应不同气象条件，能够可靠地运转舵机，以达到提高实时追踪太阳的准确性。
1.3太阳能自动跟踪装置
太阳能追踪装置主要实现控制系统转动，保证太阳光垂直照射太阳能电池的功能。太阳能追踪装置实现主要有光电追踪和视日轨迹追踪[2]两种。光电追踪是由在不同位置具有一定排列的光电传感器的测量值来判断太阳所在位置，进而控制相应的机器装置，使太阳能电板保持与太阳垂直。视日运动轨迹追踪是根据所在地的经度，纬度和具体时间来计算太阳高度和太阳方位角[3]，从而驱动机械装置，达到电池与太阳垂直。光电追踪具有很好的灵敏度和简化的结构，以及便于安装的优势，但同时受到太阳光线光照强度的影响极大，不适宜光线较弱的场所。视日运动轨迹追踪是适宜任何天气情况，但是它计算方法较为复杂，呆板，只能适宜固定场所，发电装置安装到另一场所，需要另外编写新的算法。
1.4自动跟踪装置国内外研究的现状
目前，全球太阳能自动跟踪装置基本都是安装位置锁定，通过经度和纬度计算出每个季度不同时刻太阳的高度角和方位角，将此类信息存到PLC、单片机或者计算机软件中。也就是太阳能电池板的转动是通过提前预算好的太阳高度角进行转动。视日运动轨迹跟踪当然存在着明显的劣势，每一次移动太阳能发电装置，不同时刻太阳高度角也需要重新计算，这样使得跟踪比较麻烦。
美国于20世纪90年代末设计了太阳能单轴自动跟踪体系,实现了太阳能电池板东西主动调节，南北手动调节的功能。在1998年，成功研制了太阳能双轴自动跟踪系统, 并且在此基础上添加了涅尔透镜，使得太阳能电池板发电效率更高。接着，在2002年，美国使用结构紧凑的且质量较轻的铝材型框架，采用电机控制进行跟踪，从而使自动跟踪装置的系统应用的领域大大拓宽。[4]在我国河北，有一家较为先进的光伏发电企业，他们研发出来了一种无需提前预算太阳高度的数据、不用软件，且能够在非静态背景上面准确的自动跟踪太阳，使得太阳能电池板发电效率大大提高。这次全国首家研究出来无需软件，可以不受地理位置，随时随地实时跟踪太阳，以达到提高太阳光线的利用率。这种装置具有安装较易，成本较低，性能较稳，无需软件，不仅代表国内自动跟踪装置先进水平，而且具有全球领先水平。在我国西藏的养八井实验室，采用了主动式双轴跟踪太阳能装置，是原始的发电量提到了1.3倍。此外，预先在单片机等内存储太阳的高度角和方位角，然后在经过光敏传感器阵列细致调整，最终达到太阳能发电效率的提高。在我国郑州也有人用过此种方式，并取得了明显效果。[5]
光电追踪是通过比较不同位置光电传感器的电压值，判断出太阳的位置，进而控制舵机的转动，从而调整太阳能电池板的角度，使电池板正对太阳。依照当地的经度纬度和时间，测算此刻的太阳的位置，通过信号来控制舵机，从而保证光垂直电池板是视日运动轨迹追踪。
本论文设计选用了光电追踪与视日运动轨迹的混合，采用了以单片机最小系统为控制模块的太阳能双轴跟踪系统。根据光线强弱程度，选择使用的跟踪方法。这两种方法的混合，是国内外自动跟踪装置领域中较为先进的方法，使得太阳能发电效率显著改善。
2. 追踪系统硬件设计
2.1硬件系统概述
本文通过光电追踪与视日追踪两种方式混合以达到对“向日葵”追踪。在光线较好的晴天时采用光电追踪，当光线较差的阴雨天时采用视日追踪。两种追踪方式分别使用在各自追踪效果较好的情况下，从而实现在各种天气下较好的追踪。综合各方面考虑，本文选用AT89S52作为系统控制器，选用光敏电阻作为光电检测模块的传感器，机械转动装置选用舵机，AD转换选用ADC0832。单片机通过串口与计算机进行通信，将AD数据发送到计算机上便于显示与数据处理。
摘要
随着工业的快速发展和人口的急速膨胀，人类对能源有了更迫切的需求。太阳能有着取之不尽，用之不竭，干净，普遍的优点成了常规能源的最佳替代能源。本文是从应用的角度出发设计出了一种自动跟踪装置，是太阳能电池板始终保持与太阳光线垂直，从而提高太阳光的利用率。
