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1、南通大学毕业设计（论文）摘摘 要要 作为新能源研究的热点，太阳能以其特有的优势得到了日益广泛的应用。其中光伏发电作为太阳能利用的重要方式，具有重要的研究价值和广阔的发展前景。然而由于太阳能能量不集中、随机性大的特点，使得光伏电池未得到充分利用，导致光伏发电效率低，成本居高不下，不能被广泛应用。针对这些缺点，本文研究了一种聚光式光伏发电装置，通过聚光器和太阳跟踪控制系统有效地提高了能量利用率，对降低光伏发电成本有着重要的意义。本论文设计了一种聚光式光伏发电装置，并对其控制系统进行了优化。为了保证系统可靠、稳定运行，采用飞思卡尔单片机作为作为整个控制系统的核心。使用双轴跟踪结合功率爬山法的自动跟踪
2、策略，提高跟踪太阳的精度；使用液晶显示和独立键盘的人机交互界面，便于对装置进行实时操作和监控；采用电磁抱刹装置可以解决装置在运行过程中出现超调、抖动等问题。该装置不仅能实现对太阳的高精度跟踪、提高光伏电板发电效率，而且稳定性好、操作简单、人机界面友好。关键词：关键词：光伏发电、Freescale、自动跟踪、无线监控南通大学毕业设计（论文）ABSTRACTAs a hot spot of research on new energy, solar energy has been widely used for its unique advantages. An important way in
3、which PV as solar energy utilization, has important research value and broad prospects for development. However, photovoltaic cells have not been fully utilized due to the characteristic of the solar energy is not concentrated and large randomness, which result in the inefficient photovoltaic power
4、generation, high cost and could not be widely used. Aiming at these shortcomings, this article has studied a king of tracing condensation electric power facility. That the energy utilization ratio is effectively imported through the condenser and automatic solar tracker, which has important signific
5、ance to reduce the cost of photovoltaic power generation.This paper designs a king of concentrating photovoltaic power generation device, and its control system is optimized. In order to ensure the system is reliable and stable operation, we use the Frees carle SCM as the core of the whole control s
6、ystem. Automatic tracking strategy uses Dual-axis tracking with the hill-climbing power method and can improve the sun tracking accuracy. The system adds a man-machine interface consisting of LCD display and independent keyboards,which is convenient for real-time monitoring and operating. the electr
7、omagnetic brake device can solve the system overshooting, vibration and other issues in the process of operation. The device can realize the high precision of tracking the sun and improve the power generation efficiency of photovoltaic panels.At the same time, this system has the good stability, sim
8、ple operation and friendly man-machine interface as well.Keywords:Photovoltaic, Freescale, Automatic tracking, Wireless monitoring南通大学毕业设计（论文）I目录摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 绪论11.1 研究背景11.2 聚光光伏发电在国内外的研究现状21.3 本课题的主要内容及研究意义4第 2 章 聚光式光伏发电系统62.1 系统简介62.2 几种常见的聚光光伏系统72.2.1 蝶式聚光光伏发电系统.72.2.2 多平面镜聚光光伏发电系.92.2.3
