太阳能电池板自动对光跟踪系统毕业设计开题报告

华北理工大学本科毕业论文开题报告题目 太阳能电池板自动跟踪对光系统学 院 电 气工程学院专 业 测控技术与仪器班 级 表二姓 名 李长江学 号 201214040231 指导教师 赵延军2015 年 10 月 30 日一、题目来源背景（现状、前景）1.题目来源太阳是万物之源，太阳能是最原始也是永恒的能量。太阳能资源丰富、取之不尽用之不竭，他还不会污染环境和破坏生态平衡。世界各国都在大力研究利用太阳能技术，我国是太阳能资源十分丰富的国家之一，太阳能的开发利用将有巨大的潜力和市场前景。他不仅能带来良好的社会效益，而且具有明显的经济效益。虽然在可预见的将来，煤炭等化石能源仍然在世界能源结构中的比 很大，但是人们对新能源的开发利用日益重视，特别是可再生的太阳能、风能等，在整个能源结构所占比重显著提高。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。在 中 国 过 扩 富 饶 的 土 地 上 ， 有 丰 富 的 太 阳 能 资 源 。 全 国 年 辐 射 总 量 为33408400MJ/m2，从中国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、宁夏南部、甘肃、内蒙古南部、山西北部、辽宁、河北东南部、河南南部、吉林西部、云南中部、广东东南部、海南岛东部和西部以及台湾省西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区，该地区平均海拔高度在 4000m 以上，大气层薄而清洁、透明度好、日照时间长。1829 年， 法国物理学家 A.E 贝克勒尔发现 将两片金属浸入溶液构成伏打电池，当受到阳光照射时会产生额外的伏打电动势。他把这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。 1883 年，有人在半导体硒和金属接触发现了固体光伏效应。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。因为半导体 P-N 结器件在太阳光照射下的光电转换效率最高， 所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池。 1954 年，Charbin 等人在美国贝尔电话实验第一次做出了光电转换率为 6的实用的单晶硅太阳能电池，开创了太阳能电池研究的新2.题目现状国外市场作为 20 世纪 80 年代世界上增长最快的高新技术产业之一，太阳能光伏发电产业快速发展。 截止 2004年， 世界太阳能光伏发电系统的装机总容量达到了 964.9 MW。到了 2006 年底，这个数据达到了 4961.69MW。像单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、带状硅电池、聚光电池以及薄膜电池等太阳能光伏电池已经商品化和实用化。在国际市场上，太阳能光伏电池的价格一般在 3.15 美元左右，并网后的价格为每瓦6 美元，发电成本为每千瓦时 0.25 美元。光伏电池的发电效率在不断的提高，晶体硅光电池的转换率为 15， 而单晶硅电池转化率则达到了 23.3， 砷化镓光电池更是达到 25的转化率。同时太阳能光伏电池组件的使用寿命也大大的延长，最多可达30 年之久。目前，世界上太阳能光伏发电系统应用最多的国家为美国、日本和欧盟，它们的太阳能发电总量占世界光伏发电量的 80。专家预测，日后的世界太阳能光伏发电系统将会朝高效率、高寿命、低成本和美观实用的方向发展，太阳能光伏发电系统的发电总量也将占 13-15，预测到 2100 年光伏发电总量将占 60以上。国内市场我国太阳能光伏发电系统的启用较晚， 20 世纪 90 年代以来我国光伏发电快速发展。在这一阶段我国光伏组件的生产能力不断提升，产品生产成本降低，市场不断扩大并出口到国外，装机总容量也逐年增加。截止 2006 年底，我国光伏发电总量为35MW ， 占世界总量的 3。 到 2020 年之前， 我国太阳能光伏发电技术不断发展和完善，光伏市场也将发生巨大的变化。发电成本也逐渐降低， 2010 年我国光伏发电的价格约为每千瓦时 1.2 元人民币， 预计到 2020 年， 这个价格将会降低为每千瓦时 0.6元人民币。随着我国光伏企业的不断发展，近年来受到西方国家的反倾销等政策的打击，一些光伏组件的生产厂商面临着巨大的挑战。在这个背景下，太阳能光伏发电系统的开发应用应该转向国内，中国太阳能资源丰富，尤其是西北等内地地区，光照充足，必须加大财政支持，推进太阳能光伏发电系统在中国的应用，促进光伏产业的健康发展。在太阳能追踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳能追踪器，完成了东西方向自动跟踪，虽然南北方向通过手动调节，但是接收器的接受效率大大提高了。 1998年美国加州成功的研究了 ATM 两轴跟踪器， 并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。 2002 年 2 月美国亚利桑纳大学推出了新型太阳能跟踪系统， 大大拓宽了跟踪器的应用领域， 1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。目前，太阳能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根据视日运动轨迹跟踪另一种是光电跟踪方式，前者是开环的程控系统，后者是闭环的随机系统。3.题目前景利用太阳能发电的方式有很多种，除了通过热过程的太阳能散热发电之外，还有不通过热过程的光伏发电、光感应发电、光化学发电及光生物发电等方式。光伏发电系统的主要缺点之一是光伏发电的成本太高，其二是太阳能电池的光电转换效率太低，一般多晶硅太阳电池的光电转换率约 1214，如果在考虑并网逆变器的效率则光伏并网系统的综合效率只有 10左右。