常用的太阳能自动跟踪方法有两种方法，即光电检测追踪和视日运动轨迹追踪。本论文采用的是这两种方法的结合。晴天时，采用光电检测追踪；阴天时,采用视日运动轨迹追踪。在不同天气情况下，采用不同的方法，获得了良好地精确度，可以较科学地解决太阳能电池片效率低的问题。
本论文将分硬件部分和软件部分介绍，硬件详细介绍太阳能电池片，舵机，单片机最小系统，甲乙类功率放大电路，A/D转换模块，光敏传感器。软件部分将分析部分软件代码。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:光电检测追踪视日运动轨迹追踪太阳能单片机光敏电阻；
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的目的 1
1.3 太阳能自动跟踪装置 2
1.4 自动跟踪装置国内外研究的现状 2
2. 追踪系统硬件设计 4
2.1 硬件系统概述 4
2.2 单片机选择及最小系统 5
2.2.1单片机选择概述 5
2.2.2 AT89S52 5
2.2.3 单片机最小系统 5
2.3 光电检测模块 7
2.3.1 模块概述 7
2.3.3 模数转换模块ADC0832 8
2.4 机械转动模块 9
2.4.1 转动模块概述 10
2.4.2 舵机 10
2.4.3 舵机驱动 10
2.4.5 舵机控制 11
2.5 串口调试模块 11
3. 追踪系统软件设计 13
3.1 追踪系统软件概述 13
3.2 光电追踪 14
3.2.1 光电追踪软件概述 14
3.2.2 AD模数转换 17
3.2.2 舵机控制 18
3.3 视日运动轨迹追踪 19
3.3.1 太阳高度角计算 19
3.3.2视日追踪算法 20
4. 全文总结与实用性分析 23
4.1 实验结果 23
4.2 总结与实用性分析 26
参考文献 28
附录 29
致谢 30
1. 绪论
1.1课题研究的背景
跟着环球经济的急剧发展的脚步，人类生齿的数量也快速增加，全人类对能源需要亦然日益增长。人类在过去20年间，对能源的消耗增加了40%，因此寻找新能源成了人类面临的一项新挑战。
目前，全球的能源消耗主要来自化石能，水电和核电这三部分。化石燃料，包括天然气，石油和煤的资源。化石能源在使用中，不断地产生CO2和带有污染的烟气,CO2是一种温室气体，破换了地球原有的生态平衡。同时，跟着人类不断地挖掘，化石能的干涸是不可避免的。水电是固然是清洁动力，而且可再生。但是，它周期较长，投资较大，协作部门较多，同时又受着自然资源，地形，地质及水文气象等多方面影响，所以水电并不是一种较为方便的能源供给方式。使用原子核里面保存的能量发电是核电。核能一般情况下可以分为核裂变能和核聚变能。前者是由重原子能分裂产生能量，而后者是由轻原子核的融合产生能量。核能存在着不会造成污染空气的优势同时，也存在着核辐射和核爆炸的劣势。因此，寻找新能源成为了全球经济更好，更快，更长的必然选择。随着国家措施的逐步实施，技术的日益成熟，风能和太阳能在新能源中凸显出来。在寻找新能源的道路上，我国光伏产业也已迈开了坚实而稳定地脚步。
1.2课题研究的目的
人们的注意力不自觉地转移到了太阳能，因为它独占了巨大，长期，普及，无害等鲜有优势，但是其也存在着效率较低，本钱较高，其经济性还不能与煤，石油，天然气等传统动力相比拟的劣势。此外太阳能还存在着比较分散和稳定性不高的缺点。目前如何提高太阳能的发电效率和经济性已经成为了一个亟待解决的问题。
太阳能是一种密度较为均衡、普照存在间歇性、空间分布存在着不平均的特色动力能源，这样就要求我们对太阳能的收集的条件较高。除太阳能意外的其它动力在制造和使用过程中对环境和环球发展产生了负面影响，因此可以通过太阳能利用率的提高就而减少其它能源的大量使用，对于人类的现在的生活与未来发展意义重大。国际的研究热点和难点就是使太阳能的利用率提高达到最大幅度，这对现在利用太阳能发电的收集设备也意义重大。解决这一困难应该从两个方面着手：一、发电装置的能量转换效率的提高；二、发电装置中的接收装置的采集效率的增大【1】。
