1吕钞终期报告.docx
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1吕钞终期报告
本科毕业设计(论文)
题目:
太阳能光伏发电光源跟踪控制系统设计——软件部分
院(系)电子信息系
专业电气工程及其自动化
班级080306
姓名吕钞
学号08030652
导师师公社
2012年5月
西安工业大学毕业设计(论文)任务书
院(系)电信学院专业电气工程及其自动化班080306姓名吕钞
学号08030652
1.毕业设计(论文)题目:
太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——软件部分
2.题目背景和意义:
随着现代社会的发展及资源的匮乏。
目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。
在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天,此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。
本设计基于典型的光电传感器检测、放大等环节,借助于计算机处理及控制,通过电力电子及运动控制技术,实现太阳能光伏发电系统光电池阵列对太阳的实时最佳跟踪,从而获得最大电能输出。
3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):
自主设计一个典型单片机系统,含以下部分及功能:
I.典型51内核的单片机系统(推荐采用Silabs公司的C8051F系列、STC公司的STC12C/10F系列)。
II.10-12位的光电池阵列朝向(电压)信号采集、滤波等处理。
III.典型调节算法。
IV.电机随动跟踪驱动控制(PWM直流调速或步进控制)。
V.常规可靠性设计。
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
毕业设计(论文)工作12年02月22日起至12年06月24日止
毕业设计(论文)进行地点:
未央校区教D楼217室
作为毕业设计,应完成以下工作:
I.熟练掌握专业电工、电子(模、数)技术。
II.掌握太阳能光伏发电光源跟踪控制系统结构、工作原理等专业技术。
III.熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。
(3月上旬前)
IV.系统软件设计。
V.系统软件通过计算机编辑、编译。
(4月下旬前)
VI.在通过仿真软调的基础上,进行系统联机调试。
(5月下旬前)
VII.写出毕业论文(电子版)。
(6月上旬前)
5.毕业设计(论文)的工作量要求:
I.论文(字数):
2-3万字
II.外文翻译(字数):
5000字以上
①实验(时数)*或实习(天数):
20天
②图纸(幅面和张数)*:
SCH、PCB图(A4图幅4份以上)
③其他要求:
参考文献(篇数):
15篇以上(含3篇以上外文)
指导教师签名:
年月日
学生签名:
年月日
系(教研室)主任审批:
年月日
说明:
1本表一式二份,一份由学生装订入附件册,一份教师自留。
毕I-2
2带*项可根据学科特点选填。
太阳能光伏发电光源跟踪控制系统设计————软件设计
摘要
随着现代社会的发展及资源的匮乏,目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。
在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天,此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。
太阳能是一种非常具有开发潜力的能源,世界各国都在积极开发利用太阳能。
我国太阳能的利用,在近十年发展得非常迅速,但是我国的太阳能利用技术还比较落后,且太阳能利用的局限性很大。
为了进一步扩大太阳能的利用范围,提高太阳能的利用率,本文开发了一套太阳跟踪与驱动系统,该系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直,其结构简单、成本低廉且跟踪精度高,可用于太阳灶、太阳能热水器等各种太阳能装置上,具有一定的实用价值。
设计的太阳跟踪与驱动控制系统主要由三大部分构成:
传感器、控制器、机械跟踪平台。
传感器由独立的四片光电池组成,用于大范围跟踪太阳,控制器软件以单片机C8051F330为核心,完成了控制器的软件设计和制作,系统的软件部分包括AD转换程序和中断程序以及步进电机的驱动程序等。
关键词:
太阳能,传感器,控制器,跟踪平台
Solarphotovoltaicenergysourcestrackingcontrolsystem
——Thesoftwarepart
Abstract
Withthedevelopmentofmodernsocietyandthelackofresources.Peopleonsolar,windandothergreencleanenergydemandarebecomingintense.Intoday,computer,optical-electronic,powerelectronic,powerelectronicsandothermanufacturingandapplicationtechnologyisbecomingmature,thisalsoattracttheattentionofscientificworkersandhasbecomeahottopic.
