单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计(毕业论文)

I 摘要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用太阳能等可再生能源已成为人们的共识。利用洁净的太阳光能，以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。本课题主要论述了单轴太阳能自动跟踪系统的设计方法。对自动跟踪控制系统的组成及其功能进行了详细的分析与研究，采用单片机 AT89C52 作为控制芯片，设计了整套自动跟踪装臵。所设计出的系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点。单轴太阳能自动跟踪系统通过单片机控制系统自动跟踪太阳方位角，高度角可手动进行调整 , 使太阳能电池保持较大的发电功率。通过对单轴自动跟踪系统与双轴自动跟踪系统发电效率的比较 , 理论证明它的可行性。本设计取消了用于检测太阳能电池板法线与太阳光线间夹角的传感器，而直接利用太阳能电池板发电量作为角度调节依据实现控制。我国牧区大量使用的是无跟踪的光伏系统，太阳能发电效率较低。本文所述的单轴跟踪系统，结构简单，性价比高，特别适宜在这些地区使用。关键词光伏系统；太阳角自动跟踪；单轴跟踪系统II Abstract With the resources being used continuously, the energy structure based on Conventional energy resources will not more and more adapt to requirement of sustainable development. So accelerating the exploitation and utilization of renewable resources that solar energy is principle part has been our common ideas. Using the clean solar light energy, the technology of photovoltaic generating electricity is very promising. The thesis presents a new optimal design method. This thesis mainly describes a method of single axis solar energy automatic tracing system. Every part of this automatic system and its function are analyzed in detail. A set of automatic tracing device is designed with Microcontroller AT89C52. This system has four characteristics, such as smaller cubage, lower power, lower cost, more robust despite strong interfere. Moreover, some programs are designed to debug the designed system, to test its reliability and the results III of test are given. Single axis solar energy automatic tracing system follows the orientation angle with Microcontroller system. Height angle can be adjusted by hand, it makes the solar cell keep the higher electricity power. The single axis solar energy automatic tracing system is compared with the double axis solar energy automatic tracing system. we testify its feasibility in theory. Double axis solar energy automatic tracing system consists of solar transducer, this device gets rid of transducer , it uses power of solar cell as angle regulation basis to realize controlling. In a pasturing area of our country, they use photovoltaic system without tracing device, solar electricity efficiency is lower, the tracing system we designed has better tracing effect, its configuration is simple, the capability price ratio is high, it is adapt to be use there in particular. Key words Photovoltaic system; Solar angle automatic tracing; Single axis tracing system IV 目录中 文 摘要 . I Abstract . . . . II 1 引言 . . 1 1.1 课 题 背景 . . . 1 1.2 课 题 内容 . . . 1 2 自 动 跟 踪 控 制 的 总 体 设 计 方案 . 2 2.1 控制方法的确定 . . 2 2.1.1 本课题设计方法的提出 . 3 2.1.2 单轴自动跟踪系统数学模型的建立 4 2.2 设计任务 . . 4 2.2.1 设计目标 . . . 