1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着不可再生或者再生缓慢的常规能源的不断的消耗，寻找新型可再生能源变成在现在的当务之急。然而太阳能便是其中很适合的 能源之一，光伏发电系统可以直接将太阳光能转换为电能。因为光伏发电的成本过高，所以如何提高太阳光的利用率成为了当今主要研究方向，本课题根据光伏电池的工作特性，设计了小型独立光伏发电系统的自动跟踪系统。主要内容如下： 1.简单介绍了当前国内外光伏发电的主要结构，现状和发展前景。 2.根据光伏电池的转换率
2、会随光照强度增大而增大的特性，所以本文采用了CPC 聚光器来增强光照强度。将实际转换率由 10%左右提升到 30%。 3.因为太阳位置的不断变化，本文采用了由单片机 AD C812、驱动芯片UC3717 和步进电机组成的 驱动系统，使聚光器始终朝向太阳。 关键词 ：光伏电池 CPC 聚光器 自动跟踪系统 II Small independent photovoltaic power generation system control circuit design Abstract As nonrenewable or regeneration of conventional energy so
3、urces of slow continuous consumption, looking for new renewable energy become urgent in now. However the solar energy which is very suitable for one of the energy. Photovoltaic power generation system can be directly into electricity to the sun light conversion. Because of the high cost of photovolt
4、aic energy , how to improve the utilization rate of the sun became main research direction. This topic according to the working characteristic photovoltaic cells, designed a small independent power system of automatic tracking system. Main content as follows: 1. Simply introduces current home and ab
5、road the main structure power, status and development prospects. 2. According to the photovoltaic cells with light intensity increasing conversion rates will increase properties, this paper adopts the CPC parabolic dish concentrator to strengthen the illumination intensity. The actual efficiency can
6、 rise to 30% from 10%. 3.The orientation of sunshine changes continually because of the rotation of the earth. This paper adopts automatic tracking technique by which the drive system comprising of single chip ADC812, motor drive circuit UC3717 and walking electromotor makes the solar collector trac
7、k the orientation of sunshine. Keywords: Photovoltaic cells, CPC solar collector, Automatic tracking system III 目录 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 . I 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 新能源开发的必然性 . 1 1.2 光伏发电技术简介 . 1 1.3 光伏发电的优点 . 2 1.4 光 伏发电的现状及发展前景 . 2 1.5 光伏发电系统 . 4 1.6 本课题研究方向 . 4 2 光伏电池的研究与分析 . 6 2.1 原理 . 6
8、2.1.1 光伏效应 . 6 2.1.2 物理模型 . 6 2.2 输出特性及影响因素 . 8 2.2.1 I-V 和 P-V 特性曲线 . 8 2.2.2 主要参数 . 8 2.2.3 温度对光伏电池输出特性的影响 . 9 3 光伏发电系统中聚光器的研究与设计 . 11 3.1 聚光器的选择 . 11 3.2 CPC 聚光器的原理与设计 . 12 3.2.1 CPC 聚光器的原理 . 12 3.2.2 CPC 聚光器的实际应用 . 13 3.3 CPC 聚光器的使用 . 14 4 自动跟踪系统 . 15 4.1 工作原理 . 15 4.2 传感器光敏二极管 . 15 4.3 步进电机及其特性
9、 . 18 4.3.1 步进电机 . 18 4.3.2 步进电机的主要特性 . 18 4.4 基于单片机 ADC812 控制的驱动电路 . 19 4.4.1 UC3717 驱动电路 . 19 4.4.2 单片机 ADC812 介绍 . 22 4.4.3 步进电机静止时的锁定 . 24 IV 4.5 自动跟踪的控制电路 . 24 4.6 软件流程 . 24 5 结论 . 26 参考文献 . 27 致谢 .错误 !未定义书签。 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 1 1 绪论 1.1 新能源开发的必然性 随着生活质量的逐步提高，人类对电乃至各种能源的依赖需求每年以很大幅度提高，全世界对能源的损耗在
