太阳能发电板伺服系统.docx
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太阳能发电板伺服系统.docx
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太阳能发电板伺服系统
毕业设计(论文)
太阳能发电板伺服系统
系 别:
机电信息学院
专业名称:
微电子学0802班
学生姓名:
史锐锋
学 号:
0801050212
指导教师姓名、职称:
张水全
完成日期年月日
基于单片机msp430的点光源跟踪系统硬件设计
设计总说明
目前太阳能是一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。
然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。
目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,没有充分利用太阳能资源,发电效率低下。
据实验,在太阳能光发电中,相同条件下,采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,因此在太阳能利用中进行跟踪是十分必要的。
本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案,该设计使用TI公司的超低功耗的MSP430F149单片机作为整个系统的控制核心,主要由电机驱动模块,点光源检测模块,电源转换模块等模块组成。
利用4路光敏三极管(3DU33)来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器MSP430F149单片机,经过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势,并将运算的控制信号传给两台步进电机,使其跟随点光源运动。
当水平方向上的2路光敏三极管测量数值相对接近,同时竖直方向上的2路光敏三极管测量数值也相对接近时,位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。
同时将光敏三极管检测的信号显示在LCD液晶屏幕上。
本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。
该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值。
关键词:
MSP430;光源;跟踪;检测;传感器
Msp430microcontroller-basedpointsourcetrackingsystemHardwareDesign
DesignDescription
Currentlysolarenergyisacleanandpollution-freeenergy,thedevelopmentprospectsareverybright,solarpowerhasbecometheworld'sfastest-growingtechnology.Butitalsohasintermittent,lightdirectionandintensityoftheproblemchangeovertime,whichthecollectionanduseofsolarenergyputforwardhigherrequirements.Atpresent,manysolararraysarebasicallyfixed,donotmakefulluseofsolarenergyresources,powergenerationefficiencyislow.Accordingtoexperiment,solarpower,thesameconditions,powergenerationequipmentusingautomatictrackingequipmentthanthefixedpowergeneratingcapacityincreasedby35%,sototrackutilizationofsolarenergyisnecessary.
Thisdesigngivesalightsourcebasedonsinglechipdesignofautomatictrackingsystem,thedesignusesTI'sMSP430F149ultra-lowpowermicrocontrollercontrolsthewholesystemasthecore,mainlybythemotordrivemodule,pointsourcedetectionmodule,powersupplyconversionmoduleandothermodules.Using4phototransistor(3DU33)todetectthelocationofapointsourceisdetectedandamplifiedsignaltopassthecontrollerMSP430F149microcontroller,operationandprocessingthroughtheMCUtodeterminetrendsinthemovementoflightsource,andoperationofthecontrolsignaltransmissiontotwosteppermotors,tofollowthepointsourcemovement.Whenthehorizontaldirection,2-wayphototransistorrelativelyclosetomeasuredvalues,while2-wayverticalphototransistoronthemeasuredvaluesarerelativelyclose,thesensorislocatedinthemiddleoftheverticallaserpointertopointtotheexactpointoflight.PhototransistordetectedthesametimeareshownontheLCDliquidcrystalscreen.
Thisdesigncanbeextendedautomaticallyforsubsequentsuntrackingsystem.Thesystemcannotonlyautomaticallyadjustthedirectionofsunlightsolarpanelstowardthesimplestructure,lowcost,butalsointheprocessoftrackingmemoryandcanautomaticallycorrectthecoordinatesofthelocationatdifferenttimes,withouthumanintervention,especiallyformorecomplexandnon-weatherpeopleonduty,effectivelyimprovingtheutilizationofsolarenergy,hasahighervalue.
