光伏发电自动跟踪系统

内蒙古工业大学硕士学位论文光伏发电自动跟踪系统姓名：张嘉英申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：陈爱国20060601IC8051F310,,IIAbstractWiththeresourcesbeingusedcontinuously,theenergystructurebasedonconventionalenergyresourceswillnotmoreandmoreadapttorequirementofsustainabledevelopment.Soacceleratingtheexploitationandutilizationofrenewableresourcesthatsolarenergyisprincipleparthasbeenourcommonideas.Usingthecleansolarlightenergy,thetechnologyofphotovoltaicgeneratingelectricityisverypromising.Thethesispresentsanewoptimaldesignmethod.Thisthesismainlydescribesamethodofsingleaxissolarenergyautomatictracingsystem.Everypartofthisautomaticsystemanditsfunctionareanalyzedindetail.AsetofautomatictracingdeviceisdesignedwithMicrocontrollerC8051F310.Thissystemhasfourcharacteristics,suchassmallercubage,lowerpower,lowercost,morerobustdespitestronginterfere.Moreover,someprogramsaredesignedtodebugthedesignedsystem,totestitsreliabilityandtheresultsoftestaregiven.SingleaxissolarenergyautomatictracingsystemfollowstheorientationanglewithMicrocontrollersystem.Heightanglecanbeadjustedbyhand,itmakesthesolarcellkeepthehigherelectricitypower.Thesingleaxissolarenergyautomatictracingsystemiscomparedwiththedoubleaxissolarenergyautomatictracingsystem,wetestifyitsfeasibilityintheory.Doubleaxissolarenergyautomatictracingsystemconsistsofsolartransducer,thisdevicegetsridoftransducer,itusespowerofsolarcellasangleregulationbasistorealizecontrolling.Inapasturingareaofourcountry,theyusephotovoltaicsystemwithouttracingdevice,solarelectricityefficiencyislower,thetracingsystemwedesignedhasbettertracingeffect,itsconfigurationissimple,thecapabilitypriceratioishigh,itisadapttobeusethereinparticular.Keywords:Photovoltaicsystem;Solarangleautomatictracing;Singleaxistracingsystem11.1:11801510199533.22050,131800152900230057-65,5600199533169,61993213020501.23.8651026J1.321016t221.731014KW8.11013KW13677W/m2:21.2.3.4.1.31999201MW20051100MW32.1%(MITI),20105GW,20103GW200011520202030,,20104.7GW10%1010%,1.5GW(10.6%),,10MW,4050MW,20101415GW,,25100150200570MW20103450MW,2006-202060MW1.450%[],0-180,,,,12431C8051F31021.5C8051F310C8051F310第二章太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理5第二章太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理§2.1概述太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。并网运行光伏发电系统是指与电网相连，可以给电网供电的光伏发电系统。太阳能光伏发电系统一般由蓄电池、太阳能电池方阵、控制器、逆变器、交流配电设备等组成如图2.1所示。当负载为直流时，如通讯设备、石油管道阴极保护等电源，则可以省略逆变器和交流配电设备，系统比较简单，成本也降低。如果发电系统与交流电网并联运行，则可以省略蓄电池组、控制器和逆变器合而为一，系统的成本可以大大降低，同时还可以减少由于蓄电池组造成对环境带来的影响。可见太阳能并网发电系统是今后的主要形式。但在我国广大的牧区和偏远无电地区，户用光伏系统和风光互补系统在很长一个时期内将是主要的供电方式。图2.1光伏发电系统框图§2.2太阳能电池2.2.1太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。即当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。硅的外层电子受到太阳光辐射时成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中的“空穴”。由于电子和空穴的扩散，在结合的P、N半导体的交界面处即PN结的两边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射PN结时，在势垒电场的作用太阳电池阵列控制器直流负载逆变器交流负载储能装置内蒙古工业大学硕士学位论文6下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴，形成了光生电场。