光伏发电开题报告一种聚光式光伏发电装置及其控制器的设计.doc

南通大学电气工程学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名xxxx学 号xxxxx专业电气工程及自动化课题名称一种聚光式光伏发电装置及其控制器的设计阅读文献情 况国内文献 15 篇开题日期2013年3月23日国外文献 5 篇开题地点11#708一文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）1.课题研究的背景：能源是人类赖以生存与发展的主要物质基础之一，当今社会发展与经济繁荣主要得益于常规化石燃料能源（如石油、煤、天然气、铀等）的广泛应用。然而随着经济的发展和社会的进步，能源的需求日益增长，常规能源越来越供不应求，人类将不得不面临无能源可用的能源短缺危机1。由能源短缺引发的问题也越来越突显，现代化发展将由于能源中断而在世界范围内出现经济危机，剧烈的矛盾将也应运而生，现代经济可能也随之土崩瓦解。由于能源紧缺问题而引发的战争，在上世纪里常有爆发，比如，在中东有着世界上最大的石油产区，因石油危机常引发几次惨烈的战争2。如果新能源不能广泛投入应用，这些由于危机而引发的战争在将来还会出现，甚至因为危机的深化而更加剧烈。环境污染的加剧也导致了很多新的社会问题的出现。经贸的全球化，废物垃圾越境转移问题表现突出，环境污染呈现国际化的新趋势。大量化石燃料能源的使用，是环境污染和生态环境破坏的主要原因。在常规化石燃料能源使用过程中，产生了大量的 CO2、SO2和烟尘等有害物，造成了“温室效应”及大范围的酸雨，使得全球的极地和高山上的冰川积雪融化，海平面上升，大量的森林遭到破坏，建筑被腐蚀，人类的身体健康和生存发展受到严重威胁3。 在这种形势下，只有加紧开发新能源，才能根本解决能源紧缺与经济发展的矛盾以及资源环境的破坏与人类持续发展的矛盾4。因此新能源的开发利用得到了前所未有的快速发展，包括太阳能（光伏、光热和光化学）、风能、潮汐能、生物能、地热能等。在这些新能源中，太阳蕴含巨大的能量，而光伏发电即将太阳能转化为电能，开发利用太阳能已成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。太阳能有其自身的特点和优势： （1）太阳的储量非常大，取之不尽，用之不竭。根据科学家计算，40分钟内辐射到地面上的能量足可以供给人类使用一年。太阳能每年辐射到地球的能量大约为全球人类年用电量的1.5万倍。 （2）分布广泛。在地球上人类居住的地方都有充足的阳光，在边远地区太阳能显得特别重要。人烟稀少的地方，电网遍布不到，或者没有燃气燃油供应时，太阳能可以发挥重大作用。 （3）绿色，可再生。太阳能的使用无污染，不会对环境造成破坏。 （4）建设简单，周期短，成本低。正因为太阳能有以上的特点和优势，作为一种新能源已经受到世界各国的极大重视。因而光伏发电有着非常广泛的应用前景，是人类实现可持续发展的重要途径5。2.课题研究现状和发展趋势作为二十一世纪能源研究的热点，太阳能的有效利用是解决环境和能源问题的主要途径之一。太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能转变为电能的一种技术。其核心元件就是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统 6。光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏系统可以独立运行，而并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统7。光伏发电系统主要由太阳能电池阵列，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等设备组成8。由于光伏发电具有不可比拟的优势，在未来的几十年太阳能定会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，同时太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。在传统光伏发电系统中普遍采用的是固定方阵发电方式，即太阳能电池板的朝向是固定的。而太阳在一天中东出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定，无法保证太阳光始终垂直照射在电池板上。并且太阳辐射密度低，转换效率低，因此需要大面积的光伏电池，这无疑增加了光伏发电的成本9。这些问题都严重制约了光伏产业的发展。在这种情况下，人们提出了聚光光伏系统的概念，用成本较低的聚光器聚光，减少太阳能电池组件的面积, 使太阳能电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下,提高单位面积太阳电池的输出功率, 有效地解决了光伏发电成本居高不下的问题, 在将来必定有着广阔的发展空间和很好的应用前景10。目前, 非聚光型的光伏系统在光伏市场上还占据了主导地位，这主要是因为聚光光伏系统还存在一些关键的科学技术问题没有得到完全解决。最主要的原因是因为聚光光伏系统需要高精度的太阳同步跟踪装置, 没有平板光伏技术可靠, 其维护费用相对也较高11。