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太阳能光伏发电毕业论文

设计总说明I

IntroductionIII

1绪论1

1.1太阳能光伏发电的研究背景1

1.2太阳能光伏发电发展历程与现状1

1.3本文主要研究内容和任务2

2光伏系统简介及光伏发电效率分析4

2.1太阳能光伏系统简介4

2.1.1光伏系统的基本组成4

2.1.2光伏系统的分类4

2.2光伏电池特性分析6

2.2.1太阳能电池原理及分类7

2.2.2太阳能电池输出特性9

2.2.3太阳能电池工程用数学模型9

2.3铅酸蓄电池10

铅酸蓄电池充电控制方法11

2.4影响太阳能光伏发电效率的因素12

2.5提高太阳能光伏发电效率需进一步解决的问题14

3最大功率点跟踪（MPPT的研究15

3.1最大功率点跟踪的概念15

3.2MPPT原理15

3.3光伏系统最大功率点跟踪控制方法研究16

3.3.1定电压跟踪法（ConstantVoltageTracking，CVT）16

3.3.2扰动观察法（P&QPerturbationandobservationmethod）17

3.3.3导纳增量法19

3.3.4基于梯度变步长的导纳增量法21

4DC-DC变换器的设计21

4.1太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点21

4.1.1BUCK电路原理22

4.1.2BOOST电路原理23

4.1.3双向BUCK-BOOSTS换器运行原理24

5逆变电路24

5.1常用逆变电路的简介24

5.2本系统逆变电路特点27

6控制系统的硬件设计28

6.1系统各部分功能介绍28

6.2控制系统方案28

6.3TMS320F28035介绍29

6.4驱动电路33

6.5检测电路设计34

6.5.1太阳能板输出电压电流检测35

6.5.2蓄电池充电电压电流检测36

6.5.3温度检测检测37

6.6短路保护电路38

7MPPT控制算法与软件设计39

7.1编程要求39

7.2AD接口39

7.3MPPT的Boost电路控制原理41

7.4数字PID及算法42

7.4.1PID调节算法42

7.4.2PID调节算法44

7.4.3PID参数整定46

7.4.4PID算法程序设计46

7.5PWM波输出48

7.6主程序流程图51

8结论52

参考文献53

附录A54

附录B54

致谢61

离网型太阳能光伏发电系统设计

设计总说明

能源就是能够用于工作和驱动机器的能量。

所有的生物（包括人类）都是依靠阳光作为能量的来源。

煤、石油和天然气都是可以利用的能源，这些能源都是过去的生物体在太阳光能源的作用下生成复杂的存储这些能源有机分子结构经过长时间的压缩集中后生成的。

大量的能源已经被使用，如煤炭、石油、天然气、地热资源、核聚变能源、核裂变能源、太阳能和氢气等。

然而，在这种情况下，由于许多能够产生能量的资源是不可再生的，大量的使用这些能源可能会引起能源危机。

目前，人类的能源消耗主要体现在燃料资源的消耗上。

现在的固体状能源主要是煤

炭，目前已知的加上潜藏的煤炭储量最多可使用一到两个世纪，而且煤炭的开采和使用

会破坏环境并且产生大量的二氧化碳与二氧化硫。

当煤炭资源用尽前这些影响将会越来

越恶劣。

煤炭在能源的利用方面的比例已经越来越低，而石油和天然气正在被大量的使

用着。

作为能源，石油比煤炭有更大的优势。

其开采地比煤炭更为集中因此对环境的破坏要少，其燃烧产生的污染物要比煤炭少，而且石油可以很容易的通过管道进行运输。

同时这些优势使石油成为理想的汽车燃料。

自从1859年第一个商业油田的建成以来，美国已经生产了超过100万桶石油，其中大部分是在最近几年生产的。

1990年全世界约消耗了65万桶石油。

石油与天然气资源在迅速的消耗着，阿拉斯加出产的石油只能暂时缓解石油的供应危机。

世界石油的生产将在几年之内达到最咼值。

自从1973〜1974年的第一次“能源危机”以来，已经出现了一些具体的措施。

然而，自1973年以来，原油的价格已经提高了若干倍。

美国和其他工业化国家一直受到通货膨胀、经济衰退、大批的失业和工业设备的过时的困扰。

一些石油不足的发展中国家由于能源价格的关系其经济已经遭到破坏。

在能源危机的同时，世界范围内还有一些食品和矿产资源的短缺，其次一些物品的生产则出现过剩，如小麦和铜的生产过剩，一些铜生产国将铜以铜币的形式出口。

众所周知，能源的供应和成本已经成为当今社会的一个主要的话题。

很显然，解决

“能源危机”是非常有意义的。

目前已经有许多节约能源和发展新能源的计划被提出来。

在任何领域节约能源都是可行的。

因而，能源工程师这个职业产生并迅速发展起来。

能

离网型太阳能光伏发电的系统设计

源工程师的第一个提议是想办法减少能源的消耗同时保证产量不变甚至有所提高，第二

个提议是寻找降低能源成本的方法。

传统的工程技术被用来评估能源利用的技术。

周期成本与用于节省资金的方法与经济利益同等重要。

评价的重点是整个大局中的重要性和减少浪费和使用的资金的方法。

同时，寻找更为理想的能源是非常重要的。

解决能源危机的一种理想的能源的要求应该是无限的供应、能够被广泛的使用、价格低廉、而且其使用后不会添加地球的总热量的负担或者不会产生化学空气和水污染物的排放。

太阳能满足这些标准，其产生的多

余的热量会从地球辐射出去。

而且利用照射到地球的一小部分太阳能就能够提供地球所需的能源。

太阳能的供应是无限的，但是由于技术和条件的限制，其开发和利用是有限的。

太

阳能的利用需要大量的土地，还有经济和环境方面的要求，而且这一部分土地上太阳能的收集也只能达到一小部分。

