基于LabVIEW和单片机的太阳自动跟踪监控系统.docx
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基于LabVIEW和单片机的太阳自动跟踪监控系统
1引言
1.1课题的研究背景
当今世界正面临能源短缺,许多国家对能源问题十分重视,包括核能,水力能,风能,太阳能,地热能等可持续发展能源。
在诸多的可持续能源中,太阳能是一种取之不尽,用之不绝的清洁能源,在开发和利用过程中能节约大量化石能源,不仅环保,而且安全。
太阳能有着非常广阔的前景,在众多的可再生清洁能源中,被科学家认为是未来的主要能源之一,其主要优势有如下几点:
(1)到达地球大气外层的太阳照射强度其中约30%被大气层反射回外太空,其余到达地面的能量被大气,海水,陆地,植物吸收。
这些能源相当于全世界2009年全部能源消耗的8000倍。
也就是说地球表面一小时接收的太阳能足够人类使用一年。
(2)存在的普遍性,从空间上来说,太阳能非常容易获得,在地球表面无处不在,同时没有勘探和开采成本,可随时获取,这为能源缺乏的国家提供了一种可行性的方法。
(3)环保,在获取和利用太阳能的过程中不会产生污染气体排放,像风能,潮汐能一样对环境无污染,是新时期的理想能源。
1.2课题的发展历程和现状
1.2.1太阳自动跟踪监控系统的发展历程
随着科技的发展,测量领域发展迅猛,仅就测量方式来说,已经从最早的电磁感应的指针仪表发展到以微处理器为基础的智能化仪表。
但是,随着虚拟仪器的出现,人类在测量技术上的发展已经进入到一个新的时代。
虚拟仪器从最初的设想到现在的技术发日渐成熟,标志着虚拟仪器技术对传统测量技术的工业革命。
所谓的LabVIEW就是在基于PC的基础上,用户根据自己的需要和设想开发测量平台。
其核心是将传统的测量仪器硬件和计算机软件结合起来,完成测量任务。
通过LabVIEW搭建的控制系统,外围硬件设备只是为了数据的传输提供通道,软件才是控制系统的核心。
对于使用者来说,可以通过修改LabVIEW后面板的程序来改变平台的功能,这可以充分发挥用户的想象力,按照自己的构思,设计自己的虚拟仪器平台。
目前,随着太阳能跟踪技术的发展,由于虚拟仪器有着互换性强、成本低廉等非常明显的优势,虚拟仪器逐渐应用到太阳能跟踪中。
1.2.2太阳自动跟踪系统的发展现状:
(1)国外发展现状
在国外,埃及吉萨电子研究所的AtiaYousry建立的基于LabVIEW和微控制器接口的太阳能电池曲线测量系统,该系统通过虚拟仪器建立光伏太阳能电池及其模块的数据采集系统,在太阳能电池板跟踪太阳过程中,通过虚拟仪器和单片机的串行接口建立通讯,相关数据信息显示在虚拟仪器建立的用户界面上,实时测量和监控太阳能电池的位置信息。
印度的NITSilchar电子工程系建立的基于LabVIEWSVM二维太阳能电池板跟踪系统,该系统通过光敏电阻来实现自动跟踪太阳,使得太阳的入射光线垂直照射到太阳能电池板上,得到最大的发电功率,太阳能电池板的运动由两个步进电机控制,该系统跟踪精度高,已经投入使用。
(2)国内发展现状
在国内,南通大学电子工程系设计的基于LabVIEW的无线监控聚焦光伏发电系统,该系统通过双抛物面反射器聚焦和跟踪技术产生太阳能光伏发电,无线远程监控通过Zigbee和LabVIEW来完成,系统通过上位机和下位机建立通讯,实现对系统在线监测、远程控制、故障诊断等操作。
湖北工业大学的曾利霞设计的基于视日运动轨迹的双轴太阳跟踪系统,该系统通过天文知识计算出太阳的高度角和方位角,利用工控机控制两个轴的伺服电机转动,通过LabVIEW设计用户界面,实现双轴跟踪,跟踪精度在±2°。
香港大学建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系,理论分析表明:
太阳的跟踪与非跟踪,能量的接收率相差37.7%,精确的跟踪太阳可使接收器的热接收率大大提高,进而提高了太阳能装置的太阳能利用率,拓宽了太阳能的利用领域。