4 2.2.2 设计要求 . . .4 2.3 总体设计方V 案 . . .5 2.3.1 硬件设计方案 . . . 5 2.3.2 软件设计方案 . . 6 2.4 可靠性设计 . . .6 2.4.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术 6 2.4.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术 7 3 太阳能光伏发电系统的基本组成 9 3.1 概述 . . 9 3.2 太阳能电池 . . 9 3.2.1 太阳能电池工作原理 . . 9 3.2.2 太阳能电池的分类 . . 10 4 太 阳 能 辐 射 能 量 分析 . . .13 4.1 日照时间和太阳位臵的计算 . . 13 4.1.1 太阳能中天文参数的计算 . . .13 4.1.2 水平面太阳位臵的计算 . . .14 4.2 太阳辐射能的有关计算 . . 15 5 控 制 系 统 的 硬 件 设VI 计 . . .16 5.1 总体设计方案 . . 16 5.2 单片机 AT89C52简介 . . 16 5.3 时钟芯片的选择 . . 17 5.4 印刷版电路的制作 . . . .17 5.5 电机控制电路 . . 18 5.6 电机驱动电路 . . 19 6 控 制 系 统 的 软 件 设计 . . .21 6.1 主 程 序 设计 . . 21 6.2 喂 狗 程序 . . 21 6.3 电机驱动程序设计 . . 24 6.4 数 据 采 集 处 理 程 序 设计 .24 6.4.1 数据采集子程序 . . . .24 6.4.2 数据处理子程序 . . 25 6.5 外部中断 INT0 中断服务程序设计 .26 VII 6.6 自动控制的优化设计 . . .27 7 结论 . . 28 8 致谢 . . 29 参 考 文献 . . 30 附录 系统总原理图VIII - 1 - 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臵的户用太阳能光伏系统。但由于太阳能电池价格昂贵，无跟踪装臵的光伏系统发电效率较低，普遍推广应用受到影响。相对于无跟踪装臵的光伏系统，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。机械装臵由电机驱动 ,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- 2 - 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臵送入单片机，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。- 3 - 2 自动跟踪控制的总体设计方案- 4 - 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- 5 - 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 Z0 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 φXB2 r cos φ l sin 23.5 ， YB2 0 ， ZB2 r sin φ l cos 23.5 地球绕自转轴旋转的角速度为，设旋转时间为 t 小时，此时在坐标系二下 A点旋转ω t角度变为 a点， B 点旋转ω t 角度变为 b点，此时 a点的坐标和 b点的坐标分别为Xa1 r cos φ cos ω tYa1 r cos φ sin ω t Za1 r sin φXb1 r cos φ l sin 23. 5 cos ω t Yb1 r cos φ l sin 23. 5 sin ω t Zb2 r sin φ l cos φ在坐标一下 a 点和 b 点的坐标分别为Xa2 r cos φ cosω t - r sin φ tg 23. 5 cos 23. 5 此时直线 ab 在 XOZ 平面投影的直线的斜率为- 6 - 2.2 设计任务2.2.1 设计目标课题设计目标 根据太阳辐射能的特点、光伏电池的特性 , 实现对太阳能方位角的跟踪。2.2.2 设计要求课题设计要求 自动跟踪的实现所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机，需设计合理的程序近而对电机进行控制，适时改变电池板的角度。抗干扰性为保证跟踪的准确性，系统必须具有较强的抗干扰能力，设计应从硬件和软件两方面着手来抑制系统的干扰。2.3 总体设计方案2.3.1 硬件设计方案国内外目前已有了很多光伏电站。太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统，发电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。提高发电效率是降低成本的捷径，我们开发的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳，保持最大的发电效率，具有成本低等优点，有较好的推广应用价值。太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件，同样的一块太阳能板由于放臵的- 7 - 角度不同，所接受的光辐射能就不同，产生的电能就不同。因此为了提高太阳能电池电能的产量，可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位角的变化而实现跟踪。如下是我们研制的单轴太阳方位角跟踪系统。太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分。机械部分主要由电池板支架，底座和直流电机构成，控制部分驱动电机，可以使电池板在东西方向上的 0-180度自由旋转。控制部分主要由软件算法构成具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点。高度角可以手动进行调整。太阳能自动跟踪系统框图如图 2.3 所示。太阳能发电自动跟踪系统主要由五部分组成 即光电转换装臵由太阳能电池构成，输入装臵 , 单片机控制系统 , 信号放大装臵和直流电机。由于考虑到最低成本的问题，此设计未使用太阳传感器，直接利用太阳能电池板的电信号作为单片机控制系统的输入信号。