当然，亚利桑那州的许多居民可不喜欢国家大力发展太阳能的收集，而且一些环保组织也因为太阳能的收集对响尾蛇的生活习性等产生的影响而抗议太阳能收集装置的实行。

太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能，而且已经广泛应用于空间飞行器能源的提供。

然而，以目前的技术水平如果应用于大规模发电其代价于昂贵。

因此，目前大多数太阳能发电方式仍旧是首先将太阳能转化为热能，然后再将热能转化为电能。

这种方式目前最简单的设计是蒸汽发电装置，收集到的太阳能通过管道中的载热气体进行输送。

这种管道使用涂层能够使运输过程中的入射能量只有很少部分的流失。

关键词：

光伏发电；最大功率点跟踪；DSR占空比

Introduction

Energymeansthepowerwhichdoesworkanddrivesmachines.Alllivingthings

（includinghumans）relyonthesunasasourceofenergy.Coal,petroleum,

andnaturalgasareenergysourcesavailabletodaybecauseorganismsinthepastcapturedsunlightenergyandstoreditinthecomplexorganicmoleculesthatmadeuptheirbodies,whichwerethencompressedandconcentrated.Withthedevelopmentofsociety,alargeofenergysourceshavebeenused,suchascoal,petroleum,naturalgas,geothermalenergy,nuclearfissionpower,nuclearfusionpower,solarenergy,andHydrogengas.however,underthecircumstances,thequantityofenergysourceislimited.unlimitedusageofenergysourceresultsinenergycrisis.

Atpresent,mostoftheenergyconsumedbyhumansisproducedfromfossilfuels.Thegreatestrecoverablefossilisintheformofcoalandlignite.

Althoughworldcoalresourcesareenormousandpotentiallycanfillenergyneedsforacenturyortwo,theirutilizationislimitedbyenvironmentaldisruption

fromminingandemissionsofcarbondioxideandsulfurdioxide.Thesewouldbecomeintolerablelongbeforecoalresourceswereexhausted.Onlyasmallpercentageofcoalandlignitehasbeenutilizedtodate,whereasmuchofthe

recoverablepetroleumandnaturalgashasalreadybeenconsumed.Petroleumhasseveralcharacteristicsthatmakeitsuperiortocoalasasourceofenergy.

Itsextractioncauseslessenvironmentaldamagethandoescoalmining.Itis

amoreconcentratedsourceofenergythancoal,anditburnswithlesspollution,anditcanbemovedeasilythroughpipes.Thesecharacteristicsmakeitanidealfuelforautomobiles.

Sineefirstcommercialoilwellin1859,somewhatmorethan100million

barrelsofoilhavebeenproducedintheUnitedStates,mostofitinrecent

years.In1990worldpetroleumconsumptionwasatarateofabout65millionbarrelsperday.Projecteduseofpetroleumandnaturalgasindicatesrapid

离网型太阳能光伏发电的系统设计

depletion.Alaskanoilcanhelpthepetroleumsupplyonlytemporarily.Peakworldpetroleumresourcesproductionwillbereachedwithinafewyears.

Sincethefirst"energycrisis"of1973-1974,someconcreteactionshave

eventakenplace.However,theseveral-foldincreaseincrudeoilpricessince1973hasexactedatoll.IntheU.S.andotherindustrializednations,the

economyhasbeenplaguedbyinflation,recession,unemployment,andobsolesceneeofindustrialequipment.Theeconomiesofsomepetroleum-deficientdevelopingcountrieshavebeendevastatedbyenergyprices.

