测试装置与通信设备论文提纲

论文题目：基于云计算的双轴太阳跟踪装置概念设计与实现

摘要：多年来广泛使用化石燃料导致了一些严重的问题,例如温室气体的排放,自然资源的减少等等。随着全球变暖等问题的蔓延,可再生能源随着时间的推移越来越具有吸引力。如果采伐得当,可再生能源可以减少对化石燃料的依赖,从而实现能源生产。考虑到可持续性,自然界的无限丰富性,太阳能的经济可行性和普遍性等特征,它正成为我们现代社会日益增长的电力需求情况下的一种越来越受欢迎的替代方案。光伏面板是将太阳光转换成电能的固态装置。但是,光伏电池板将太阳能转换为电能的效率还不是很令人满意。太阳辐射,环境温度,PV上的入射角,风速等属性很重要。跟踪机制添加了PV面板,可显著提高系统效率。太阳能跟踪器的作用是使PV面板在整个白天跟随太阳。由于太阳能设备在指向太阳时效果最佳,因此采用太阳能跟踪系统可以提高任何地质静态位置的效率,即使它需要整体系统的复杂性。物联网是我们周围物理对象的网络和通信系统。在太阳能跟踪系统的空间中实施物联网是一个相对新的概念。可能性和优势是巨大且未知的。实时数据积累和分析可以进行实时性能分析,排除系统故障。在物联网的帮助下,提高双轴太阳跟踪系统效率和机制的挑战是本论文项目的主要目的。我们建议的是构建一个基于ATmega微控制器并具有GPS和GPRS功能的太阳能跟踪设备。通过使用GPS和GPRS,将获得地质位置并将其发送到中央云服务器,该服务器将相应地处理关于天文太阳位置数据的数据并给出将用于相应地重新定位面板的反馈信号。所以目标是:·设计基于物联网的低成本双轴光伏跟踪系统,通过计算太阳位置的天文数据,实现向日葵跟踪。·将硬件置于实际测试中以收集太阳能利用数据。·使用收集的数据通过计算性能增益并将其与现有的类似太阳能光伏跟踪器以及固定PV进行比较来证明设计的合理性。·通过最小化跟踪误差来优化跟踪,以实现最佳结果。为了开发太阳能跟踪系统,我们必须掌握一些基本知识,例如太阳行为,环境影响以及太阳能跟踪本身的硬件和软件。地球围绕太阳旋转,围绕太阳的旋转轴不与地球的旋转轴垂直,这导致一年左右的太阳路径逐渐变化。所以太阳在任何特定时刻的位置在时间或季节上都是不同的。太阳辐照度是太阳发出的电磁辐射。该电磁辐射是光伏电池用于产生电力的电磁辐射。太阳辐射有各种自然因素影响太阳能系统的发电。由于地球的大气层,辐射在与空气中的分子碰撞时散开。这导致消除辐射而不是直接照射。随着风,土块,雨或雪等其他天气因素的影响,散射也会增加。环境因素也对能量转换效率产生重大影响。云存在,总臭氧,浊度因子和可降水量蒸汽是主要的环境因素。光伏是太阳辐射发电的强调原理。光伏系统是包含太阳能电池板的设施,太阳能电池用于发电。太阳能电池由半导体材料制成。根据较低或较高的温度,电池分别充当绝缘体或导体。电池的电特性,例如电压,电流或电阻,在暴露于光时会发生变化。太阳能跟踪系统的想法是以一定角度精确控制PV的方向,以便它可以获得最大的能量输出。光伏能量转换的效率取决于太阳能电池板产生的总电功率和太阳能跟踪系统的功耗。因此,太阳光角度的准确性和角度调整的频率是太阳能跟踪系统设计的关键因素。商业上广泛使用的基本方案是跟踪传感器以跟踪太阳,跟踪算法,控制单元,定位单元和驱动机制。值得一提的是,被动跟踪器不需要算法来跟踪太阳。算法用于计算角度以确定太阳能电池板的方向。基于算法的系统的控制单元通过跟踪算法执行可执行任务。然后,借助于定位单元的驱动机构使跟踪装置朝向计算的方向定向。驱动机构负责跟踪设备的移动。跟踪传感器可以是可用于跟踪太阳的任何传感器或传感器组,并且还可以了解设备的状态,例如经度,高度,方向或倾斜角度。其他传感器可用于实现湿度,温度或任何类型的环境测量。需要精确计算太阳的天文位置,才能在任何给定时间精确连续地跟踪太阳。在太阳跟踪中使用两种算法,即:实时光强度算法和天文算法。天文算法使用天文参考来寻找和计算太阳角度。1988年,Michalsky提出了一种算法,可以在±0.01°的范围内计算太阳位置的精确位置,其计算结果可以在1950年到2050年之间有效。太阳能跟踪系统可以通过几种方式分类。考虑到轴向移动的数量,太阳能跟踪系统可分别分为单轴和双轴。另一方面,根据机构或驱动系统,太阳能跟踪器可以分为很多部分。方位高度双轴跟踪器的方位轴垂直于地面。