本论文旨在设计一种精度较高、结构较简、价格较低的自动跟踪系统，从而达到提高太阳能发电系统的实际效率。本系统的目的是适应不同气象条件，能够可靠地运转舵机，以达到提高实时追踪太阳的准确性。
1.3太阳能自动跟踪装置
太阳能追踪装置主要实现控制系统转动，保证太阳光垂直照射太阳能电池的功能。太阳能追踪装置实现主要有光电追踪和视日轨迹追踪[2]两种。光电追踪是由在不同位置具有一定排列的光电传感器的测量值来判断太阳所在位置，进而控制相应的机器装置，使太阳能电板保持与太阳垂直。视日运动轨迹追踪是根据所在地的经度，纬度和具体时间来计算太阳高度和太阳方位角[3]，从而驱动机械装置，达到电池与太阳垂直。光电追踪具有很好的灵敏度和简化的结构，以及便于安装的优势，但同时受到太阳光线光照强度的影响极大，不适宜光线较弱的场所。视日运动轨迹追踪是适宜任何天气情况，但是它计算方法较为复杂，呆板，只能适宜固定场所，发电装置安装到另一场所，需要另外编写新的算法。
1.4自动跟踪装置国内外研究的现状
目前，全球太阳能自动跟踪装置基本都是安装位置锁定，通过经度和纬度计算出每个季度不同时刻太阳的高度角和方位角，将此类信息存到PLC、单片机或者计算机软件中。也就是太阳能电池板的转动是通过提前预算好的太阳高度角进行转动。视日运动轨迹跟踪当然存在着明显的劣势，每一次移动太阳能发电装置，不同时刻太阳高度角也需要重新计算，这样使得跟踪比较麻烦。
美国于20世纪90年代末设计了太阳能单轴自动跟踪体系,实现了太阳能电池板东西主动调节，南北手动调节的功能。在1998年，成功研制了太阳能双轴自动跟踪系统, 并且在此基础上添加了涅尔透镜，使得太阳能电池板发电效率更高。接着，在2002年，美国使用结构紧凑的且质量较轻的铝材型框架，采用电机控制进行跟踪，从而使自动跟踪装置的系统应用的领域大大拓宽。[4]在我国河北，有一家较为先进的光伏发电企业，他们研发出来了一种无需提前预算太阳高度的数据、不用软件，且能够在非静态背景上面准确的自动跟踪太阳，使得太阳能电池板发电效率大大提高。这次全国首家研究出来无需软件，可以不受地理位置，随时随地实时跟踪太阳，以达到提高太阳光线的利用率。这种装置具有安装较易，成本较低，性能较稳，无需软件，不仅代表国内自动跟踪装置先进水平，而且具有全球领先水平。在我国西藏的养八井实验室，采用了主动式双轴跟踪太阳能装置，是原始的发电量提到了1.3倍。此外，预先在单片机等内存储太阳的高度角和方位角，然后在经过光敏传感器阵列细致调整，最终达到太阳能发电效率的提高。在我国郑州也有人用过此种方式，并取得了明显效果。[5]
光电追踪是通过比较不同位置光电传感器的电压值，判断出太阳的位置，进而控制舵机的转动，从而调整太阳能电池板的角度，使电池板正对太阳。依照当地的经度纬度和时间，测算此刻的太阳的位置，通过信号来控制舵机，从而保证光垂直电池板是视日运动轨迹追踪。
本论文设计选用了光电追踪与视日运动轨迹的混合，采用了以单片机最小系统为控制模块的太阳能双轴跟踪系统。根据光线强弱程度，选择使用的跟踪方法。这两种方法的混合，是国内外自动跟踪装置领域中较为先进的方法，使得太阳能发电效率显著改善。
2. 追踪系统硬件设计
2.1硬件系统概述
本文通过光电追踪与视日追踪两种方式混合以达到对“向日葵”追踪。在光线较好的晴天时采用光电追踪，当光线较差的阴雨天时采用视日追踪。两种追踪方式分别使用在各自追踪效果较好的情况下，从而实现在各种天气下较好的追踪。综合各方面考虑，本文选用AT89S52作为系统控制器，选用光敏电阻作为光电检测模块的传感器，机械转动装置选用舵机，AD转换选用ADC0832。单片机通过串口与计算机进行通信，将AD数据发送到计算机上便于显示与数据处理。
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