计算机控制双轴太阳跟踪系统及其偏差检测

论文摘要

太阳能具有绿色环保、可持续利用等优点,在解决传统能源危机中,太阳能利用是各国竞相开发和研究的热点。由于太阳能存在着光能密度低、间歇性、空间分布不断变化的缺点,因此,提高太阳能发电系统的太阳能利用率、降低发电系统建造成本是太阳能应用领域面临的两个主要难题。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能,一方面,通过太阳跟踪,可以减小太阳入射光线与太阳能电池阵列的入射角,因此可以提高太阳辐射利用率;另一方面,通过太阳跟踪可使太阳能利用采用聚光的方法以提高其能量密度,使发电系统转换效率提高,而且可以减少系统中价格昂贵的太阳能电池使用面积,因此可以大幅度降低系统的建造成本。随着人们对可太阳能资源开发利用越来越重视,进行太阳跟踪系统的研究具有十分现实的意义。论文基于太阳位置计算模型,采用矢量分析方法建立了视日运动轨迹跟踪方式双轴太阳跟踪运动控制方程,分析了其运动特性,对间歇跟踪控制方法进行了系统的理论研究和仿真;并再此基础上,采用“PC+运动控制卡”的步进电机闭环控制策略,设计并试制了双轴太阳跟踪运动控制系统,基于虚拟仪器技术,编制了完整的双轴太阳跟踪运动控制软件,最后完成了计算机控制双轴太阳跟踪系统的机电联调,目前该系统已成功应用于国家某863项目的研究中,系统运行正常,调节灵活,软件界面友好,操作方便。为了评价和监测双轴太阳跟踪系统的跟踪偏差,论文首次提出了采用四象限光电池太阳跟踪偏差检测方法,对其测量原理进行了研究,设计并试制了四象限光电池太阳跟踪偏差检测实验装置,最后进行了实验验证,实验结果表明该方法能够较好地反映跟踪系统的运动控制规律,并能够灵敏地检测出系统跟踪偏差,采用四象限光电池作为太阳跟踪偏差检测的技术是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的背景
• 1.2.1 世界面临的能源危机
• 1.2.2 太阳能资源
• 1.2.3 太阳能利用
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 太阳跟踪技术的国内外发展现状
• 1.4.1 太阳跟踪控制方式
• 1.4.2 太阳跟踪机构
• 1.4.3 跟踪系统的国内外研究现状
• 1.5 论文研究的主要内容及论文安排
• 第2章 太阳跟踪规律与控制方法的研究
• 2.1 双轴跟踪运动控制方程
• 2.2 双轴跟踪系统运动特性分析
• 2.3 双轴跟踪系统运动控制方法
• 2.3.1 间歇跟踪控制方法的建立
• 2.3.2 间歇跟踪控制规律的仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 跟踪系统的机构设计
• 3.1 双轴太阳跟踪系统
• 3.2 跟踪系统的传动机构设计
• 3.3 执行元件的选用
• 3.3.1 步进电机
• 3.3.2 步进电机运行参数的设计
• 3.3.3 转矩的校核
• 3.4 惯性比的校核
• 3.5 本章小结
• 第4章 硬件系统设计
• 4.1 步进电机控制策略
• 4.1.1 几种步进电机控制方案比较
• 4.1.2 步进电机控制回路的设计
• 4.2 运动控制系统的组成
• 4.3 NI PCI-7340运动控制卡
• 4.3.1 运动控制卡的介绍
• 4.3.2 PCI-7340运动控制卡的安装连接及配置
• 4.4 步进电机连接与通讯
• 4.4 绝对编码器及其通讯
• 4.4.1 绝对编码器
• 4.4.2 编码器的连接与通讯
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制系统软件设计
• 5.1 虚拟仪器与图形化编程语言
• 5.2 软件总体结构
• 5.3 自动跟踪程序的设计
• 5.4 操作界面控件功能介绍
• 5.5 部分功能程序设计
• 5.5.1 主程序框图设计
• 5.5.2 脉冲数与角度转换程序设计
• 5.5.3 软件限位程序
• 5.5.4 矢量运动程序
• 5.6 本章小结
• 第6章 太阳跟踪偏差的测量
• 6.1 偏差检测原理
• 6.2 偏差检测装置的设计
• 6.2.1 四象限光电池
• 6.2.2 检测装置的结构设计
• 6.3 信号转换电路设计
• 6.4 跟踪系统运行偏差检测实验
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 后续研究与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文