太阳光自动跟踪仪系统设计论.docx

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太阳光自动跟踪仪系统设计论

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

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

Abstract

第一章绪论太阳能光伏发电概述

一.1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的重大课题。

一.2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600～2300kg，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，优势才逐渐体现出来。

一.3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》，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IntegralEnergy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30～40%的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。

1999年世界光伏电池总产量为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[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、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]。

一.4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负载需求时，将电能储存在蓄电池中；并网系统是将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。

基本的光伏发电系统包括光伏电池板、DC/DC变换装置、储能装置、电能输出变换装置、控制器五大部分（如图1-1）。

为了提高光伏电池的转换率，光伏电池板部分可以采用聚光器，常用的聚光器有抛物槽、菲涅耳透镜、CPC聚光器、荧光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它们都可以不同程度的提高光伏电池的转换率。

光伏电池产生的电流通过DC/DC变换装置可以直接供给各种直流负载，同时为储能装置充电。

储能装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。

在联网光伏电源系统中还要有交流联网装置和电能计量装置。

控制器为整个系统的控制核心，负责对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。

如果有自动跟踪装置，也是由同一个控制器进行集中控制，来跟踪太阳位置的变化。

图1-1.光伏电源系统的一般结构组成

独立光伏发电的跟踪系统主要部分如图1-1中A点左侧所示，主要包括聚光器，对太阳的跟踪，最大功率点的跟踪，以及对蓄电池冲放电的控制。

一.5本课题研究目的及所做的工作

目前太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是光伏系统发电的投入成本太高，如何最大限度提高太阳能的利用率，降低光伏系统发电的成本，这仍是国内外学者的研究热点。

针对这一问题本文主要做了如下工作：

1.为了在总功率输出相同的情况下使用最少的光伏电池，设计采用聚光器，提高了光伏电池转换效率。

2.为使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得最大功率输出，对光伏电池输出最大功率点的跟踪方法进行简单研究。

3.为了可以提高太阳能的接收效率，最大效率的利用太阳光的辐射，设计了两套自动跟踪平台，使光伏电池始终跟踪太阳光的方向。

4.研究了蓄电池的特性及其运行方式。

第二章光伏电池的研究与分析

二.1光伏电池的原理

光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。

它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。

其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化稼光伏电池等。

目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高（澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到24%），所以现在开发得也最快。

二.1.1光伏电池的光伏效应

当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。

例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子—电子和空穴。

由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成生电动势，这就是P-N结的光伏效应。

由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流Isc。

在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生电势Voc，这就是开路电压。

如将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。

显然，光伏电池之所以能在光照下形成短路电流Isc，开路电压Voc，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。

若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。

这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。

图2-1为光伏电池的单元模型和外观。

电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。

将每个单元进行串、并联并封装后就成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，