所以聚光光伏系统的控制技术已经成为许多国内外学者的研究热点。美国Biackace，在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节。1998年美国国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域12。2002年5月首次召开太阳能聚光发电国际会议，表明光伏聚光系统作为很有潜力的一项技术已经引起更多人的关注。此后在美国、欧洲、澳洲，聚光光伏产业都得到了飞速发展。聚光光伏技术的应用在国内刚起步，一些项目尚处于实验、示范阶段。2008 年，国内首个太阳能聚光光伏示范电站在内蒙古鄂尔多斯市建成，安装了 200 千瓦太阳能聚光光伏电池。经聚光器聚光后，单位面积太阳能电池的发电量明显提高。该项目的建成，标志着我国聚光光伏发电技术的应用迈出了重要一步。目前，跟踪太阳的方法有很多，主要是光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。后一种跟踪方式又可以分为双轴跟踪和单轴跟踪13。孙茵茵,鲍剑斌等对太阳自动跟踪器进行了研究，分析了压差式太阳能跟踪器、控放式太阳跟踪器、时钟式跟踪器、比较控制式太阳跟踪器等四种跟踪器的优点与缺点14,并提出了新型自动跟踪器的设计方案。基本原理是:根据得到的太阳的高度角和方位角，把聚光器和太阳位置偏差(即聚光器光轴与阳光不平行时)给出的信号，经过前置放大器放大、滤波后保存到处理器中，由处理器进行一定的处理后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而移动，从而达到跟踪的目的。全自动跟踪太阳发电就是从控制手段上出发，根据太阳位置的变化，调整太阳能电池板的偏转角度，从而跟踪太阳的运行轨迹，使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上，充分地接收太阳辐射能量。最新实验结果表明：在相同条件下，其发电能力(和固定式相比)提高35%，成本下降25%。而且瓦数越大，造价降低就越多，这是因为跟踪所附加的部件设备，在一定的范围内，造价上基本没有什么大变动的缘故。最近陈应天教授研制出一种四倍聚光的单晶硅光电池发电样机，初步分析可使1kw峰电的初始投资成本比平板固定式节省20%一30%，发电成本降低44%一49%。所以随着跟踪技术的提高，跟踪式太阳能聚光器系统正变得更具市场竞争力。聚光光伏系统可以极大的提高现有太阳能电池板的发电效率，节省大量的资源，降低光伏发电成本。但该系统目前仍处于研究开发阶段, 商业化产品非常有限, 距离大规模使用还有很长的距离。跟踪控制技术就是制约该产业发展的一个关键因素，也是目前世界上研究的热点问题。本课题就是针对跟踪控制技术展开研究，通过新的设计方案，提高其控制精度和稳定性，降低成本，使得光伏发电产业更具竞争力。3.课题研究的意义太阳能的大规模应用将是 21 世纪人类社会发展进步的一个重要标志。日益恶化的生态环境使人们逐步认识到，人类必须走可持续发展的道路，大力开发和利用可再生能源是必由之路。太阳能光伏利用技术在这种形势下进入了快速发展的阶段，利用太阳能聚光光伏发电是解决当前能源短缺、资源枯竭、环境污染等问题的一种有效方法和途径。在光伏系统输出功率相同的条件下，利用聚光材料的低成本优势，来替代昂贵的太阳能电池板，降低光伏系统的综合成本，可以实现太阳能光伏转换高效性与技术性的统一。对常规太阳能电池进行聚光，可以提高单位面积太阳能电池的输出功率。一定程度上克服了太阳能量的分散性，所以聚光技术具有很高的研究价值和很好的应用前景。聚光太阳能发电系统由聚光器组件、散热器组件、高效太阳能电池、太阳能对日追踪机构等组成13。在本课题中，聚光器采用双抛物面结构，用大抛物面进行聚光，小抛物面进行散光，来提高聚集光的均匀性和平行度，避免聚集光不均匀导致局部受热，电池损坏等现象。针对传统跟踪方法稳定性差、跟踪精度低、成本高的缺点，提出了一种混合式两轴跟踪控制系统设计方案。该方案结合日历跟踪法的优点，能够实现对太阳位置的精确跟踪。有效解决了受天气情况影响太阳光线往往不能照到传感器上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作等诸多缺陷。本课题的研究方法能提高光伏发电的效率，降低光伏发电的成本，使其在成本、性能和可靠性三者之间达到平衡，具有较好的实用价值。参考文献：1 杨伟昕. 光伏发电最大功率点跟踪及并网运行D. 南京航空航天大学. 2010,52 梁创霖. 光伏发电MPPT算法及控制器研究D. 湖南大学. 2011,53 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛. 太阳能光伏发电及其应用北京J. 科学出版社. 2005:184 赵为. 太阳能光伏并网发电系统的研究D. 合肥工业大学. 2002,55 殷志强,孟宪. 向太阳索取中国太阳光-热与光-电应用现状与展望J. 太阳能学报. 2003(10): 575-5886 莫松平. 辐射热力学的基础理论及其应用研究D. 安徽: 中国科学技术大学, 2009,57 林海浩. 