太阳能智能跟踪充电系统

目 录绪 论第一章 设计分析1. 1 当前太阳能利用的现状第二章 太阳能电池板的自动寻光电路2． 1 寻光元件2． 2 电压比较元件2. 3 继电器工作原理2. 4 寻光执行机构2. 5 寻光电路分析第三章 自动充电电路3.1 6V 铅蓄电池3.2 防过充保护电路第四章 机械设计4.1 水平旋转设计4.2 上下角度改变设计第五章 调试及性能分析5． 1 硬件调试第六章 总结体会致 谢参考文献附 录附录 1: 硬件电路图太阳能智能跟踪充电系统摘 要： 太阳能是一种可靠的 “ 永恒 ” 能源， 太阳能充电系统就是靠阳光的能量保证负载的正常使用， 它利用的能源是太阳能． 既省电又环保． 其外形可能和其他电器差不多， 惟一不同的是， 其接又有一块太阳能电池板。 通过聚集和储存太阳能，电器就可正常运作。太阳能又是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出了较高的要求。在太阳能利用中，必须使太阳能电池板从日出到日落跟踪太阳，而在太阳能光电中，相同条件下，自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35%，成本下降 25%。因此在太阳能利用中， 进行跟踪装置的控制方式进行研究是一项很有意义的工作。 太阳能智能跟踪充电系统可以自动跟踪太阳光线调整角度， 其不但能水平调整， 而且还能上下调整，这就改变了传统的固定角度来接收光能。目前，中国、西欧等国家的一些地区已经开始使用这种产品。而随着该产品制造成本的降低．这种充电系统。关键词： 太阳能 机械 自动跟踪 智能 充电第一章 本项目的研究背景及当前的发展现状1. 1 本项目的研究背景1.1.1 国外现状常规能源资源的有限性和环境压力的增加， 使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。近几年，国际光伏发电迅猛发展。 1973年，美国制定了政府级阳光发电计划； 1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划， 累计投资达 8 亿多美元； 1994 年度的财政预算中， 光伏发电的预算达 7800多万美元， 比 1993 年增加了 23． 4％； 1997 年美国和欧洲相继宣布 “ 百万屋顶光伏计划 “ ， 美国计划到 2010 年安装 1000～ 3000MW太阳电池。 日本不甘落后， 1997年补贴 “ 屋顶光伏计划 “的经费高达 9200 万美元，安装目标是 7600Mw。印度计划1998－ 002 年太阳电池总产量为 150MW，其中 2002 年为 50MW。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展， 光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。 到目前为止， 世界太阳电池年销售量己超过 60 兆瓦，电池转换效率提高到 15％以上，系统造价和发电成本已分别降至 4 美元 / 峰瓦和 25 美分 / 度电；在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾 10 亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破，目前已有 20 余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。1.1.2 国内现状煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、 生物质能、 地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源， 开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于 70 年代， 真正快速发展是在 80 年代。 在 1983 年一 1987年短短的几年内先后从美国、 加拿大等国引进了七条太阳电池生产线， 使我国太阳电池的生产能力从 1984 年以前的年产 200 千瓦跃到 1988 年的 4． 5 兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、 无电乡村、 无电岛屿等边远偏辟无电地区，年销售约 1.1 兆瓦，成效显著。1． 2 太阳能智能充电系统 的优点太阳能是一种可靠的“永恒”能源， 太阳能充电系统就是靠阳光的能量保证电器的正常使用， 它利用的能源是太阳能． 既省电又环保． 安装时还不需要铺设电缆。 该电器具有蓄电功能． 可保证每天天正常工作。 太阳能产品的特点是摆脱了电线的约束，能够任意安装在太阳能够照到的路段。这点在道路上尤为重要，可以保证各种设施安装的同时也没有铺线的烦恼。该系统与电力驱动的普通电器相比，它完全可以摆脱电网的束缚。这种系统最适合应用于那些无法铺设电缆， 或者电缆铺设造价太高的地区如偏远山区。 目前，中国、西欧等国家的一些地区已经开始使用这种产品。这种太阳能充电系统的优点在于利用太阳能自动控制． 不用外接电源， 夜间无太阳光照射也能工作， 并且安装快捷． 便于移动。 由于一些地区供电较为紧张，导致该区域的重要公共电器如交通灯因为中途断电无法正常工作，很容易 造成交通混乱。 而这种新型系统采用的是清洁能源一太阳能． 而且用之不尽． 完全不受电的制约。 