Energycrisiswasaccompaniedbyworldwideshortagesofsomefoodsandminerals,followedinsomecasesbysurpluses,suchasthesurpluswheatresultingfromincreasedplantingandacoppersurplusresultingfromtheeffortsofcopper-producingnationstoacquireforeigncurrencybycopperexport.

Asknowntoall,theavailabilityandcostofenergyhasbecomedominantfactorsinsocietytoday.Obviously,solvingthe"energycrisis"makesgood

sense.Manyschemeshasbeenproposedforconservingpresentenergyresourcesandfordevelopingnewones.Itisalwayspossibletouselessenergyinanyprocess.Therefore,energyengineeriscreatedanddeveloped.Thefirstgoalofenergyengineeristodeterminethemethodsbywhichenergyutilizationisreducedbuttheoutputremainsthesameorevenincreases.Thesecondgoalis

todeterminewhichmethodsofusinglessenergyarecosteffective.

Conventionalengineeringtechniquesareusedtoevaluatedthemechanismsofenergyuse.Economicconsiderationsareofequalimportaneeandlifecyclecostandsavingtechniquesareusedtodeterminecost-effectivemeasures.Theevaluationfocusesonthoseuseswhicharesignificantintheoverallpictureandattemptstodeterminethosetechnicalmeasuresthatcanreduceusageandsavemoney.

Meanwhile,lookingforidealenergysourcesisalsoveryimportanttosolveenergycrisis.Therecipeforanidealenergysourcecallsforonethatisunlimitedinsupply,widelyavailable,andinexpensive；itshouldnotadd

totheearth'stotalheatburdenorproducechemicalairandwaterpollutants.

Solarenergyfulfillsallofthesecriteria.Solarenergydoesnotaddexcess

heattothatwhichmustberadiatedfromtheearth.Onaglobalbasis,

utilizationofonlyasmallfractionofsolarenergyreachingtheearthcouldprovideforallenergyneeds.

Solarenergyisunlimitedinsupply,butitsexploitationandutilizationarelimitedowingtothelimitationoftechnologyandconditions.Solarenergy

utilizationneedsanenormousamountofland,andthereareeconomicand

environmentalproblemsrelatedtotheuseofevenafractionofthisamountoflandforsolarenergycollection.Certainly,manyresidentsofArizonawould

notbepleasedathavingsomuchofthestatedevotedtosolarcollectors,andsomeenvironmentalgroupswouldprotesttheresultantshadingofrattlesnakehabitat.

Solarpowercellsforthedirectconversionofsunlighttoelectricityhave

beendevelopedandarewidelyusedforenergyinspacevehicles.Withpresenttechnology,however,theyremaintooexpensiveforlarge-scalegenerationof

electricity.Therefore,mostschemesfortheutilizationofsolarpowerdepend

uponthecollectionofthermalenergy,followedbyconversiontoelectrical

energy.ThesimplestsuchapproachinvoIvesfocusingsunlightonasteam-generatingbiller.Paraboliceffectorscanbeusedtofocussunlightonpipescontainingheat-transportingfluids.Selectivecoatingsonthesepipescanbeusedsothatonlyasmallpercentageofincidentenergyisreradiatedfromthepipes.

Keywords:

PV,themaximumpowerpointtracking,DSP,thedutycycle

1绪论

1.1太阳能光伏发电的研究背景

随着人类文明的发展，燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。

人们对能源需求日益增加以及传统能源日益枯竭成了不可逆转趋势。

这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变现在的能源结构，维持长远的可持续发展，解决人类的能源问题。

与风

能等其他可再生能源相比，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。

丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

电能是人类社会最广泛最成熟的能源利用模式，将太阳能转换成满足人类各种需求的电能是利用太阳能的有效途径，是解决当前能源问题的最佳对策。

由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。

美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。

日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%欧洲各国对太阳能的热情也日益高涨。

我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了《再生能源法》，该法已于2006年1月1日起实施，《中华人民共和国节约能源法》，已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第三十次会议于2007年10月28日修订通过，现将修订后的《中华人民共和国节约能源法》公布，自2008年4月1日起施行。

2009年12月26日，^一届全国人大常委会第十二次会议表决通过了《中华人民共和国可再生能源法修正案》，修正案自2010

年4月1日起施行。

这对于我国可再生能源具有十分重要的意义。

我国也是如此。

根据

《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GV（百万千瓦）。

1.2太阳能光伏发电发展历程与现状

目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式。

光

热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地

使用，而且输出能量形式不具备通用性。

光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但以目前人类的科技发展水平还不能很好地利用。

光伏发电利用以电能作为最终

表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且太阳能电池的原料一硅的储量十分丰富。

太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。

70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明