Solarenergyisakindofenergywithgreatpotentialdevelopment,andmanycountriesistryingtoutilizeit.Theuseofsolarenergyisdevelopedveryfastinourcountryinrecenttenyears.Butthetechnologyofutilizingsolarenergyisstillrelativelybackward,andtheapplicationofsolarenergyisrestrictedbymanyfactors.Towidentheuseofsolarenergyandincreasetheutilizationofsolarenergy,thesolarenergytrakinganddrivingsystemisdesignedinthispaper.Thesystemcanguaranteethatthedeviceiceofutilizingsolarenergyisverticaltosunstreams,andithassimplestructure,lowcostandhightrackingprecision.Thesystemcanbeusedinmanykindsofsolarinstallationssuchassolarcookerandsolarwaterheater,andithascertainpracticalvalue.Inthepaper,thedesignedsolartrackinganddriveplatform.Thesensorismainlycomposedoffourphotocellwhichcouldachievelarge-scaletrackingthesun.C8051F330isusedasthecoreinthecontroller.circuitdesignandproductionareaccomplished.TheSoftwaresystemcircuitsarecomposedofanaloginputcircuit,themotordrivecircuit,powercircuitandsoon.
KeyWords:
Solar,controller,trackingplatform
1绪论
1.1课题背景
1.1.1发展太阳能的背景
能源是人类生存发展必须具有的基本资源。
从古至今人类获得能源的途径可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。
地上能,源主要是植物能源(柴、草),还有水能、风能等,在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代,或称地上能时代。
到了现代工业经济社会阶段,主要是煤石能源(煤炭、石油、还有天然气、地热能等),可称为煤石能时代,或地下能时代。
随着世界经济的发展进入21世纪以来,各国对能源的消耗以日俱增。
能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战,作为世界主要能源的石油,其价格居高不下,前期每桶原油最高单价已突破100美元。
虽然人类的科学技术正在高速发展,但面对石油这些不可再生性的资源,必须在其耗尽之前寻找到替代能源,否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。
资料表明,按照现在已经探明的储量及开采速度,到21世纪80年代,石油、天然气资源将枯竭。
到22世纪20年代,煤资源也将被耗尽。
即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈,也存在资源短缺的间题,已探明储量的铀矿资源也将在2030年前开采完。
从我国的能源利用状况来看,自上世纪70年代初开始,我国已经经历了三次大的能源危机:
1970-1984年间持续的能源供应紧张局面使全国约25%的企业开工不足;1988年再次出现类似情况,农业用电缺口超过60%,推动煤炭价格在当年涨幅达到87%,成为1989年以后小煤窑遍地开花的驱动力;2000年以来伴随着国际能源危机的逐步加深,我国能源供应紧张,主要常规能源的价格涨幅已达103%,大量进口石油引起国际社会的严重关切,能源已成为国家安全的重要影响因素。
资料表明,作为世界上最大的发展中国家,我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯,居世界第3位;基本能源消费占世界总消费量的10.4%,仅次于美国,居世界第2位,可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。
2005年一次能源消费量为15.4亿吨油当量,到本世纪中叶我国全面达到小康水平时,
一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。
然而2005年,世界人均一次能源消费量为1.65吨油当量,日本、美国分别为4.13吨和7.97吨油当量,而中国仅为1.18吨油当量,约为世界平均水平的3/4、日本的1/4、美国的1/7。
预计到2010年,我国石油供需缺口1亿吨,天然气缺口400亿立方米。
而且,随着中国的工业化和城市化进程,在基础设施建设和民用建筑阶段,能源需求量特别大,目前能源消费总量已经接近欧盟15国的总量。
值得注意的是,过去二十多年来,我国汽车保有量以年均2%的速度迅速增加,亚太能源研究中心的预测,2020年我国交通部门的用能比例将增长到16%。
与此同时,能源资源相对短缺又制约了我国能源产业的发展,能源技术相对落后影响了能源供给能力的提高。
目前,国内的能源生产已经远远不能满足高速经济增长,能源进口量持续增加,能源对外依存度在7%左右,其中石油对外依存度在43%左右。
有专家预测,到2020年前后,中国有可能成为世界第一大油品进口国。
就我国实际情况来看,我国太阳能资源非常丰富,理论储量达每年17000亿吨标准煤。
我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上,西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。
年日照时数大于2000小时。
与同纬度的其它国家相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,因而有巨大的开发潜能。
近20年来,中国光伏产业长期维持在全球市场1%左右的份额。
2003、2004年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度增长,2003年达1.2万千瓦,约占世界份额的2.2%,2004年达3.5万千瓦,约占3%。
为解决我国的能源短缺问题,太阳能发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色。