聚光光伏发电光学系统优化设计研究D. 浙江: 浙江工业大学. 20098 赵春江. 太阳能光伏发电系统技术的发展J. 自然杂志, 32(3): 143-1489 江守利. 反射聚光利用太阳能的基础理论D. 合肥:中国科学技术大学. 2009,510 黄国华,施玉川等. 常规太阳电池聚光特性实验J. 太阳能学报. 2006, 27(1):19-2211 陈诺夫,白一鸣. 聚光光伏系统J. 物理. 2007, 36(11):862-86812 张宝星. 太阳能利用的跟踪与聚集系统研究D. 安徽: 合肥工业大学. 2006,513 周改改. 聚光太阳能光伏系统的研究D. 大连交通大学. 201014 孙茵茵, 鲍剑斌等. 太阳自动跟踪器的研究J. 机械设计与制造. 2005(07):157-15915 罗来武,顾菊平,茅靖峰等. 基于Freescale的混合式两轴光伏跟踪控制系统设计J.微特电机,2011,44(9):94-9816 Eskenazi M. Design,analysis & testing of the Cell Saver concentrator for spacecraft solar arrays A. 29th IEEE PVSC C. New Orleans, 2002: 935-93817 Whitfield G R, Bentley R W, et al. The development of small concentrating PV systemsA. 29th IEEE PVSCC. 2002: 1377-137918 VorobievP, Vorobiev, Y. Automatic Sun Tracking Solar Electric Systems for Applications on Transport A. Photovoltaic Specialists Conference. 2010: 667019 Hayden H, Johnston P. APS installation and operation of 300 kW of amonix high concentration PV systemC.New Orleans:29th IEEE PVSC,2002:1362-136820 David W. K. Parabolic Trough Collector OverviewR. Parabolic Trough Workshop 2007, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, Colorado二本课题的基本内容，预计解决的难题本课题研究的重点是太阳能电池板在聚光条件下的跟踪控制,侧重于以单片机为核心的软硬件控制的设计。主要内容如下：1. 追日跟踪算法及控制器设计。采用混合式两轴跟踪控制系统设计方案，在太阳轨迹日历法的基础上进行优化，提高跟踪精度和稳定性。2. 无线通讯模块和液晶显示模块的设计，可以增强系统的可控性和柔性。3. 温度传感器的设计，用单片机实时监控水温，控制水箱的开启与关闭。4. 以单片机为核心的闭环系统控制策略的研究，该方法不仅可以提高系统的控制精度，而且可以把功耗降到最低，节约能源。可能出现的难题：1. 单片机、光强度传感器、温度传感器、步进电机等的选择。只有合理地选择好了这些硬件设施，才能保证后续工作的完成。2. 伺服跟踪系统的设计。需找到一种合适的方法结合太阳轨迹日历法来提高跟踪精度。3. 编写程序及各模块的调试。编程中会遇到各种错误，需要反复对其修改，在调试过程中外界干扰、安装位置不精确等环境因素都会影响系统运行效率，要根据实际情况不断对方案进行修改。三课题的研究方法、技术路线1.查阅相关文献，了解光伏发电系统的工作原理和基本组成结构；2.了解电气控制设计各模块的功能，确定设计方案；3.选择单片机类型，编写程序，提出控制策略并优化；4.搭建模型，进行调试并提出整改方案四研究工作条件和基础1.南通大学有丰富的图书和期刊资源，以及便利的网上查询和下载系统，基本上能满足本项目查阅文献的需要；2.计算机一台；3.大抛物反射面和小抛物反射面，红外滤光片，光伏电板，迎光探测器，机械支承机构等机械加工部件；4.单片机一块，步进电机两台，传感器，液晶屏。五、进度计划起讫日期工作内容1月15日3月4日查阅中外参考文献，翻译一份英文资料3月5日3月20日消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告3月21日4月12日熟悉聚光式双抛物面聚光发电供热系统的工作原理4月13日4月30日 毕业设计中期检查5月1日5月14日完成整体系统的设计，并进行调试5月15号5月26日撰写毕业论文（设计说明书）5月27日6月2日修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收6月3日6月6日准备和进行毕业设计答辩论文阶段完成日期文献调研完成日期3月20日论文实验完成日期5月23日撰写论文完成日期6月2日评议答辩完成日期6月6日指导教师评语 导师签名： 年 月 日教 研 室 意 见 教研室主任签名： 年 月 日 学 院 意 见通过开题 （ ）开题不通过（ ）教学院长签名： 年 月 日