光伏发电跟踪系统的设计毕业论文.doc
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1、光伏发电跟踪系统的设计摘要太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源,有着巨大的开发应用潜力。但由于光伏电池的输出特性与外界环境因素的变化有很大关系,目前大规模量产的光伏电池光电转换效率仍然不高且价格昂贵。光伏发电自动跟踪装置是提高太阳能利用率,降低光伏发电成本的有效途径。研究精确的太阳跟踪装置,可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量,增加发电量。本文实现了用廉价的光敏元件和单片机电路进行太阳跟踪的功能。 本文首先分析了太阳运行规律,在对比目前常用跟踪方法的基础上,采用光电检测方式为主,并与视日运动轨迹追踪方式相结合的跟踪策略,改进了以往的跟踪方式。使系统不仅能在晴天下追踪太阳,阴天情况下也能
2、正常追踪。此外,为了确保跟踪的结果准确,在方位角和高度角调整之后,增加了一组传感器电路进行跟踪结果的验证。通过对控制系统所实现的功能分析,论文完成了跟踪系统的硬件和软件设计。主要内容包括:单片机接口电路设计、显示电路、光强检测电路设计、控制执行部件设计以及光电跟踪和视日运动轨迹跟踪模块的软件设计。最后还根据实际情况提出了改进方案和处理快云遮问题的新方法。本文所设计的光伏发电自动跟踪系统结构简单,成本低廉,运行稳定,可广泛应用于并网和离网光伏发电系统。关键词光伏发电;跟踪系统;光电检测;单片机Design of Photovoltaic Automatic Tracking SystemAbst
3、ractThe solar energy has an enormous developing application capacity as one kind of green renewable energy source which can be continuously used forever. Butthereistremendousrelationshipbetweenphotovoltaiccellsoutputcharacteristicsandthechangeofexternalenvironmentalfactors, currently the efficiency
4、of PV cells is not only low but also expensive onalargescaleof production. The photovoltaic automatically tracking device can raise the solar energy utilization rate and bring down the cost of the solar electrical energy generation. Precise solar tracking mechanism can make solar panel receive more
5、radiant energy and increase generating capacity. This paper makes use of cheap photo sensors and MCU circuit to realize the function of sun tracking.Analyzed the law of the sun, compared the current tracking methods, Proposed electro-optical tracking as the major tracking mode while the sun trajecto
6、ry tracking mode as additional tracking mode on unusual weather conditions,improved the previous tracking mode in the paper. Through two complementary tracking modes, on the one hand, electro-optical tracking can give full play to the advantages of high accuracy; on the other hand, the system can st
7、ill achieve tracking on cloudy weather conditions. In addition, In order to guarantee that the track result is accurate, after azimuth and elevation angle adjustment, increased a group of sensor electric circuit to carry on the track result confirmation. Through the implementation of functional anal
8、ysis of control system, the thesis completed hardware and software design of the tracking device. Include: MCU interface circuit design, display circuit design, optical detector circuit design, control and implementation component design and the software design of electro-optical tracking and sun tr
