單軸太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(基于TA89C52單片機)畢業(yè)設(shè)計論文

1、單軸太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(基于TA89C52單片機)畢業(yè)設(shè)計論文 單軸太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計1 引言11 課題背景 能源問題關(guān)系到經(jīng)濟是否能夠可持續(xù)發(fā)展一次能源的日益枯竭已引起全世界的極大關(guān)注現(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭石油原子能等占人們能源消費的大部分的煤炭和石油都是有限的不可再生的 太陽是個巨大的能源地球上絕大部分能源歸根究底是來自太陽的太陽輻射能與煤炭石油核能相比較有如下的優(yōu)點 1普遍性地球上處處都有太陽能不需要到處去尋找去運輸 2無害性利用太陽能作為能源沒有廢渣廢料廢氣廢水的排放沒有噪聲不會污染環(huán)境沒有公害 3長久性只要有太陽就有太陽能因此太陽能可以說是取之不

2、盡用之不絕 4巨大性一年內(nèi)到達地面的太陽輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍 12 課題內(nèi)容 我國目前已開始在牧區(qū)普及使用無跟蹤裝置的戶用太陽能光伏系統(tǒng)但由于太陽能電池價格昂貴無跟蹤裝置的光伏系統(tǒng)發(fā)電效率較低普遍推廣應(yīng)用受到影響相對于無跟蹤裝置的光伏系統(tǒng)雙軸自動跟蹤系統(tǒng)雖然能提高發(fā)電效率約提高50但其造價高結(jié)構(gòu)復(fù)雜維護困難也難以在牧區(qū)推廣使用針對這一實際情況需采用合理的方法進行改善此方法必須滿足低成本高可靠性高性價比單軸自動跟蹤系統(tǒng)和雙軸自動跟蹤系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)更簡單且費用最低 單軸太陽能電池自動追蹤系統(tǒng)主要包括機械部分和控制部分機械裝置由電機驅(qū)動可以使電池板水平方向角為0- 18

3、0控制部分主要由單片機系統(tǒng)構(gòu)成單片機系統(tǒng)具有成本低智能化程度高擴展性強等優(yōu)點由單片機系統(tǒng)配合外圍的電路元件實現(xiàn)對太陽能電池板的控制垂直方向角變化不大可以手動進行調(diào)整太陽能電池板轉(zhuǎn)換的電能信號由轉(zhuǎn)換裝置送入單片機通過驅(qū)動電機使太陽能電池板朝著與太陽垂直的方向轉(zhuǎn)動 本課題研究的重點及難點 1建立嚴格的單軸自動跟蹤數(shù)學(xué)模型并與雙軸自動跟蹤系統(tǒng)進行效率比較從理論上證明它的可行性 2通常自動跟蹤系統(tǒng)須采用傳感器把電池板法線偏離太陽光線的角度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆詫崿F(xiàn)跟蹤本設(shè)計考慮到它主要是牧區(qū)等陽光充足地區(qū)的居民使用所以要滿足高性價比取消了傳感器而直接利用太陽能電池板發(fā)電量作為電信號輸入單片機實現(xiàn)跟蹤增加了

4、測控難度 3自動跟蹤系統(tǒng)應(yīng)能排除陰雨天太陽被云層遮擋引起的輸出變化負載變化引起的輸出功率變化引起的干擾 本設(shè)計的主要特點 1采用先進的微電子控制技術(shù)AT89C52 單片機為跟蹤控制器的核心充分利用其內(nèi)部功能體積小功耗低 2性價比高具有良好的應(yīng)用前景2 自動跟蹤控制的總體設(shè)計方案21控制方法的確定211 本課題設(shè)計方法的提出 雙軸自動跟蹤系統(tǒng)是目前研究開發(fā)使用的系統(tǒng)它的跟蹤效果好可提高發(fā)電量是一種非常有前途的方法但適用于較大型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中我國牧區(qū)無跟蹤光伏系統(tǒng)太陽能發(fā)電效率較低針對這一實際情況需采用合理的方法進行改善此方法必須滿足低成本高可靠性高性價比單軸自動跟蹤系統(tǒng)和固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相

5、比跟蹤效果好結(jié)構(gòu)簡單且費用較低太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)的原理與基本方法我們對雙軸自動跟蹤系統(tǒng)進行了一定的改進設(shè)計出具有很好性能價格比的單軸自動跟蹤系統(tǒng)滿足牧區(qū)的實際需要單軸太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)示意圖如圖41 所示 圖21單軸太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng) 圖22自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤示意圖 太陽能電池板與地面水平面南北方向成角此高度角可手動進行調(diào)整東西方位角通過單片機控制系統(tǒng)進行自動跟蹤始終追隨太陽的東西方位使太陽能電池保持較大的發(fā)電功率后面部分有詳細的設(shè)計內(nèi)容這里就不具體介紹了 212 單軸自動跟蹤系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 如圖22 所示建立坐標系一XYZ此時日地心連線為X 軸過地心且與地球軌道平面垂直的直線為