KeyWords:
MSP430;lightsource;tracking;detection;sensor
2.5电机的选择
1绪论
1.1太阳能光伏发电
随着地球人口的增长,能源已成为迫切需要解决的焦点问题之一,越来越多的人江解决的关键投入到自然能源上,如太阳能、潮汐能等,提高太阳光利用率,实时跟踪太阳的位置,实现光线直射是关键太阳光跟踪可以使太阳能更有效地转换为热能、机械能、电能和化学能,其中太阳热能利用历史最为久远,开发最为普遍;现在,太阳光能的应用也正变为一个新的研究领域。
我国太阳能资源非常丰富,理论上储量达每年17000亿顿标准煤,太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。
我国地处北半球,南北距离和东西距离都在5000公里以上。
在我国广阔的土地上,有着丰富的太阳能资源。
大多数地区年平均日辐射量在每平方米4000WH以上,西藏日辐射量最高达到每平米7000WH。
年日照时数大于2000小时,与同纬度的其他国家相比,要优越得多。
同时我国光伏产业正以每年30%的速度增长。
最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。
按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算,2010年全球光伏发电并网装机容量将达到15GW(1500万千瓦,届时仍不到全球发电总装机容量的1%),至2030年全球光伏发电装机容量将达到300GW(届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元),至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。
按此计划推算,2010-2040年,光伏行业的复合增长率将高达25%以上。
其中并网应用会有较大的发展,从而形成并网发电(约46%)、离网供电(约27%)和通讯机站(约21%)3个主要应用领域。
目前,我国光伏产业经过爆炸式发展,产业规模不断扩大,已初步形成环渤海、长三角、珠三角、中部地区和西部地区五大板块。
长三角以江苏为产业增长极,主打中下游的光伏电池及组件生产,产业规模占全国一半;环渤海以河北为核心,主打上游材料生产加工,产业规模居第二,主要聚集区为邢台宁晋、保定和廊坊;珠三角以深圳为核心,主打下游应用产品生产;中部地区主要是江西、湖北、湖南;西部地区主要是四川、内蒙古、青海、陕西等省,重点利用能源、矿产等优势,主打上游多晶硅原料生产,可提供全国10%的原料。
总体上看,我国光伏产业正处在产业重组和战略布局阶段,目前国内有28个省市都把光伏产业作为新的主导产业和产业结构调整的重点,面临着巨大的产业整合压力。
从我国光伏产业聚集格局变化趋势看,环渤海、长三角、珠三角和中西部地区已形成了多个覆盖光伏产业链的制造企业集群,未来将有可能逐步形成五大光伏产业集聚地。
而在各省市当中,2008年江苏省太阳能电池产量占全国总产量的份额高达70%,成为名副其实的太阳能第一大省。
截止2008年,江苏省已经有无锡尚德、常州天合、南京中电等6家海外上市光伏企业,其中,5家进入世界前20强,另外还有280多家为光伏上市企业、骨干企业进行配套的特色企业,已经形成了完整的光伏产业链条。
就目前国内外技术相比较而言,我国太阳能发电技术还落后。
20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。
在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强,成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加,2006年累计装机容量达35MW,约占世界份额的3%。
10多年来,我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。
国务院参事、中国可再生能源学会理事长石定环在第四届绿色财富(中国)论坛上表示,尽管我国太阳能电池从2007年开始成为世界生产最多的国家,但是,我们现在对太阳能技术还是比较落后。
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E&p7N;d(w%M"他表示,尽管我国太阳能电池从2007年开始成为世界生产最多的国家,但是,我们现在对太阳能普遍的转化效率是16%、17%,国外最高的已经超过了20%。
特别在各种新型的太阳能电池开发上,国外已经有了很大的进步,我们在这方面还处在一个起步的阶段。
在这些方面,还有很多工作需要做。
目前我们在这个领域当中也存在着诸多问题:
首先,我们在这个领域的技术创新能力还是比较薄弱的。
第二,我们在一些核心技术,特别是先进技术(还比较落后),比如太阳能光电板,我们现在普遍转化效率是16%、17%,国外最高的已经超过了20%。
特别在各种新型的太阳能电池开发上,国外已经有了很大的进步,我们在这方面还处在一个起步的阶段。
在这些方面,还有很多工作需要做。
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f5v7第三、我们的配套政策还没有全面落实《可再生能源法》给我们确定的政策,特别是我们的上网电价政策,这是一个促进再生能源发展的非常重要的政策,我们至今还没有得到全面很好的落实。
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| Y$P"W*t/r$t第四、在我们国家基础设施建设方面,比如我们对于新能源,再生能源资源观测、评价评估方面,就像我们的煤矿,风电、太阳能发电等等,如果没有良好的基础设施和基础资源评估的话,不可能充分发挥它的效益。
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&w(D3q#第五、在产品的检测,产品的认证等等市场要素认证方面也存在很大问题,我们全民更多接受可再生能源方面也还存在着很大的差距。
