畢業(yè)課程設(shè)計(jì)開題報(bào)告

PAGE 中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名龐哲學(xué)號(hào)：10050444X15學(xué)院、系：信息商務(wù)學(xué)院信息與通信工程系專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目光伏發(fā)電雙軸跟蹤系統(tǒng)的軌跡設(shè)計(jì)與控制指導(dǎo)教師:郝騫2014年2月14日

畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文獻(xiàn)綜述1本課題的選題背景意義隨著現(xiàn)有能源的吃緊和生態(tài)環(huán)境的惡化，光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越受到各國(guó)的關(guān)注，世界光伏發(fā)電的年裝機(jī)容量也在大幅增長(zhǎng)。然而，光伏發(fā)電效率低，成本高的特點(diǎn)制約了它的發(fā)展。因此，提高光伏發(fā)電的效率，降低成本成了各國(guó)研究的熱點(diǎn)。[1]提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽能利用率，降低發(fā)電系統(tǒng)建造成本是太陽能應(yīng)用領(lǐng)域面臨的兩個(gè)主要難題。太陽能跟蹤技術(shù)為解決這一難題提供了可能。所謂太陽能跟蹤跟蹤技術(shù)就是使太陽能收集器表面法線依照太陽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，使太陽光如射角減小的技術(shù)。所以如何降低成本提高光能利用率成了研究的重點(diǎn)。2本課題的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀[2]2.1光伏發(fā)電的發(fā)展歷程1863年法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”

1883年制成第一個(gè)“硒光電池”，用作敏感器件。1932年奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽電池。1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。1959年第一個(gè)多晶硅太陽電池問世，效率達(dá)5%1978年美國(guó)建成100kwp太陽地面光伏電站。1990年德國(guó)提出“2000個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”，每個(gè)家庭的屋頂裝3至5kwp光伏電池。1995年高效聚光砷化鎵太陽電池效率達(dá)32%。1997年歐洲聯(lián)盟計(jì)劃到2010年生產(chǎn)37億Wp光伏電池。2.2超聲發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀：2.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀自1839年發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”[3][4]和1954年第一塊實(shí)用的光伏電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是它的發(fā)展仍然比計(jì)算機(jī)和光纖通訊要慢得多。1973年的石油危機(jī)和20世紀(jì)90年代的環(huán)境污染問題大大促進(jìn)了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。隨著人們對(duì)能源和環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的不斷提高，光伏發(fā)電越來越受到各國(guó)政府的重視，科研投入不斷加大，鼓勵(lì)和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策也不斷出臺(tái)。以1997年美國(guó)總統(tǒng)克林頓的“百萬太陽能光伏屋頂計(jì)劃”為標(biāo)志，日本還有歐洲的德國(guó)、丹麥、意大利、英國(guó)、西班牙等國(guó)也紛紛開始制定本國(guó)的可再生能源法案，刺激了光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。2000年以來，全球光伏產(chǎn)業(yè)連續(xù)6年以30%~~60%[4]以上的速度增長(zhǎng)，2002年全球光伏電池產(chǎn)量為560MW/a，到2003年已高達(dá)750MW/a,增長(zhǎng)了34%。2004年開始，德國(guó)對(duì)可再生能源法進(jìn)行了修訂，新的補(bǔ)貼法案促成了德國(guó)光伏市場(chǎng)隨后的爆發(fā)，隨之而來的是發(fā)達(dá)國(guó)家間新一輪的政策熱潮和全球光伏市場(chǎng)的更高速膨脹。2004年世界光伏電池年產(chǎn)量達(dá)到1256MW，年增長(zhǎng)率高達(dá)68%，2005年產(chǎn)量達(dá)1818MW，增長(zhǎng)率仍有45%（圖1-2），2006年，美國(guó)加州州長(zhǎng)施瓦辛格提出了要在加州實(shí)施“百萬個(gè)太陽能屋頂計(jì)劃”，在未來10年內(nèi)建設(shè)3000MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的提案，這象征著美國(guó)光伏政策的新紀(jì)元的到來。正是由于歐洲、日本和美國(guó)強(qiáng)有力的政策推動(dòng)，全球太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)才呈現(xiàn)出今天欣欣向榮的景象，太陽能光伏發(fā)電的前景無限光明（圖1--2~~圖1--7）。