10、 1970年约为 83亿 吨标准煤。而在 1995年，这种损耗达到了 140亿吨标准煤，也就是说在 25年间增长了 69 7，根据专家预计，至 2020年全世界对能源的损耗会达至 l95亿吨标准煤。若人类对能源的需求以目前的速度增长， 40年内全世界的石油将被耗尽，并且天然气和煤也至多分别能维持 60年和 200年左右。所以矿物热料不是取之不尽的。大量使用矿物能源已经使得全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有毒性的重金属和放射性物质，严重破坏了人类的生存环境 1。 我国水能资源居世界第一位，煤炭探明储量居世界第二位，石油探明可采储量居世界第 11位。可是因为我国人口众多，人均能源资源不足，并
11、且我国现在还面临能源需求量成倍增长的严峻形势。因此，开发新型能源和可再生能源用来逐渐减少甚至替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。这对于我国是十分迫切的。人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源，其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势成为最主要能源之一 2 4。所以如何有效经济的利用太阳能变成了当今社会的主要研究项目。 1.2 光伏发电技术简介 “太阳能光伏发电” ( 简称“光伏发电” )，是 直接将太阳光转换为电能的一种发电形式，其它光 - 电转换原理还有“光感应发电”、“光化学发电”及“光生物发电”等等。事实上 , 对光伏发电
12、技术的研究始于 100 多年前。 1839年，法国物理学家 A.E.贝克勒尔 (Becqurel) 意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池 , 光照时会产生额外的伏打电势 , 他把这种现象称为“光生伏打效应”( photovoltaic effect) 。 1873 年英国科学家 Wiloughby Smith 就观察到了对光敏感的硒材料 , 并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光 通量。 1880 年Charles Fritts 开发出以硒为基础的太阳电池。以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。半导体 p- n 结器件在阳光下的光电转换效率最高 , 通常称这类光
13、伏器件为“太阳电池” ( solar cell) 。 20 世纪 30 年代尽管太阳电池能量转换效率低，生产成本高，科学家仍致力于硒太阳电池的研究。 20 世纪50 年代初， 美国贝尔实验室在为远程通讯系统寻找可靠的电源时，科学家发现经杂质处理的硅对光敏感 ,可产生稳定的电压。 1954 年在贝尔实验室恰宾(Charbin) 和皮尔松，第一次做出了光电转换效率为 6%的实用单晶硅太阳电池，开创了光伏发电的新纪元。 1958 年太阳电池首次在地球外层空间应用，美国宇小型独立光伏发电系统控制电路的设计 2 航局 (NASA)在第一个卫星 -先锋 1 号上安装了 108 个太阳电池作为卫星的电源。光
14、伏技术早期最常见的应用是为手表、计算器提供电能。在大规模应用方面具有代表性的是， 近年来安装的为县城供电的大型光伏电站、村落集中光伏供电系统和用于“应急”设备的后备电源等等。由于光伏系统不消耗化石燃料，利用清洁的太阳能产生电能，正在被广泛地用于各个领域。 1.3 光伏发电的优点 对于太阳能利 用有热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在温暖领域，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为电能，所以具有热利用不可比拟的优势，同时光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点 5。 1太阳能取之不尽，用之不竭，每日照射到地球上的太阳能是全世界消耗的 6000倍。光伏发电安全可靠，没有能源危机或燃料市场不
15、稳定的问题。 2太阳能具有普遍性，可就近供电，从输电线路上减少了损耗。 3太阳能不用燃料，操作成本低。 4发电器件持久性强，更新维护方便。 5光伏发电无副产品，无污染公害，对环境无损害，是理想合适 的能源。 6光伏发电系统容易建设，因为部件是模块化的，不管是几个毫瓦的太阳能计算器还是光伏电站，都可以根据负荷的多少，随意添加或减少太阳能电池的容量，方便灵活，避免了浪费。 但是，对于现在来说与电网供电相比较，光伏发电成本还比较高，只有当发电量的增加到一定数额，那么可以根据维修费的多少将优势得到体现。 1.4 光伏发电的现状及发展前景 因为常 规能源的有限性，使世界上许多国家加强了对可再生能源 和新
16、型能源 技术 的 发展。 这些年来 ，国际光伏发电发展 十分的迅速 。 1973年，美 国政府制定了阳光发电计划 （政府级 ） ； 在 1980年公共电力规划 多了 光伏发电， 并且 累计 资金高 达 8亿多美元； 1994年 美国 财政预算中， 预支高 达 7800多万美元， 跟 1993年 相比， 增加 23 4； 在 1997年欧洲和 美国 宣布 了 “百万屋顶光伏计划 “， 从中美国 预计 到 2010年安装 1000乃至 3000MW太阳电池。 在 1997年日本 给予“ 屋顶光伏计划 ” 的 补贴资金 高达 9200万美元， 预计 目标是 7600MW。印度 预计 1998 200