仰角或高度轴通常对方位轴是合理的。因为方位轴在地面上是垂直的,所以它具有旋转运动。如果AADAT使用环系统运动进行方位角跟踪,那么该系统具有在环上分配一部分重量的优点。根据驱动机制,太阳能跟踪系统分为两大类,分别是被动跟踪器和主动跟踪器。被动跟踪器通常使用从太阳热获得的低沸点压缩气体流体,并且不使用任何电子部件来跟踪太阳。相反,它使用太阳的温度,加热存储在罐中的一种液体。这些容器或罐固定在PV模块的侧面。主动式太阳能跟踪系统使用齿轮系,电子马达,传感器和控制器来实现对太阳的追踪。有源太阳能跟踪系统由以下几部分组成:传感器驱动系统,微处理器驱动系统,开闭环驱动系统,智能驱动系统。任何两个系统之间的混合可以被认为是另一种类型的主动跟踪系统。光学传感器是用于驱动太阳能跟踪系统的最常见传感器。诸如LDR（光依赖性电阻器）,光强度传感器和光学光学传感器的传感器是用于驱动太阳能跟踪器系统的光学传感器的示例。微处理器驱动器系统使用算法和数学方程来检测太阳位置。该设备可能包含识别环境状态的传感器,但这些传感器不用于跟踪。使用计算机和微处理器可以轻松驱动这些系统。许多现代系统使用便宜的PIC（可编程接口控制器）和Arduino微处理器。微处理器被编程为初始化并遵循跟踪算法,允许系统跟踪太阳。Wong等人提出了实验混合解决方案,它是光学传感器和太阳轨迹的组合使用。为了实现MPPT,以及双轴跟踪器的向日葵跟踪,使用路径计算模式。在太阳能见度可能较低（阴天）时,路径计算模式用于跟踪太阳。实验取得了成功,发现他们设计的混合太阳能跟踪系统比固定光伏装置节能60%。Hyo Geun等还试验了一种混合太阳能跟踪系统,该系统依靠GPS和光电传感器来跟踪太阳。光电传感器用于太阳辐射高于400W/平方公尺时的跟踪,但当辐射低于400W/平方公尺时,它会切换到基于GPS的方法,根据其位置和位置接收时间记录。太阳基于天文数据。有趣的是Masoumeh等人试验了依赖于机器视觉的双轴太阳能跟踪。系统使用网络摄像头处理半透明物体上捕获的条形阴影图像,其中条形垂直安装在PV面板上。它处理数据并决定是否存在阴影,阴影的方向决定了哪种方向。物联网产业正在迅速增长,预计很多物联网设备很快就会进入市场。我们看到了开发新的或更新的网络系统的兴趣,例如来自全球网络和电信设备供应商的5G网络和高带宽Wi-Fi。另一方面,重新思考可用对象的趋势是显而易见的。自动化是太阳能系统的一个长期趋势,太阳能跟踪系统是其中最受欢迎的。为了最大效率地利用太阳的能量,在太阳能系统中引入太阳能跟踪。有各种系统可以在整个运营时间内跟踪太阳,并且发现它们更有能力利用没有太阳能跟踪器的太阳能系统的能量。但是有各种因素经常影响太阳能跟踪系统的能源生产。基于LDR的系统甚至无法在阴天跟上固定的太阳系,因为那时往往会使用更多的能量来追踪太阳而不是聚集。混合解决方案有点克服了这些问题。基于物联网的混合太阳能跟踪系统可以克服这些缺点。基于物联网的跟踪器可以具有传感器,其可以传送位置和状态数据,例如向服务器的方向,并且可以通过从服务器获得响应来定位太阳。基于Web技术,服务器可以监视诸如天气之类的实体,并将命令发送给必要的单元以相应地采取行动。考虑到我们的双轴太阳能跟踪系统的设计方面,我们观察了硬件和软件设计的个体重要性以及它们之间的整合原型太阳能跟踪系统是基于AADAT（Azimuth Altitude Dual Axis Tracker）系统构建的。根据AADAT系统,跟踪器由两个跟踪太阳的轴组成。跟踪器的方位角轴设置为垂直于地面。海拔高度轴水平放置在方位轴的顶部。在我们的概念中,我们使用方位轴从东到西跟踪太阳。该方位轴通过作为旋转轴实现该跟踪。虽然轴在两个方向上都可以有无限的旋转量,但对于这个项目,它将被限制在180°。我们设备中的高度轴已用于沿南北方向跟踪太阳。该轴使PV面板从水平到垂直,旋转范围为90°。我们在项目中使用的光伏板是多晶太阳能电池板。当比较最好的单晶太阳能电池板可以达到最高效率并具有更高的热系数。与单晶太阳能电池板相比,多晶太阳能电池板的效率较低,因为效率稍低,但由于生产它们的成本更低,效率更低,而现在它们已成为全球主导技术。在我们的项目中,我们使用的是NMEA 57 HS步进电机。行星齿轮箱是具有两个齿轮的齿轮箱,其中两个齿轮具有相同的中心轴。