[5]圖1-3世界光伏組件生產(chǎn)成本下降趨勢(shì)（圖中2010年為預(yù)測(cè)值）圖1-4美國(guó)光伏發(fā)展路線圖圖1-5日本光伏發(fā)展路線圖（2010年目標(biāo)為4.8GW，2030年為81.3GW）圖1-7中國(guó)光伏系統(tǒng)安裝機(jī)容量發(fā)展路線圖2.2.2世界光伏發(fā)展的表現(xiàn)方面。（1）光伏電池產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)多年來光伏產(chǎn)業(yè)一直是世界增長(zhǎng)速度最高和最穩(wěn)定的領(lǐng)域之一，1999~~2005年間，光伏電池產(chǎn)量以年均增長(zhǎng)率超過40%的速度高速發(fā)展，太陽電池的產(chǎn)量從1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增長(zhǎng)了9倍。[6]（2）生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)電池產(chǎn)量早已突破100MW，且有越來越多的企業(yè)已經(jīng)提出了建設(shè)年產(chǎn)1000MW電池生產(chǎn)線的目標(biāo)。[7]（3）光伏市場(chǎng)飛速膨脹不斷有新的國(guó)家出臺(tái)激勵(lì)光伏發(fā)展的政策。2004年德國(guó)補(bǔ)貼法修訂后，僅用了一年，即在2005年，德國(guó)市場(chǎng)年裝機(jī)容量便達(dá)到了837MW，占全球市場(chǎng)的57%，政府政策對(duì)光伏的激勵(lì)可想而知。而2006年，美國(guó)加州正式出臺(tái)3000MW光伏安裝計(jì)劃，帶動(dòng)美國(guó)其它各州也紛紛仿效。美國(guó)將成為繼日本、歐洲之后又一大的光伏市場(chǎng)。（4）新技術(shù)不斷出現(xiàn)，電池效率不斷提高隨著自動(dòng)化程度和生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，電池效率將由現(xiàn)在的水平（單晶硅16%~~18%，多晶硅15%~~17%）向更高水平（單晶硅18%~~20%，多晶硅16%~~18）發(fā)展。2.2.3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)的光伏發(fā)電市場(chǎng)目前主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村電氣化、通信和工業(yè)應(yīng)用以及太陽能光伏商品，包括太陽能路燈、草坪燈、太陽能交通信號(hào)燈以及太陽能景觀照明等。由于成本很高，并網(wǎng)光伏發(fā)電目前還處于示范階段。[7]光伏產(chǎn)業(yè)包括多晶體硅原材料制造、硅錠/硅片生產(chǎn)、太陽電池制造、組件封裝和光伏系統(tǒng)應(yīng)用等，還有一些與整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)，如各環(huán)節(jié)的專用材料制造、專用設(shè)備制造，專用檢測(cè)設(shè)備制造以及光伏系統(tǒng)平衡部件制造等。[8]2002年，國(guó)家計(jì)委啟動(dòng)“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過光伏發(fā)電和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)（西藏、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西和四川）700多個(gè)無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏用量達(dá)到15.5MWp。[9]該項(xiàng)目大大刺激了光伏工業(yè)，國(guó)內(nèi)建起了幾條太陽電池的封裝線，使太陽電池的年生產(chǎn)量迅速達(dá)到100MWp（2002年當(dāng)年產(chǎn)量20MWp）。[9]為了促進(jìn)我國(guó)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可再生能源中長(zhǎng)期規(guī)劃提出的發(fā)展目標(biāo)，2007年國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)了“大型并網(wǎng)光伏示范電站建設(shè)計(jì)劃”[10][11]，加快解決日照資源豐富的西部八?。▋?nèi)蒙古、云南、西藏、新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西）無電鄉(xiāng)用電問題，明確要求并網(wǎng)光伏示范電站建設(shè)規(guī)模應(yīng)不小于5兆瓦，同時(shí)明確了大型并網(wǎng)光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)通過招標(biāo)確定。[12][13]圖1中國(guó)太陽電池年產(chǎn)量和年裝機(jī)自2002至2008年，中國(guó)大陸的太陽能電池組件的產(chǎn)能以每年3位數(shù)(即年增長(zhǎng)率超過100%)的速度不斷增長(zhǎng)。[14]值得注意的是，中國(guó)2007年太陽能電池/組件生產(chǎn)能力達(dá)到2900MWp，太陽能電池年產(chǎn)量達(dá)到1088MWp，超過日本和德國(guó)，已躍居世界第一大光伏電池生產(chǎn)國(guó)。[15]2008年中國(guó)太陽能電池生產(chǎn)能力已達(dá)到5GWp，太陽能電池年產(chǎn)量達(dá)到2000MWp。但是生產(chǎn)的太陽電池98%以上用于出口。