6、Z 軸過地心且與XZ 軸都垂直的直線為Y 軸方向如圖所示中午時刻太陽能電池板與太陽光直射方向垂直此時太陽能電池板與地平面的夾角為 建立坐標系二XYZ它是坐標系一以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)235得到的 假定觀測點所在地與地心距離為rAB 的長度為l點A 位于緯度中午12 時AB平行于Z 軸且在Z0 的平面在坐標系一下A 點和B 點的坐標分別為XA1 r cos YA1 0 ZA1 r sin XB1 r cos YB1 0ZB1 r sin l在坐標系二下A 點的坐標和B 點的坐標分別為XA2 r cos YA2 0ZB2 r sin XB2 r cos l sin 235YB2 0ZB2 r sin

7、l cos 235地球繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角速度為設(shè)旋轉(zhuǎn)時間為t 小時此時在坐標系二下A點旋轉(zhuǎn)t角度變?yōu)閍點B 點旋轉(zhuǎn)t角度變?yōu)閎點此時a點的坐標和b點的坐標分別為Xa1 r cos cos tYa1 r cos sin tZa1 r sin Xb1 r cos l sin 235cos tYb1 r cos l sin 235sin tZb2 r sin l cos 在坐標一下a 點和b 點的坐標分別為Xa2 r coscost r sintg 235cos 235此時直線ab 在XOZ 平面投影的直線的斜率為22 設(shè)計任務(wù)221 設(shè)計目標 課題設(shè)計目標根據(jù)太陽輻射能的特點光伏電池的特性實現(xiàn)對太陽

8、能方位角的跟蹤 222 設(shè)計要求課題設(shè)計要求 自動跟蹤的實現(xiàn) 所設(shè)計的單軸太陽自動跟蹤系統(tǒng)的核心部分是單片機需設(shè)計合理的程序近而對電機進行控制適時改變電池板的角度 抗干擾性 為保證跟蹤的準確性系統(tǒng)必須具有較強的抗干擾能力設(shè)計應(yīng)從硬件和軟件兩方面著手來抑制系統(tǒng)的干擾 23 總體設(shè)計方案231 硬件設(shè)計方案 國內(nèi)外目前已有了很多光伏電站太陽能發(fā)電在我國多采用傳感器跟蹤式的系統(tǒng)發(fā)電成本還很高不利于跟蹤系統(tǒng)的推廣與發(fā)展提高發(fā)電效率是降低成本的捷徑我們開發(fā)的太陽能電池自動跟蹤系統(tǒng)使太陽能電池板始終對著太陽保持最大的發(fā)電效率具有成本低等優(yōu)點有較好的推廣應(yīng)用價值 太陽能電池是依靠太陽光輻射能而產(chǎn)生電能的器件

9、同樣的一塊太陽能板由于放置的角度不同所接受的光輻射能就不同產(chǎn)生的電能就不同因此為了提高太陽能電池電能的產(chǎn)量可以讓太陽能板自動的隨著天空中太陽的方位角的變化而實現(xiàn)跟蹤 如下是我們研制的單軸太陽方位角跟蹤系統(tǒng)太陽自動跟蹤系統(tǒng)主要分為機械部分和控制部分機械部分主要由電池板支架底座和直流電機構(gòu)成控制部分驅(qū)動電機可以使電池板在東西方向上的0-180度自由旋轉(zhuǎn)控制部分主要由軟件算法構(gòu)成具有成本低智能化程度高擴展性強等優(yōu)點高度角可以手動進行調(diào)整太陽能自動跟蹤系統(tǒng)框圖如圖23所示 太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)主要由五部分組成即光電轉(zhuǎn)換裝置由太陽能電池構(gòu)成輸入裝置單片機控制系統(tǒng)信號放大裝置和直流電機由于考慮到最低成本

10、的問題此設(shè)計未使用太陽傳感器直接利用太陽能電池板的電信號作為單片機控制系統(tǒng)的輸入信號 圖23 系統(tǒng)框圖 太陽跟蹤系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)常見的有框架式軸架式和旋轉(zhuǎn)臺式三種前兩種形式是將光伏陣列安裝在可進行太陽時角跟蹤的軸向移動固定框架或軸架上其特點是結(jié)構(gòu)簡單價格便宜安裝方便適用于支撐單軸跟蹤的小功率光伏陣列可額外附帶簡單的季節(jié)性仰角調(diào)節(jié)功能旋轉(zhuǎn)臺式形式是一個較大的可進行時角跟蹤的旋轉(zhuǎn)臺上安裝可進行仰角跟蹤的光伏陣列它適用于支撐大功率的雙軸跟蹤光伏陣列其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價較高本設(shè)計考慮到高性價比采用軸架式 232 軟件設(shè)計方案 根據(jù)本課題的設(shè)計任務(wù)及系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案如下 單片機軟件設(shè)計包括