9、ajectory tracking module. Finally, proposed improvement program and new method to treat fast cloud according to the tracking effect of the trial.In this paper, the designs of photovoltaic automatic tracking device have simple structure, low cost and stable operation. The device can be widely applied
10、 to grid and off-grid PV power system.KeywordsPhotovoltaic;Track system;Photoelectricity examination;MCU目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 光伏发电的特点21.2.1 光伏发电的优点21.2.2 光伏发电存在的问题21.3 光伏发电自动跟踪技术的发展31.3.1 光伏发电的发展现状31.3.2 光伏发电自动跟踪技术现状41.4 论文的研究内容6第2章 太阳跟踪系统的总体设计72.1 日照时间和太阳位置的计算72.2 太阳运行轨迹的跟踪方式82.2.1 视日运
11、动轨迹跟踪82.2.2 光电跟踪102.2.3 视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合102.3 控制系统总体设计122.3.1 控制系统开发流程122.3.2 系统的总体设计122.4 本章小结13第3章 单片机系统的硬件设计143.1 控制系统硬件总体设计143.2 控制系统核心部件的选择153.3 单片机接口电路设计153.3.1 电源电路153.3.2 串口通讯电路163.3.3 系统抗干扰设计173.3.4 实时时钟电路193.4 显示电路设计203.5 光强检测电路设计213.5.1 光敏传感器的选择213.5.2 光强检测电路设计223.6 控制执行部件设计253.6.1 步进电机驱动
12、控制系统253.6.2 本系统所采用的步进电机及驱动模块263.7 本章小结27第4章 系统软件流程及调试284.1 主控制模块的软件设计284.2 光电跟踪模块294.3 视日运动轨迹跟踪模块304.4 试验参数设定324.5 改进方案334.5.1 关于提高准确度和稳定性334.5.2 快云遮问题的处理334.6 本章小结34结论35致谢36参考文献37附录A39附录B46附录C52附录D53千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景自十九世纪工业革命以来,
13、人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等一次性能源。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高,能源消费量的增长,世界上已经出现了严重的能源危机。据本世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查结果显示:煤炭可开采量为227年,石油可开采量为39.9年,天然气可开采量为61年,铀可开采量为71年,如果再考虑到世界能源消费量的增长,化石能源将会在未来的某一天达到极限。由于传统化石能源枯竭,新的能源供应体系尚未建立而在与能源有关的各方面造成一系列问题,世界工业将大幅萎缩,将直接阻碍人类社会的发展。与世界其他国家相比,中国的能源状况更不容乐观。近几年我国出现的“电荒”、“油荒”、“煤荒”以及近几年出
14、现的国际市场的高油价发出了能源危机的信号,加重了人们对能源问题的担心。中国人均能源资源特别是优质能源资源严重不足,中国能源资源探明储量中,96%是煤炭,油气资源仅占总量的4%左右,中国现有煤炭剩余探明可开采储量仅为2000多亿吨,石油探明可采储量仅24亿吨,人均仅为1.82吨,天然气剩余探明可采储量仅有2.38万亿立方米,从人均角度来看,中国的资源十分有限。近几年,由于中国的经济增长速度超出预期,并且工业结构进一步趋重的趋势较为明显,导致国内能源需求量急剧上升。总之,我国能源储量不足,且化石燃料的国内生产能力增长难度大,成本高,总量也难以满足需求的持续增长,必须开发有效的替代能源,实现能源供应
15、的多元化。由于化石能源的大量开发利用,同时也造成了地球环境的污染和生态环境的破坏。如何在开发利用能源的同时,保护好人类赖以生存的自然环境,已经成为全人类普遍关注的问题。具权威部门统计,由于化石能源的大量使用,全世界每天产生1亿吨温室效应气体,这将会导致全球气候变暖,南极冰川融化加速。在我国形式更加严峻:燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占排放总量的70%80%,二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的1/3,环境质量的总体水平不断恶化,世界十大污染城市我国一直占多数。环境污染给我国社会经济发展和人民健康带来了严重影响。世界银行估计2020年中国由于空气污染造成的环境和健康损失将达GDP总量的13
16、%。在这样的情况下,开发利用能够替代传统能源的可再生能源是人类社会能够持续发展所要采取的必要措施。在新能源中,太阳能以其特殊的优势,无疑是实现可持续发展战略的理想绿色能源,必将成为21世纪最重要的能源之一。1.2 光伏发电的特点1.2.1 光伏发电的优点太阳是个巨大的能源。地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭、石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳每秒钟发出的能量有3.865J,相当于每秒钟燃烧1.32t标准煤所发出的能量。太阳是以辐射的方式向四周传播它的能量的。太阳发出的能量中约有22亿分之一到达了地球,约1.73KW。这些能量经过地球大气层的吸收与反射,最终到达地球表面的