9、 菲涅尔透镜聚光光伏发电系统.112.3 常用跟踪算法分析132.3.1 光电跟踪法.132.3.2 太阳轨迹日历法.142.3.3 CCD 跟踪法152.3.4 功率扰动爬山法.15第 3 章 系统整体控制方案173.1 系统电气控制结构173.2 各功能模块17第 4 章 系统软硬件设计20南通大学毕业设计（论文）II4.1 系统硬件设计204.2 控制器204.3 两轴跟踪模块234.3.1 光强度检测.234.3.2 时钟控制电路.234.3.3 电机驱动电路.244.3.4 电磁抱刹及报警控制.254.4 水冷却控制模块264.4.1 温度传感器及温度检测电路.264.4.2 水箱阀
10、门的控制.274.5 人机交互模块284.5.1 液晶屏的控制.284.5.2 键盘控制.294.6 无线通讯模块304.7 容错与自适应模块314.7.1 恶劣天气检测与保护324.7.2 电气故障检测与保护324.8 跟踪算法软件设计32第 5 章 总结与展望355.1 工作总结355.2 存在问题和进一步的工作设想365.3 前景展望36南通大学毕业设计（论文）III参考文献38致谢40南通大学毕业设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 研究背景能源是人类生存与生活的重要物质保证，长期以来被人类大量开采。社会的发展与经济的繁荣都得益于常规化石能源（如石油、煤、天然气、铀等）的广泛应用。但是
11、随着全球经济的不断发展和社会的进步，人们对能源的需求也日益增长，常规能源越来越供不应求，人类将不得不面临无能源可用的能源短缺危机1。在这种形势下各种社会矛盾应运而生，从而引发了一系列经济危机，现代化经济可能随之土崩瓦解。为了争夺能源，各国之间频繁交战，例如中东地区是世界上最大的石油产区，因石油危机常引发几次惨烈的战争2，造成许多人无家可归、流离失所，伤亡相当严重。如果新能源不能投入使用，这些由于能源危机而引发的战争在不久的将来还会出现，甚至会因为危机的不断深化而更加剧烈。除此之外，化石能源的大量使用，造成环境污染，生态破坏越来越严重，严重威胁了人类的健康。随着经济贸易全球化，环境污染也逐渐呈现
12、出国际化的新趋势。由于煤、石油、天然气等化石能源的大量排放，在大气中产生了 CO2、SO2和烟尘等有害物质，造成了“温室效应”及大范围的酸雨，使得全球的极地和高山上的冰川积雪融化，海平面上升，大量的森林遭到破坏，建筑被腐蚀，人类的身体健康和生存发展受到严重威胁3。面对如此严峻的能源形势，只有加紧开发新能源，才能从根本上解决能源紧缺与经济发展的矛盾以及生态环境的破坏与人类可持续发展的矛盾4。在近几十年里，常规化石能源已经逐渐被一些新能源所取代，在这些新能源中，太阳能属于可再生能源，蕴含巨大的能量，并且清洁无污染，是目前最具发展潜力的新能源。根据有关部门统计，我国陆地面积每年接受的太阳辐射能量约为
13、501018kJ，全国太阳能辐射总量达 335837kJ/cm2a。尤其在一些输电困难的边远山区，具有丰富的太阳能。比如被人们称为“日光城”的拉萨，由于光照强烈，气候干燥，太阳辐射能量很大。下图为我国水平面太阳辐射分布图，从图中可以大体看出，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、北京等地区的太阳辐射能量很大；而四川和贵州地区得到的太阳能量很少，尤其在南通大学毕业设计（论文）1四川盆地附近，全年多雨，晴天较少，太阳资源相对贫乏。针对我国国情，如何合理利用太阳能将成为未来几十年里的研究热点。 因而光伏发电有着非常广泛的应用前景，是人类实现可持续发展的重要途径5。图 1-1 我国水平面太阳辐
14、射分布图表 1-1 太阳辐射能量分布表等级资源带号年总辐射量(MJ/m2)年总辐射量(kWh/m2)平均日辐射量(kWh/m2)最丰富带630017504.8很丰富带5040-63001400-17503.8-4.8较丰富带3780-50401050-14002.9-3.8贫乏带378010502.9然而普通的光伏发电系统需要使用大量太阳能电池来获得电能，投资成本太高，无疑给发展中国家带来不小的经济压力，所以不能被广泛应用。在光伏系统输出功率相同的条件下，利用成本较低的聚光材料来代替昂贵的光伏电板，可以适当降低发电系统的建设成本，实现太阳能向电能转换高效性和经济性的统一。在光伏发电系统中加入聚
15、光元件，在一定程度上解决了太阳能量不集中的问题，可以提高单位面积太阳能电池的转换效率，所以聚光技术具有很高的研究价值和很好的应用前景。南通大学毕业设计（论文）21.2 聚光光伏发电在国内外的研究现状澳大利亚国立大学于 1995 年着手研究聚光光伏技术。到 1999 年，与Solahart 建立了 Rockingham 聚光光伏系统，该系统由 80 面抛物面型反射镜组成，总截光面积达到 154m2，输出功率为 20kW，并且用铝质材料的散热片进行被动式散热。2000 年，美国 Swanson 指出聚光光伏发电具很好的发展前景，并将在未来几十年内得到高速发展。2001 年，IEEE 公布了聚光太阳
16、能电池组件的标准6，这一标准不但提高了聚光电池组件的可靠性，而且加快了聚光光伏系统商业化进程，有利于聚光技术的进一步发展。随着 2002 年 5 月首次聚光光伏发电国际会议的召开，聚光光伏技术又上升到了一个新的发展平台，并引起了世界各国人的关注。由欧洲委员会(CE)资助的 C-rating 项目7，在 2000 年 6 月到 2003 年 5 月这段时间内，制定了光伏聚光元件和组件的标准，从而加快了聚光光伏产业的市场化进程。欧洲委员会(CE)资助的另一个项目 IDEOCONTE 在 2002 年到 2006年期间，针对聚光跟踪光伏系统在不同地区的应用，以硅光电池为对象，从投资成本、能量利用率、聚光方式、跟踪算法、环境因素等多方面入手，研究优化了跟踪式聚光光伏发电系统8。美国 SolFocus 于 2009 年研制出了反射式聚光光伏模块，并且得到了 ICE 的认证。整个光伏系统是由许多基本模块组成的，这些基本模块相当于一个双反射式聚光系统。当阳光照射时，由于平面镜的聚光作用对太阳光进行聚集，然后经过光导杆被引到面积为 1m2、
