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.doc

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。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。 1.2 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 2.1控制方法的确定 2.1.1 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4.1 所示。 图2.1单轴太阳能发电自动跟踪系统 图2.2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。 2.1.2 单轴自动跟踪系统数学模型的建立 如图2.2 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X、Z 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δ+ φ。建立坐标系二（XYZ），它是坐标系一以Y轴为旋转轴旋转23.5°得到的。 假定观测点所在地与地心距离为r,AB 的长度为l。点A 位于纬度φ,中午12 时,AB平行于Z 轴，且在Z=0 的平面。在坐标系一下A 点和B 点的坐标分别为： XA1 = r cos(φ+ δ)，YA1 = 0 ，ZA1 = r sin(φ+ δ) XB1 = r cos(φ+ δ)，YB1 = 0，ZB1 = r sin(φ+ 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 φ，YA2 = 0，ZB2 = r sin φ XB2 = r cosφ+ l sin 23.5°，YB2 = 0，ZB2 = r sin φ+ l cos