太阳能光伏发电跟踪系统的设计与研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 3.79MB 53 页 15积分
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摘要
本文设计了一种基于 FPGA 控制的太阳跟踪系统，该系统利用分布在东西、
南北的两组（四个）光电传感器来探测太阳的光照强度，用处理后的信号来控制
两个双轴无耦合步进电机来带动太阳能电池板作接近半球形的立体运动。
为提高太阳能电池板接收能量的效率，本文提出了一种日光垂直跟踪系统的
电机控制新方法。有别于传统的步进电机单片机控制系统，本文提出的方法利用
FPGA 对步进电机进行控制。根据步进电机的运转特点，采用 DDS 技术，本文设
计了步进电机的控制算法，从而完成对步进电机在各种运行模式下正反转、加减
速以及精确定位的控制，实验运行结果显示其性能稳定可靠。同时，本文还设计
了一个模糊控制器来控制太阳能电池板的旋转。该控制器考虑了输入的电压差信
号，用它作为输入变量来控制步进电机的转动；建立了输入语言变量各个语言值
和它们对应的隶属函数；根据跟踪系统先验知识设置了模糊规则表，并以此为基
础进行模糊推理。
最后，利用 FPGA 提供的丰富的可配置资源，搭建了太阳跟踪系统的硬件电
路并设计了相应的步进电机控制器。同时，该系统采用同一块 FPGA 芯片对多台
步进电机进行控制，从而大幅降低了光伏发电成本。因此，采用 FPGA 来实现的
太阳能跟踪系统能有效提高太阳能电池板的光电转化效率，进而增加发电系统的
发电量，具有较广泛地应用前景。
关键词：FPGA 光伏发电 模糊控制器 步进电机
ABSTRACT
This paper designs a solar tracking system based on FPGA, the system uses two
blocks of photo-electricity sensors (four as total sited at east-west and south-north) to
sense the intensity of the sun, and then use the processed data to drive two decoupled
step-motor maintaining the system conduct an approximate hemispheroidal 3-D
rotation on the solar array.
In order to improve the solar panels’ efficiency of receiving solar power, this
paper design a method which can keep the solar panel receive the sunlight vertically
all the time by motor controlling, after considering the limitations and shortages of
tradition method by using MCU to control multi-motors. This paper design a step
motor controller based on FPGA, which could control the step motor precisely and
successfully. Meanwhile, this paper also constructs a fuzzy controller to achieve the
rotation of the solar panel. The controller takes the difference of the input voltages
into account as the input variable to control the step-motors. The input and output
linguistic values and the corresponding membership function are designed. Fuzzy
inference is carried out based on a rule table which is built according to the prior
knowledge of the system.
Finally, with the advantage of rich resources and multiple I/O pins of FPGA,
achieve the circuit of the system and step-motor controller, and multiple motors can be
controlled by a single chip, so it can improve the system integration. What’s more, it
can reduce the cost of power, employ FPGA to fulfill the solar tracking system can
improve the photoelectric efficiency and gain more electricity, the tracking system
have extensive application prospective.
Key Words: FPGA, PV Generation, Fuzzy controller, Step-motor
目录
中文摘要
Abstract
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 研究背景 ..................................................... 1
§1.2 研究意义 ..................................................... 3