在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势，接通外电路时便有电能输出。如图2.2所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。图2.2太阳能电池的发电原理2.2.2太阳能电池的种类太阳能电池按照材料的不同可分为如下三类：(1)硅太阳能电池这种电池是以硅为基体材料的太阳能电池。如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。制作多晶硅太阳能电池的材料，用纯度不太高的太阳级硅即可。而太阳级硅由冶金级硅用简单的工艺就可加工制成。多晶硅材料又有带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种。用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种。(2)硫化镉太阳能电池这种电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池。如硫化亚铜硫化镉太阳能电池、碲化镉硫化镉太阳能电池、铜铟硒硫化镉太阳能电池等。(3)砷化镓太阳能电池这种电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池。同质结砷化镓太阳能电池、异质结砷化镓太阳能电池等。第二章太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理7按照太阳能电池的结构来分类，其物理意义比较明确，因而已被国家采用作为太阳能电池命名方法的依据。2.2.3光伏阵列特性一、光伏阵列的I-V方程光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的I-V特性强烈地随日照强度和较强烈地随电池温度T而变化，其等效电路如图2-3所示。由于器件瞬时响应时间图2.3光伏阵列单元等效电路与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容C在光伏能阵列的理论分析中加以忽略。规定图中电压、电流方向，得出光伏阵列的输出电流电压(I-V)方程为式2-1。（2-1）LI——光电流，AOI——反向饱和电流，Aq——电子电荷（1.6*10-19J/K）K——玻尔兹曼常数（1.38*10-23J/K）T——绝对温度,KA——二极管因子SR——串联电阻,ΩShR——并联电阻,Ω二、光伏阵列I-V特性曲线由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响，下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的I-V特性。首先让我们来了解光伏阵列的几个重要参数。ShSSLRIRV1AKT)IRq(VexpII+−⎭⎬⎫⎩⎨⎧−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=内蒙古工业大学硕士学位论文81、短路电流(IsC):为给定日照强度和温度下的昀大输出电流2、开路电压(Voc)为给定日照强度和温度下的昀大输出电压3、昀大功率点电流(Im):在给定日照强度和温度下相应于昀大功率点的电流4、昀大功率点电压(Vm)在给定日照强度和温度下相应于昀大功率点的电压5、昀大功率点功率(Pm)在给定日照强度和温度下阵列可能输出的昀大功率Pm=Im×Vm其意义如图2.4所示图2.4光伏阵列特性参数说明(一)太阳能光伏阵列在相同温度不同日照下的I-V与P-V特性图2-5不同日照下的I-V关系曲线图图2-6不同日照下的P-V关系曲线图图2-5、图2-6分别是太阳能光伏阵列在温度为25℃时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-5可知，太阳能光伏阵列的输出短路电流(Isc)和昀大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式2-1中IL强烈地控制着I的大小，虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，第二章太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理9但对电流与电压相乘的结果-昀大输出功率来说，变化显著，如图2-6中虚线与各实线的交点所示。(二)太阳能光伏阵列在相同日照不同温度下的I-V与P-V特性图2-7、图2-8分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000W/m2和在变化温度[T]下的情况，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大,因而对昀大输出功率影响明显，见图2-8各实线的波峰的幅值变化。图2-7不同温度下的I-V关系曲线图图2-8不同温度下的P-V关系曲线图§2.3贮能蓄电池组蓄电池组是太阳能光伏电站的贮能装置，它的作用是将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来，以供应用。光伏电站中与太阳能电池方阵配套的蓄电池组通常是在半浮充电状态下长期工作的，它的电能量比用电负荷所需要的电能量要大，因此，多数时间是处于浅放电状态。当冬季和连阴天由于太阳辐射能减少而出现太阳能电池方阵向蓄电池组充电不足时，可启动备用的电源给蓄电池组补充充电，以保持蓄电池组始终处于浅放电状态。固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低，是我国光伏电站目前主要选用的贮能装置。一、户用光伏系统蓄电池的选用（一）铅酸蓄电池的结构与工作原理铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。内蒙古工业大学硕士学位论文10极板组是单片极板组合而成的,单片极板由基极和活性物质构成。铅酸蓄电池的正、负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化铅，负极的活性物质是海绵状纯铅。极板按其构造和活性物质形成方法的不同，可分为涂膏式极板和化成式极板：涂膏式极板在同容量时比化成式极板体积小、重量轻、制造简便、价格低廉，因而使用普遍,缺点是在充、放电时活性物质容易脱落，因而寿命较短。化成式极板的优点是结构坚实，在放电过程中活性物质脱落较少，因此寿命