17、2年太阳电池总产量为 150MW。 由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展 是现在国际主流 ，光伏发电 也将 由补充能源 变成 替代能源。在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾 10亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破， 现在已经有 20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。 迄今为止 ，世界太阳电池年销售量己超过 60MW，电池转换效率 也有 15以上 6。 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 3 随着煤炭的燃烧，大气污染越发严重 。我国 在 太阳能、生物质能、风能、海洋能和地热能等新 型 可再生能源资源 有着无可比拟的优势
18、， 有着良好的开发前景 。太阳能光伏发电 起步 于 70年代， 80年代 得到进一步发展 。在 80年代不断从加拿大 、 美国等国引进了七条生产线 ， 从而 使我国太阳电池的 产量 从 1984年的年产 200KM跃到 1988年的 4 5MW。 现在 太阳电池主要应用于边远偏辟无电地区， 并且可以每 年销售约 1.1MW7。 （ 1） 建成了 40多座小型光伏电站，光伏电池总装机容量约 600KW。 1998年 10月 ，在 西藏那曲安多县建成 了 我国最大的光伏电站 ，其中 光伏电池装机容量高达 100KW。 （ 2） 家用光伏电源在青海、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、西藏以及辽宁、吉林、河北
19、、海南、四川等地广泛应用。据不完全统计，至今全国已累计推广家用光伏电源约 15万台，光伏电池总功率约达 2.9MW。 （ 3） 在 22所农村学校建立了光伏电站，光伏电池组件的总装机容量为 57KW。 （ 4） 1998年中国通信史上建成难度最大的兰一西一拉光缆干线工程，有 26个光缆通信站采用光伏电池作电源，其海拔高度多在 4500m以上，光伏电池组件的总功率达 100KW。 （ 5） 1996年 在 塔克拉玛干大沙漠建成了总长达 300Km塔中 4-轮南输油输气管道阴极保护先伏电源系统，总功率为 40KW。 近年来，太阳能光伏建筑集成及并网发电得到快速发展。建筑光伏集成具有多功能和可持续发
20、展的特征，因此，太阳能光伏系统与建筑的完美结合体，是电力工业可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。许多国家相继制定了本国的屋顶计划，使得光伏技术如旭日东升，蓬勃发展。 我国经济在最近 20 多年有了快速发展，但能源问题对经济和环境的影响不容忽视，在农村则更为突出。我国能源供应中占主导地位的煤，其消耗量占一次能源总量的 73 75%。煤的直接燃烧已给环境带来严重影响，从环境和能源双重考虑，我国政府正在计划并采取有效措施发展可再生能源技术。我国有丰富的太阳能资源， 2 /3 以上国土面积的年总辐照量超过 5GJ /m2， 年平均日照时数超过 2200 小时，是开发利用 太阳能的有利条件。为此，有
21、些公司正在建立新的太阳电池和组件生产线。如上海国飞公司正在建立 2MW电池生产线；保定英利新能源有限公司正在组建 16MW电池和组件生产线；无锡尚德太阳能电力公司投资 1800 万美元建立的 10MW 多晶硅电池生产线，已于 2002 年投产，计划到 2007 年生产能力达到 30MW。综上所述，我国的光伏产业已进入一个大的发展时期。另一方面从市场需求看，我国目前仍有大约 2000 万人生活在无电地区，急需生活用电。为尽快解决边远无电地区人民的用电问题，国家计委推出了“中国光明工程”，计划到 2010 年利用风力发电和光伏发电技术解决 2300 万小型独立光伏发电系统控制电路的设计 4 边远地
22、区人口的用电问题，使其达到人均拥有发电容量 100W 的水平，这是一个巨大的太阳能发电市场。同时 , 世界银行为开拓中国可再生能源市场的 GEF 项目也在执行中。目前 , 我国社会、经济的快速发展为光伏市场提供了更好的发展机遇和空间，可以予期并网屋顶系统及光伏电站也会很快进入市场。在市场和生态环境的驱动下， 我国光伏产业预料会有一个大的发展。光伏发电在改善边远地区人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在 21世纪可持续发展中发挥更大作用。 我国西部地区是世界上最 大、地势较高的自然地理单元。也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一，尤其是西藏地区，空气稀薄，透明度高，年日照时间长达 1600-34
23、00小时之间，每天日照 6小时以上年平均天数在 275-330天之间，辐射强度大，年均辐射总量 7000MJ/m2，地域呈东向西递增分布，年变化呈峰型，资源优势得天独厚，应用前景十分广阔。 1.5 光伏发电系统 太阳能光伏发电系统的组成有太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统。其中控制系统一般由控制电路来完成的 8。它的主要有以下功能： （ 1）将模拟信号进 行转换，计算出输出电流、输出功率、输出电压，再将数据传输到显示电路； （ 2）通过调整输出电压来找寻能保证稳定工作的最大功率点； （ 3）根据采样充电电流和电压，实现过充过放保护和恒压限流充电； （ 4）根据需要切换系统工作状态。白天有日照时，太阳能电池阵列除去负载供电外还降剩余的电能储蓄到蓄电池；反之，电能提供不够的时候，太阳能电池阵列和蓄电池一起对负载供电。 优异的控制系统可以延长整个光伏系统的使用寿命，提高光能的利用率跟转换率，节省维护开资，优化资源的利用 9。 1.6 本课题研究方向 因为造价成本过于高昂，严重制约了光伏发电的发展，所以本文对如何有效提高太阳能的利用率，主要作了如下工作： 1选用 CPC聚光器来提高光伏电池的转换率。 2为了使光伏电池始终跟踪太阳光的方向来提高太阳能的接收效率，本人设计了合理的自动跟踪系统，。 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 5 图 1-1 光伏发电系统框图
