光伏发电跟踪系统的设计毕业论文-solarbe文库

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- I - 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- II - Design of Photovoltaic Automatic Tracking System Abstract The solar energy has an enormous developing application capacity as one kind of green renewable energy source which can be continuously used forever. But there is tremendous relationship between photovoltaic cells output characteristicsand the change of external environmental factors, currently the efficiency of PV cells is not only low but also expensive on a large scale of 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 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 trajectory 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 still 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 analysis 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 trajectory 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 to grid and off-grid PV power system. Keywords Photovoltaic； Track system； Photoelectricity examination； MCU - III - 目录摘要 . I Abstract II 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 . 213.6 控制执行部件设计 253.6.1 步进电机驱动控制系统 . 253.6.2 本系统所采用的步进电机及驱动模块 . 26- IV - 3.7 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 A . 39附录 B . 46附录 C . 52附录 D . 53- 1 - 第 1章绪论1.1 课题背景自十九世纪工业革命以来，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。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。- 2 - 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 3.865 2610 J，相当于每秒钟燃烧 1.32 1610 t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 1.73 1410 KW 。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约有 8.1 1310 KW 。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 1.6 1023kW，其中大约每分钟辐射达到地球表面的能量高达 8 1013kW，相当于 6 109 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。- 3 - 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，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 2.1 3.0 41 200 日本 1.5 4.8 30 205 美国 1.0 2.1 36 200 世界 5.45 12 125 920 能源部和有关州政府制定了光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- 4 - 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 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 年产量 GW P 0.155 0.201 0.287 0.391 0.561 0.744 1.2 1.76 2.5 年增长率 23.1 30 42.9 35.7 44 32.5 61.2 46.7 42 累计量 GW P 0.946 1.147 1.435 1.825 2.387 3.131 4.331 6.09 8.59 目前，最大的太阳能发电装置出力已达到 10MW 。 1kW的太阳能发电装置每年发电量为 1670kWh，这意味着在澳大利亚每年可节省 160美元的电费。由于环保和能源持续供应的需要，太阳能光伏发电即光伏电池近年来始终保持 30一 40的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。 1999年世界光池总产量为 202MW ， 2001年增为 375MW ，随着美国“百万个太阳屋顶计划” 、 “欧洲可再生能源白皮书”和“日本新阳光计划”的实施，到 2010年世界光伏电池容量将达 20000MW。目前全球 20亿无电人口将从中得益 [6]。我国于 1958年开始研究太阳能电池， 1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生。 1971年太阳能电池首次成功应用于中国发射的东方红二号卫星上。1973年首次将太阳能电池用于地面一天津港的浮标上。我国的光伏工业在 80年代以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在 10kwp以下，价格昂贵。在80年代国家加大对光伏产业的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，使得我国太阳能电池的生产能力猛增到 4.5MWp/ 年， 2004年我国太阳能电池的生产能力达到 100MWp，实际产量 42MWp，累计装机容量 65MWp ，组件售价从 80元 /Wp降至 30～ 40元 /Wp[7]。根据 2007年国家公布的可再生能源中长期发展规划，我国对光伏发电的利用主要有如下三个方面的重点建设项目一、在西部特别是西藏、青海、内蒙古、新疆、宁夏、甘肃等偏远地区推广使用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，建设太阳能光伏发电约 10万千瓦，解决约 100万户偏远地区农牧民生活用电问题。到 2010年，偏远农村地区光伏发电总容量达到 15万千瓦，到 2020年达到 30万千瓦；二、在经济较发达的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施，到 2010年，全国建成 1000个屋顶光伏发电项目，总容量 5万千瓦。到 2020年，全国建成 2万个屋顶光伏发电项目，总容量 100万千瓦；三、建设较大规模的太阳能光伏电站，到 2010年，建成大型并网光伏电站总容量 2万千瓦，到 2020年，全国太阳能光伏电站总容量达到 20万千瓦。总之，在国家的大力支持下，光伏发电在我国将会持续高速地发展。1.3.2 光伏发电自动跟踪技术现状太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在缺点，如能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，使太阳能的利用有着间歇性、- 5 - 光照方向和强度随时间不断变化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35 ，因此在太阳能利用中，有必要进行太阳追踪 [8]。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。（一）光电追踪目前，国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使追踪装置对准太阳完成追踪。光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照射到硅光电管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动 [9,10] 。（二）视日运动轨迹追踪视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。（ 1）单轴追踪单轴追踪一般采用①倾斜布置东西追踪；②焦线南北水平布置，东西追踪；③焦线东西水平布置，南北追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。采用这种追踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想 [11]。（ 2）双轴追踪如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴追踪又可以分为两种方式极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。极轴式全追踪是指聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线 ,极轴支承装置的设计比较困难。高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪，是指集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种追踪系统的- 6 - 特点是追踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。由上文得知，目前的几种太阳追踪方式各有优缺点，要想进一步提高太阳能利用率，完善太阳追踪系统，需要更深一步地研究和探讨。本文就是在此基础上作的进一步的研究。1.4 论文的研究内容本文所研究的是在掌握光伏电池特性的基础上，实现以单片机为控制核心的自动控制系统，整个系统是确定跟踪策略，通过硬件、软件共同作用的结果，因此本论文的研究内容在此基础上包括跟踪策略的确定、硬件电路、软件编程三大部分内容1．分析太阳运行规律。对不同的跟踪策略进行比较和分析，提出了适合本系统的跟踪策略以及整体的研究流程。2．硬件部分通过三步来实现选择芯片以及电路元件、连接电路图、制作电路板。电路主要包括单片机接口电路、显示电路、光强检测电路以及控制执行部件四部分内容。3．软件部分程序的编写在硬件电路连接的基础上利用单片机语言编写配套软件，对软硬件联合调试，直到系统稳定运行。