因此， 它特别适用于新建成城市和地区使用． 可满足该地区应对紧急停电、限电以及其他突发情况的需要。1． 3 项目设计分析太阳能电池板： 50W-120W多晶硅太阳能电池板 , 正常工作寿命 15 年 . 蓄电池： 6V70AH-6V150AH免维护铅蓄电池 , 正常工作寿命 10 年 . 第二章 太阳能电池板的自动寻光电路2． 1 寻光元件光敏电阻器又叫光感电阻， 是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、 光的控制和光电转换 （将光的变化转换为电的变化） 。通常， 光敏电阻器都制成薄片结构， 以便吸收更多的光能。 当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。 一般光敏电阻器结构如图 2.1 所示。 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、 科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器： 包括硒、 硫化镉、 硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户， 航标灯、 路灯和其他照明系统的自动亮灭， 自动给水和自动停水装置， 机械上的自动保护装置和“位置检测器”， 极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。2． 2 电压比较元件2.2.1 LM358 双运算放大器概述LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用， 也适用于双电源工作模式， 在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。 它的使用范围包括传感放大器、 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。2.2.2 LM358 特性内部频率补偿直流电压增益高 ( 约 100dB) 单位增益频带宽 ( 约 1MHz) 电源电压范围宽：单电源 (3 — 30V); 双电源 ( ± 1.5 一± 15V) 低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大 (0 至 Vcc-1.5V) 图 2.2 LM358 引脚图2.3 继电器工作原理2.3.1 继电器（ relay ）的工作原理和特性当输入量 ( 如电压、 电流、 温度等 ) 达到规定值时， 使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量 ( 如电流、电压、频率、功率等 ) 继电器及非电量 ( 如温度、 压力、 速度等 ) 继电器两大类。 具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、 运动、 遥控、 测量和通信等装置中。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器如图 2.3 所示 , 一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压， 线圈中就会流过一定的电流， 从而产生电磁效图 2.3 电磁式继电器原理图应， 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯， 从而带动衔铁的动触点与静触点 （常开触点） 吸合。 当线圈断电后， 电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置， 使动触点与原来的静触点 （常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器 的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静 触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁， 而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。 恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。3、固态继电器（ SSR）的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。2.3.2 继电器主要产品技术参数1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。 根据继电器的型号不同， 可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流， 这样继电器才能稳定地工作。 而对于线圈所加的工作电压， 一般不要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。 当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。5、触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。 