太阳能系统光线直射控制研究

太阳能系统光线直射控制研究

摘要

关键字

1引言

1.1研究背景

进入到21世纪，传统的能源日益枯竭，石油、天然气等能源储存量均无法维持人类使用的情况下，各种新能源出现在人们的生活中。未来的能源将以太阳、风能、水电、

地热能和生物能为核心，为人类体统清洁环保无污染的新一代能源。根据欧盟在2013年的报告中显示，预计到2050年，新型能源将占据人类使用能源的90%，其中太阳

能占40%。太阳能这种最有前途的新能源也现在就已经出现在人类生活中，各类的太阳能电热水器，光伏发电系统都已经受到市场的肯定。并且其经济成本也在日益下降，相信最终有一天，太阳能会以低成本、无污染的、可持续供给的特点占领大部分能源

市场。各种能源巨头也都纷纷看好太阳能的发展，壳牌、惠普等都已经开始对太阳能

进行深入研究。

光伏发电与传统的能源相比具有如下优势：1 获取方便，不管在地球的任意地点，都

可以方便接收到太阳能。2 资源的储量无限大，去除掉人类无法获得的太阳能，太阳

能能被人类所使用的能量每年为1.7*10^13kw，这个数量相当于目前全人类一年使用能源的总量的3万倍，远远超过人类使用的能源。并且从太阳存在的周期来看，对于

人类社会的生命也是无穷尽的，因此太阳能的储量无限大。3无污染，相比传统能源，石油、天然气、核能等，太阳能在环保方面表现极为出色。基本不会产生任务污染物，在开采中也不会泄露有毒物质，人类可以放心的使用太阳能，不用考虑废料回收问题。太阳能也有不足的方面，其中一点就是太阳能转化的问题，太能的总量很大，但是分

布在全球各地的单位面积能量就稍显不足，因此需要高效率的转化装置，将太阳能转

化为人类可使用的电能。还有就是太阳能受到天气的影响较大，阴天、下雨对于太阳

能的开采就是致命的。

1.2国内外研究现状以及发展趋势

国外太阳能发展走在了前面，美国于1997年发表了“百万屋顶”计划，为使用太能能电池板的家庭企业提供补贴，鼓励人民使用太阳能，此时美国的太阳能电池的装机容

量已经达到了3000MW，随后美国政府又制定了5年发展计划以及2020到2030的发展长期计划，最终目的通过大力发展太阳能实现美国能源摆脱对于传统能源的依赖。

预期，在2010年美国的光伏发电量为4.7GW。德国于2000年颁布了可再生能源法案，鼓励使用太阳能，截止到2007年，德国的光伏发电装机容量为3.86GW，为全球第一位，到 2009年德国的太阳能光伏发电以及累计向市场输送了20.6GW。

我国太阳能的发展起步较晚，目前我国建设的较大的光伏发电站主要有西藏双湖

25KW光伏发电站，西藏安多100KW光伏发电站、新疆北塔山牧场150KW光伏发电

站等，太阳能发电都集中在地里位置偏僻，电网覆盖困难的地区，在经济发达的东南

沿海基本没有太能能光伏发电站。不过近年，大部分城市都开始采用太能广告牌、太

阳能路灯，这些采用太阳能的小设备随处可见。截止到2010年，我国的光伏发电装机容量将达到450MW。

综上所述，我国的太阳能光伏发电产业还存在巨大的发展空间，也和国外发电国家存

在巨大的差距，在21世纪要抓紧时间，追赶发达国家脚步。

1.3课题研究目标及意义

本设计的目标是以单片机为核心控制芯片，设计智能化的太阳能的跟踪控制系统。该

系统的的主要功能是可以根据不同情况选用不同方案准确的追踪太阳的位置，并且驱

动电机使太阳能电池板与太阳光保持垂直角度，使太阳能电池板工作在做大效率处，

提高光电准换率。面对不同的环境因素，在阳光充足的情况下采用光电传感器追踪太

阳位置，在阴雨天气采用芯片内部根据时钟芯片的信息设定的位置进行追踪。充分考

虑到多种情况下，该系统能追踪到太阳位置。并且该系统采用双电机设计，可以使太

阳能电池板双自由度运动。

在太阳能电池板保持不动的情况下，太阳能只有很少的一部分被转化为电，只有当太

阳能电池板和光垂直的情况下，才可以最大化的光电转化，本设计的意义就是可以有

效的提高光电转换效率，在同等光照条件下，最大化的获取太阳能。

1.4论文主要内容

本文的主要内容是总结文献资料分析了当前太阳能电池光伏发电的前景以及研究现状

和发展趋势，并且总结了太阳能跟踪技术的几种方法，在此基础上选择合适的方式整

体设计了一套太阳能跟踪控制系统。采用了视日轨道跟踪和光电自动跟踪两种方式，

可以在不同天气条件下自动切换使用，通过双步进电机以及单片机实现了太阳能跟踪

控制系统的全自动化，合理有效的提高了光电转换效率。

本文分为6章，其主要内容如下：

第一章记述了太阳能跟踪系统的研究背景，分析了当前国内外的研究现状以及未来的

发展趋势，分析出本课题的研究目标以及意义。

第二章记述了太阳能跟踪技术的几种方式，视日轨道跟踪技术、光电自动跟踪技术、最大功率跟踪技术。

第三章记述了太阳能跟踪系统的总体设计方案，分析比较了优点和不足之处，在此基础上分析跟踪控制系统的方案。

第四章记述了太阳能跟踪系统的硬件方案，从单片机最小系统设计开始，光电传感器电路、角度传感器设计、驱动电路设计都包含在内。

第五章记述了太阳能跟踪系统的软件设计方案，分模块设计了时钟模块、键盘模块、显示模块、步进电机模块，最终将各个模块组合进行综合设计。

第六章总结了全文的工作，并对于现有不足之处提出了进一步改进的方法。

2太阳能跟踪技术的研究

2.1视日运行轨道跟踪

视日运行轨道跟踪技术主要原理就是根据太阳运行的轨迹来将数据资料直接放置在单片机内，使整个系统根据数据直接跟踪太阳的运行。该方法具有优点是无需额外繁杂硬件设备，并且成本低。缺点是

灵活性较低，并且精度较低。