在内齿轮和太阳齿轮之间,存在由行星架支撑的行星齿轮。行星齿轮箱用于以极其紧凑的形式增加扭矩密度。步进驱动器是控制步进电机如何工作的驱动电路。步进驱动器通过将各种相位的电流以脉冲形式发送到步进电机来工作。对于我们的项目,我们选择了DM542驱动程序。它是一款基于最新运动控制技术的先进DSP控制算法开发的两相数字步进电机驱动器。它是电机自动识别,参数自动配置功能可以快速设置不同电机的最佳模式。微控制器是单个IC（集成电路）上的计算机（通常很小）。在高级术语中,它在原理上类似但不如片上系统（So C）复杂。So C可能有时会将微控制器作为其组件之一。微控制器包含一个或多个CPU内核。它有内存和输入/输出外设。使用少量RAM,NOR闪存或OTP ROM形式的程序存储器通常也包含在芯片上。我们选择使用Arduino ATmega 2560微控制器作为设备的核心,这是一款基于Arduino ATmega2560的微控制器板。关于GPS和GPRS的组合包,我们选择SIM808作为我们项目的通信模块。SIM808模块是一个结合了GSM和GPS功能的二合一功能模块。它是基于SIMCOM的最新GSM/GPS模块,支持GSM/GPRS四频网络,并集成GPS技术用于卫星导航。GPRS是一种基于GSM基础设施的分组交换数据服务技术。GPRS是一种2.5G蜂窝网络技术,可为GPRS用户提供快速且经济实惠的互联网连接。全球定位系统或GPS是基于空间的卫星导航系统,它在全天候的情况下在地球上的任何地方提供地理位置和时间信息,借助于至少三颗甚至更多GPS卫星的清晰视线。当GPS接收器由三颗GPS卫星进行三角测量时,在每颗卫星和接收器之间计算距离,从而识别其位置。另外的第四颗GPS卫星可以计算到接收器的时间。然后编译和处理来自所有四颗卫星的信息以确定地理位置。我们使用倾角仪跟踪跟踪平台相对于已知实体（如方向,起点和速度）的方向和位置。惯性测量单元或芯片通常包含三个正交速率陀螺仪和三个正交加速度计,分别测量角速度和线性加速度。在处理来自这些设备的信号之后,可以跟踪跟踪系统平台的方向和位置。在我们的项目中,我们使用JY901姿态角度传感器,由机芯运动生产和制造,这是一个九轴姿态角度传感器。我们使用的太阳能电池板产生36V的开路电压,可在运行时产生30V的峰值电压。为跟踪组件供电,如ATmega 2560,SIM808,步进电机及其各自的驱动器和其他组件,我们选择使用两个12V串联电路,最高可达24V。其想法是使用太阳能电池或PV为电池充电并为整个跟踪系统供电。充电控制器位于太阳能电池板和深循环电池之间;充电控制器是基于电池的系统中的基本组件。它们不用于直接并网系统,因为它们没有电池可以充电。主要作用是设法为电池充电。它可以防止过充电,并且它们中的许多都能控制充电时的电流和电压。MPPT（最大功率点跟踪）太阳能控制器是最新技术。这些控制器可以检测太阳能电池板阵列的最佳工作电压和电流,并将其与电池组匹配。与PWM太阳能控制器相比,太阳能电池阵列的功率增加了15-30%。我们使用铝型材框架作为太阳能跟踪系统的结构框架。对于系统的基础,我们使用40x40mm铝型材作为网格,以提供额外的结构刚性。我们还在底座的每个角落都包括四个重型脚轮。每个轮子包括可调节的水平高度系统,以暂时禁止系统的移动。除了直接保持太阳能跟踪系统的垂直轴的主要目的之外,基座还容纳两个12V电池。在轴的底部,我们使用回转齿轮作为垂直轴的转子。回转齿轮的外侧有齿。这些齿作为齿轮机构,在步进电机的帮助下,我们必须实现垂直轴的旋转机构。80x80 mm铝型材用作跟踪系统的垂直轴。在回转齿轮和垂直轴之间,有一个支架连接它们。40x80铝型材用于水平轴。垂直轴保持步进电机,负责太阳能电池板的水平移动。步进电机使用联轴器连接到不锈钢光轴。该光轴由两个支撑轴承保持。在控制单元盒内,有两个步进电机驱动器,一个继电器,一个Arduino mega板,一个SIM808模块和一些电压转换器。步进电机驱动器,SIM808使用串行端口与Arduino通信。LDR系统连接到Arduino的模拟引脚。为了根据Arduino板和SIM808模块的规格减少输入的24V电源,已经使用了电压转换器。用于GPS和GPRS通信的天线安装在盒子外面。最后,太阳能电池板使用支架安装在光轴上。太阳能电池板本身安装在40x40毫米铝型材框架上。