11、 跟蹤系統(tǒng)主程序設(shè)計 INT0中斷服務(wù)程序設(shè)計 電機驅(qū)動程序設(shè)計 串口發(fā)送程序 數(shù)據(jù)采集和處理程序 通信控制系統(tǒng)程序設(shè)計 24 可靠性設(shè)計 由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜和各種各樣的電磁干擾單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計抗干擾技術(shù)的應(yīng)用變得越來越重要本設(shè)計分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提高單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾能力的方法 241 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)一供電系統(tǒng) 為防止從電源系統(tǒng)引入干擾采取直流穩(wěn)壓電源保證供電的穩(wěn)定性防止電源的過壓和欠壓二注意印刷電路板的布線與工藝 印制電路板布置接地網(wǎng)可防止產(chǎn)生地電位差和元件之間的耦合 印制電路板合理分區(qū)模擬電路區(qū)數(shù)字電路區(qū)功率驅(qū)動區(qū)盡量分開地線不能相混分別和電源端

12、的地線相連 元件面和焊接面采用相互垂直斜交或者彎曲走線避免相互平行以減少寄生耦合避免相鄰導(dǎo)線平行段過長加大信號線間距高頻電路互聯(lián)導(dǎo)線盡量短使用45度或者圓弧折線布線不要使用90度折線以減小高頻信號的發(fā)射 印制電路板按單點接電單點接地的原則送電三個區(qū)域的電源線地線分三路引出地線電源線要盡量粗噪聲元件與非噪聲元件盡量離遠一些時鐘振蕩電路部分用地線圈起來讓周圍電場趨近于零三用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時鐘時鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時鐘的器件在石英晶體振蕩器下面加大接地的面積而不走其它信號線四驅(qū)動器件功率放大器件盡量靠近印制板的邊靠近引出接插件重要的信號線盡量短并要盡量粗并在兩側(cè)加上保護地五原則上每個I

13、C元件要加一個去耦電容布線時去耦電容盡量靠近電源腳和接地腳去耦電容焊在印制電路板上時引腳盡量短六閑置不用的IC管腳不要懸空以避免干擾引入單片機不用的IO口定義成輸出七提高元器件的可靠性 選用質(zhì)量好的電子元件并進行嚴格的測試篩選和老化 設(shè)計時元件技術(shù)參數(shù)要有一定的余量 提高印制板和組裝的質(zhì)量 242 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)一數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策 用軟件濾波算法可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的輸出控制錯誤最常用的方法有算術(shù)平均值法比較舍取法中值法一階遞推數(shù)字濾波法本設(shè)計根據(jù)信號的變化規(guī)律選擇算術(shù)平均值法對輸入量采用多次采集的辦法來消除開啟的抖動二程序運行失控的軟件對策 對于程序運行失常

14、的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)并及時將系統(tǒng)引導(dǎo)到初始狀態(tài)軟件冗余技術(shù) AT89C52所有指令都不超過3個字節(jié)且多為單字節(jié)指令指令由操作碼和操作數(shù)組成操作碼指明CPU完成什么樣的操作單字節(jié)指令僅有操作碼隱含操作數(shù)CPU受到干擾后PC內(nèi)容發(fā)生變化當程序彈飛到某一單字節(jié)指令時便自動納入正規(guī)當跑飛到某一雙字節(jié)或3字節(jié)指令時若恰恰在取指令時刻落到其操作數(shù)CPU就將操作數(shù)當做操作碼來執(zhí)行引起程序混亂因此軟件設(shè)計應(yīng)采用單字節(jié)指令并在關(guān)鍵的地方人為地插入一些空操作指令NOP或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫這稱為指令冗余在實際軟件設(shè)計中往往在雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后插入2個NOP可以保證程序跑飛后其后面的指令不會拆散后

15、面的程序可以正常運行在那些對程序流向起決定作用的指令例如在RETRETIACALLLJMPJZJNC等之前也插入2條NOP可保證跑飛的程序迅速進入正確的控制軌道軟件陷阱技術(shù) 軟件冗余技術(shù)適用于干擾后PC指向不正確的程序區(qū)當跑飛程序進入非程序區(qū)例如EPROM未使用的空間或表格區(qū)時使用冗余指令的措施已不再適用可采用軟件陷阱的辦法攔截跑飛程序?qū)⑵溲杆僖蛞粋€指定的位置執(zhí)行一段對程序運行出錯的處理程序軟件陷阱可采用以下形式NOPNOPLJMP ERROR ERROR為指定地址安排有出錯處理程序軟件陷阱可安排在下面幾個區(qū)域 a未使用的中斷向量區(qū)當干擾使未使用的中斷開放并激活這些中斷時就會引起系統(tǒng)程序的混