和国外相比,目前,光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。
2000年以来,德国率先实施“上网电价”法,要求电网公司以40-50欧分/kWh的电价全额收购光伏电量。
有了这样的法律,安装光伏发电的用户可以通过销售绿色电力获得收益;银行的贷款可以如数回收;光伏生产厂家通过销售太阳电池赚钱;政府达到了推行清洁能源的目的;电力公司通过销售绿电购买绿电,经济上不亏损(取之于民用之于民),还完成了减排义务;政府通过媒体的广泛宣传,使那些自愿购买绿色电力的自愿为保护环境和能源的可持续发展做出贡献。
该项政策的实施大大拉动了德国国内光伏市场,连续多年光伏发电的安装量居世界第一。
继德国之后,欧洲其他国家也都前后开始实施“上网电价”法,使得整个欧洲的光伏市场迅速上升,2007和2008年,欧洲的光伏市场都占到世界光伏市场的80%。
值得注意的是西班牙取代德国成为2008年世界最大的光伏市场,全年安装2500MW,占世界市场的46%。
SolatPlaza和SolarOutlook都对未来几年的世界光伏发电市场作出了近乎相同的预测:
2009年世界光伏发电市场将会有一个明显的下滑,2010和2011将保持在一个稳定的水平,光伏市场的复苏将是在2012年以后。
1.2研究太阳能发电的前景意义
1Q(_5z8g;c 随着很多地区气候反常,自然灾害频繁发生,酸雨范围越来越广,高空臭氧层空洞扩大等现象的出现,使人们逐渐认识到治理大气环境,防止污染已经到了刻不容缓的地步。
按人口平均计算,美国每年的C02排放量为20吨/人×年,德国为12.3吨/人×年,日本为8.7吨/人×年,我国虽为2.2吨/人×年,但人口众多,能源利用率不高,能源消费结构以污染严重的煤炭为主,所以备受世界关注。
现在单是CO2全球每年的排放量就超过500亿吨,而且还在不断增加。
必须采取有效措施,控制温室气体的排放。
矿物燃料的储量是有限的,如果元节制地开采,到21世纪中叶,全球将面临石油、天然气等矿物燃料耗尽的严重威胁。
表1列出了全球一次能源开采量与储藏量的情况,按目前能源储藏量与开采速度的比例计算,全球石油可开采40年,天然气大约60年,煤炭可开采约200年。
如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%,这样每隔35年,消费量将增加一倍。
目前1/5的人口消费世界上75%的能源,发达国家人均石油消费量是最贫穷的全球一半人口消费量的15倍。
据世界卫生组织估计,到2060年全球人口将达100~110亿。
如果到时所有人的矿物和能源消费量都达到今天发达国家的人均消费水平,则地球上35种矿物中将有1/3在40年内消耗干净,包括所有的石油、天然气、煤炭(假设为之万亿吨)和铀。
为了彻底解决能源供应问题,人类必须尽快改变现有的能源结构,加快发展替代能源。
现在全球有20亿人口没有用上电,我国也还有5千万无电人口,其中相当大部分处在经济不发达的边远地区,没有电力严重制约了当地经济的发展。
由于居住分散、交通不便,很难通过延伸公共电网来解决这些地区的供电问题。
这对可再生能源来说是个巨大的潜在市场。
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同时为了减少燃烧矿物燃料对大气的污染,保证能源长期稳定供应。
尽快解决无电地区供电等问题,必须实施可持续发展战略,加快发展可再生能源,已成为大家的共识。
9p1e6k9C2b%x8R*^ 人们普遍认为在可再生能源中,技术含量最高,最有发展前途的是太阳能发电。
太阳能取之不尽,用之不竭,照射到地球上8分钟的能量就足够全世界的机器开动一年。
太阳能发电具有安全可靠,使用寿命长,运行费用少,维护简单,随处可用,不需要长距离输送,没有活动部件、不容易损坏,无噪声,不需要燃料,不污染环境等优点。
安装IMW光伏系统,至少要比现有同样规模最“干净”的燃煤电厂减少C02排放量2万吨、NOx排放量25吨,是理想的新能源。
世界观察研究所1998年报告指出:
太阳能市场增长要比石油工业快十倍,已经超过风能成为世界发展最快的能源领域。
并预言:
太阳能将与计算机、信息通讯一起成为21世纪发展最快的工业。
第二届世界太阳能光伏会议主席Jurgenschmide博士在会上宣称:
“作为一种全球能源,太阳能发电将在下个世纪前半期超过核电,是2030年还是2050年超过,只是个时间问题”,有不少人认为:
如果说二十世纪是石油世纪,二十一世纪就将是太阳能世纪。
1.3太阳能光伏发电的系统
太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池矩阵、充电控制器、蓄电池矩阵、逆变器、稳压器等。
而逆变器是整个系统的核心设备。
太阳能电池阵列是利用光电效应,将太阳辐射的能量直接转换成电能的一种设备。
这个阵列由若干太阳能电池组成,太阳能电池是一种由于光伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管。
当太阳光照射光电二极管时,光电二极管就会把太阳光的光能变成电能,产生电流。
当多个电池串联或者并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
电池矩阵的任务是储能,以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
充电控制器的全称是太阳能充放电控制器,是用于太阳能发电系统中,控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。
太阳能控制器实质是一个微机数据采集和监测控制系统。
此外,太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能,可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。