它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。2.4 寻光执行机构本设计采用 5V 直流电机用来调整太阳能电池板的支架 , 直流电机具有以下特点 : 1、 调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。2、 起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械， 例如大型可逆轧钢机、 卷扬机、 电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。为了得到理想的转速 , 本设计没有直接用直流电机输出的动力来控制电池板支架 , 而是通过一个简易的变速箱来调整传输比 . 进而达到速度理想、 扭距大的效果 . 2.5 寻光电路分析太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别， 这就对太阳能的收集和利用提出了较高的要求。 在太阳能利用中， 必须使太阳能电池板从日出到日落跟踪太阳， 而在太阳能光电中， 相同条件下， 自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35%，成本下降 25%。因此在太阳能利用中， 进行跟踪装置的控制方式进行研究是一项很有意义的工作。 自动跟踪式太阳能交通灯可以自动跟踪太阳光线调整角度。如下图 2.4 所示 , 可以实现太阳能电池板自动寻光功能 . 图 2.4 太阳能电池板自动寻光电路功能分析 : 如图所示 , 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的补偿。将 RT1和 RT3安装在垂直面板的一侧， 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受太阳光的照射， 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， 其转换触电 3 与触电 1 闭合， 同时 RT3内阻减小， LM358的 5 脚电位下降， K2 不动作，其转换触电 3 与静触点 2 闭合，电机 M正转；同理，如果只有 RT2、 RT4受太阳光的照射，继电器 K2 导通， K1断开，电机M反转。当转到垂直面板两侧，面的光照度相同时，继电器 K1、 K2 都导通，电机 M才停转。在太阳不停地偏移过程中，垂直面板两侧光强度的强弱不断地交替变化，电机 M转 - 停，转 - 停，使太阳能接受装置始终面朝太阳。 4 只光敏电阻这样交叉安排的优点是： LM358的 3 脚电位升高时， 5 脚的电位则降低， LM358的 5 脚电位升高时， 3 脚电位则降低，可使电机的正反转工作既干脆又可靠。 可直接用安装电路板的外壳兼作面板， 避免将光敏电阻 RT2、RT3引至蔽阴处的麻烦。 使用该装置， 不必担心第二天早晨它能否自动返回。早晨太阳升起时，垂直面板两侧的光照度不可能正好相等，这样，上述控制电路就会控制电机，从而驱动接收装置向东旋转，直至太阳能接受装置对准太阳为止。第三章 自动充电电路3.1 6V 铅蓄电池铅蓄电池是一种蓄电池，它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用 22～ 28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时， 两极分别生成铅和二氧化铅。 移去电源后， 它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是 2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是 6V。汽车上用的是 6 个铅蓄电池串联成 12V的电池组。 铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸， 使电解质保持含有 22～ 28％的稀硫酸。3.2 防过充保护电路3． 2． 1 铅蓄电池过充的危害目前的铅酸蓄电池基本上是由浮充类型的电池发展而来的。 浮充电池不适应快速充电和大电流放电。 但发生过充电以后， 不会形成单体电池隔板熔化的问题，导致整组电池迅速失效；在过充电和过放电状态电池也不会发生爆炸。 就是说铅酸蓄电池过充不会有什么严重后果。 铅蓄电池的电压正常情况下保持 2.0V, 电压下降到约 1.85V 时需要重新充电3． 2． 2 防过充保护原理电路图 3.1 防过充保护电路说明 ： D1为太阳能电池板电压输入接口D2 为 12V免维护铅蓄电池输出接口3.3.3 OPA2 335AID 及 TLV3501AID 原理1.OPA2 335AID OPA2 335AID 如图 3.2 内部包括有两个独立的、 高增益、 内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单 电源使用， 也适用于双电源工作模式， 在推荐的工 作条件下， 电源电流与电源电压无关。 它的使用范 围包括传感放大器、 直流增益模块和其他所有可用 单电源供电的使用运算放大器的场合。3.2 OPA2 335AID 引脚图2.OPA2 335AID 性能通道数 : 2 关断功能 : No 工作电压 Max.(V): 5.500 工作电压 Min. (V): 2.700 每通道 IQ( 典型值 )(mA): 0.350 带宽 GBW(典型值 )(MHz): 2 转换速率 ( 典型值 )(V/us): 1.600 输入失调电压 (25℃ )(Max.)