控制系统专为太阳能跟踪系统而设计。系统包含服务器和变量客户端。该系统的主要思想是服务器用于响应来自客户端和中央计算的请求。客户端的控制系统可以基于不同的硬件类型。例如,客户端可以基于单片机（Arduino）,PC或嵌入式系统。该系统基于WEB技术。所有数据传输都基于HTTP协议。My SQL是一个开源的关系数据库管理系统,作为服务器的数据库。SPA模块用于响应客户端的HTTP请求并计算太阳能位置。反馈模块仅用于将客户端的反馈数据插入数据库。它与SPA模块非常相似。Web配置工具可以分为两部分,用户界面和后台处理程序。设计客户端机器的完整软件并将其划分为易于编码的功能。要正确操作SIM808模块,需要发送AT命令集。上电后,Arduino向SIM808模块发送命令,通过连接GPRS网络开始初始化。要连接到GPRS网络,首先需要通过选择适当的连接类型和APN来配置GPRS承载配置文件。为此,我们必须发送两次命令“AT+SAPBR=3,1”,每个命令用于连接类型和接入点名称选择。现在要最终启用GPRS,我们必须发送命令“AT+SAPBR=1,1”。由于GPS是SIM808模块的一部分,因此它以相同的方式执行AT命令。从使用AT开启GPS以获得GPS数据。下面给出了额外的断电和重启代码。陀螺仪传感器我们使用了jy901.h Arduino库,它具有预先构建的功能来收集陀螺仪测量。陀螺仪只播放数据。该函数用于保存必要的信息并进行解析。初始控制模式具有自动模式或手动模式以进行跟踪。手动模式允许用户通过操纵杆控制PV面板。LDR传感器不断比较其数据。当4 LDR传感器读数均衡时,操纵杆控制被禁用。然后我们必须切换到自动模式以便将来进展。在进入自动模式并获得必要数据后,SIM808现在初始化HTTP。我们使用HTTP POST方法与服务器通信。使用原型设备进行了小规模功能测试。我们在两种情况下测试了双轴太阳跟踪系统。在阳光明媚的晴天进行了一次测试,云的入侵很小。另一项测试是在部分阴天进行的。第三次测试在阳光明媚的晴天进行,但跟踪系统被禁用。MPPT太阳能跟踪系统的使用有助于确保在任何天气情况下最大可能的电力输送。通过从MPPT太阳能充电装置的集成LCD显示器读取来收集数据。每10分钟收集一次数据。根据我们收集的数据,我们可以看到,在启用双轴跟踪的同时,整个大部分时间的功率曲线保持合理的直线。一天结束时的输出功率下降只是因为太阳的强度不如中午那么高。整个一天,跟踪系统能够跟随太阳并尽可能地聚集最大能量。另一方面,我们可以看到太阳能跟踪被禁用时PV面板不会产生与启用系统的双轴相同的功率。即使在中午,光伏电池板也无法输出高功率,因为太阳能电池板朝向45°角,这相当于太阳的实际天顶角,相当于我们收集的数据。可以计算太阳能电池板从测试时间10:00到17:00的总能量输出。计算以下结果。·启用跟踪:总能量产生1095k Wh。·跟踪禁用:总能量产生747k Wh。我们可以看到,通过跟踪启用,我们能够比固定光伏系统节省46.6%的能源。这种数据比较证明,与类似的天气条件相比,双轴太阳能跟踪显著提升具有特定角度的固定太阳能电池板上的发电。该追踪器成功地全天跟踪太阳。在服务器和客户端之间观察到成功的数据通信基于GPRS的通信,GPS交换和其他传感器数据的实现是成功的。该设备达到了预期。该设备的组件成功地收集了必要的数据,如GPS坐标,LDR值和倾角仪数据。SIM808协同工作,能够发送太阳能跟踪系统的状态并从云服务器接收订单。因此,作为太阳能跟踪系统的客户能够准确地跟踪太阳。云服务器成功地从客户端接收数据并准确处理从客户端收集的信息。经过计算,它为客户提供了必要的反馈数据,确保了太阳能跟踪系统的准确跟踪。随着概念的证明,现在有必要进一步测试设备并优化系统,以通过最大化系统效率获得最大输出。可以测试差异Web功能的实现,例如添加多个错误跟踪和反馈系统。凭借编码的强大功能,系统将变得更加智能,准确和高效。几种可能性如下所示:·多重错误跟踪:陀螺仪和LDR的混合可用于分析来自客户端的错误值。·实时天气跟踪:服务器端可以分析天气预报并相应地向客户端发出命令。·系统故障排除:客户端的实时数据可让我们了解每个太阳能电池板的问题,并可采取故障排除步骤。·生产后续:尚未开发生产后续版本,必须进行市场分析

