光伏发电系统光源追踪方法研究开题报告Word文档格式.docx
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讲师
2014年月日
1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写不少于1000字的文献综述:
我的毕业设计的题目是光伏发电系统光源追踪方法分析,针对提高太阳能的利用率问题的研究,设计一种基于单片机的光电比较式太阳能自动跟踪控制器。
以AT89S52单片机作为核心控制元件,通过将两个光电传感器采集到的信号经过比较电路和A/D,将比较结果输出至单片机,由单片机分析处理数据并输出至ULN2003A从而控制五线四相步进电机来实现对太阳位置的跟踪。
该系统具有低成本的优点,且具有较好的抗干扰能力,提高了对太阳光能的利用率。
在设计中首先完成对该方案的仿真验证,而后主要通过编辑器,利用C语言编制程序,并完成程序设计,通过下载器将程序烧写到单片机中。
最后通过搭建硬件实验来实现预先设计跟踪目标。
1.1.1能源现状及发展
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。
当前,包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。
随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化,很多国家都在认真探索能源多样化的途径,积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。
虽然在可预见的将来,煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重,但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水利能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视,在整个能源消耗中所占的比列正在显著地提高。
据统计,20世纪90年代,全球煤炭和石油的发电量每年增长1%,而太阳能发电每年增长20%,风力发电的年增长率更是高达26%。
预计在未来的5至10年内,可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡,从而结束矿物燃料一统天下的局面。
相对于日益枯竭的化石能源来说,太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
1.1.2我国的太阳能资源
我国年日照时数多在1400-3200小时之间,大致以秦岭-淮河、川西山地为界,其东南年日照时数多在2200小时以下,其西北在2200小时以上。
川黔地区平均年日照时数1400小时以下,其中,四川宝兴826.4小时,峨眉946.8小时,马边951.5小时,云南盐津952.1小时等,是我国年日照最少的台站。
锡林浩特、呼和浩特、银川、西宁、拉萨一线以西北,平均年日照时数多在3000小时以上,其中青海冷湖3553.9小时,内蒙古达来库布3443.2小时,哈日奥日布格及西藏定日3393.3小时,新疆哈密3359.1小时等,是我国年日照最多的台站。
我国平均年日照百分率分布趋势与年日照时数相似。
大致大致以秦岭-淮河、川西山地之东南,年日照百分率在50%以下,其中川黔地区30%以下,云南盐津及四川马边21%,峨眉22%。
锡林郭勒以西的内蒙古高原和柴达木盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地大部分地区,平均年日照百分率大于70%,其中青海冷湖80%,内蒙古哈日奥日布格77%,新疆哈密76%,西藏高原大部分地区年日照百分率60%以上,定日77%。
(一)太阳总辐射
我国年总辐射量约33×
108-83×
108/m2之间。
其分布,大体是西部大于东部。
西部以青藏高原年总辐射量最大(70×
108J/m2),东部以川1黔地区年太阳总辐射量最小(40×
108J/m2).
太阳总辐射量由直达辐射和散射辐射2个分量组成,而这两个分量比列各地不同,青藏高原和西北干旱地区,年中云量和水汽不多,散射辐射少而直达辐射多、青藏高原直达辐射占年总辐射的70%,新疆和内蒙古地区占60-65%。
长江流域和东南沿海,直达辐射与散身辐射几乎相等。
西南地区云量多,水汽丰富,直达辐射仅占年总辐射量的40%。
(二)太阳能分区
为了开发利用我国太阳能资源,王炳忠1983年作出中国太阳能资源利用区划,在此基础上,盛承禹(1986年)坐了较简化的我国太阳能分区。
下面主要介绍盛氏分区。
一级区以年总辐射量为指标,二级区以日照百分率出现峰值的季节为标志(峰值在春季以A表示,夏季以B表示,秋季以C表示,冬季以D表示),全国分为4区11副区。
Ⅰ区为太阳能丰富区,年总辐射量62.0×
108J/m2,包括锡林浩特-银川、玉树-西藏朗县以西、天山以南的区域。
其中,IB1副区为内蒙古日照百分率夏季峰值区,IA副区为塔里木日照百分率春季峰值区,IB2副区为青藏高原日照百分率夏季峰值区。
Ⅱ区为太阳能较丰富区,年总辐射量50×
108-62×
108J/m2,包括天山以北区域和内蒙古高原东部,渤海沿岸平原、晋北、陕北、宁夏和甘肃的一部分、川西山地、西藏东南部等区域。
其中ⅡD副区为新疆北部日照百分率冬季峰值区。
ⅡB1副区为内蒙古东部、渤海沿岸平原、晋北等地日照百分率夏季峰值区,ⅠA副区为陕北和宁夏、甘肃的一部分等地日照百分率春季峰值区,ⅡB2副区为川西山地、西藏东南等地日照百分率夏季峰值区。
Ⅲ区为太阳能可利用区,年辐射总量42×
108-50×
108J/m2,包括东北和内蒙古呼伦贝尔等区域,以及华北南部、东南沿海平原及丘陵、云南、西藏东南部等区域。
其中,ⅢB1副区为东北和内蒙古呼伦贝尔日照百分率夏季峰值区,ⅢA副区为华北南部、东南沿南平原及丘陵日照百分率春季峰值区,ⅢB2副区为滇、藏东南日照百分率夏季峰值区。
Ⅳ区为太阳能贫乏区,年辐射总量42×
108J/m2,主要在川黔区域。
其中,ⅣC副区为川西日照百分率秋季峰值区,ⅣD为川东、贵州的大部分、桂北及湘西的一部分等地日照百分率冬季峰值区。
1.1.3目前太阳能的开发与利用
人类直接利用的太阳能有三大技术领域,即光热转换、光电转换和光学转换,此外,还有储能技术。
太阳能光热转换技术的产品很多,如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷,温室与太阳房,太阳灶和高温炉,海水淡化装置、热力发电装置及太阳能医疗器具[6]。
1.1.4太阳能的特点
太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大优点:
第一,它是人类可以利用最丰富的能源,据估计,在过去漫长的11亿年中,太阳消耗了它本身能量的2%,可以说是取之不尽用之不竭的。
第二,地球上,无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题,尤其对交通不发达的农村、海岛和远边地区更具有利用价值。
第三,太阳能是一种洁净的能源,在开发与利用时,不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音,更不会影响生态平衡。