16、亂如果在這些地方設(shè)置陷阱就能及時捕捉到錯誤中斷 b未使用的EPROM區(qū)假設(shè)使用了1片EPROM芯片2764但程序并沒有用完這個2764芯片的區(qū)域這些非程序區(qū)可以用020000數(shù)據(jù)填滿020000是指令LJMP0000H的機器碼當跑飛程序進入此區(qū)后便會迅速自動進入正確軌道 c數(shù)據(jù)表格區(qū)由于表格中內(nèi)容和檢索值有一一對應(yīng)關(guān)系在表格中安排陷阱將會破壞其連續(xù)性和對應(yīng)關(guān)系應(yīng)在表格區(qū)的尾部設(shè)置軟件陷阱 d程序區(qū)前面已介紹跑飛的程序在用戶程序內(nèi)部跳轉(zhuǎn)時可用指令冗余技術(shù)加以解決也可以設(shè)置軟件陷阱更有效地抑制程序跑飛程序設(shè)計常采用模塊化設(shè)計模塊化的程序是由一序列執(zhí)行指令構(gòu)成的一般不能在這些指令串中間任意安排陷阱否

17、則正常執(zhí)行的程序也可能被抓走可以將陷阱指令分散放置在各模塊之間的空余單元中正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令但程序跑飛一旦進入陷阱區(qū)馬上將程序拉回正確軌道 e非EPROM芯片空間除了EPROM芯片占用的地址外還剩余大片未編程的EPROM空間當PC跑飛進入這些空間時讀入數(shù)據(jù)為0FFH對單片機而言相當于指令MOV R7A將修改R7的內(nèi)容當CPU讀程序存儲器時會產(chǎn)生一個低電平信號PSEN可利用該信號和EPROM的地址譯碼信號產(chǎn)生選通信號引起一個空閑的中斷在中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱將跑飛程序拉入正規(guī)看門狗技術(shù) 當跑飛的程序落到非程序的數(shù)據(jù)表格區(qū)或跑飛的程序在沒有碰到冗余指令之前已經(jīng)自動形成一個死循環(huán)則指令

18、冗余和軟件陷阱均無法使失控程序擺脫死循環(huán)這時可采用看門狗WATCHDOG技術(shù)解決看門狗技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行的時間若發(fā)現(xiàn)時間超過正常的循環(huán)時間則認為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)這時強迫系統(tǒng)執(zhí)行一段出錯處理程序使系統(tǒng)脫離死循環(huán)轉(zhuǎn)人正軌運行3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成31 概述 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)相連可以分為獨立運行系統(tǒng)與并網(wǎng)運行系統(tǒng)獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指與電網(wǎng)相連可以給電網(wǎng)供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由蓄電池太陽能電池方陣控制器逆變器交流配電設(shè)備等組成如圖31 所示圖31光伏放電系統(tǒng)框圖 當負載為直流時如通訊設(shè)備石油管道陰

19、極保護等電源則可以省略逆變器和交流配電設(shè)備系統(tǒng)比較簡單成本也降低如果發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)并聯(lián)運行則可以省略蓄電池組控制器和逆變器合而為一系統(tǒng)的成本可以大大降低同時還可以減少由于蓄電池組造成對環(huán)境帶來的影響可見太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是今后的主要形式但在我國廣大的牧區(qū)和偏遠無電地區(qū)戶用光伏系統(tǒng)和風(fēng)光互補系統(tǒng)在很長一個時期內(nèi)將是主要的供電方式 32 太陽能電池 321 太陽能電池工作原理 太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN 結(jié)的光生伏打效應(yīng)即當物體受到光照時物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)硅的外層電子受到太陽光輻射時成為自由電子同時在它原來的地方留出一個空位即半導(dǎo)體中的空穴由于電

20、子和空穴的擴散在結(jié)合的PN 半導(dǎo)體的交界面處即PN 結(jié)的兩邊形成內(nèi)建電場又稱勢壘電場當太陽光照射PN 結(jié)時在勢壘電場的作用下電子被驅(qū)向N 型區(qū)空穴被驅(qū)向P 型區(qū)從而使N 型區(qū)有過剩的電子P 型區(qū)有過剩的空穴形成了光生電場在N 型區(qū)與P 型區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動勢即光生伏打電動勢接通外電路時便有電能輸出 如圖32 所示那樣當具有適當能量的光子入射于半導(dǎo)體時那么電子向N 型半導(dǎo)體擴散空穴向P 型半導(dǎo)體擴散并分別聚集于兩個電極部分即負電荷和正電荷聚集于兩端這樣如用導(dǎo)線連接這兩個電極就有電荷流動產(chǎn)生電能圖32 太陽能電池的發(fā)電原理 322 太陽能電池的種類 太陽能電池按照材料的不同可分為如下三類 1硅