§1.3 相关研究 ..................................................... 4
§1.4 本研究的主要贡献 ............................................. 7
§1.5 本文的章节概要 ............................................... 7
第二章 太阳跟踪系统的设计 ............................................ 8
§2.1 太阳跟踪系统的整体构架 ....................................... 8
§2.2 系统各部分的功能描述 ......................................... 9
第三章 跟踪系统控制算法的设计与实现 ................................. 11
§3.1 模糊逻辑 .................................................... 11
§3.1.1 经典集合与模糊集合 ..................................... 12
§3.1.2 隶属函数 ............................................... 15
§3.1.3 模糊算子 ............................................... 18
§3.1.4 模糊控制的基本原理 ..................................... 18
§3.2 模糊控制太阳跟踪系统的设计 .................................. 26
§3.2.1 模糊控制器的设计 ....................................... 26
§3.2.2 模糊控制器的语言变量 ................................... 27
§3.2.3 隶属函数的设计 ......................................... 28
§3.2.4 模糊规则的建立与推理 ................................... 28
§3.2.5 解模糊设计 ............................................. 29
第四章 跟踪系统的硬件电路实现 ....................................... 30
§4.1 跟踪传感器设计 .............................................. 30
§4.2 A/D 转换器 .................................................. 32
§4.3 FPGA 设计 ...................................................34
§4.3.1 步进电机控制器的设计 ................................... 34
§4.3.2 SOPC 系统设计 ........................................ 38
第五章 总结与展望 ................................................... 47
参考文献 ............................................................ 48
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 51
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景
随着人类社会进入21世纪及经济的飞速发展，世界各国都面临着来自人口、
资源和环境等各个方面的巨大压力。人口过快的增长，使得人类社会正以自人类
出现以来从未有过的速度大量消耗着地球上亿万年以前形成的蕴藏量极其有限的
化石燃料。绝大部分有远见的人都已经开始考虑怎样才能不以牺牲我们后代的生
存环境、经济资源为代价来发展我们生存的社会，这也是一个被人们广泛关注的
可持续发展的战略问题。
天然气、煤、石油是当今社会使用最为普遍的能源[1,2,3]。它们都属于化石能源，
是由远古时代的太阳能转化而成并被长期存储于地底下短期内不能够再生的能
源。人类大规模开发利用天然气、煤、石油也只有两三百年，却几乎已将地球上
亿万年来所形成的数量极为有限的化石能源快要耗尽。根据联合国2001年的统计
结果，现如今全世界已经被探明的石油资源，仅仅能够供人类使用44年，天然气
也只能被使用62年左右，煤炭也仅能供利用230年。目前全球已探明石油储量为
130GT，每年消耗约为3.5GT，估计在今后25年中平均年消耗量将达到5GT左右，
加上新发现的油田，相关领域的专家估计石油的总储量也不超过200GT，在四五十
年后地球上的石油资源将枯竭。人类社会将面临化石能源枯竭的严峻形势。
大量燃烧使用化石能源还带来了一个不得不引起人们重视的严重后果，即大
量产生CO2是温室效应的现象越来越明显。根据联合国政府气候变化问题小组2004
年3月在莫纳罗亚岛火山顶上的气象观测站测量发现，大气中CO2的质量分数（浓
度）大大超过了人类社会工业化以前的280×10-6，已经达到了379×10-6。而过去10
年大气中CO2含量以每年1.8×10-6的速率增长，最让人忧虑的是仅最近1年CO2的浓
度就急剧上升了3×10-6。联合国政府气候变化问题小组公布的最新报告显示：目前
全球的平均气温较之于1750年以来上升了0.8℃。统计数据显示一旦全球气温升高
2℃，大气中的二氧化碳的浓度将是400×10-6，然而达到400×10-6的水平仅需不超过
10年的时间。报告甚至惊呼全球生态灾难的到来已经进入倒计时。如果不采取有
力的措施减缓和阻止排放温室气体，地球上生命的生存条件将会不断恶化，人类
社会的发展也会受到极其有害的影响，例如：大气环流和洋流的异常将导致洪涝、
