太阳能自动跟踪控制器论文

-1-电子产品创作设计课程项目设计论文题目：太阳能自动跟踪控制器设计院系:电子工程学院班级:020813作者：XXX(020813XX)XX(020813XX)XX(020813XX)XX(020813XX)XX(020813XX)西安电子科技大学-2-太阳能自动跟踪控制器设计摘要：太阳能跟踪控制器是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳能跟踪控制器都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球上不同经纬度地区的特定数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。此次设计通过对太阳能自动跟踪控制器的研究设计，改进了以往传统太阳能设施。本文简要介绍从硬件方面对太阳能自动跟踪控制器进行设计、制作，从而完善已有太阳能自动跟踪控制器的不足之处。根据光敏电阻接收太阳光的强弱不等，控制电机的转动，从而调整太阳能接收装置的角度，使装置正对太阳，而更好的进行对太阳照射的接收。此次设计电路运用双运放和两个电阻构成两个电压比较器，利用光敏电阻和电位器构成光敏传感电路。从而使装置可以根据光线的强-3-弱进行自动补偿。根据光照的不同，控制继电器的导通，进而控制电机转动。在太阳不停的偏移过程中，使电机转——停交替，从而使太阳能接收装置始终面朝太阳。关键词：太阳能光敏传感器太阳能定位太阳能跟踪系统一、前述能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。因而太阳能光伏发电是最有应用前景的太阳能利用方式。目前，光伏发电的成本太高，世界各国正在积极改进电池制造工艺。采用新技术以提高转换效率，降低光伏发电的成本。全自动跟踪太阳发电设备从控制技术出发，采用新的光伏发电装置技术，与固定式相比发电能力提高35％，成本下降25％。目前，我国能源短缺，环境保护也是谈论的重要话题，地球每天收到的太阳能约4×1015千瓦时，相当于2.5×108万桶石油，并且太阳能清洁无污染、取之不尽、用之不竭。与此同时，我国每年接收到335～873kj／cm2太阳能利用率不高的原因介于其：分散性、方向性及不稳定性。为提高太阳能的利用率，设计太阳跟踪系统，使太阳光永远垂直照射在接收面上并且提高太阳能的吸收率和转化率。现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、-4-早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。本文简要介绍从硬件方面对太阳能自动跟踪控制器进行设计、制作，从而完善已有太阳能自动跟踪控制器的不足之处。本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳，而且调试十分简单，成本也比较低。且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能利用率,有较好的推广应用价值。二、电路原理与设计：(一)电路原理控制电路包括两个电压比较器，设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻；一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输人端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳，而且调试十分简单，成本也比较低。-5-电路原理图电路原理图如图1所示，双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器，参考电压为VDD（＋12V）的1/2。光敏电阻RT1、RT2与电位器RP1和光敏电阻RT3、RT4与电位器RP2分别构成光敏传感电路，该电路的特殊之处在于能根据环境光线的强弱进行自动补偿。-6-太阳能接收装置示意图如图2所示，将RT1和RT3安装在垂直遮阳板的一侧，RT4和RT2安装在另一侧。当RT1、RT2、RT3和RT4同时受环境自然光线作用时，RP1和RP2的中心点电压不变。如果只有RT1、RT3受太阳光照射，RT1的内阻减小，LM358的③脚电位升高，①脚输出高电平，三极管VT1饱和导通，继电器K1导通，其转换触点3与触点1闭合。同时RT3内阻减小，LM358的⑤脚电位下降，K2不动作，其转换触点3与静触点2闭合，电机M正转；同理，如果只有RT2、RT4受太阳光照射，继电器K2导通，K1断开，电机M反转。当转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时，继由器K1、K2都导通，电机M才停转。在太阳不停地偏移过程中，垂直遮阳板两侧光照度的强弱不断地交替变化，电机M转——停、转——停，使太阳能接收装置始终面朝太阳。(二)太阳能接收装置整个太阳能接收装置的结构如图2。兼作-7-垂直遮阳板的外壳最好使用无反射的深颜色材料，四只光敏电阻的参数要求一致，即亮、暗电阻相等且成线性变化。安装时，四只光敏电阻不要凸出外壳的表面，最好凹进一点，以免散射阳光的干扰；垂直遮阳板（即控制盒）装在接收装置的边缘，既能随之转动又不受其反射光的强烈照射。凋试时，首先不让太阳直接照到四只光敏电阻上，然后调节RP1、RI2，使LM358两正向输人端的电位相等且高于反向输人端0.5V－1V。调试完毕后，让阳光照到垂直遮阳板上，接收装置即可自动跟踪太阳了。(三)自动太阳跟踪器的基本原理自动太阳跟踪器，故名思意基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动。该系统时刻检测太阳与光伏阵列的位置并将其输入到控制单元，控制单元对这2个信号进行比较并产生相应的输出信号来驱动旋转机构，使太阳光时刻垂直入射到光伏阵列的表面上。虽然太阳在太空中的位置时刻都在变化，但其运行却具有严格的规律性，在地平坐标系中，太阳的位置可由高度角a与方位角φ来确定，公式如下：sin=coscoscossinsin(0.1)coscossinsinsincos(0.2)式中：δ为太阳赤纬角；φ为当地的纬度角；ω为时角。(四)跟踪器的传感器结构-8-传感器结构示意图如图1。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4只光敏电阻;其中P1、P3东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光敏电阻，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。三、调试及问题制作完成后，本小组进行了调试，调试结果：接通电源后，继电器导通工作，当光敏电阻接受到光照时，产生电压差，带动电动机朝向光强方向转动，达到追踪功能。但也发现一些问题：1.电源提供的直流电压不够，电动机转动不顺滑；2.三极管承受电压能力不够，易烧毁；四、学习体会通过此次电子产品创作设计课程学习，本小组不仅学会了最基本最简单的太阳能跟踪控制器的设计与制作，更学到了很多课外的知-9-识。首先，在此次学习中，我们进一步锻炼了电路识别、电路分析、电路焊接的能力，深入学习了光敏电阻、继电器、三极管等元器件的原理和实际器件的连接方法；其次，在制作过程中，努力学习怎样将课本知识与实践相结合，看到了课本与实际应用中的很大区别，提高了实践意识；在调试过程中，学会如何发现问题、分析问题和解决问题，最终实现目标任务；另外，我们也深刻了解了团队合作、请教老师他人的重要性，坚持不放弃的毅力。总而言之，在此次的学习过程中我们收获很大。五、总结本文所述电路实现最简单，对太阳能的利用率最大。把构建的电路放在各种环境下进行测试，结果表明环境亮度不影响电路的准确控制，达到预期的性能指标，且运行可靠。总之，本设计方案适宜于太阳能电池的实际应用，易于推广，为提高太阳光的利用率提供了重要的依据。-10-附录器件清单通用版2个电阻10K2个，100K2个电位器270K2个光敏电阻4+1个电解电容2.2uF2个100uF2个继电器2个DV2V驱动信号二极管3个IN4001三极管2+2个【9013】小电机1个【最好是减速电机】变压器:220V/15V3W稳压管：78121个电源插座引线：一条470uF2个【25V】