21、太陽能電池 這種電池是以硅為基體材料的太陽能電池如單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池等制作多晶硅太陽能電池的材料用純度不太高的太陽級硅即可而太陽級硅由冶金級硅用簡單的工藝就可加工制成多晶硅材料又有帶狀硅鑄造硅薄膜多晶硅等多種用它們制造的太陽能電池有薄膜和片狀兩種 2硫化鎘太陽能電池 這種電池是以硫化鎘單晶或多晶為基體材料的太陽能電池如硫化亞銅硫化鎘太陽能電池碲化鎘硫化鎘太陽能電池銅銦硒硫化鎘太陽能電池等 3砷化鎵太陽能電池 這種電池是以砷化鎵為基體材料的太陽能電池同質(zhì)結(jié)砷化鎵太陽能電池異質(zhì)結(jié)砷化鎵太陽能電池等 按照太陽能電池的結(jié)構(gòu)來分類其物理意義比較明確因而已被國家采用作為太陽能

22、電池命名方法的依據(jù)323 光伏陣列特性一光伏陣列的I-V 方程 光伏陣列是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件其輸出的I-V 特性強烈地隨日照強度和較強烈地隨電池溫度T 而變化其等效電路如圖33 所示由于器件瞬時響應(yīng)時間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時間常數(shù)相比微不足道因此結(jié)電容C 在光伏能陣圖33 光伏陣列單元等效電路列的理論分析中加以忽略規(guī)定圖中電壓電流方向得出光伏陣列的輸出電流電壓I-V方程為式3-1式3-1I L光電流AI 反向飽和電流Aq 電子電荷1610-19JKK玻爾茲曼常數(shù)13810-23JKT絕對溫度KA二極管因子R S 串聯(lián)電阻R Sh 并聯(lián)電阻二光伏陣列 I-V 特性曲線 由于光伏陣列的輸出特

23、性強烈地受到光照及陣列結(jié)溫的影響下面來分別分析在這兩種條件變化下光伏陣列的I-V 特性首先讓我們來了解光伏陣列的幾個重要參數(shù) 1短路電流IsC為給定日照強度和溫度下的最大輸出電流 2開路電壓Voc為給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓 3最大功率點電流Im在給定日照強度和溫度下相應(yīng)于最大功率點的電流 4最大功率點電壓Vm在給定日照強度和溫度下相應(yīng)于最大功率點的電壓 5最大功率點功率Pm在給定日照強度和溫度下陣列可能輸出的最大功率PmImVm 其意義如圖34 所圖34 光伏陣列特性參數(shù)說明一 太陽能光伏陣列在相同溫度不同日照下的I-V 與P-V 特性 圖35不同日照下的I-V 關(guān)系曲線圖 圖36不

24、同日照下的P-V 關(guān)系曲線圖 圖35圖36 分別是太陽能光伏陣列在溫度為25時不同日照S下表現(xiàn)出的電流-電壓I-V和功率-電壓P-V特性從圖35 可知太陽能光伏陣列的輸出短路電流Isc和最大功率點電流Im隨日照強度的上升而顯著增大也就是說式3-1中IL強烈地控制著I 的大小雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大但對電流與電壓相乘的結(jié)果-最大輸出功率來說變化顯著如圖2-6 中虛線與各實線的交點所示二 太陽能光伏陣列在相同日照不同溫度下的I-V 與P-V 特性 圖37 不同溫度下的I-V 關(guān)系曲線圖 圖38 不同溫度下的P-V 關(guān)系曲線圖 圖37圖38 分別給出了太陽能光伏陣列在日照射為

25、1000Wm2 和在變化溫度T的情況表現(xiàn)出典型的I-V 和P-V 特性可以看出溫度對太陽能光伏陣列的輸出電流影響不大但對它的輸出開路電壓影響較大因而對最大輸出功率影響明顯見圖38 各實線的波峰的幅值變化4太陽輻射能量分析 太陽輻射資源變化極其復(fù)雜加上儲能設(shè)備等因素需要建立合理的理論模型本課題在太陽輻射能方面做了研究工作主要介紹日照時間和太陽位置的計算以及太陽輻射能的有關(guān)計算41 日照時間和太陽位置的計算411太陽能中天文參數(shù)的計算1日地距離 由于地球繞太陽的運行軌跡是一個橢圓所以地球與太陽之間的距離在一年之內(nèi)是變化的日地平均距離及最大最小距離列在表31中到達地球表面的太陽輻射強度和距離的平方r

26、 r02成反比r0為日地平均距離r為任意時刻日地距離的準確值r r0210033cos360n365日期距離km日期距離km1月1日1470010007月1日1520030004月11日149501000表31 日地距離地變化2太陽赤緯角日地中心的連線與赤道面間的夾角每天實際是每一瞬間均處在變化之中這個角度稱為太陽赤緯角2345sin360284n365式中n為一年中的日期序號從每年1月1日算起太陽赤緯隨日期序號的變化見圖32春分和秋分的正午時刻太陽直射地球的赤道即天赤道的 0北半球夏至的正午時刻太陽直射北回歸線 2345北半球冬至的正午時刻太陽直射南回歸線時 234