图 2.3 系统框图太阳跟踪系统的支撑结构常见的有框架式、轴架式和旋转台式三种。前两种形式是将光伏阵列安装在可进行太阳时角跟踪的轴向移动固定框架或轴架上。其特点是结构简单、价格便宜、安装方便。适用于支撑单轴跟踪的小功率光伏阵列，可额外附带简单的季节性仰角调节功能。旋转台式形式是一个较大的可进行时角跟踪的旋转台上安装可进行仰角跟踪的光伏阵列， 它适用于支撑大功率的双轴跟踪光伏阵列， 其缺点是结构复杂， 造价较高。本设计考虑到高性价比采用轴架式。2.3.2 软件设计方案根据本课题的设计任务及系统的硬件结构，系统的软件设计方案如下单片机软件设计包括- 8 - 跟踪系统主程序设计INT0中断服务程序设计电机驱动程序设计串口发送程序数据采集和处理程序2.4 可靠性设计由于现场环境复杂和各种各样的电磁干扰，单片机应用系统的可靠性设计、抗干扰技术的应用变得越来越重要。本设计分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统抗干扰能力的方法。2.4.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术一、供电系统为防止从电源系统引入干扰，采取直流稳压电源保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。二、注意印刷电路板的布线与工艺印制电路板布臵接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。印制电路板合理分区。模拟电路区、数字电路区、功率驱动区尽量分开，地线不能相混，分别和电源端的地线相连。元件面和焊接面采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减少寄生耦合；避免相邻导线平行段过长，加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短，使用 45度或者圆弧折线布线，不要使用 90度折线，以减小高频信号的发射。印制电路板按单点接电、单点接地的原则送电。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗，噪声元件与非噪声元件尽量离远一些。时钟振荡电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。三、用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。在石英晶体振荡器下面加大接地的面积而不走其它信号线。- 9 - 四、驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制板的边、靠近引出接插件。重要的信号线尽量短并要尽量粗，并在两侧加上保护地。五、原则上每个 IC元件要加一个去耦电容，布线时去耦电容尽量靠近电源脚和接地脚。去耦电容焊在印制电路板上时，引脚尽量短。六、闲臵不用的 IC管脚不要悬空以避免干扰引入。单片机不用的 I/O 口定义成输出。七、提高元器件的可靠性选用质量好的电子元件并进行严格的测试、筛选和老化。设计时元件技术参数要有一定的余量。提高印制板和组装的质量。2.4.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术一、数据采集误差的软件对策用软件滤波算法，可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的输出控制错误。最常用的方法有算术平均值法、比较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法。本设计根据信号的变化规律选择算术平均值法。对输入量采用多次采集的办法来消除开启的抖动。二、程序运行失控的软件对策对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态并及时将系统引导到初始状态。软件冗余技术AT89C52所有指令都不超过 3个字节 , 且多为单字节指令 , 指令由操作码和操作数组成 ,操作码指明 CPU完成什么样的操作 , 单字节指令仅有操作码 , 隐含操作数 CPU受到干扰后 ,PC内容发生变化 , 当程序弹飞到某一单字节指令时 , 便自动纳入正规 , 当跑飞到某一双字节或3字节指令时 , 若恰恰在取指令时刻落到其操作数 ,CPU就将操作数当做操作码来执行 , 引起程序混乱。因此 , 软件设计应采用单字节指令 , 并在关键的地方人为地插入一些空操作指令NOP,或将有效的单字节指令重写 , 这称为指令冗余。在实际软件设计中 , 往往在双字节指令和 3字节指令之后插入 2个 NOP,可以保证程序跑飞后其后面的指令不会拆散 , 后面的程序可以正常运行在那些对程序流向起决定作用的指令 , 例如在 RET、 RETI、 ACALL、 LJMP、 JZ、JNC等之前也插入 2条 NOP,可保证跑飞的程序迅速进入正确的控制轨道。软件陷阱技术- 10 - 软件冗余技术适用于干扰后 PC指向不正确的程序区 , 当跑飞程序进入非程序区 例如EPROM未使用的空间 或表格区时 , 使用冗余指令的措施已不再适用 , 可采用软件陷阱的办法拦截跑飞程序 , 将其迅速引向一个指定的位臵 , 执行一段对程序运行出错的处理程序，软件陷阱可采用以下形式 NOP NOP LJMP ERROR; //ERROR为指定地址 , 安排有出错处理程序软件陷阱可安排在下面几个区域 a 未使用的中断向量区。当干扰使未使用的中断开放并激活这些中断时 , 就会引起系统程序的混乱 , 如果在这些地方设臵陷阱 , 就能及时捕捉到错误中断。b 未使用的 EPROM区。假设使用了 1片 EPROM芯片 2764, 但程序并没有用完这个 2764芯片的区域 , 这些非程序区可以用 020000数据填满 ,020000是指令 LJMP0000H的机器码 , 当跑飞程序进入此区后 , 便会迅速自动进入正确轨道。c 数据表格区。由于表格中内容和检索值有一一对应关系 , 在表格中安排陷阱将会破坏其连续性和对应关系 , 应在表格区的尾部设臵软件陷阱。d 程序区前面已介绍 , 跑飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决 ,也可以设臵软件陷阱 , 更有效地抑制程序跑飞。