国务院参事、中国可再生能源协会理事长石定寰在上海召开的“第二届中欧国际太阳能光伏产业发展论坛”上预计,2010年中国太阳能光伏发电装机容量达1GW,2015年预计达5GW,2O2O年达20GW。
而2005年,全国太阳能发电装机容量仅为6.5MWp,这就意味着在未来的几年内,中国太阳能装机容量的复合增长率将会高达38%以上。
根据电力科学院的预测,到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%,其中光伏发电占到5%。
国内太阳能电池产业主要应用在通信和工业领域(约占36%)、农村和边远地区领域(约占51%)、光伏并网发电系统(约占4%)以及太阳能商品及其它(约占9%)。
由此可见,面对日益严重的能源危机,根本出路在于尽快从采用煤石能转而采用太阳能,即从地下能时代转向天上能时代,或称太阳能时代。
太阳能比起煤石能具有众多优点,具有不断再生性,能源分布范围广泛,安全,无污染,可谓取之不尽,用之不竭,能够全面保护自然平衡与气候温度平衡,便于开发与使用等。
太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可达5.6×1012千瓦小时,相当于目前世界上能耗的40倍。
进入21世纪,全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题日益困扰着人类社会。
生态文明建设成为大势所趋,能源革命不可避免。
因此,太阳能等可再生能源产业的技术进步及世界各国政府支持已使可再生能源行业爆发式发展。
根据欧洲、日本等能源机构预测,2020年,光伏发电将占到全球发电量的1%,2040年将占到全球发电量的21%。
石油、煤、天然气等常规能源将逐步让位给生物质能、风能、太阳能等可再生能源。
在可再生能源的开发利用中,太阳能的开发利用具有更重要的地位。
太阳能在可再生能源中具有无可比拟的优越性。
如果说20世纪是石油的世纪,那么21世纪则极可能是太阳能的世纪。
1.1.2太阳能与化石能源的简要比较
a.化石能源带来的问题
(1)能源短缺.由于常规能源的有限性和分布的不均匀性,造成了世界上大部分国家能源供应不足,不能满足其经济发展的需要。
从长远来看,全球已探明的石油储量只能用到2020年,天然气也只能延续到2040年左右,即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。
因此,如不尽早设法解决化石能源的替代能源,人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。
(2)环境污染.当前,由于燃烧煤、石油等化石燃料,每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空,使大气环境遭到严重污染,直接影响居民的身体健康和生活质量;局部地区形成酸雨,严重污染水土。
这些问题最终将迫使人们改变能源结构,依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。
(3)温室效应.化石能源的利用不仅造成环境污染,同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应,引起全球气候变化。
这一问题已提到全球的议事日程,其影响甚至已超过了对环境的污染,有关国际组织已召开多次会议,限制各国CO2等温室气体的排放量。
b.太阳能是一种把太阳光转换成电能的绿色可再生能源。
与其它常规能源相比,具有以下几个特点:
(1)普遍性.太阳光照射的面积散布在地球大部分角落,仅差入射角不同而造成的光能有异,但至少不会被少数国家或地区垄断,造成无谓的能源危机。
(2)永久性.太阳的能量极其庞大,科学家计算出至少有六百万年的期限,对於人类而言,这样的时间可谓是无限。
(3)无污染性.现今使用最多的矿物能源,其滋生的问题不外是废物的处理,物体不灭,能源耗竭越多,产生污染也相对增加,太阳能则无危险性及污染性。
在人类与自然和平共处的原则下,使用太阳能最不伤和气,且若设备使用得当,装置成后所需费用极少,而每年至少可生十的十七次方千瓦的电力。
煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣,而使用太阳能时不会带来污染,不会排放出任何对环境不良影响的物质,是一种清洁的能源。
当然,大量使用太阳能之后,由於太阳能的充分利用,结果会使环境的温度稍微升高,但这种温升,不致对环境造成不良影响。
(4)太阳能是人类可以利用的最丰富的能源.据估计,在过去漫长的十一亿年当中,太阳只消耗了它本身能量的2%,今后数十亿年太阳也不会发生明显的变化,所以太阳可以作为人类永久性的能源,取之不尽、用之不竭。
它给地面照射15分钟的能量,就足够全世界使用一年。
(5)太阳能安全可性.核能发电会有核泄漏的危险,一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机,而太阳能绝对没有这种情况,是十分可靠的。
1.1.3太阳能的应用前景
世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要,而又不危及后代人前途的社会。
因此,尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源,是能源建设应该遵循的原则。
随着能源形式的变化,常规能源的贮量日益下降,其价格必然上涨,而控制环境污染也必须增大投资。
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭约占商品能源消费结构的76%,已成为我国大气污染的主要来源。
大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。
能源问题是世界性的,向新能源过渡的时期迟早要到来。
从长远看,太阳能利用技术和装置的大量应用,也必然可以制约矿物能源价格的上涨。
1.1.4世界太阳能利用现状及我国太阳能发展
太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势,其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径,是人类理想的替代能源。
当前,太阳能开发利用技术及其推广应用突飞猛进,1997年,全球太阳能电池的销售量增加了40%,成为全球发展最快的能源。
太阳能热水器已形成行业,正以其优良的性能价格比不断地冲击燃气、电热水器市场;太阳能热电站也已商业化,是大型太阳能电站的希望所在;光电技术发展更快,表现在光电转换效率的不断提高和光电池制造成本的不断下降以及各种新型太阳能电池的问世。
各国对太阳能的开发利用给予了极大关注,突出表现在各国政府推出的光伏计划,如德国的“千顶计划”,日本的“朝日七年计划”以及美国的“百万屋顶计划”等。
