碟式斯特林太阳能热发电系统中跟踪系统的研究

摘要

随着常规化石燃料（如石油、天然气、煤炭等）的不断开采与消耗，世界的能源形势日益严峻，而且使用这些化石燃料对我们的生存环境也造成了较大的破坏，所以开发绿色新能源就成为国际社会面临的巨大挑战。由于太阳能是一种清洁绿色能源，所以太阳能的使用可以有效减轻资源匮乏与环境污染的双重压力。而太阳能热发电技术的诞生，为人类利用太阳能奠定了较好的发展前景;目前太阳能热发电技术的发电效率仍然较低，因而提高其发电效率一直是国际研究领域的重要课题。为了提高太阳能热发电系统的发电效率，聚光器跟踪控制系统的研究必不可少。使用太阳跟踪系统可以有效增大发电系统聚光器的太阳辐射接受率，使发电机可以接收更多能量，因而极大提高了发电系统的发电效率。针对该研究需求，本论文对碟式斯特林太阳能热发电系统的跟踪系统进行了研究与设计。
　　 首先，本文对两种常用的太阳跟踪策略进行了研究，即闭环跟踪方式和开环跟踪方式。通过将两种跟踪策略的跟踪性能比较后，本论文决定采用两种跟踪方式相结合的混合跟踪方式。该跟踪方式不但克服了其他两种跟踪方法的缺点，而且可以较大提升跟踪系统的可靠性。其次，对太阳能热发电系统的发电原理以及聚光器聚光比计算进行了比较详细的理论研究。最后，论文从硬件部分和软件部分，对太阳自动跟踪系统进行了研究与设计。
　　 针对以往使用8位单片机为主控芯片的跟踪系统存在的一些问题，如响应慢、稳定性低等缺点，本文采用了STM32微处理器作为跟踪系统的主控芯片。该微处理器具有强大的处理功能，而且该芯片具有响应速度快、稳定性高、功耗低等特点。文中对跟踪系统的硬件与软件设计进行了详细介绍，其中硬件部分包括具有高精确性能的阳光传感器改进，可以显示跟踪状态参数的显示电路设计，以及可以实现较高机械转动精度的步进电机驱动电路设计。软件部分则以硬件部分为基础进行相应的设计，软件与硬件的合理搭配才能实现整个跟踪系统的正常运行。软件部分的设计介绍以软件流程图和主要驱动程序的形式进行说明。
　　 本文对碟式斯特林太阳能热发电技术进行了系统理论的研究，并且着重对它的自动跟踪系统做了细致的研究。本文论述的自动跟踪系统不但跟踪精度可达0.1°，而且可以适用于多种天气条件下的跟踪工作，有效提高了跟踪系统的工作效率和可靠性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景简介

1．2 太阳能热发电技术的简介与优势

1．3 太阳能热发电技术的种类

1．3．1 塔式太阳能热发电系统简介

1．3．2 槽式太阳能热发电系统简介

1．3．3 碟式太阳能热发电系统简介

1．4 碟式太阳能热发电系统的发展

1．5 课题研究的目的

1．6 论文研究内容

1．7 论文结构

1．8 本章小结

2 碟式太阳能热发电系统介绍

2．1 太阳能热发电原理介绍

2．1．1 布雷顿循环介绍

2．1．2 朗肯循环介绍

2．1．3 斯特林循环介绍

2．2 碟式聚光器介绍

2．2．1 聚光器聚光原理介绍

2．2．2 聚光器聚光比的计算方法

2．3 本章小结

3 太阳跟踪系统的研究

3．1 地球天文知识介绍

3．1．1 地球的环日运动规律

3．1．2 地球时间介绍

3．1．3 天球坐标系介绍

3．2 太阳跟踪系统机械驱动类型

3．2．1 单轴跟踪驱动方式

3．2．2 双轴跟踪驱动方式

3．3 太阳跟踪方法介绍

3．3．1 开环跟踪方式

3．3．2 闭环跟踪方式

3．4 跟踪方法的选择与优化

3．5 本章小结

4 跟踪系统的硬件设计

4．1 阳光传感器

4．1．1 感光材料的选择

4．1．2 阳光传感器介绍

4．1．3 阳光传感器信号采集电路设计

4．1．4 阳光传感器的改进

4．2 STM32微处理器介绍

4．2．1 STM32F103功能介绍

4．2．2 STM32微处理器性能上的优越性

4．2．3 DMA控制器介绍

4．2．4 DMA中断处理

4．3 电机驱动模块设计

4．3．1 步进电机的介绍

4．3．2 脉冲宽度调制技术

4．3．3 步进电机驱动模块

4．3．4 步进电机驱动设计

4．4 显示按键模块

4．5 时钟日历模块

4．6 本章小结

5 跟踪系统的软件设计

5．1 软件整体流程图

5．2 阳光传感器信号处理软件的设计

5．2．1 AD转换程序流程图

5．2．2 AD转换程序设计

5．3 跟踪策略算法模块软件设计

5．3．1 闭环跟踪方式模块

5．3．2 闭环跟踪方式软件

5．3．3 开环跟踪方式模块

5．4 步进电机驱动软件设计

5．5 显示按键模块设计

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 课题工作情况总结

6．2 课题进一步研究展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的学术论文目录及专利

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