[16]圖1和表3給出自1990年以來中國(guó)光伏市場(chǎng)的發(fā)展進(jìn)程。表3中國(guó)太陽電池年產(chǎn)量和年裝機(jī)比較（MWp）年度199019952000200220042005200620072008年產(chǎn)量0.51.553.3105020037010882000年裝機(jī)0.51.553.320.31051020403本文完成的主要研究工作本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)平臺(tái)的太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。[17]主要研究工作一是分析國(guó)內(nèi)外太陽能應(yīng)用的發(fā)展情況，太陽能追光技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及嵌入式技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)狀。[18][19]二是要完成跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括：跟蹤系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)選型，跟蹤系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)。[20]三是要同時(shí)完成跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)畫出相應(yīng)的電氣圖。參考文獻(xiàn)：[1]鄭小年，黃巧燕．太陽跟蹤方法及應(yīng)用[J]．能源技術(shù)，2003，24（4）：149-151.[2]李敏．太陽光照明的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2008.[3]P.A.Davies.SUN-TRACHINGMECHANISMUSINGEQUATORIALANDECLIPTICAXES，SolarEnergy，1993，50（6）：487-489．[4]WilliamA．LynchandZiyadM．Salameh．SIMPLEELECTRO-OPTICALLYCONTROLLEDDUALAXISSUNTRACKER，SolarEnergy，1990，45（2）：65-69．[5]張迎勝．子午坐標(biāo)雙軸完合跟蹤系統(tǒng)[J]．太陽能學(xué)報(bào)，1992，13（3）：298-302．[6]張順心，宋開峰，范順成．基于并聯(lián)球面機(jī)構(gòu)的太陽跟蹤裝置研究[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（6）：44-49．[7]饒鵬，孫勝利，葉虎勇．兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)的研制[J]．控制工程，2004，11（6）：532-535．[8]方玲李，曉波，廖蘭蘭，朱志華．提高太陽能電池板光電轉(zhuǎn)化率的研究[J]．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2008，16（11），3-3．[9]許穎．非晶體/單晶體異質(zhì)結(jié)合電池的研究[J]．中科院半導(dǎo)體所，2007，33（5）：26-27．[10]張起勛，于海業(yè)．太陽能及提高其利用率方法綜述[J]．農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畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：1本課題要解決的問題1.1分析研究光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，并確定與本課題想適應(yīng)的路徑規(guī)劃；1.2如何設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)中的功率調(diào)整電路；1.3如何設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)中的BUCK變換電路；1.4如何設(shè)計(jì)逆變主電路；1.5如何完成基于IR2110的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；1.6如何完成濾波電路設(shè)計(jì)；1.7如何完成反饋電路設(shè)計(jì)；1.8控制軟件設(shè)計(jì)；1.9仿真模擬電路，仿真調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題（數(shù)據(jù)類型的匹配問題等）如何解決；2本課題擬采用的研究途徑2.1系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)及硬件電路結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)主要由整流濾波電路、直流斬波電路、推挽逆變電路、匹配電路、換能器和反饋電路等部分組成。電源輸入為交流市電，在進(jìn)行了整流濾波后，得到大約300V左右的直流電。光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：圖1光伏發(fā)電整體結(jié)構(gòu)框圖2.1.1光伏陣列機(jī)理建模單個(gè)光伏電池的建模及其參數(shù)求解方法,而一個(gè)光伏組件是由多個(gè)光伏電池串并聯(lián)而成。因此這里推導(dǎo)一下光伏電池模型之間的關(guān)系。(這里的前提是假設(shè)組成光伏組件的所有光伏電池都完全一樣)。光伏陣列結(jié)構(gòu)圖用于調(diào)壓的降壓BUCK變換器電路與直流變換器相比，為了降低輸出紋波，在輸出端接電感、電容濾波電路，為續(xù)流二極管。