因此,本文研究了关于如何充分高效利用太阳能的方法,希望在所有能接收到阳光的地方都能充分利用这一能源。
综上所述,Amonix公司和Acciona太阳能公司幵发的太阳能跟踪装置主要是基于天文知识,计算太阳的运动轨迹,从而驱动跟踪装置跟踪太阳,这种装置不受天气的影响,跟踪精度取决于算法的算法的准确性,同时由于是开环控制,电机在运行中的产生的误差难以消除,随着运行时间的不断增加精度会降低。
而对于国内的汉龙集团的核心产品Zstaig2000和武汉理工大学的杨培环设计的光筒式二级传感器,由于是闭环控制,跟踪精度比较高,但是由于光敏元件受天气影响很大,在阴天和多云天气条件下光电跟踪失效,同时可能因为杂光的影响导致误跟踪,因而很难保证跟踪的准确性和稳定性。
1.3课题研究的意义
太阳能是一种清洁的可再生能源,具备许多化石能源不具备的优点,许多国家都在积极大力发展太阳能发电技术,很大程度上缓解了人类的能源危机,是实现人类可持续发展的有效途径之一,所以当今开发太阳能发电技术势在必行。
因为太阳能密度很低,分散性很高,虽然太阳的辐射总量很大,但是到达地球的表面时密度很低,同时太阳能受到天气影响,具有不稳定性,同时也考虑到昼夜,季节周期性变化,地球经纬度,海拔等的不同。
使得太阳辐射光到达地球时处于不稳定,不断变化的状态。
因而,太阳能的利用装置必须具备相当的面积才能提高光能利用率。
当今提高光伏发电效率的途径主要有两个:
其一是提高光伏电池的光电转换效率,即有效使用跟踪技术,随着新材料和新工艺的发展,光伏电池光电转换效率越来越高;同时,随着批量化生产,其成本也越来越低一般的对光伏系统实行跟踪,即减少光伏电池的余弦效应。
目前,使用较多的是平板光伏发电系统,即把光能转成电能。
由于电池本身转化效率较低,同时电池的余弦效应,系统的光电转换效率低,一般在10%左右。
带有跟踪技术的平板光伏系统,即具有双轴跟踪的光伏系统,由于实现了跟踪,减少了光电池的余弦效应。
因此,附带跟踪技术的平板光伏系统,发电效率可以达到12%~18%。
在太阳能跟踪光伏系统中,目前主要有太阳运动轨迹和光电跟踪两种跟踪方式。
它们的应用原理不同。
太阳运动轨迹跟踪是通过数学公式,得出每天太阳的运动轨迹,从而实现跟踪装置自动跟踪太阳。
而光电跟踪是通过光敏元件来检测太阳光线位置变化,从而控制装置跟踪太阳。
据测试使用上述两种方式可以使发电量提高30%左右,本次毕业设计在不考虑天气阴晴的情况下,通过光电跟踪自动跟踪太阳,设计的一种基于LabVIEW和单片机的太阳自动监控系统。
2太阳跟踪方式及控制系统的选择
太阳跟踪方式包括太阳轨迹跟踪,光电跟踪以及二者相结合的混合跟踪的方式。
跟踪方式的不同决定了控制系统的复杂程度和控制方式。
根据不同的控制方式,可以选择不同的硬件支持。
2.1跟踪方式概述
由于地球的自转和公转,太阳的位置相对于地面的某一固定点而言,无时无刻都在变化,即使是连续两天的同一时刻,由于太阳的赤纬角的不同,该点的太阳高度角也不同。
由于太阳能电池板的发电效率与太阳的入射角密切相关,当太阳光线垂直照射太阳能电池板时,发电效率最高。
为了太阳能的利用率,现有的光伏系统通常都采用跟踪控制方式。
因此,如果通过实时跟踪太阳光来调整电池板的朝向,使之与与太阳光垂直,从而可以提高太阳能的采集效果。
通过理论估计,采用自动跟踪方式将使发电量提高40%,从而降低投资成本的20%以上。
2.2跟踪方案选择
跟踪太阳光线的方法有很多种,目前国内主要采用以下三种方式:
(1)通过计算太阳的高度角和方位角的太阳运动轨迹跟踪方法;
(2)通过光电传感器计算太阳光线入射角的光电跟踪方法;(3)太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪的混合跟踪;通过比较,在不考虑天气阴晴的情况下本设计采用光电跟踪。
2.2.1光电跟踪原理
这种跟踪方式的工作原理:
太阳光线的变化使光敏元件输出信号发生变化,光电元件通过信号的变化来确定太阳的位置,输信号经过一系列的处理后传给微处理器,从而检测出太阳入射光线的偏差角度ε。