17、约有8.1KW。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一,利用太阳能的潜力是十分巨大的。光伏发电技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电能的技术,其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。太阳能光伏电池有两层半导体,一层为正极,一层为负极。阳光照射在半导体上时,两极交界处产生电流。阳光强度越大,电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作,在阴天也能发电。由于反射阳光,少云的天气甚至比晴天发电效果更好1。与传统的煤炭、石油、核能等化石能源相比,光伏发电具有独特优点:(1)储量及其丰富:太阳每秒钟放射的能量相当于1.61
18、023kW,其中大约每分钟辐射达到地球表面的能量高达81013kW,相当于6109吨的标准煤2。德国太阳能专家伯尔特说,只需开发非洲部分地区的太阳能发电,便能满足全世界的电力需求,而且太阳辐射可以源源不断的供给地球,取之不尽,用之不竭。(2)普遍性:太阳能不像其它的能源那样具有分布的偏集性,它处处都可就地利用,有利于缓解能源供需矛盾,缓解运输压力,对解决偏僻边远地区及交通不便的农村,海岛的能源供应,更有其巨大的优越性。(3)无污染性:利用太阳能作能源,没有废渣、废气、废水排出、无噪声、不产生有害物质,这在环境污染日趋严重的今天显得尤为可贵。(4)经济性:随着太阳能利用技术的发展,太阳能利用的成
19、本已经大大下降。而利用太阳能发电,既不会污染环境,又取之不尽,无处不在。因此从长期来看,其发电成本更小的多,专家们的预测和研究一致认为:21世纪人类最清洁,最廉价的能源就是太阳能3。1.2.2 光伏发电存在的问题虽然光伏发电有很多突出的优点,但同时也存在着一些有待考虑的问题:1. 光电转换效率不高由于光伏电池的特点,在选取光伏电池原材料时必须考虑到材料的光导效应和光导效果,目前光电转换效率较高的单晶硅电池的转换效率在20%左右,同时由于对光电效率转换控制不当,真正的光电转换效率还会降低。2. 受气候影响大如果在阳光不充足的多云或阴雨天气,随着光照强度的降低,光伏电池的转换效率会大幅度降低,因此
20、,光伏系统不适合应用于阴雨天气较多的地区。另外,由于空气中的尘埃会落到电池板上,长时间沉积会阻碍光线的照射,也会对转换效率造成影响。3. 光伏发电成本较高晶体硅太阳电池主要原料是高纯硅,其纯度高达99.9999%,虽然硅是地壳中含量仅次于氧的元素,但是要从石英砂中提炼出高纯度的硅需要消耗大量的能量,成本较高,这就使得硅原料的价格一直居高不下,制约了光伏市场的快速发展。另外,由于硅提纯技术被德国、日本、美国等国家垄断,目前我国生产晶体硅电池需要的原料大多依赖进口,导致生产成本进一步升高4,5。1.3 光伏发电自动跟踪技术的发展1.3.1 光伏发电的发展现状上个世纪的70年代,由于两次石油危机的影
21、响,光伏发电在发达国家受到高度重视,发展较快。随着全球性的化石资源过度开发与消耗,环境的污染和破坏,1992年联合国召开了环境与发展“世界首脑会议”,通过了里约宣言和21世纪议程,走可持续发展道路成为各国长期共同的发展战略,发展新能源和可再生能源己成为非常紧迫的任务,特别是光伏发电更受到各国政府的重视,美国政府最早制定光伏发电的发展规划,1997年又提出“百万屋顶”计划表1-1 欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划(GW)年份2005年2010年2020年2030年欧洲2.13.041200日本1.54.830205美国1.02.136200世界5.4512125920能源部和有关州政府制定了光
22、伏发电的财政补贴政策,总光伏安装量已达到3000MW以上,美国连续3年光伏产业均以高于30%的年增长率上升,其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国,也纷纷制定光伏发展计划,并投巨资进行技术开发和加速工业化进程,1990年德国提出1000屋顶发电计划,1998年进一步提出10万屋顶计划。1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克,极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场;印度、马来西亚等东南亚国家,也制定了国家的光伏发展计划。澳大利亚一家名为nItgearlEnergy的公司己开始销售适合于家庭和办公楼使用的、可与大电网联接的太阳能成套设备。最小的太阳能
23、成套设备发电出力为150W,包括安装费在内的零售价是290美元,占澳大利亚普通家庭每年耗电量的5%,每年可减少温室气体排放350kg。更大的太阳能发电设备出力为2.5kW,零售价为20000美元,完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。表1-2 过去十年世界光伏电池的年生产量和累计量 年份199819992000200120022003200420052006年产量(GWP)0.1550.2010.2870.3910.5610.7441.21.762.5年增长率(%)23.13042.935.74432.561.246.742累计量(GWP)0.9461.1471.4351.8252.3873.
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