其輸出電壓平均值，總是小于輸入電壓。通過電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波,電感和電容的數(shù)值。在電路中，主開關(guān)管和續(xù)流二極管的選擇尤為重要。根據(jù)實(shí)際情況，選用IRF460LC型的作為電路的主開關(guān)管，采用HER106作續(xù)流二極管。2.1.2系統(tǒng)個(gè)設(shè)計(jì)思想和目標(biāo)在地球表面的任何位置，太陽光線的方向不僅在一天的時(shí)間里都在時(shí)時(shí)的改變，而且一年里的每一天都在變化，因此，太陽光線的方向隨著位置的不同而不同。太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是光電檢測(cè)面時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)太陽，也就是太陽光線的入射角為0度。它與太陽能電池組合，使光電檢測(cè)面與太陽能電池平面平行，當(dāng)采光面對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，太陽能電池也對(duì)準(zhǔn)太陽，能吸收到最大日照量。早晨，光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)太陽光的光照強(qiáng)度，判定是晴天還是陰天，若為白天，則啟用光電檢測(cè)跟蹤模式，步進(jìn)電機(jī)將帶動(dòng)光電檢測(cè)頭開始搜索跟蹤太陽的位置，使其逐漸對(duì)準(zhǔn)太陽；隨后系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)等待狀態(tài)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止工作；當(dāng)太陽偏離一定角度后，光電檢測(cè)頭再次開始搜索跟蹤太陽，如此循環(huán)直到太陽落山；在跟蹤過程中，當(dāng)遇到陰天和雨天時(shí)，為了節(jié)省功耗，系統(tǒng)進(jìn)入暫停等待狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)停止工作，不盲目跟蹤，減少系統(tǒng)功耗和機(jī)械磨損；當(dāng)由陰天變?yōu)榍缣鞎r(shí)，系統(tǒng)啟用太陽角度跟蹤模式進(jìn)行跟蹤，調(diào)整到位，隨后進(jìn)入光電檢測(cè)跟蹤模式；當(dāng)太陽落山之后步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽能電池由向西方返回到向東方的初始位置，隨后整個(gè)系統(tǒng)停止工作，只需為定時(shí)器和傳感器控制子程序留有一個(gè)弱電控制電源即可。當(dāng)遇到破壞性大風(fēng)天氣時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽能電池到最佳傾斜角位置，之后電機(jī)停止工作；遇到太陽能電池板溫度過高，能自動(dòng)偏離最佳角度，以降低電池的聚光度，從而達(dá)到降溫的目的。太陽能電池板接收垂直的太陽光照時(shí)，其輸出的功率并不一定是最大的，為了使其在最大功率點(diǎn)工作，因此需采集太陽能電池的參數(shù)（電壓、電流、溫度），并將采集到的參數(shù)處理后以無線通信的方式發(fā)送到接收端的單片機(jī)經(jīng)處理通過RS232串行通信，在PC機(jī)顯示。與PC機(jī)通信時(shí)有線通信方式成本較高，通信距離較短，本系統(tǒng)采用無線通信方式，克服了距離問題，而且減少了成本。在進(jìn)行太陽角度跟蹤模式時(shí)，需知當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間、日期、經(jīng)度和緯度，計(jì)算出太陽的高度角和方位角，以往的跟蹤器都是利用時(shí)鐘芯片來獲取時(shí)間日期，而經(jīng)緯度信息需在編程時(shí)設(shè)定好，應(yīng)用時(shí)得不到推廣，本系統(tǒng)采用GPS模塊來獲取時(shí)間、日期、經(jīng)度和緯度信息，系統(tǒng)上電，AVR單片機(jī)就可以讀取所需的信息，系統(tǒng)方便簡(jiǎn)單。2.1.3系統(tǒng)的控制原理光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)太陽的位置偏差信號(hào)送入ATmega64L單片機(jī)，經(jīng)處理，由太陽位置偏差計(jì)算步進(jìn)脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)使機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)太陽能電池修正偏差和角度，實(shí)現(xiàn)跟蹤目的。通過讀取GPS模塊的數(shù)據(jù)信息，判斷白天和黑夜。光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)晴天和陰天，晴天時(shí)，啟用光電檢測(cè)跟蹤模式；陰時(shí)系統(tǒng)處于暫停等待狀態(tài)；由陰天變晴天時(shí)啟用太陽角度控制模式，此時(shí)通過讀取GPS模塊提供的時(shí)間日期和經(jīng)緯度信息，計(jì)算太陽的高度角和方位角，確定太陽的位置。風(fēng)速傳感器采集當(dāng)時(shí)的風(fēng)速信號(hào)，大于設(shè)定值之后，電機(jī)帶動(dòng)太陽能電池板至最佳傾斜角位置，之后電機(jī)停止工作。天黑之后，為了節(jié)省功耗，系統(tǒng)斷電停機(jī)。在跟蹤的過程中，電池參數(shù)采集模塊將在線采集太陽能電池的參數(shù)，經(jīng)調(diào)理之后送入單片機(jī)，處理之后送入無線發(fā)射模塊，通過天線發(fā)射出去。接收端接收數(shù)據(jù)送