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塔式定日镜跟踪控制系统的研究

作　者: 马建华
导　师: 潘玉良
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 太阳能光电传感器单片机光电检测定日镜
分类号: TK513.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着经济突飞猛进的发展,能源短缺以及随之而来的环境污染问题也日益严重,人们越来越重视新能源的开发和利用,而作为一种理想的可再生能源,太阳能的利用备受关注,近年来世界各国都在积极开发太阳能。由于当前太阳能的利用效率低,影响并阻碍了太阳能技术的普及,而如果实现对太阳的精确跟踪,进而提高接收器的热效率,以实现提高太阳能利用效率的目的,这样就可以推进太阳能的普及利用,解决当前的能源短缺问题,又不会对环境带来污染,从而造福人类。综上原因,本论文着重对太阳跟踪技术进行了系统的研究。太阳跟踪的方法主要有两种,光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。对这两种跟踪方法进行分析比较得出,本系统中采用两种跟踪方法相结合的方式,以实现对太阳的精确跟踪。当太阳光线强度达到光电跟踪要求时,系统采用光电跟踪方式,否则采用视日运动轨迹跟踪。如果在晴天进行光电跟踪时突然出现云层遮挡太阳的情况,系统能够自动切换为视日运动轨迹跟踪方式;当太阳光线强度又达到光电跟踪的要求时,系统再切换到光电跟踪,从而实现对太阳的全天候自动跟踪。本文首先对太阳时角和赤纬角、太阳高度角和方位角以及定日镜的高位角和方位角进行理论分析与计算,以此为依据设计了一种基于太阳位置测量的精度高、稳定性好的光电传感器。根据控制系统的要求,本文采用C8051F020单片机作为控制系统的核心,并参照单片机的特点和所需实现的功能,完成了单片机的外围硬件电路设计和相应的软件设计。文中详细介绍了系统中的重要器件及其所能实现的功能,并设计了相应的硬件接口电路,主要包括光强检测电路、时钟电路、显示电路、数据存储电路、电机控制电路等。根据设计功能的需要,完成了系统的主程序模块、视日运动轨迹跟踪模块、光电跟踪模块、时钟模块以及其他相关功能模块的软件设计工作。通过软硬件的有效结合,跟踪控制系统的工作可以达到较高的精度以及较好的稳定性。经软硬件联合调试验证,本文塔式定日镜跟踪控制系统的硬件设计和软件设计均是切实可行的,该跟踪控制系统具有结构简单、设计合理、运行平稳和跟踪精度高等特点,能够实现对太阳高精度、全天候的跟踪,从而提高太阳能的利用效率,为太阳能的普及利用奠定基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 课题研究背景  10-11
    1.1.1 能源现状及发展趋势  10
    1.1.2 太阳能发电的特点  10-11
  1.2 我国太阳能资源  11
  1.3 国内外塔式热发电的发展现状  11-12
  1.4 课题主要研究的目的及意义  12-13
  1.5 本章小结  13-14
第2章定日镜控制系统方案的选择  14-25
  2.1 定日镜简介  14-15
  2.2 太阳的运动规律  15-17
    2.2.1 地平坐标系  16
    2.2.2 赤道坐标系  16-17
  2.3 相关角度的计算  17-20
    2.3.1 太阳赤纬角  17
    2.3.2 太阳角计算  17-18
    2.3.3 定日镜角度计算  18-20
  2.4 跟踪控制方案的选择  20-21
    2.4.1 光电跟踪  20
    2.4.2 视日运动轨迹跟踪  20
    2.4.3 控制方案的工作原理  20-21
  2.5 核心控制器的选择  21-24
    2.5.1 单片机选型  21-23
    2.5.2 单片机部分引脚的分配  23-24
  2.6 本章小结  24-25
第3章光电传感器的设计  25-36
  3.1 影响传感器跟踪精度因素的分析  25-27
    3.1.1 光敏器件的选择  25-26
    3.1.2 遮光筒的高度选择  26-27
  3.2 光电传感器的结构设计  27-30
  3.3 信号采集电路  30-34
    3.3.1 LM324 芯片  30-31
    3.3.2 信号运算电路  31-34
  3.4 A/D 转换电路  34-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章控制系统的硬件设计  36-48
  4.1 硬件设计的总体方案  36-37
  4.2 光强检测电路  37-38
  4.3 DS1302 时钟模块  38-40
  4.4 数码显示电路设计  40-43
    4.4.1 LED 数码管  40
    4.4.2 数码管与单片机接口电路设计  40-43
  4.5 复位电路设计  43-44
  4.6 数据存储电路设计  44
  4.7 串口通讯电路  44-45
  4.8 电机控制电路的设计  45-47
  4.9 本章小结  47-48
第5章控制系统的软件设计  48-52
  5.1 系统主程序的设计  48-49
    5.1.1 C51 程序语言  48
    5.1.2 主程序设计  48-49
  5.2 视日轨迹运动跟踪程序设计  49-50
  5.3 光电跟踪程序设计  50-51
  5.4 DS1302 程序设计  51
  5.5 本章小结  51-52
第6章实验分析  52-54
  6.1 光电传感器的视场范围  52
  6.2 实验结果分析  52-53
  6.3 本章小结  53-54
第7章总结与展望  54-55
  7.1 总结  54
  7.2 展望  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-58
附录  58

塔式定日镜跟踪控制系统的研究

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