1、 本科毕业设计论文题目：太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分院 系： 电子信息工程学院 专 业: 自 动 化 I太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分摘要太阳能是一种非常具有开发潜力的能源，世界各国都在积极开发利用太阳能。我国太阳能的利用，在近十年发展得非常迅速，但是我国的太阳能利用技术还比较落后，且太阳能利用的局限性很大。为了进一步扩大太阳能的利用范围，提高太阳能的利用率，本文开发了一套太阳跟踪与驱动系统，该系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直，其结构简单、成本低廉且跟踪精度高，可用于太阳灶、太阳能热水器等各种太阳能装置上，具有一定的实用价值。设计的太阳跟踪与驱动控制系统主要由三
2、大部分构成：传感器、控制器、机械跟踪平台。传感器由独立的四片光电池组成，用于大范围跟踪太阳，控制器硬件以单片机 STC12C5A60S2 为核心，完成了控制器的硬件电路设计和制作，系统的硬件电路包括，模拟输入电路，电机驱动电路，电源电路等。关键词:太阳跟踪，传感器，控制器，跟踪平台IIIISolar photovoltaic energy sources tracking control systemThe hardware partAbstractSolar energy is a kind of energy with great potential development,and man
3、y countries is trying to utilize it.The use of solar energy is developed very fast in our country in recent ten years.But the technology of utilizing solar energy is still relatively backward,and the application of solar energy is restricted by many factors.To widen the use of solar energy and incre
4、ase the utilization of solar energy,the solar energy traking and driving system is designed in this paper.The system can guarantee that the deviceice of utilizing solar energy is vertical to sun streams,and it has simple structure, low cost and high tracking precision.The system can be used in many
5、kinds of solar installations such as solar cooker and solar water heater,and it has certain practical value.In the paper,the designed solar tracking and drive control system are mainly composed of three major components:sensors,controllers and mechanical tracking platform.The sensor is mainly compos
6、ed of four photocell which could achieve large-scale tracking the sun.STC12C5A60S2 is used as the core in the controller.Hardware circuit design and production are accomplished.The system hardware circuits are composed of analog input circuit,the motor drive circuit,power circuit and so on.Keywords:
7、Solar tracking,sensor, controller,tracking platform目录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 发展太阳能的背景 .11.1.2 太阳能的特点 .31.1.3 太阳能利用基本方式 .41.1.4 我国太阳能资源及利用情况 .41.1.5 国外太阳能利用现状 .51.2 课题意义 .61.3 国内外研究现状 .71.4 跟踪方式的比较 .81.4.1 视日运动轨迹跟踪 .81.4.2 光电跟踪 .81.4.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 .81.5 太阳运动规律 .91.5.1 太阳与地球的位置关系 .91.5.2 相关角度的计算
8、.101.6 设计要求 .122.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施。 .122.1 主要内容 .122.2 研究方法 .122.3 系统工作原理 .133 太阳跟踪控制系统的硬件设计 .153.1 硬件总体设计方案 .153.2 信号采集电路 .153.3 通信电路 .163.4 键盘电路 .173.5 显示电路 .173.6 电源电路 .183.7 光电隔离电路 .193.8 单片机 .194 结论 .21致谢 .22参考文献 .231 绪论11 绪论1.1 课题背景1.1.1 发展太阳能的背景能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上