太阳能的利用有它的缺点:
第一,能流密度较低,日照较好的,地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。
往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求,从而使装置的面积大,用料多,成本增加。
第二,大气影响较大,给使用带来不少困难。
1.2课题研究的目的与意义
本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置,该装置能自动跟踪太阳光线的运动,保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直,提高设备的能量利用率。
1.2.1新环保能源
长期以来,世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料,而这些矿物作为一次性不可再生资源,储量有限,而且燃烧时产生大量的二氧化碳,造成地球气温升高,生态环境恶化。
据国际能源机构预测,人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。
这种全球性的能源危机,迫使各国政府投入大量的人力和财力,研究和开发新能源,如太阳能等[1]。
能源危机,环境保护成为当今世界关注的热点问题。
据联合环境规划署资料,目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%,且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。
这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源,按照可持续发展的目标模式,决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。
因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发与利用。
其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。
日本经济划厅和三泽公司合作研究认为,到2030年,世界电力生产的一半将依靠太阳能[2]。
基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题,本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率,而进行太阳追踪系统的开发研究,这对我们面临的能源问题有重大的意义。
同时太阳能又是一种无污染的清洁能源,加强太阳能的开发,对节约能源、保护环境也有重大的意义。
1.2.2提高太阳能的利用率
太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。
尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等,但太阳能的利用还远远不够,究其原因,主要是利用率不高,就目前的太阳能装置而言,如何最大限度的提高太阳能的利用率,仍为国内外学者的研究热点。
解决这一问题从另个方面入手,一是提高太阳能装置的转换效率,二是提高太阳能接收的效率,前者属于能量转换领域,还有待研究,而后者利用现有的技术则可解决。
1.2.4太阳能光发电系统
白天,在光照条件下,太阳电池组件产生一定的电动势,通过组件的串并联形成太阳能电池方阵,使得方阵电压达到系统输入电压的要求。
再通过充放电控制器对蓄电池进行充电,将由光能转换而来的电能贮存起来。
晚上,蓄电池组为逆变器提供输入电,通过逆变器的作用,将直流电转换成交流电,输送到配电柜,由配电柜的切换作用进行供电。
蓄电池组的放电情况由控制器进行控制,保证蓄电池的正常使用。
光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置,以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击,维护系统设备的安全使用。
太阳能→电能→化学能→电能→光能。
1.2.5太阳能发电系统的组成部分
太阳能光伏发电系统原理图如图1所示
光伏系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。
其各部分设备的作用是:
图1太阳能光伏发电系统原理图
一、太阳能电池方阵
在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生"
光生电压"
,这就是"
光生伏特效应"
。
在光生伏打效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。
太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
二、蓄电池组
其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:
a.自放电率低;
b.使用寿命长;
c.深放电能力强;
d.充电效率高;
e.少维护或免维护;
f.工作温度范围宽;
g.价格低廉。
Ah以上的铅酸蓄电池,一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池,每只蓄电池的目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。
配套200额定电压为2VDC;
配套200Ah以下的铅酸蓄电池,一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池,每只蓄电池的额定电压为12VDC。
三、充放电控制器
充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。
由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
四、逆变器
逆变器是将直流电转换成交流电的设备。
由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。
逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。
独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。
并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。
逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。
方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。
正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。
五、交流配电柜
其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功
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