太阳能控制器通常有6个标称电压等级:
12V、24V、48V.控制器对整个系统实施过程控制,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
在温差较大的地方,控制器还具备温度补偿的功能。
2太阳能伺服跟踪系统
2.1系统概述及主控芯片的选择
本设计是一个点光源追踪系统,主要由传感器来对光照检测与处理,控制器分析与处理,执行机构运行和模块显示这几个部分构成。
整个系统是以单片机为控制核心,通过四个光敏传感器来检测光照,依据光照度的变化、大小来判断出点光源的位置与运动趋势,并将点光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动,借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。
当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近,同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时,位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。
本系统是有控制核心的单片机对传感器检测的光源的信号进行分析和处理然后控制电机,使其跟随点光源移动。
达到跟踪点光源的目的。
系统的硬件主要有控制器单片机,电机驱动模块,点光源检测模块,显示模块,键盘,电源转换模块等模块组成的。
具体方框图如图2-1所示。
根据课题的要求,整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作,主要考虑以下两种方案:
方案一:
MSP430F149系列单片机。
16位低功耗单片机,性能良好。
MSP430有以下优点:
(1)低电源电压范围:
1.8-3.6V。
(2)超低功耗:
拥有5种低功耗模式(LPM0-LPM4)。
(3)灵活的时钟使用模式。
(4)高速的运算能力:
16位RISC架构,125ns指令周期。
(5)丰富的功能模块:
这些功能模块包括A多通道10-14位AD转换器;B双路12位DA转换器;C比较器;D液晶驱动器;E电源电压检测;F串行口USART(UART/SPI);G硬件乘法器;H看门狗定时器,多个16位、8位定时器(可进行捕获,比较,PWM输出);IDMA控制器。
(6)FLASH存储器:
采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行;(7)MSP430芯片上包括JTAG接口:
仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试;(8)快速灵活的变成方式:
可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。
方案二:
AT89C51系列作为光源跟踪系统的主控芯片。
通过上面的比较本系统选取MSP430系列MSP430F149单片机作为控制器,MSP430F149的稳定性很好且功能要比C51系列的强大的多,所以选取方案一。
2.2传感器的选择
本系统的传感器主要是检测光照度,可考虑的传感器如下列方案:
方案一:
光敏电阻。
从光照特性来看,随着光照强度的增加,光敏电阻的阻值开始迅速下降,可以反映光照的变化,但该特性大多数情况为非线性,部分光照区间内,特性变化不灵敏。
方案二:
硅光电池。
硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件,根据硅光电池光照强度曲线特性可知:
硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。
方案三:
光敏二极管。
光敏二极管具有单向导电性,无光照时,有很小的暗电流,当受到光照时,光电流随射光强度的变化而变化。
方案四:
光敏三极管。
光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。
用四个光敏三极管组成四象限感光面,上下左右各一个光敏三极管。
在测试光敏电阻与硅光电池时,发现光源的距离限制了两者的应用范围。
当距离比较大时,两者的灵敏度大大降低。
经实践测定,光敏二级管与光敏三极管满足要求,但在反映速度,及变化的灵敏、快速性方面,光敏三极管更胜一筹,因此传感器选择方案四。
2.3太阳能自动跟踪机械装置
下图为自动跟踪机械装置示意图:
太阳能自动跟踪装置原理图
1-支座;2-支柱;3-电池板支架;4-销轴;5-减速箱体;6、15-主轴;7-丝杆;8-横支架;9、18-电机;10-减速器;11-铰链;12、13-齿轮;14-连接轴;16-蜗轮;17-蜗杆
1.东西方向跟踪
在减速箱体5内安装由电机18、齿轮12、13、蜗轮16、蜗杆17构成的传动机构。
齿轮13固定在连接轴14中部,连接轴通过轴承安装在减速箱体上,蜗轮16固定在主轴6的上端,主轴通过轴承安装在减速箱体上,主轴的下端固定在支座1上,支柱2的下端固定在减速箱体上,支柱2的上端通过销轴4与电池板支架连接。
电机18通过齿轮12、13带动蜗杆17转动,并带动减速箱体、电池板支架转动,完成东西方向的跟踪。
2.俯仰角跟踪
俯仰跟踪控制:
动力源电机1通过联轴器7带动蜗杆8与蜗轮9啮合运动,蜗轮9与齿轮10同轴,经过齿轮10与11的啮合运动,带动与齿轮11同轴的支架12转动,从而实现与支架12固接的硅光电池板13达到仰俯运动跟踪的目的。
周转跟踪控制。
动力源电机6通过联轴器5带动蜗杆4与蜗轮3啮合运转,从而带动与蜗轮3同轴固联的上箱2实现周转运动,因仰俯控制的传动机构都装在上箱2内,从而达到硅光电池板周转运动跟踪的目的。
两轴分别由两个电机控制,图a表示电机1输出轴连接固定在转台上的减速器
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