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槽式太阳能热发电装置跟踪控制系统研究

作　者: 尹丹
导　师: 彭高亮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 太阳能热发电槽式聚光器 PIC单片机 CAN通信
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

太阳跟踪装置是提高太阳能发电系统光能利用效率的主要方法，在太阳能发电中受到了广泛的应用。槽式太阳能跟踪系统的设计关键在于适应太阳光线变化的缓慢性、间歇性及环境天气的变化，做到跟踪的精确性与及时性。此外大型槽式太阳能发电厂要求能够对太阳聚光器单元的工作状态实时掌握。本文在分析国内外有关太阳能跟踪技术研究成果的基础上，采用光照传感器与时钟计算组合的方法得出太阳角度，并将间歇式的跟踪方法应用到系统跟踪程序的设计中，设计了基于PIC单片机的槽式太阳能跟踪控制系统，达到太阳跟踪系统的设计要求。受地球公转自转的影响，太阳运动规律表现为赤纬角与时角的变化。课题设计了跟踪太阳时角方向变化的槽式太阳能跟踪控制系统，通过光照传感器与时钟计算太阳位置结合的方法得出太阳位置，由控制器计算给出控制信号驱动伺服电机工作，经过机械液压系统驱动太阳聚光器跟踪太阳，并利用角位移传感器信号反馈形成闭环控制，有效地提高了跟踪系统的精确性与及时性，保证了槽式太阳能聚光器的集光效率。研究了槽式太阳跟踪系统结构，在MATLAB中建立了系统模型，仿真选取了数字PID控制参数。导出了基于时钟计算的太阳跟踪角的计算通式，提出了间歇性跟踪控制的方式与软件程序。利用MPLAB IDE单片机软件开发工具与PROTEL电子电路开发工具，设计了以PIC单片机为核心的控制器，实现了光照传感器与角位移传感器信号的采集、太阳角度计算、控制信号输出及与上位机的CAN总线数据通信。课题在四川省科技厅科技支撑计划项目（立项编号：2011GZ0216）的支持下，完成了槽式太阳能跟踪控制系统的仿真，完成了单片机系统的软硬件开发，制作了控制电路板，以及单片机系统与上位机的数据通信，完成了系统样机的开发制作。通过测试，分析了所设计槽式太阳能跟踪系统的性能，验证了系统的可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 论文研究的背景和意义  10-11
  1.2 太阳能发电跟踪器发展概况  11-17
    1.2.1 太阳能发电技术的分类  11-13
    1.2.2 太阳能发电跟踪控制技术发展现状  13-15
    1.2.3 槽式太阳能跟踪器商业化现状  15-17
  1.3 本文主要研究内容  17-18
第2章太阳跟踪系统跟踪模型与跟踪方式  18-29
  2.1 引言  18
  2.2 太阳角度计算中相关概念  18-20
    2.2.1 太阳时角与真太阳时  18-19
    2.2.2 太阳赤纬角  19
    2.2.3 太阳高度角与方位角的计算  19-20
  2.3 太阳跟踪角计算模型  20-22
    2.3.1 太阳光入射向量  20-21
    2.3.2 聚光器法线向量  21
    2.3.3 跟踪角计算通式与误差  21-22
  2.4 太阳跟踪的方式  22-28
    2.4.1 南北布置东西跟踪形式  22-23
    2.4.2 跟踪角计算分析  23-26
    2.4.3 跟踪方式与程序流程图  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章太阳跟踪系统硬件设计  29-46
  3.1 引言  29
  3.2 硬件电路总体及开发平台  29-33
    3.2.1 硬件电路总体设计  29-30
    3.2.2 主芯片功能要求  30-31
    3.2.3 主芯片特性  31-32
    3.2.4 MPLAB 开发平台  32-33
  3.3 信号采集模块硬件设计  33-37
    3.3.1 传感器与信号前处理  33-36
    3.3.2 信号采集电路设计  36-37
  3.4 电机驱动模块硬件设计  37-40
    3.4.1 松下交流伺服电机与伺服驱动器  37-38
    3.4.2 电机驱动硬件电路设计  38-39
    3.4.3 液压驱动机构  39-40
  3.5 总线通信模块硬件设计  40-42
    3.5.1 CAN 总线设计  40-42
    3.5.2 CAN 总线抗干扰设计  42
    3.5.3 单片机与电脑的 RS232 通信电路  42
  3.6 系统外围功能模块  42-45
    3.6.1 时间模块  43
    3.6.2 按键与显示  43
    3.6.3 复位与程序烧写电路  43-44
    3.6.4 电源电路  44-45
    3.6.5 电路板抗干扰  45
  3.7 本章小结  45-46
第4章太阳跟踪系统软件设计  46-59
  4.1 引言  46
  4.2 控制参数仿真分析及软件总体设计  46-50
    4.2.1 系统整体组成  46-47
    4.2.2 基于 Simulink 仿真的系统控制参数  47-49
    4.2.3 程序软件功能模块划分  49-50
  4.3 AD 模块软件设计  50-53
    4.3.1 算术平均滤波  50-51
    4.3.2 误差分析与修正  51-53
  4.4 伺服电机驱动软件设计  53-56
    4.4.1 伺服电机脉冲驱动原理  53-54
    4.4.2 电机驱动脉冲信号程序设计  54-56
  4.5 通信模块软件设计  56-58
    4.5.1 下位机软件设计  56-57
    4.5.2 上位机软件设计  57-58
  4.6 本章小结  58-59
第5章实验测试  59-64
  5.1 引言  59
  5.2 电子电路制作  59
  5.3 实验测试及分析  59-63
    5.3.1 实验方案  60
    5.3.2 实验装置  60-61
    5.3.3 系统跟踪性能测试分析  61-63
  5.4 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-70
致谢  70

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