9、能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，还有水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代，或称地上能时代。到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源( 煤炭、石油、还有天然气、地热能等)，可称为煤石能时代，或地下能时代。随着世界经济的发展进入 21 世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战，作为世界主要能源的石油，其价格居高不下，前期每桶原油最高单价已突破 100 美元。虽然人类的科学技术正在高速发展，但面对石油这些不可再生性的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危
10、机。资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到 21 世纪 80 年代，石油、天然气资源将枯竭。到 22 世纪 20 年代，煤资源也将被耗尽。即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短缺的间题，已探明储量的铀矿资源也将在 2030 年前开采完。从我国的能源利用状况来看，自上世纪 70 年代初开始，我国已经经历了三次大的能源危机：1970-1984 年间持续的能源供应紧张局面使全国约 25%的企业开工不足；1988 年再次出现类似情况，农业用电缺口超过 60%，推动煤炭价格在当年涨幅达到 87%，成为 1989 年以后小煤窑遍地开花的驱动力；2000 年以来伴
11、随着国际能源危机的逐步加深，我国能源供应紧张，主要常规能源的价格涨幅已达 103%，大量进口石油引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重要影响因素。资料表明，作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第 3 位；基本能源消费占世界总消费量的10.4%，仅次于美国，居世界第 2 位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。2005 年一次能源消费量为 15.4 亿吨油当量，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到 30 多亿吨油当量。然而 2005 年，世界人均一次能源消费量为 1.65 吨油当量，日本、美国分别为 4.13 吨和 7.97
12、吨油当量，而中国仅为 1.18 吨油当量，约为世界平均水平的 3/4、日本的 1/4、美国的1/7。预计到 2010 年，我国石油供需缺口 1 亿吨，天然气缺口 400 亿立方米。1 绪论2而且，随着中国的工西安工业大学毕业设计（论文）3业化和城市化进程，在基础设施建设和民用建筑阶段，能源需求量特别大，目前能源消费总量已经接近欧盟 15 国的总量。值得注意的是，过去二十多年来，我国汽车保有量以年均 2%的速度迅速增加，亚太能源研究中心的预测，2020年我国交通部门的用能比例将增长到 16%。与此同时，能源资源相对短缺又制约了我国能源产业的发展，能源技术相对落后影响了能源供给能力的提高。目前，国
13、内的能源生产已经远远不能满足高速经济增长，能源进口量持续增加，能源对外依存度在 7%左右，其中石油对外依存度在 43%左右。有专家预测，到 2020 年前后，中国有可能成为世界第一大油品进口国。就我国实际情况来看，我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000亿吨标准煤。我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米 4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米 7 千瓦时。年日照时数大于 2000 小时。与同纬度的其它国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。近20 年来，中国光伏产业长期维持在全球市场 1%左右的份额。2003、2004 年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度
14、增长，2003 年达 1.2 万千瓦，约占世界份额的 2.2%，2004 年达 3.5 万千瓦，约占 3%。为解决我国的能源短缺问题，太阳能发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色。国务院参事、中国可再生能源协会理事长石定寰在上海召开的“第二届中欧国际太阳能光伏产业发展论坛”上预计， 2010 年中国太阳能光伏发电装机容量达 1GW，2015 年预计达5GW，2O2O 年达 20GW。而 2005 年，全国太阳能发电装机容量仅为6.5MWp，这就意味着在未来的几年内，中国太阳能装机容量的复合增长率将会高达 38%以上。根据电力科学院的预测，到 2050 年中国可再生能源发电将占到全国总电力装
15、机的 25%，其中光伏发电占到 5%。国内太阳能电池产业主要应用在通信和工业领域(约占 36%)、农村和边远地区领域(约占 51%)、光伏并网发电系统( 约占 4%)以及太阳能商品及其它( 约占 9%)。由此可见，面对日益严重的能源危机，根本出路在于尽快从采用煤石能转而采用太阳能，即从地下能时代转向天上能时代，或称太阳能时代。太阳能比起煤石能具有众多优点，具有不断再生性，能源分布范围广泛，安全，无污染，可谓取之不尽，用之不竭，能够全面保护自然平衡与气候温度平衡，便于开发与使用等。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，假如把地球表面 0.1%的太阳能转为电能，转变率 5%，每年发电量可达