为了解决这些问题，一方面要靠研制价格低廉的并且能量转换效率高的光电材料，另一方面就是要在并网逆变器的控制上实现太阳能电池的最大功率输出。太阳能电池的最大功率点跟踪控制是指为了充分利用太阳能，而根据太阳能电池的伏安特性控制并网逆变器的工作状态，是太阳能电池始终输出当前光照强度下的最大电能。太阳能电池的最大功率点的存在，是由太阳能电池本身的特性决定的。太阳能电池的输出特性受光照强度个外界温度的影响较大，而在相同的光照强度和外界温度条件下，当太阳能电池的工作电压不同，输出功率也不同。由于日照变化的不确定性、太阳能电池阵列对温度敏感性和太阳电池伏安曲线的明显非线性，所以太阳电池阵列的最大功率点是随环境变化而时刻变化的。在当今能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其 2015 年达到商业化竞争的水平；日本也提出了在 2020 年达到 28GW 的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“ set for 2020”规划，规划在 2020 年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。中国也不甘落后，近年来相继提出了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法 、 金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策； 2010 年国务院颁布的关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定明确提出要“开拓多元化的太阳能光伏光热发电市场” ； 2011年国务院制定的“十二五”规划纲要再次明确了要重点发展包括太阳能热利用和光伏光热发电在内的新能源产业。一系列的政策支持让中国光伏发电发展之路更加宽广。与装机容量位于世界前茅的风电相比，我国光伏发电的发展仍处在起步阶段，发展水平远落后于德国、西班牙、日本等发达国家，是我国新能源发电产业的“短板” 。截至 2011年底，中国太阳能光伏发电累计装机量达 300 万千瓦， 较 2010 年增长了三倍多。 2012 年中国光伏装机量累计达 4.5GW， 已并网发电项目达 1.19GW。 尽管增幅明显， 但其总体规模与其他可再生能源形式多达几千万千瓦的规模相比，仍显微小。2013 年 7 月 15 日，我国出台了国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见 ，提出到 2015 年总装机容量达到 3500 万千瓦以上，将此前的规划目标一举提高了 75。同时，就并网、电量收购、补贴、土地政策逐一细化，为分布式光伏项目、电站投资开发提供了多重保障。并且我国于 2013 年 10 月 1 日实施了对纳税人销售自产的利用太阳能生产的电力产品，实行增值税即征即退 50的政策。这些政策都较大的鼓励了光伏发电行业的发展。随着国内光伏产业规模逐步扩大、技术逐步提升，光伏发电成本会逐步下降，未来国内光伏容量将大幅增加。中国已将新能源产业上升为国家战略产业，未来 10年拟加大对包括太阳能在内的新能源产业投资，以减少经济对石化能源依赖和降低碳排放。未来五到十年中国光伏发电有望规模化发展。二、主要研究目标、内容、应用价值目标设置一套符合现场要求的太阳能电池板自动跟踪对光系统，掌握工程设计过程中需要的资料搜集以及分析能力、初步的工程设计能力和初步的程序设计能力，为以后实际工作打下良好的基础。内容该设计主要完成太阳能电池板自动对光跟踪系统，通过对资料的生产调研，设计符合现场要求的太阳能电池板自动对光跟踪系统。包括（ 1） 自动对光跟踪原理 ; （ 2） 检测、控制系统的设计；（ 3） 现场检测和控制设备的选型；（ 4） PLC 检测控制软件的设计。应用价值实现最大功率发电任务，在各种气象条件地域都能适应自如并发挥作用，保持稳定的系统运转，降低故障率实现较少后期维护的投入，最终实现环境友好资源节约。三、拟采用的研究方法、手段及实验准备情况本文拟采用 Msp430F149 单片机作为控制其采用光电跟踪和视日轨迹跟踪方式相结合的二维自动跟踪方式，晴天采用光电跟踪方式，多云采用时日运动轨迹跟踪方式，阴雨天气系统不采用任何跟踪方式以减少系统的能耗。整个系统有太阳自动跟踪系统、光伏电源系统两个字系统，相应地进行硬件设计和程序编写。整个系统的硬件设计主要是对太阳位置检测模块、太阳光强检测模块、数据采集模块、单片机控制模块、光伏电源模块、电机驱动模块的设计。系统软件设计采用模块化的编程思想，将系统功能划分为太阳自动跟踪程序、视日运动轨迹跟踪程序、光电跟踪程序和数据采集程序等相对独立的功能模块。四、进度安排（ 1） 2015 年 11 月初 2015 年 11 月底 开题报告。（ 2） 2015 年 12 月初 2016 年 1 月低资料整理。（ 3） 2016 年 2 月初 2016 年 3 月底完成初步总体设计。（ 4） 2016 年 4 月初 2016 年 4 月底完成总体设计。（ 5） 2016 年 5 月初 2016 年 5 月底完成系统测试。（ 6） 2016 年 6 月初 2016 年 6 月中旬完成系统修正工作。五、主要参考文献【 1】 吕勇军， 鞠振河。 太阳能应用监测与控制技术 北京 人民邮电出版社， 2013 【 2】胡勋良，强建科，余招阳等，太阳光跟踪器及其在采光中的应用，上海电子技术， 2010， 30（ 12） 8-10. 【 3】 余海， 太阳能利用综述及提高利用率的途径。 能源研究与利用， 2004， （ 03） 2-7. 【 4】 赵旺初， 一种太阳自动跟踪装着的设计， 自动化与仪表， 2008， （ 2） 30-33。【 5】赵兴磊，杨丽丽，张东风，一种太阳能跟踪系统的设计，青岛农业大学学报（自然科学版） 2008， （ 4） 1518.