干旱等自然灾害的频发；冰山的消融将会使海平面不断升高；土地荒漠化的逐渐
加剧等。各国都认识到必须共同采取有效措施减缓这种变化。为阻止和减缓全球
太阳能光伏发电跟踪系统的设计与研究
2
变暖，1997年底，联合国审议通过了《京都议定书》，要求发达工业国家务必大幅
削减CO2等温室气体的排放量，从2008年到2012年间，要在1990年基础上平均减排
5.2％，发达国家也在不同程度上地做出了减排温室气体的承诺。
上述形势的不断加快，迫使人们开始
重视寻找和研究利用其它可再生的清洁能
源，亦即新能源，主要包括太阳能、风能、
海洋能、地热能、生物质能等。从20世纪
90年代开始，世界能源电力市场发展最为
迅速的已经不再是煤、石油及天然气，而
是太阳能、风力、地热能等可再生能源[4] 。
这几年全世界能源消耗增长趋势，按来源
分类如表1-1所示。 国际上一些研究能源
方面专家预言：就能源、电力方面而言，
21世纪将是可再生能源的世纪。
截至2005年，我国已探明的常规能源（煤、石油和天然气）总量约为8200亿
吨标准煤，探明剩余可采的总储量约为1500亿吨标准煤，如果按照2020年的能源
消费总量计算的话，常规能源只够满足人类使用25年，也就是说，我国有经济效
益的且容易开采的常规能源将在2045年消耗殆尽。综合资源、技术、经济、环保
四大因素，大规模发展太阳能发电和风力发电是解决我国能源问题短缺的最现实
的战略选择之一。
太阳能是通过太阳内部连续不断的核聚变反应而产生的能量。太阳能作为一
种新能源和可再生能源，与煤、石油、天然气等相比较，有其与众不同的特点。
第一，太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，是人类能够利用的最丰富的能源。
太阳辐射的能极其巨大，一年内照射到地球表面的太阳辐射的总能量，要比地球
上现在每年消耗的所有常规能源的总量还要大几万倍，地球上每秒钟所接受的太
阳辐射能量就相当于 500 万吨标准煤。太阳诞生至今的 50 亿年中，总共才消耗了
其总质量的 0.03％，而太阳还将继续燃烧 50 亿年。因此，对人类而言，太阳能可
以说是永久性的能源。第二，太阳能分布非常广泛，也不受地理位置的限制，不
用运输。相对而言，煤炭、石油和天然气等资源均需花费大量资金勘探和挖掘，
由于它们在空间分布上不均匀，往往还需要耗费大量人力物力运输，造成不必要
的消耗。第三，太阳能也不会造成环境污染，没有公害。相对而言，石油和天然
气在采掘的过程中会产生污染周边环境的污染物。而煤炭和石油的燃烧会产生严
重污染大气的二氧化硫，形成酸雨等气象灾害。虽然太阳能相对于常规能源有以
表1-1 1995～2002 年能源消耗增长趋势
能源
年增长率％
太阳能光电池
30.9
风力发电
30.7
地热发电
3.1
天然气发电
2.1
石油发电
1.5
水电
0.7
核电
0.7
燃煤发电
0.3
第一章 绪论
3
上各种优势，但它也有自身的缺点，这些缺点给开发利用太阳能带来了相当的困
难。首先，辐射到地球表面的太阳能比较分散，虽然其总量十分巨大。就是在赤
道附近的海面上，晴天正午且与阳光垂直的单位面积上能够接收到的最大辐射能
量也仅有 1000 瓦/平方米。因此，若想直接获得较高的太阳能量，就要布置很大
面积的太阳能电池板，那样就要付出非常巨大的成本。虽然新材料和新技术的引
用使太阳能利用的成本得到了很大降低，但是它还是远远超出了使用常规能源所
需要的成本。这也在很大程度上造成了太阳能至今仍未获得大规模利用。其次，
太阳能同时还受到来自气候和地球自转等方面的影响。人类在一段时间内对能量
的需求是连续的，而太阳能是一种不连续的能源，要获得连续可用的能源就需要
贮能装置对太阳能进行储存。这就又增加了利用太阳能的成本和技术难度。贮能
问题也是开发利用太阳能的技术难点之一。
§1.2 研究意义
太阳能的利用大体上可分成两大类，一是太阳能热利用，一是太阳能光利用。
太阳能热利用，就是直接将太阳能转化为热能。太阳能热利用主要包含太阳能热
水器、太阳能蒸馏器、太阳能干燥器和太阳能温室。太阳能光利用是一种通过光
电转换器件将太阳能直接转换为电能。太阳能光利用的主要方式之一就是利用太
阳能发电，而利用太阳能发电的最基本方式是太阳能电池板。太阳能电池板一般
由具有扩散结类型的半导体材料制成，是一种物理属性的电池，其优点在于电池
只起能量转换作用而不发生化学变化，因而也不会有有害物质产生，也不会有燃
料消耗，是一种半永久性的能源装置。尽管太阳能发电具有各种各样的优点，但
是至今仍没有得到大规模的广泛应用，主要是因为其发电成本要远远高于石油、
煤炭等常规能源的发电成本。两个原因直接造成太阳能发电成本过高，第一是太
阳能电池板较低的光电转换效率，第二是较高的制作太阳能电池板的成本。技术
最为成熟的单晶硅太阳能电池，其转换效率最高约为 10％至 20％。但制作这类太
阳能电池需要大量高纯度的单晶硅，直接导致了制造这种太阳能电池需要很高成
本，难以在生产和应用中得到大范围的推广。相比之下，多晶硅薄膜太阳能电池
较之于单晶硅电池具有更低的成本，然而其较低的光电转换效率也限制了它的广
泛应用。非晶硅薄膜太阳能电池有着较高的光电转换效率，而且它具有成本低、
重量轻的优势，但是它的稳定性又较差，也很大程度上影响了它的实际应用。所
以，开发高转换率且低成本的新材料及提高光伏发电效率是目前推广太阳能发电
的两种主要方式。而提高效率的一种方法就是进行太阳的跟踪。现在常用的太阳
摘要：

摘要本文设计了一种基于FPGA控制的太阳跟踪系统，该系统利用分布在东西、南北的两组（四个）光电传感器来探测太阳的光照强度，用处理后的信号来控制两个双轴无耦合步进电机来带动太阳能电池板作接近半球形的立体运动。为提高太阳能电池板接收能量的效率，本文提出了一种日光垂直跟踪系统的电机控制新方法。有别于传统的步进电机单片机控制系统，本文提出的方法利用FPGA对步进电机进行控制。根据步进电机的运转特点，采用DDS技术，本文设计了步进电机的控制算法，从而完成对步进电机在各种运行模式下正反转、加减速以及精确定位的控制，实验运行结果显示其性能稳定可靠。同时，本文还设计了一个模糊控制器来控制太阳能电池板的旋转。该...

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