27、5圖32 太陽赤緯412水平面太陽位置的計算在太陽能的利用中必然要涉及到太陽高度角方位角日照時間等問題1太陽高度角s地球上觀測點同太陽中心連線與地平面的夾角為太陽高度角太陽高度角s的計算公式為sin sin sin cos cos cos 式中太陽赤緯角當?shù)氐牡乩砭暥犬敃r的太陽時角其計算公式為 Ts 12 1534式中Ts0-24h為每日時間時角上午為正下午為負2太陽方位角s地球上觀測點同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角就是太陽方位角太陽方位角s的計算式為cos sin sin sin cos coss s s 353日出日沒角hss cos1tan tan 36式中負值表示日

28、出時角正值表示日沒時角s 0cos sin cos s 374正午時刻s 0385理論日照時間N 由下式給出 3942 太陽輻射能的有關(guān)計算日輻射與小時輻射一般從氣象部門所能得到的太陽能輻射資料多為日總輻射量當需要用每小時的輻時數(shù)據(jù)時可根據(jù)日輻射數(shù)據(jù)來估算小時值用日總輻射量來推算小時輻射量的方法在晴天條件下結(jié)果和實際情況吻合5 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計51 總體設(shè)計方案 本文設(shè)計的單軸自動跟蹤電路主要包括電壓電流傳感器單元單片機控制單元和電機驅(qū)動電路如圖51所示圖51 自動跟蹤控制電路結(jié)構(gòu)框圖 電壓傳感器和電流傳感器如圖52和圖53所示電流傳感器采用50A150mV的分流器和運算放大器AD820當負

29、載一定時太陽能電池板的輸出電壓隨輸入光功率變化而變化通過電壓傳感器檢測電壓值可知道當前功率的大小進而可以得到太陽光線偏離太陽能電池板法線的角度變化當負載變化時電流值變化通過電流傳感器可觀測電流的變化情況當電流穩(wěn)定后再通過檢測電壓傳感器的電壓值而得到太陽光線偏離太陽能電池板法線的角度變化圖52 電壓傳感器示意圖圖圖 53 電流傳感器示意圖52 單片機AT89C52簡介 控制電路的核心器件是由美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52單片機屬于MCS51系列AT89C52是一種低能耗高新能的CMOS 8位微控制器具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失儲器技術(shù)片上F

30、lash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活超有效的解決方案價格低廉性能可靠抗干擾能力強因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)中晶體振蕩器采用110952MHz晶振根據(jù)設(shè)計和功能需要AT89C52的引腳分配如表1 所示引腳P0P1P2P3設(shè)計控制顯示控制按鍵輔助控制控制傳感檢測功能模塊模塊顯示模塊顯示模塊引腳配置 圖54 AT89C52芯片引腳 53 時鐘芯片的選擇 時鐘芯片選擇了DALLAS 公司推出的Ds1302它是涓流充電時鐘芯片內(nèi)含有實時時鐘日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM通過簡單的串行接口與單片機進行通

31、信實時時鐘日歷電路提供秒分時日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘操作可通過AMPM指示決定采用24或12小時格式DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信僅需要用到三個口線1RES 復(fù)位2IO數(shù)據(jù)線3SCLK 串行時鐘線時鐘RAM的讀寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31 個字節(jié)的字符組方式通信DS1302 工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW54 印制板電路的制作 印制電路板PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件它提供電路元件和器件之間的電氣連接要使電子電路獲得最佳性能元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的為了設(shè)計質(zhì)量好造價低的PCB本設(shè)計主要注意了以下幾個方面

32、 一布局首先考慮PCB尺寸大小 PCB尺寸過大時印制線條長阻抗增加抗噪聲能力下降成本也增加過小則散熱不好且鄰近線條易受干擾在確定PCB尺寸后再確定特殊元件的位置最后根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局在確定特殊元件的位置時遵守以下原則 一 盡可能縮短高頻元器件之間的連線設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾易受干擾的元器件不能相互挨得太近輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠離 二某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差應(yīng)加大它們之間的距離以免放電引起意外短路 三應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置 根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局時符合以下原則 1按照電路的流程安排各個功能電路單元的

33、位置使布局便于信號流通并使信號盡可能保持一致的方向 2以每個功能電路的核心元件為中心圍繞它來進行布局元器件應(yīng)均勻整齊緊湊地排列在PCB上盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接 3在高頻下工作的電路考慮元器件之間的分布參數(shù)一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列這樣不但美觀而且裝焊容易易于批量生產(chǎn) 4位于電路板邊緣的元器件離電路板邊緣一般不小于2mm電路板的最佳形狀為矩形長寬比為32或43電路板面尺寸大于200150mm時應(yīng)考慮電路板所受的機械強度 二布線的原則如下 一輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行最好加線間地線以免發(fā)生反饋藕合 二印制板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電