16、 5.61012 千瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40 倍。因此，太阳能等可再生能源产业的技术进步及世界各国政府支持已使可再生能源行业爆发式发展。根据欧洲、日本等能源机构预测，2020 年，光伏发电将占到全球发电量的 1，2040 年将占到全球发电量的21，2050 年左右，太阳能将成为全球主力替代能源。西安工业大学毕业设计（论文）41.1.2 太阳能的特点能源是人类赖以生存和发展的物质基础。几十年来，能源问题一直是举世瞩目的重大问题之一。目前世界消耗的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等，这些都属于不可再生资源。据权威人士估计，世界上已经探
17、明的石油储量仅可开采 40 多年；天然气可开采 70 年左右；煤的储量较丰富，可开采 200 年。地球上的资源是有限的，矿物质燃料在数量上也是有限的并以不断增长的速度在消耗。能源短缺，矿物燃料减少和污染增加，彼此互相关联，威胁着人类的正常生活和持续发展。常规能源逐渐枯竭，形势危机不容低估，所以寻找和开发新能源是一项刻不容缓的任务。目前许多国家就开展了这方面的工作。在众多可再生清洁能源中，太阳能就是理想的替代能源。其主要有以下优点有：储量的“无限性” 。太阳每秒钟放射的能量大约是 161023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约 18921013 千亿吨，是目前世界主要能源探明储量
18、的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性” ，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。存在的普遍性。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其它能源来说，对于地球上绝大多数地区而言太阳能具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。利用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染是人类理想的替代能源。利用的经济性。可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税” ，可以随地取用
19、；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。太阳能虽然具有上面所说的许多优点，并且其中有些优点还是它所特有的。但是，它也不可避免地存在一些缺点，致使它未能迅速的大面积推广应用。其主要有以下缺点：强度弱。虽然到达地球大气上界和到达地球表面的太阳能总量都十分巨大，但它的强度却是相当弱的。也就是说，在单位时间内投射到单位面积上的太阳能是相当少的。从到达地球大气上界的太阳能来说，太阳常数的值就表明了这西安工业大学毕业设计（论文）5个强度的大小。即在地球大气层外每平方米垂直于太阳光线的面积上按收到的太阳辐射功率只有
20、 1353 瓦，而垂直投射到地球表面每平方米面积上的太阳辐射功率就只有 135347%=640 瓦。太阳能的另一个弱点就是它的不稳定性。同一个地点在同一天内，日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后。而在同一个地点的不同季节里，冬季的太阳辐射强度显然又远远比不上夏季。一个原因是，由于太阳的高度角度不同因此对同一个水平面的人射角自然不同。而在单位水平面上所接收到的太阳辐射能，除了与太阳辐射强度本身成正比外，还与太阳高度角的正弦成正比，或者说与太阳辐射的入射角的余弦成正比。显然，当太阳高度角越大，或者说太阳辐射入射角越小，也就是说越接近于正射时地面上同一水平面内所接收到的太阳能就越多。间歇牲。到
21、达地面的太阳直接辐射能，随昼夜交替的变化。这就使大多数太阳能设备在夜间无法工作。为克服夜间没有太阳直接辐射、散射辐射也很微弱所造成的困难，就需要研究和配备储能设备，以便在晴天时把太阳能收集并存储起来，供夜晚或阴雨天便用。1.1.3 太阳能利用基本方式太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。人类直接利用太阳能、已有上千年的历史，其而利用的途径主要有以下几种：光热转换。它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。这种途径虽最古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于 100。较高一些的也只有几百摄氏度
22、。显然，它的能源应用难度较低，适合于直接利用。光电转换。将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换” 。这是近几十年才发明和发展起来的。由于电能的位品相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。光化学转换。通过光化学作用转换成电能或制氢。它也是利用太阳能的一个途径。二三十年前有不少人对此做了许多研究。近来报道不多。目前仍处于研究、开发阶段。光生物转换。通过光合作用收集与储存太阳能。近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。1.1.4 我国太阳能资源及利用情况中国地处北半球，幅员辽阔，绝大部分地区位于北纬 45以南。中国拥有丰富的太阳辐射能资源，在大约 600 万 km2的国土上，太阳能的年辐射总量超过16.3102kwhm 2a(新的规定不再使用 kcal“千卡”这个单位，可选用 kJ