程序设计常采用模块化设计，模块化的程序是由一序列执行指令构成的 , 一般不能在这些指令串中间任意安排陷阱 , 否则正常执行的程序也可能被抓走。可以将陷阱指令分散放臵在各模块之间的空余单元中，正常程序中不执行这些陷阱指令 , 但程序跑飞一旦进入陷阱区 , 马上将程序拉回正确轨道。e 非 EPROM芯片空间。除了 EPROM芯片占用的地址外 , 还剩余大片未编程的 EPROM空间当PC跑飞进入这些空间时 , 读入数据为 0FFH,对单片机而言 , 相当于指令 MOV R7,A,将修改 R7的内容。当 CPU读程序存储器时 , 会产生一个低电平信号 PSEN,可利用该信号和 EPROM的地址译码信号产生选通信号 , 引起一个空闲的中断 , 在中断服务程序中设臵软件陷阱 , 将跑飞程序拉入正规。看门狗 技术当跑飞的程序落到非程序的数据表格区，或跑飞的程序在没有碰到冗余指令之前，已经自动形成一个死循环，则指令冗余和软件陷阱均无法使失控程序摆脱死循环，这时可采用 看门狗 WATCHDOG技术解决。 看门狗 技术就是不断监视程序循环运行的时间，若发现时间超过正常的循环时间，则认为系统陷入了死循环。这时强迫系统执行一段出错- 11 - 处理程序，使系统脱离死循环，转人正轨运行。- 12 - 3 太阳能光伏发电系统的基本组成3.1 概述太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。并网运行光伏发电系统是指与电网相连，可以给电网供电的光伏发电系统。太阳能光伏发电系统一般由蓄电池、太阳能电池方阵、控制器、逆变器、交流配电设备等组成如图 3.1 所示。图 3.1 光伏放电系统框图当负载为直流时，如通讯设备、石油管道阴极保护等电源，则可以省略逆变器和交流配电设备，系统比较简单，成本也降低。如果发电系统与交流电网并联运行，则可以省略蓄电池组、控制器和逆变器合而为一，系统的成本可以大大降低，同时还可以减少由于蓄电池组造成对环境带来的影响。可见太阳能并网发电系统是今后的主要形式。但在我国广- 13 - 大的牧区和偏远无电地区，户用光伏系统和风光互补系统在很长一个时期内将是主要的供电方式。3.2 太阳能电池3.2.1 太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应。即当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。硅的外层电子受到太阳光辐射时成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中的 空穴 。由于电子和空穴的扩散，在结合的 P、 N 半导体的交界面处即 PN 结的两边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射 PN 结时，在势垒电场的作用下，电子被驱向 N 型区，空穴被驱向 P 型区，从而使 N 型区有过剩的电子， P 型区有过剩的空穴，形成了光生电场。在 N 型区与 P 型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势，接通外电路时便有电能输出。如图 3.2 所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，那么电子向 N 型半导体扩散，空穴向 P 型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。图 3.2 太阳能电池的发电原理3.2.2 太阳能电池的种类太阳能电池按照材料的不同可分为如下三类- 14 - 1 硅太阳能电池这种电池是以硅为基体材料的太阳能电池。 如单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。制作多晶硅太阳能电池的材料，用纯度不太高的太阳级硅即可。而太阳级硅由冶金级硅用简单的工艺就可加工制成。多晶硅材料又有带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种。用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种。2 硫化镉太阳能电池这种电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池。如硫化亚铜硫化镉太阳能电池、碲化镉硫化镉太阳能电池、铜铟硒硫化镉太阳能电池等。3 砷化镓太阳能电池这种电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池。同质结砷化镓太阳能电池、异质结砷化镓太阳能电池等。按照太阳能电池的结构来分类，其物理意义比较明确，因而已被国家采用作为太阳能电池命名方法的依据。3.2.3 光伏阵列特性一、光伏阵列的 I-V 方程光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的 I-V 特性强烈地随日照强度和较强烈地随电池温度 T 而变化，其等效电路如图 3.3 所示。由于器件瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容 C 在光伏能阵图 3.3 光伏阵列单元等效电路列的理论分析中加以忽略。 规定图中电压、 电流方向， 得出光伏阵列的输出电流电压 I-V方程为式 3-1 。（ 式 3-1 ）- 15 - I L 光电流， A I 反向饱和电流， A q 电子电荷（ 1.6*10-19J/K ）K玻尔兹曼常数（ 1.38*10-23J/K ）T绝对温度 ,K A二极管因子R S 串联电阻 , ΩR Sh 并联电阻 , Ω二、光伏阵列 I-V 特性曲线由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响，下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的 I-V 特性。首先让我们来了解光伏阵列的几个重要参数。