1、内蒙古科技大学毕业设计说明书内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书 题 目：太阳光自动跟踪仪系统设计内蒙古科技大学毕业设计说明书摘 要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源己成为人们的共识。光伏发电系统可以直接将太阳光能转换为高品位能源电能。由于太阳在天空中的位置是不断变化的，为此本文采用了自动跟踪系统 。介绍了目前国内太阳跟踪器的发展现状，各类跟踪器的性能特点。对目前跟踪器存在的问题进行了分析，提出了新型自适应复精度太阳跟踪平台和通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台的系列方案。关键词：太阳能 自动跟踪 内蒙古科技大学毕业
2、设计说明书Abstract内蒙古科技大学毕业设计说明书目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪论太阳能光伏发电概述 .11.1 开发新能源的迫切需要 .11.2 光伏发电的特点 .11.3 光伏发电的现状及发展前景 .21.4 光伏发电系统的简单介绍 .41.5 本课题研究目的及所做的工作 .5第二章 光伏电池的研究与分析 .62.1 光伏电池的原理 .62.1.1 光伏电池的光伏效应 .62.1.2 光伏电池的物理模型 .72.2 光伏电池的输出特性及其影响因素 .92.2.1 光伏电池的 I-V 和 P-V 特性曲线 .92.2.2 光伏电池的主要参数 .102.2.3 太阳的
3、光照强度对光伏电池转换效率的影响 .112.2.4 温度对光伏电池输出特性的影响 .12第三章 光伏发电系统中聚光器的研究与设计 .133.1 聚光比 .133.2 典型聚光器的性能分析 .143.2.1 抛物面反射镜的聚光性能 .14内蒙古科技大学毕业设计说明书3.2.2 复合抛物面（CPC）聚光器 .163.2.3 折射式菲涅尔聚光器 .173.3 聚光器的选择和开发 .193.3.1 聚光器的选择 .193.3.2 CPC 聚光器的实际应用设计 .20第四章 光伏电池最大功率点的跟踪 .224.1 最大功率点跟踪及其实现目标 .224.2 常用最大功率点跟踪方法比较 .224.2.1 电
4、压反馈法 .224.2.2 扰动法 .234.2.3 电导增量法 .254.3 最大功率点控制方法的选择及改进 断续扰动法 .26第五章 自动跟踪系统 .275.1 自动跟踪器的研究概况 .275.1.1 国内太阳能自动跟踪器的研究现状 .275.1.2 目前太阳能自动跟踪器所存在的问题 .295.1.3 新型跟踪平台的开发 .315.2 自适应复精度太阳跟踪平台 .315.2.1 太阳位置探测单元 .325.2.2 信号处理与控制单元 .345.2.3 动力单元 .375.2.4 实际电路 .395.3 通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台 .41内蒙古科技大学毕业设计说明书5.3.1 自动
5、跟踪系统的工作原理 .415.3.2 传感器光敏二极管的工作过程 .415.3.3 步进电机及其特性 .445.3.4 基于单片机 ADC812 控制的驱动电路 .465.3.5 自动跟踪的控制电路 .545.3.6 软件流程 .54第六章 蓄电池 .566.1 蓄电池的概念 .566.2 光伏发电系统蓄电池的选用 .566.3 铅酸蓄电池的电池反应 .576.4 铅酸蓄电池的充放电特性 .586.5 蓄电池容量的设计及其充电特性 .606.5.1 蓄电池容量的设计 .606.5.2 蓄电池的充电特性 .61第七章 结论 .62参考文献 .63致 谢 .64内蒙古科技大学毕业设计说明书第一章
6、绪论太阳能光伏发电概述1.1 开发新能源的迫切需要人们很难想象，如果没有电人类的生活会变成什么样子。随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995 年，这种消耗达到了 140 亿吨标准煤，即 25 年间增长了 69.7%，并预计，到 2020 年全世界对能源的消耗会达到 195亿吨标准煤。根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后 40 年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持 60 年和 200 年左右。可见，矿物燃料并不是取之不尽的。不仅如此，大量
7、使用化石能源已经开始造成全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质，严重污染了人类的生存环境 1。我国拥有居世界第一位的水能资源，居世界第二位的煤炭探明储量，居世界第 11位的石油探明可采储量。但由于我国人口众多，人均能源资源严重不足，而我国现在所面临的却是能源需求量成倍增长的严重挑战。因此，采用新能源和可再生能源以逐渐减少和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。这对于世界尤其是我国是十分迫切的。而太阳能资源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源，所以开发利用太阳能受到越来越普遍的重视，成为目前各国都在研究
8、的重大课题。1.2 光伏发电的特点太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式内蒙古科技大学毕业设计说明书比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式电能，从而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 2：1.太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能 6000倍。光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。2.太阳能随处可得，就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失。3.太阳能不用燃料，运行成本很小。4.发电部件不易损坏，维护简单。5.光伏发电不产生任何废弃物，没有污
9、染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。安装 1KW 光伏发电系统，每年可少排放二氧化碳 6002300kg，一氧化氮 16kg，二氧化硫 9kg 及其他微粒 0.6kg。一个 4KW 的屋顶家用光伏系统，可以满足普通美国家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳数量，相当于一辆家庭轿车每年的排放量。6.光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降
10、，优势才逐渐体现出来。1.3 光伏发电的现状及发展前景上个世纪的 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。随着全球性的自然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 ，内蒙古科技大学毕业设计说明书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，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量己达到 3000MW 以上，美国
11、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 Integral Energy 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，
12、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。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 3040% 的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。1999 年世界光伏电池总产量为 202MW，2001 年增为 375MW，随着美国“百万个太阳屋顶
13、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 3。在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决占国土面积加内蒙古科技大学毕业设计说明书以上的辽阔地区几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA 以下的独立光伏电站，解决乡村一级基
14、本生产、办公、生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提离当地的农牧业机械化、自动化水平。1996 年，我国由国家计委牵头制定了实施“中国光明工程”的计划。计划到 2010 年利用风力发电和光伏发电技术解决 2300万边远地区人口的用电问题，使他们达到人均拥有发电容量 100 瓦的水平，相当于届时全国人均拥有发电容量 1/3 的水平。2001 年 11 月，由国家计委组织实施的“西部省份无电乡通电工程光伏发电站（含风光互补发电站）建设项目”正式启动，该项目是“中国光明工程”计划的重要组成部分，涉及青海省、新疆维吾尔自治区、西藏自治区、
15、内蒙古自治区、甘肃省、四川省、陕西省等七省区。旨在解决西部地区无电乡的基本生活用电问题。另外，中科院电工所先后建成了西藏双湖 25kW、安多 100kW、班戈 70kW 和尼玛 40kW 光伏电站的建设。北京申办 2008 年奥运成功，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想。要把 2008 年奥运会办成最成功的一届奥运会，光伏发电应用必然要担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位 4。1.4 光伏发电系统的简单介绍光伏发电系统是直接将太阳光能转换为高品位能源电能的装置，根据光伏系统与电网的关系，可以分为独立光伏系统和并网发电系统，独立系统常用在远离电网的偏远地区，它利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池进行补充，而当其输出的功率超出