关键词：再生能源;太阳能跟踪;网络技术;云计算

学科专业：Mechanical Engineering

摘要

ABSTRACT

Chapter 1 Introduction to Thesis Research

1.1 Introduction

1.2 Problem Formulation & Purpose

1.3 Objective

1.4 Research Benefits & Delimitations

Chapter 2 Theory

2.1 Solar Path and Position

2.2 Solar Irradiation

2.3 Meteorological Factors That Affects Energy Conversion

2.3.1 Cloud Cover

2.3.2 Total Ozone

2.3.3 Turbidity

2.3.4 Precipitable Water Vapor

2.4 Photovoltaic System

2.5 Solar Cell Efficiency

2.6 Solar Tracking System

2.7 Solar Tracking Geometry

2.8 Components of a Solar Tracking System

2.9 Solar Tracking Algorithms

2.10 Types of Solar Tracking Systems

2.11 Types of Solar Trackers Based on the axis

2.11.1 Single Axis Solar Trackers

2.11.2 Dual Axis Solar trackers

2.12 Types of Solar Tracker Based on the driver

2.12.1 Passive Solar Tracking System

2.12.2 Active Solar Tracking System

2.13 Efficiency Enhancement & Economy of Solar Tracker System

2.14 Internet of Things in Solar Tracking

Chapter 3 Hardware Design

3.1 Functional Block Diagram

3.2 Structural Design Concept

3.3 Key Components

3.3.1 PV panel

3.3.2 Motor Unit

3.3.3 Motor Driver

3.3.4 Microcontroller

3.3.5 Communication Unit

3.3.6 Inclinometer

3.3.7 Power Supply Unit

3.4 Final Hardware Assembly

Chapter 4 Software Design

4.1 The control system architecture

4.1.1 Design concept

4.1.2 Detail achievement

4.2 The description of Server

4.2.1 HTTP Server setting

4.2.2 MySQL Database Design

4.2.3 SPA Module

4.2.4 Feedback Module

4.2.5 Web Configuration Tool

4.3 The description of Client

4.3.1 Client Hardware Setup

4.3.2 Software design

Chapter 5 Results and Discussion

5.1 Test Enabling Dual Axis Tracking

5.2 Test Disabling Dual Axis Tracking

5.3 Data Analysis

Chapter 6 Conclusion and Future Work

6.1 Conclusion

6.2 Future Considerations

References

Acknowledgment