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1、目录 中文摘要3英文摘要41 引言51.1 课题研究的背景和意义51.2 课题研究的现状51.3 课题研究的主要内容62 系统的总体设计方案72.1 跟踪方法82.1.1太阳轨迹跟踪方法的设计82.1.2 光电跟踪方法的设计102.2 机械结构的设计132.3 充电模块的设计142.3.1 充电策略的选择142.3.2 充电控制器的选择173 系统的硬件设计183.1 电源模块的设计193.1.1 24V到5V的转化213.1.1 24V到负15V的转化223.1.1 24V到15V的转化223.1.1 24V到12V的转化233.1.1 24V到-12V的转化233.2 光电检测模块的设计2
2、43.2.1 太阳方位检测模块243.2.2 太阳光强检测模块263.3 单片机控制模块283.3.1 单片机的选择283.3.2 外部时钟电路293.3.3 步进电机驱动电路293.4 蓄电池充电模块313.4.1 DC/DC变换电路313.4.2 MOSFET驱动电路333.4.3 电压采样电路343.4.4 电流采样电路353.4.5 蓄电池温度检测电路353.4.6 PWM方波设计364 电路仿真374.1 降压（BUCK）电路的仿真374.2 太阳光强和方位检测电路的放大电路的仿真37结论38致谢39参考文献40附件1：41附件2：42太阳自动追踪系统设计摘要：人类正面临着石油和煤炭
3、等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。本文研究了基于太阳自动跟踪的独立光伏发电系统。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔。目前，光伏发电系统多采用固定安装的形式，这种发电系统具有发电效率低、成本高、不宜推广等缺点。在光伏发电系统中使用太阳自动跟踪，能有效地提高太阳能的利用率。因此，本文的研究对提高光伏发电效率、促进光伏发电的推广应用具有重要的意义。本文首先提出了一种将光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式相结合的
4、全天候太阳自动跟踪方法。分析并确定了晴天、多云和阴雨三种天气条件下，应分别采取的跟踪模式；给出了光电跟踪方式的具体设计思路和实现方法；分析并确定了太阳运动轨迹的计算方法。根据提出的跟踪方法，设计了一套自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统。该系统为小型光伏发电系统，在太阳自动跟踪的基础上，全天候、高效率地独立运行，将尽可能多的太阳能转换为电能，储存在蓄电池中。整个系统分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统两个子系统。分别进行了两个子系统的硬件设计和软件设计。硬件设计包括太阳方位检测、光强检测、单片机控制、数据采集、外部时钟、光伏电源等模块；而软件部分设计了太阳自动跟踪系统的软件体系，实现了各个硬件模块的
5、功能、光电检测数据的处理以及跟踪机构的驱动控制。本课题设计的自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统，实现了对太阳的自动跟踪，使太阳能电池板基本对准太阳垂直入射的方向，并实现了连续稳定的电能输出，保证蓄电池的正常充电。关键词：太阳能，光伏发电，光电跟踪，太阳运动轨迹跟踪，蓄电池充电Abstract: An stand-alone PV(photovoltaic) generation system based on automatic solar tracking was researched. As an important way of utilizing solar energy, PV pow
6、er generation has a broad prospect. Now many PV power generation systems use fixed-mounted solar panels. These systems have the disadvantages of low efficiency of electricity generation, high costs and difficult to promote. By using solar automatic tracking, PV power generation systems can effective
7、ly improve the utilization of solar energy. So the study of this paper has an important significance to improve the efficiency of PV power generation and promote its application. Firstly, an all-weather automatic solar tracking method combining the photoelectric detection and the solar trajectory tr
8、acking modes was proposed. Different tracking models taken in sunny, cloudy and rainy days were analyzed and identified. Specific design ideas and methods of photoelectric tracking was proposed. The sun trajectory calculation method was analyzed and determined to verify the feasibility. Then a PV po
9、wer generation system based on above solar tracking methods was designed. The system is a small-scale PV power generation system, which can track the sun all-weather and charging the battery as much as much as possible. The systems hardware and software were designed. The hardware design included so
10、lar orientation and light intensity detection, computer control, data acquisition, external clock, PV power and so on. The software design realized the function of every hardware modules, data processing of photoelectric detection and drive control of tracking device. The PV generation system can au
11、tomatic track the sun, make solar light roughly exposure to the solar panels perpendicularly, achieve a continuous and stable power output.Keywords: solar energy, PV power generation, photoelectric tracking, solar trajectory tracking, battery charging1 引言1.1 课题研究的背景和意义随着常规能源的不断消耗，人类赖以生存的不可再生能源即将面临枯竭
12、。为此各国纷纷进军新能能源领域，为人类的发展寻找动力的支持。其中太阳能作为新能能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、天然气等常规能源无法比拟的优点：1，储量丰富；2，应用广泛；3，绿色环保；4，经济性。基于以上优点，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济效益。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔，并成为未来解决能源危机的重要途径。但太阳光伏发电存在的一个瓶颈问题是发电效率低，大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。目前，在太阳能利用领域中，如何最大限度的提高光伏发电效率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题的一种重要可
13、行的途径是进行太阳自动跟踪。太阳自动跟踪就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化，调整太阳能电池板的偏转角度，从而跟踪太阳的运行轨迹，使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上，充分地接受太阳辐射能量。据测定，相同条件下，自动跟踪式太阳能光伏发电系统比固定式太阳能光伏发电系统的发电量提高35左右。因此，太阳自动跟踪对提高太阳能的利用率有着重大意义。1.2 课题研究的现状对太阳能光伏发电系统的研究还处在发展的初期，因此还存在着诸多的问题。其中要有光伏电池板转换效率低且价格高，逆变器效率低等。太阳能光伏发电系统中，用于实现太阳跟踪的方法主要有光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪和两者的结合。光电跟踪通过使用
14、光敏二极管、光敏电阻、硅光电池等光敏元件，来检测太阳的运动方向，并控制跟踪装置追踪太阳的运行。该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪方法。太阳运动轨迹跟踪通过使用天文学公式，计算出太阳运动轨迹的理论值来控制跟踪装置进行太阳跟踪。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪方法。光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪方法首先通过太阳运动轨迹对太阳进行粗略的跟踪然后启动光电跟踪系统进行精确地跟踪。根据跟踪系统使用的轴数，该跟踪方法可分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪分为三种方式：1，倾斜布置东西追踪；2，焦线南北水平布置，东西跟踪；3，焦线东西水平布置，南北跟踪。他们跟踪原理是相同的，即电池阵列绕单一轴转动，其转
15、动方向为自东向西或南北方向，驱动电池阵列转动使电池阵列方位角与太阳方位角相同。双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式：极轴跟踪方式，高度-方位角太阳轨迹跟踪方式。1.3 课题研究的主要内容本课题的设计方案采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制方法进行跟踪控制。首先应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪，然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械结构采用的是双轴跟踪装置。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。主要设计的内容如下所示：（1） 光电检测模块（2） 二维机械结构（3） 蓄电池充电模块（4） 单片机控制模块2 系统的总体设计方案蓄电池充电控制模块（三阶段充电）A/D转化单片机控制模块A/D转化充电电流电压检测太阳能电池板光电检测模块太阳方位和光强检测步进电机驱动二维机械跟踪装置外部时钟本课题的整体设计方案如上图所示采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制方法进行跟踪控制。首先应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪，然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械结构采用的是双轴跟踪装置实现二维运动。并设计了充电控制模块把电池板