34、流值決定當銅箔厚度為005mm寬度為1-15mm 時通過2A的電流溫度不會高于3因此導(dǎo)線寬度為15mm可滿足要求對于集成電路尤其是數(shù)字電路通常選002-03mm導(dǎo)線寬度當然只要允許還是盡可能用寬線尤其是電源線和地線導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定對于集成電路尤其是數(shù)字電路只要工藝允許可使間距小至5-8mm 三印制導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能此外盡量避免使用大面積銅箔否則長時間受熱時易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象必須用大面積銅箔時最好用柵格狀這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體 3焊盤焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些焊盤太大易

35、形成虛焊焊盤外徑D一般不小于d12mm其中d為引線孔徑對高密度的數(shù)字電路焊盤最小直徑可取d10mm 55 控制器電源設(shè)計 此控制器電源為單片機提供穩(wěn)壓電源電源電路除了有傳統(tǒng)的穩(wěn)壓濾波隔離防干擾功能外還具有抗電源瞬態(tài)欠壓防止瞬間脈沖干擾和掉電等功能才能保證單片機在惡劣的環(huán)境中不出現(xiàn)故障因此采用性能穩(wěn)定的三端穩(wěn)態(tài)的集成電路H7805來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換電源電路如圖55所示 圖55 5V 電源電路 如圖55所示三端穩(wěn)壓集成電路H7805有三條引腳輸出分別是輸入端接地端和輸出端用H7805來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件很少只需要4個電容電路內(nèi)部還有過流過熱及調(diào)整管的保護電路使用起來可靠方便在實際應(yīng)用中在三端穩(wěn)

36、壓集成電路上安裝足夠大的散熱器當穩(wěn)壓管溫度過高時穩(wěn)壓性能將變壞甚至損壞 56 電機驅(qū)動電路 電機驅(qū)動電路由或門MC74AC32E和非門CD74AC04E三極管2SC2712場效應(yīng)管IRF540和直流電機組成如圖54所示利用AT89C52的P12P13端口P12控制電機轉(zhuǎn)動或是停止P13控制電機正向或是反向轉(zhuǎn)動電壓電流傳感器單片機控制單元 圖56電機驅(qū)動電路6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 61 主程序設(shè)計 1IO端口初始化 對29個IO端口引腳進行配置設(shè)置P0P1P3P20-P25全為數(shù)字輸入P16P17被配置為模擬輸入且被交叉開關(guān)跳過 2系統(tǒng)振蕩器初始化 AT89C52器件包含一個可編程內(nèi)部振蕩器該振

37、蕩器在系統(tǒng)復(fù)位后被默認為系統(tǒng)時鐘本設(shè)計采用245MHZ的內(nèi)部振蕩源系統(tǒng)時鐘由內(nèi)部振蕩器8分頻得到 3AD轉(zhuǎn)換器初始化 ADC0轉(zhuǎn)換允許當定時器0溢出啟動ADC0轉(zhuǎn)換將P16配置為AMX0的正輸入P17配置為AMX0的負輸入ADC0數(shù)據(jù)為右對齊方式 4看門狗初始化 使用計數(shù)器陣列PCA0的模塊4來實現(xiàn)看門狗定時器的功能看門狗的溢出時間為大于程序運行一周所需的最長循環(huán)時間 5定時器初始化 定時器初始化包括對T0T1T2的配置T0用于計數(shù)實時時鐘分鐘報警次數(shù)實時時鐘每分鐘報警一次產(chǎn)生一次中斷申請T0計數(shù)次數(shù)加一T1定時器溢出用于為UART產(chǎn)生波特率為8位自動重裝載方式T2定時器用于產(chǎn)生1ms的時間間

38、隔 6UART0初始化 UART0是一個異步全雙工串口具有增強的波特率發(fā)生器初始化定義設(shè)定波特率為115200bps工作于8位方式 7中斷初始化 中斷初始化程序?qū)χ袛嘞蛄考皟?yōu)先級進行了配置將P00端口配給INT1 P01端口配給INT0ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷定時器2設(shè)為高優(yōu)先級 8實時時鐘的初始化 實時時鐘初始化對控制寄存器和報警寄存器進行了配置使實時時鐘每分鐘報警一次設(shè)置了方波輸出頻率 此外初始化程序還包括對AT89C52內(nèi)部寄存器的初始化配置 62 喂狗程序 可編程計數(shù)器陣列PCA的可編程看門狗定時器WDT功能可用于在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的情況下防止軟件失控 本設(shè)計采用AT89C52 單片機通過PC

39、A 的模塊4 如圖61 可以實現(xiàn)可編程看門狗定時器WDT功能如果兩次對WDT 更新寄存器的寫操作相隔的時間超過規(guī)定的極限WDT 將產(chǎn)生一次復(fù)位當PCA0MD 寄存器中的WDTE 位被置1時模塊4 被作為看門狗定時器WDT使用模塊4 高字節(jié)與PCA 計數(shù)器的高字節(jié)比較模塊4 字節(jié)保持執(zhí)行WDT更新時要使用的偏移值在系統(tǒng)復(fù)位后看門狗被使能在看門狗被使能時對某些PCA 寄存器的寫操作受到限制 當WDT 被允許時寫CR 為并不改變PCA 計數(shù)器的狀態(tài)計數(shù)器將一直保持運行狀態(tài)直到WDT 被禁止如果WDT 被允許但用戶軟件沒有允許PCA 計數(shù)器則讀PCA 運行控制CR位時將返回0如果在WDT 被允許時PC

