全方位太阳能跟踪系统设计与实现

摘要

当今时代，随着化石能源的日趋枯竭，人类社会的能源危机问题日益凸显。与此同时，大量使用化石能源所造成的诸多环境问题也时刻困扰着人们。太阳能作为一种可再生能源，其开发和使用过程中不会对环境造成污染，因而受到了世界各国的重视和关注。太阳能自身具有能量的分散性及间歇性，使得太阳能的开发利用存在瓶颈。基于此，本文进行了太阳能跟踪系统的研究。相关研究表明，太阳能跟踪系统能够使太阳能采集效率提高30％~40%。
　　本文在深入研究传统跟踪系统实现方案的基础上，设计开发一种以FPGA为核心控制器的太阳能跟踪系统。本课题设计的太阳能跟踪系统以Altera公司EP1C12Q240C8芯片为核心控制器，以S066A型四象限光电探测器作为感光元件，并配以时钟、加速度计、地磁、GPS等外围测量装置，完成了跟踪系统的测量和控制。本文将光电跟踪方式及轨迹跟踪方式相结合，并设计了数据处理算法，该算法能够提高跟踪系统跟踪精度且具有较好的抗干扰能力。
　　本文的主要工作有：
　　(1)给出了本课题系统的总体方案设计。进行了跟踪系统控制器、测量机构、执行机构的设计及实现，其具体内容为：FPGA核心控制器设计；外围测量元件设计，包括光电检测电路设计、实时时钟设计、加速度计设计、地磁传感器及GPS接收部分设计；执行机构设计，包括跟踪系统步进电机选型、步进电机驱动设计、跟踪系统机械结构设计。在这些工作的基础上，给出了跟踪系统整体电源网络设计。
　　(2)进行了跟踪系统控制算法设计，主要包括：运用矢量法对太阳运行轨迹计算公式进行了探讨，并得到了任意时刻太阳高度角、方位角的解算公式；给出了应用四象限光电探测器输出信号进行太阳光线位置解算的算法；最后进行了数字低通滤波器设计，并给出了本系统姿态解算算法。
　　(3)进行了跟踪系统软件设计，主要工作包括：在SOPC Buidler中进行FPGA工作软核的开发；以硬件描述语言Verilog HDL开发了IIC总线通讯软核；于Nios IIIDE开发环境中针对跟踪系统实现的各项功能，实现了跟踪系统各部分程序代码的编写；最终将本文设计的跟踪系统跟踪算法在程序中加以实现。
　　(4)最后进行了验证试验。验证试验显示，本文设计的太阳能跟踪系统能较精确跟踪太阳，并且具有抗干扰能力，具有实际应用的价值。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外太阳能产业发展及其应用情况

1.3 国内外太阳能跟踪系统研究现状

1.4 论文主要内容

第2章 系统总体设计及实现

2.1 跟踪系统整体设计方案

2.2 主控制器设计

2.3 外围传感器设计

2.4 执行机构设计

2.5 系统电源网络设计

2.6 本章小结

第3章 跟踪系统控制算法设计

3.1 太阳运行轨迹推算

3.2 太阳光线对跟踪系统姿态导引

3.3 数字低通滤波器设计

3.4 跟踪系统姿态解算

3.5 本章小结

第4章 跟踪系统软件设计

4.1 系统软件设计过程

4.2 程序总体设计

4.3 SOPC系统工作软核构建

4.4 基于VerilogHDL的IIC通信模块实现

4.5 系统程序子函数实现

4.6 本章小结

第5章 系统调试及验证

5.1 系统调试综述

5.2 传感器标定

5.3 系统跟踪验证试验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