(mV): 0.010 失调漂移 ( 典型值 )(uV/ ℃ ): 0.020 输入偏置电流 (Max.)(pA): 200 共模抑制比 (Min.)(dB): 110 电源供电 : Yes 满幅 : Out 封装 / 温度 ( ℃ ): SOIC-8/ － 40～ +125 3.TLV3501AID 该 TLV350x系列推拉输出比较功能快速 4.5ns 传播延迟和运作 +2.7 V 至 +5.5五超越了，铁轨输入共模范围使它成为理想的选择低电压应用。图 3.3 TLV3501AID 引脚图在轨到轨输出直接驱动或者 CMOS或的 TTL 逻辑。 Microsize 软件包提供选择便携式和空间限制的应用。单（ TLV3501 ）是可在 SOT23 - 6 及 SO - 8 封装。双（ TLV3502 ）是在采用 SOT23 - 8 和 SO - 8 封装。4.TLV3501AID 性能电源电压： +5.5 V 信号输入端子，电压： （ V 型） -0 .3V 至（ V + ） + 0 .3V 信号输入端子，电流： 10 毫安输出短路： 74 毫安工作温度 :-40 ℃至 +125 ℃贮藏温度 :-65 ℃至 +150 ℃结温 :+150 ℃铅温度（焊接， 10 ） : 300 ℃额定 ESD （人体模型） : 3000V 带电器件模型（清洁发展机制） : 500V 其为高性能高速比较器。第四章 机械设计4.1 水平旋转设计由于水平旋转有坐台下电机控制，采用普通方式由导线实现电源给电机供电，会出现导线绕着太阳能旋转的现象。所以本制作采用了电刷供电的方式，实现电动部分与静止部分的电气连接。1 c5 |7 O, s- L4.2 上下角度改变设计上下角度主要通过直尺式齿轮， 经过齿轮的升与缩， 调整支撑杠杆的高度来达到调整太阳能仰角的变化， 这样做的好处是让复杂的机械系统变的简单化。 从而有更多的时间完善电路，使系统更加完美。第五章 调试及性能分析系统调试及性能分析是开发过程的重要环节。当完成了系统的硬件设计和硬件组装后，便可进系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计的错误及可能出现的不协调问题， 以便修改设计， 使系统能正常工作。 应该在方案设计阶段就要考虑调试问题， 如采取什么调试环境方法、 使用何种测试仪器等， 以便在方案设计时将必要的调试方法综合到软、 硬件设计中， 提早做好调试准备系统调试包括各硬件单元调试及整个系统调试。 根据不同调试环境， 系统调试可分为模拟调试与现场调试。 各种调试所起的作用不同， 所处的时段也不一样， 但目标是一致的， 都是为了查出系统中的潜在错误， 提高可靠性， 完善功能。每个应用系统都要经过各硬件单元的调试，不同的系统只是调试过程的繁简而已。 主要硬件模块调试一般要先行， 主要模块调试成功后， 才有条件进行附加模块的调试。 就目前的硬件集成技术而言， 硬件调试过程相对比较简单。 就本设计而言， 对硬件电路的调试首先可以用万用表测试电路中是否存在短路、 断路、 虚焊等问题， 再检查电源线与地线之间是否有短路现象， 通过观看设计的电源指示灯或测量电源电压就可以判定系统的电源是否正常。如果存在就应该及时处理，否则系统中的其它器件就有可能被烧毁， 后果十分严重。 当以上测试通过之后就可以对系统进行上电测试， 检测接地端电压是否接近零电压， 接固定电平的引脚的端电平是否正确。第六章 总体体会本次 TI 杯电子设计大赛从 8 月 20 号开始， 9 月 20 号结束。我们走过了整整一个月的时间。在这一个月里，经历了很多很多，也学会了很多。从资料的查找到电路的设计， 从各功能模块的焊接到功能的基本实现， 一路坎坷。 在设计过程中不断的发现问题， 同时也不断的解决问题， 越来越发觉制作实物相比整体设计要难一些， 实际制作过程中会遇到多种多样的问题， 要通过不断的测试和实验来解决。不能粗心大意，一开始就因 TLV3501AID 一只脚没连 ，导致电路不工作。浪费时间又浪费精力，因此，做任何事都要细心，要考虑的周全，不能因为一时的失败而丧失信心， 从哪里跌倒了要从哪里爬起来， 只有有了这样的精神，才会从问题中学到更多的知识，为我们以后更好的发展奠定了基础。致谢：本论文是在我们徐州师范大学物电学院各位老师的悉心指导和殷切关怀下完成的。 在一个月的比赛期间， 无论是在学习上还是生活上都得到了各位无微不至的关怀。老师渊博的知识和精辟的见解给予了我许多启发 ; 老师严谨求实的治学态度、孜孜不倦的探索精神、奋发向上的进取精神，令我们受益终生，是我们今后学习和工作的榜样。 在此， 要向物电学院的各位老师表示深深的谢意和崇高的敬意。 也 在报告完成之际， 谨向所有曾给予我帮助的同学和朋友致以忠心的感谢！ 感谢我班所有同学在一个月的竞赛生活中给予我的帮助和支持， 难忘我们共度的求学岁月。 感谢父母对我的养育之恩和无微不至的关心， 我所取得的每一点进步和每一分成就无不凝聚着他们的心血和汗水。 还有辛勤为我们打分的各位评委和专家，谨以此文献给他们，我们确实学到了不少东西！参考文献：[1] 童诗白 . 华成英 . 第三版 .《模拟电子技术基础》 . 北京 : 高等教育出版社 .2001年 1 月[2] www.21ic.com ( 中国电子网 ) [3]2000-2007 电子报附 录附录 1: 硬件电路图1. 太阳能电池板自动寻光电路2. 防过充保护电路