40、A0CPH4 和PCA0H 發(fā)生匹配則系統(tǒng)將被復(fù)位為了防止WDT 復(fù)位需要通過寫PCA0CPH4來更新WDT寫入值可以是任意值在寫PCA0CPH4 時PCA0H 的值加上PCA0CPL4 中保存的偏移值后被裝入到PCA0CPH4保存在PCA0CPH4 中的8 位偏移值與16 位PCA 計數(shù)器的高字節(jié)進行比較該偏移值是復(fù)位前PCA0L 的溢出次數(shù)PCA0L 的溢出周期取決于進行更新操作時PCA0L 的值最長可達256 個PCA 時鐘總偏移值PCA 時鐘數(shù)由下面的方程給出其中PCA0L 是執(zhí)行更新操作時PCA0L 寄存器的值偏移值256PCA0CPL4256-PCA0L 圖61 PCA模塊4的看門

41、狗定時器方式 當PCA0L 發(fā)生溢出并且PCA0CPH4 和PCA0H 匹配時WDT 將產(chǎn)生一次復(fù)位在WDT 被允許的情況下軟件可以通過向CCF4 標志寫1來強制產(chǎn)生WDT 復(fù)位配置WDT 的步驟為 1通過向WDTE 位寫0來禁止WDT 2選擇PCA 時鐘源 3向PCA0CPL4 裝入WDT 更新偏移值 4向WDTE 位寫1來使能WDT 在WDT 被使能時不能改變PCA 時鐘源和等待方式的設(shè)置值通過向PCA0MD寄存器的WDTE 或WDCLK 位寫1來允許WDT當WDCLK 被置1時在發(fā)生下一次系統(tǒng)復(fù)位之前將不能禁止WDT如果WDCLK 未被置1清除WDTE位將禁止WDTNYYN 圖62 主程

42、序流程圖63 電機驅(qū)動程序設(shè)計 利用AT89C52的P12P13端口編制程序輸出脈沖信號經(jīng)放大后驅(qū)動小電動機改變輸出脈沖的電平達到使電動機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)之目的小直流電動機轉(zhuǎn)動原理是轉(zhuǎn)動方向是由電壓來控制的電壓為正則正轉(zhuǎn)電壓為負則反轉(zhuǎn)P12控制電機轉(zhuǎn)動或是停止P13控制電機正向或是反向轉(zhuǎn)動如圖63所示 圖63 電機驅(qū)動電路流程圖64 數(shù)據(jù)采集處理程序設(shè)計641 數(shù)據(jù)采集子程序 數(shù)據(jù)采集是將模擬信號進行AD轉(zhuǎn)換后送入單片機內(nèi)部存儲為后續(xù)的數(shù)據(jù)發(fā)送程序作準備流程圖如圖64所示 圖64 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖642 數(shù)據(jù)處理子程序太陽能電池板發(fā)電過程中在非常短的時間內(nèi)輸出的確電壓值是基本不變的但是太陽能電

43、池板周圍存在大量的電磁等干擾在確定的時間間隔內(nèi)測得的電壓值是不同的為了盡可能的消除干擾帶入的誤差就需要對檢測到的電壓值進行處理本自動跟蹤系統(tǒng)先對1ms 內(nèi)測得的6 個電壓值進行從大到小或從小到大的排列后去除最大最小值求和作為此次電壓值等待2ms 再重復(fù)進行同上次類似的數(shù)據(jù)采集和處理過程數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖65 所示 圖65 數(shù)據(jù)處理程序流程圖65 外部中斷INT0 中斷服務(wù)程序設(shè)計實時時鐘每分鐘報警一次引起外部中斷INT0 中斷分鐘計數(shù)器M 計數(shù)一次當M 計數(shù)15 次進入方向角調(diào)節(jié)程序根據(jù)采集到的太陽能電池的電壓值單片機通過引腳P12 和P13 電平的變化驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動INT0 中斷服務(wù)程序流程圖如圖66 所示 圖66 INT0 中斷服務(wù)程序流程圖7 結(jié)論 我國牧區(qū)目前無跟蹤光伏系統(tǒng)太陽能發(fā)電效率較低針對這一情況我們對雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)進行了一定的改進設(shè)計出單軸自動跟蹤系統(tǒng)這種方法與雙軸太陽自動跟蹤系統(tǒng)等相比發(fā)電效率為雙軸系統(tǒng)的978以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單成本大大降低滿足課題的要求