当ε大于跟踪系统的跟踪精度时,通过控制系统调整跟踪装置的方位角和高度角,使得调整后的ε小于入射角,此时跟踪机构停止跟踪。
过一段时间后,由于太阳的运动引起偏差角度ε再度大于入射角时,此时控制系统再次驱动跟踪装置跟踪,就这样不断循环,通过检测偏差角度ε来驱动跟踪装置跟踪太阳。
下边是光电跟踪原理图。
图2.1光电跟踪原理图
2.2.2光电跟踪流程
通过光电传感器采集光电信号,通过这些信号计算太阳入射光线的偏差角,当大于设定的偏差值[]装置定位,小于设定值时,则重新采集光电信号,计算入射光线偏差角,直至大于设定值;跟踪装置定位后,再次采集光电信号,计算入射光线偏差,如果入射光线偏差小于设定的偏差值时,则停止跟踪,如果入射光线偏差大于设定值时,则跟踪装置重新定位,直至小于设定值。
以下是光电跟踪流程图。
图2.2光电跟踪流程图
2.2.3跟踪坐标选择
太阳在宇宙中的方位,一般来说我们以目测者为圆心,半径长度为无穷的球体,描述此设想的球体是天球,以其为研究对象。
太阳在天空中的位置随时间,日期的不同而不同,尽管太阳相对于地面观测者来说总是变动的,虽然太阳总是变动的,但是太阳东升西落有严格的规律性,我们可以通过两种不同的坐标系来确定,对于赤道坐标系,太阳的位置有赤纬角和时纬角两个参数不易确定,同时赤道坐标系是对整个宇宙空间而言,因此赤道坐标系不适宜太阳能利用工程。
对于地平坐标系而言,由于其是针对地面上某一观测点而言的。
我们总是从地球某一地平面上观察太阳的运行,不同的经纬度地区,太阳的轨迹也不相同。
因此,本次设计选取地平面坐标系来计算,通过计算高度角和方位角来确定太阳的位置。
地平面坐标系如图2.3。
图2.3地平面坐标系图
地平坐标系是以地平圈为基本圈,以地面观测点为基点的天球坐标系,太阳在天空中的位置由太阳的高度角和太阳的方位角确定,如2.3图中所示,太阳的高度角表示的是太阳光线与地平面的夹角,其变化范围是0~90度。
方位角表示太阳光线在地面的投影与该地正南方向之间的夹角,正对时为0度。
向西为正,向东为负。
(1)高度角的计算:
...............(2.1)
(2)方位角的计算:
......................(2.2)
其中为太阳时角,为太阳赤纬角,为跟踪装置当地的纬度。
2.3控制系统的的选择
太阳自动跟踪系统的控制系统设计方式有很多种,目前国内外的研究现状,控制部分大致有三种
(1)基于DSP控制;
(2)基于单片机控制;(3)基于虚拟仪器的控制。
由于题目要求,所以选择基于虚拟仪器的控制。
下面做一个的简单的介绍。
硬件以计算机为核心,利用单片机采集数据,软件以LabVIEW图形化编程方式,该编程语言直观简单,容易操作。
与传统的测量仪器相比,虚拟仪器有着非常明显的优势。
以前的测量技术主要依赖于硬件,互换性差,与其它设备相连有技术限制,而对于虚拟仪器而言,其软件是核心,这样就使得成本低廉,同时由于虚拟仪器由模块化构成,因此用户可以自己的需求设计,另外互换性强,通过各种总线接口就可以与其它外设相连。
这样也方便了LabVIEW和外设间的通讯。
由于是图形化编程方式,同时提供了在线帮助,对于初学编程的人来说,门滥很低。
可以通过很直观的方式就可以建立非常美观的人机交互界面,各种所要测试的数据信息也在可以直观的显示在界面上。
LabVIEW对于测试、控制领域来说是非常好的一个助手。
综上所述,本课题之所以选择虚拟仪器和单片机相结合,主要有以下优势:
(1)单片机具有功能强大的I/O口,为搭建外围电路创造了了条件;同时内部集成了A/D转换电路,可以对光电传感器采集的电信号经性转换;另外内部有功能强大的的定时器/计数器及通讯接口,方便了和基于PC机的虚拟仪器通讯。
(2)单片机相对于DSP和运动控制卡而言,控制成本低,使用简单。
(3)采用基于PC机的虚拟仪器作为上位机可以控制多台下位机,同时由于LabVIEW编写代码简单,对于初学者而言,无需太多的编程
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