1、短路电流 IsC 为给定日照强度和温度下的最大输出电流2、开路电压 Voc 为给定日照强度和温度下的最大输出电压3、最大功率点电流 Im 在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流4、最大功率点电压 Vm在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压5、最大功率点功率 Pm在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率 PmImVm 其意义如图 3.4 所示图 3.4 光伏阵列特性参数说明 一 太阳能光伏阵列在相同温度不同日照下的 I-V 与 P-V 特性- 16 - 图 3.5 不同日照下的 I-V 关系曲线图 图 3.6 不同日照下的 P-V 关系曲线图图 3.5 、图 3.6 分别是太阳能光伏阵列在温度为 25℃时，不同日照 S 下表现出的电流- 电压 I-V 和功率 - 电压 P-V 特性。 从图 3.5 可知， 太阳能光伏阵列的输出短路电流 Isc和最大功率点电流 Im 随日照强度的上升而显著增大，也就是说式 3-1 中 IL 强烈地控制着 I 的大小，虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对电流与电压相乘的结果 - 最大输出功率来说，变化显著，如图 2-6 中虚线与各实线的交点所示。 二 太阳能光伏阵列在相同日照不同温度下的 I-V 与 P-V 特性图 3.7 不同温度下的 I-V 关系曲线图 图 3.8 不同温度下的 P-V 关系曲线图图 3.7 、图 3.8 分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为 1000W/m2 和在变化温度 [T] 的情况，表现出典型的 I-V 和 P-V 特性。可以看出，温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大 , 因而对最大输出功率影响明显，见图 3.8 各实线的波峰的幅值变化。- 17 - 4太阳辐射能量分析太阳辐射资源变化极其复杂，加上储能设备等因素需要建立合理的理论模型。本课题在太阳辐射能方面做了研究工作。主要介绍日照时间和太阳位臵的计算以及太阳辐射能的有关计算。4.1 日照时间和太阳位臵的计算4.1.1 太阳能中天文参数的计算1. 日地距离由于地球绕太阳的运行轨迹是一个椭圆，所以地球与太阳之间的距离在一年之内是变化的。日地平均距离及最大最小距离列在表 3.1 中。到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方 r /r02 成反比。 r0 为日地平均距离， r 为任意时刻日地距离的准确值。r /r0210.033cos360n/365 日期 距离 km 日期 距离 km 1月 1日 147,001,000 7月 1日 152,003,000 4月 1日 149,501,000 10月 1日 149,501,000 表 3.1 日地距离地变化2. 太阳赤纬角 δ- 18 - 日地中心的连线与赤道面间的夹角每天（实际是每一瞬间）均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。δ 23.45 sin360 284n/365 式中， n为一年中的日期序号，从每年 1月 1日算起。太阳赤纬随日期序号的变化见图3.2 。春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道 , 即天赤道的δ 0。北半球夏至的正午时刻太阳直射北回归线，δ 23. 45。北半球冬至的正午时刻太阳直射南回归线时，δ - 23. 45。图 3.2 太阳赤纬4.1.2 水平面太阳位臵的计算在太阳能的利用中，必然要涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等问题。1、太阳高度角α s 地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角，为太阳高度角。太阳高度角α s的计算公式为sin sin δ sin φ cos δ cos φ cos ω式中，δ太阳赤纬角φ当地的地理纬度- 19 - ω当时的太阳时角，其计算公式为ω Ts - 12 15（ 3.4 ）式中 Ts（ 0－ 24h）为每日时间，时角上午为正，下午为负。2、太阳方位角γ s 地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角，就是太阳方位角。太阳方位角γ s的计算式为cos γ sin sin φ sin δ / cos cos φ s s α - α s （ 3.5 ）3、日出、日没角ω h、α s、γ s ω cos- 1 - tan φ tan δ （ 3.6 ）式中，负值表示日出时角，正值表示日没时角。α s 0 cos γ - sin δ / cos φ s （ 3.7 ）4、正午时刻（γ s 0 ）（ 3.8 ）5、理论日照时间 N 由下式给出（ 3.9 ）4.2 太阳辐射能的有关计算一、日辐射与小时辐射一般从气象部门所能得到的太阳能辐射资料多为日总辐射量，当需要用每小时的辐时数据时，可根据日辐射数据来估算小时值，用日总辐射量来推算小时辐射量的方法在晴天条件下结果和实际情况吻合。- 20 - 5 控制系统的硬件设计- 21 - 5.1 总体设计方案本文设计的单轴自动跟踪电路主要包括电压电流传感器单元、单片机控制单元和电机驱动电路，如图 5.1 所示。图 5.1 自动跟踪控制电路结构框图电压传感器和电流传感器如图 5.2 和图 5.3 所示。电流传感器采用 50A、 150mV的分流器和运算放大器 AD820。当负载一定时，太阳能电池板的输出电压随输入光功率变化而变化，通过电压传感器检测电压值可知道当前功率的大小，进而可以得到太阳光线偏离太阳能电池板法线的角度变化。当负载变化时，电流值变化，通过电流传感器可观测电流的变化情况，当电流稳定后，再通过检测电压传感器的电压值而得到太阳光线偏离太阳能电池板法线的角度变化。图 5.2 电压传感器示意图图 图 5.3 电流传感器示意图5.2 单片机 AT89C52简介控制电路的核心器件是由美国 Atmel 公司生产的 AT89C52单片机，属于 MCS51系列。- 22 - AT89C52是一种低能耗、高新能的 CMOS 8位微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash 存储器，采用的工艺是 Atmel公司的高密度非易失储器技术