以色列在其房屋太阳能热水器安装率达80%的情况下,更是明文规定,凡新建房屋必须配置太阳能热水器。
我国太阳能开发利用有其成功之处,但也存在诸多问题和不足。
在综合分析我国太阳能开发利用现状的基础上,对进一步发展我国太阳能产业进行了如下思考:
①重视太阳能开发利用,迎接太阳能经济时代;②加大投资力度,实施强化的光电发展战略;③加大政策优惠程度,扶植太阳能热水器行业;④发挥资源优势,转化产业优势。
在跨入21世纪之际,人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。
而能源问题将更为突出,不仅表现在常规能源的匮乏不足,更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题,如环境污染,温室效应都与化石燃料的燃烧有关。
目前的环境问题,很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的。
因此,人类要解决上述能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源。
太阳能以其独具的优势,其开发利用必将在21世纪得到长足的发展,并终将在世界能源结构转移中担纲重任,成为21世纪后期的主导能源。
1.1.5太阳能利用的基本方式
太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。
自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。
人类直接利用太阳能、已有上千年的历史,其而利用的途径主要有以下几种:
a.光热利用.它的基本原来是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。
目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。
通常根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。
目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。
b.太阳能发电.未来太阳能的大规模利用是用来发电。
利用太阳能发电的方式有多种。
目前已实用的主要有以下两种。
(1)光—热—电转换.即利用太阳辐射所产生的热能发电。
一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。
前一过程为光—热转换,后一过程为热—电转换。
(2)光—电转换.其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。
c.光化利用.这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。
d.光生物利用.通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。
目前主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻。
1.1.6我国太阳能资源分布概况
我国幅员广大,有着十分丰富的太阳能资源。
据估算,我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ,全国各地太阳年辐射总量达335~837kJ/cm2·a,中值为586kJ/cm2·a。
从全国太阳年辐射总量的分布来看,西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的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最大,那里平均海拔高度在4000m以上,大气层薄而清洁,透明度好,纬度低,日照时间长。
例如被人们称为“日光城”的拉萨市,1961年至1970年的平均值,年平均日照时间为3005.7h,相对日照为68%,年平均晴天为108.5天,阴天为98.8天,年平均云量为4.8,太阳总辐射为816kJ/cm2·a,比全国其它省区和同纬度的地区都高。
全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小,其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多,晴天较少。
例如素有“雾都”之称的成都市,年平均日照时数仅为1152.2h,相对日照为26%,年平均晴天为24.7天,阴天达244.6天,年平均云量高达8.4。
其它地区的太阳年辐射总量居中。
我国太阳能资源分布的主要特点有:
太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°~35°这一带,青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心;太阳年辐射总量,西部地区高于东部地区,而且除西藏和新疆两个自治区外,基本上是南部低于北部;由于南方多数地区云雾雨多,在北纬30°~40°地区,太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反,太阳能不是随着纬度的增加而减少,而是随着纬度的增加而增长。
按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区:
a.一类地区.全年日照时数为3200~330O小时,辐射量在670~837x104kJ/cm2·a。
相当于225~285kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
这是我国太阳能资源最丰富的地区,与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。
特别是西藏,地势高,太阳光的透明度也好,太阳辐射总量最高值达921kJ/cm2·a,仅次于撒哈拉大沙漠,居世界第二位,其中拉萨是世界著名的阳光城。
b.二类地区.全年日照时数为3000~3200小时,辐射量在586~670x104kJ/cm2·a,相当于200~225kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
此区为我国太阳能资源较丰富区。
c.三类地区.全年日照时数为2200~3000小时,辐射量在502~586x104kJ/cm2·a,相当于170~200kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。
d.四类地区.全年日照时数为1400~2200小时,辐射量在419~502x104kJ/cm2·a。
相当于140~170kg标准煤燃烧所发出
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