電氣工程與自動化系畢業(yè)設(shè)計答辯

1、.,畢業(yè)答辯,.,太陽光自動跟蹤儀系統(tǒng)設(shè)計,姓名：XXXXX 學(xué)號：XXXXX 指導(dǎo)老師：XXXXX,.,結(jié)論,第1章 緒論太陽能光伏發(fā)電概述,第2章 光伏電池的研究和分析,第3章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計,第4章 自動跟蹤系統(tǒng),第5章 軟件流程,.,1.,緒論太陽能光伏發(fā)電概述,新能源已成為全球性能源的重要組成部分，開發(fā)了利用新能源已成為世界發(fā)展的大趨勢，新能源戰(zhàn)略也成為新不發(fā)達(dá)國家占領(lǐng)國際市場競爭新的制高點(diǎn)，主導(dǎo)全球價值鏈的新王牌。短期內(nèi)盡管新能源還無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化能源，但是世界范圍內(nèi)能源的供給緊張以及應(yīng)對氣候變化為新能源發(fā)展提供了廣闊的空間，新能源將會為世界環(huán)境及經(jīng)濟(jì)做出巨大貢獻(xiàn)

2、,新能源開發(fā)的現(xiàn)狀和意義,基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池板、DC/DC變換裝置、儲能裝置、電能輸出變換裝置、控制器五大部分（如圖1-1）。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光伏電池板部分可以采用聚光器，常用的聚光器有拋物槽、菲涅耳透鏡、CPC聚光器、熒光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它們都可以不同程度的提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率。光伏電池產(chǎn)生的電流通過DC/DC變換裝置可以直接供給各種直流負(fù)載，同時為儲能裝置充電。儲能裝置一般采用蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池。在聯(lián)網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)中還要有交流聯(lián)網(wǎng)裝置和電能計量裝置。控制器為整個系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測，并根據(jù)預(yù)設(shè)和判斷做出控制指令，使

3、系統(tǒng)能夠自動穩(wěn)定運(yùn)行，并工作于最佳狀態(tài)。如果有自動跟蹤裝置，也是由同一個控制器進(jìn)行集中控制，來跟蹤太陽位置的變化。,獨(dú)立光伏發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)主要部分如圖中A點(diǎn)左側(cè)所示，主要包括聚光器，對太陽的跟蹤，最大功率點(diǎn)的跟蹤，以及對蓄電池沖放電的控制。,.,2.,光伏電池的研究與分析,光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。 它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池；化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化稼光伏電池等。目前大規(guī)模使用的主要是單晶硅和多晶硅電池，因?yàn)槠滟Y源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高（澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將

4、單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到24%），所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。,光伏電池的原理,為光伏電池的單元模型和外觀。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不單獨(dú)作為電源使用。將每個單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽能發(fā)電機(jī)（Solar Generator）”。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的：既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部分，也不排出氣體，是清潔的、無噪聲的發(fā)電機(jī)。,單個光伏電池的模型和外觀,光伏發(fā)電的伏安特性:在一定光照強(qiáng)度、特定溫度下，由電池負(fù)載外特性，來直接反映電池的輸出功率。 光伏電池的特性曲線由它的P-

5、N結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。在不同的光照強(qiáng)度下，光伏電池會有不同的輸出特性曲線，曲線上的工作點(diǎn)（曲線上的任何一點(diǎn)都可以是工作點(diǎn)）對應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別對應(yīng)工作電壓、工作電流，輸出功率為工作電壓和工作電流之積：P=VI。如圖所示。,光伏發(fā)電的I-V、P-V曲線,光伏電池的I-V和P-V特性曲線,光伏電池的主要參數(shù),1. 開路電壓 Voc：即在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，面板的正負(fù)極斷開，量取的電壓。,2. 短路電流 Isc：即在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，面板的正負(fù)極直接相連的電流。,4. 最大功率點(diǎn)電流 Impp：在組件最大功率點(diǎn)的組件輸出電流。,3. 最大功率點(diǎn)電壓 Vmpp：在組件最大功率點(diǎn)的組件輸出電壓。,5

6、. 填充因子 FF； FF（Impp/Isc)*(Vmpp/Voc)。,6. 組件的最大功率點(diǎn)功率：在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，組件的最大輸出功率。,7. 組件的轉(zhuǎn)換效率：組件將光能（AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜）轉(zhuǎn)換成電能的效率。,8. 光伏組件的伏安特性：組件在不同光照條件或溫度條件下的，組件輸出電流和電壓的曲線。,9. 光伏組件的PV特性：組件在不同光照條件或溫度條件下，組件輸出功率和輸出電壓的曲線。,10. 溫度對開路電壓的影響系數(shù)：溫度對開路電壓影響的比例。,11. 溫度對短路電流的影響系數(shù)：溫度對短路電流影響的比例。,太陽的光照強(qiáng)度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響,圖2-5中的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)

7、度和環(huán)境溫度下得到的，在實(shí)際運(yùn)用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會隨著兩者的變化而變化。,圖2-6不同日照強(qiáng)度下的光伏特性 （a）光伏電池的伏安曲線；（b）光伏電池的功率電壓曲線 從實(shí)驗(yàn)中得到，電池的開路電壓近似的與光強(qiáng)的對數(shù)成正比。光強(qiáng)從200-1000W/m,開路電壓變化比較平穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時，所測量的開路電壓相差不大；而天空光線極差時，開路電壓會直線下降，幾乎為0。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加 所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會隨光強(qiáng)的增加而增加。對于一個給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn)換效率決定了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)

8、換效率是極其重要的。,而這個結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。,.,3.,光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計,利用光學(xué)系統(tǒng)（反射或折射器）使較大面積的入射光聚集在較小面積上，提高單位面積上的入射光強(qiáng)度。對于給定的總能量，聚集在較小的面積上意味著較小的熱量損失。雖然太陽光經(jīng)過會聚之后會造成一定的光學(xué)損失，流失一部分能量（相對較少），但實(shí)驗(yàn)表明在一定程度的光線會聚之后，工作溫度有一定程度的提高。具體的聚光器工作原理和性能特點(diǎn)在下文中將予以詳細(xì)的分析。,太陽能聚光器的工作原理,菲涅爾聚光器是一種使透射的入射光折射聚焦的聚光

9、器，聚光器一面為平面，另一面為按照一定寬度和角度設(shè)計的鋸齒棱角，如圖3-5所示，它可以設(shè)計成點(diǎn)聚焦式（圓盤鏡），也可以設(shè)計成線聚焦式（長條鏡）。,菲 涅 爾 透 鏡 聚 光 方 式,折 射 式 菲 涅 爾 聚 光 器,通過對以上三種典型的聚光器的分析對比可知，對于太陽能中溫工業(yè)所需要的基本工作溫度來說，三種聚光器的性能相差不多，選擇的關(guān)鍵就是成本問題。拋物面反射鏡的制造成本高，同時需要跟蹤裝置，成本相對最高；復(fù)合拋物面鏡的制造成本也很高，雖不需跟蹤裝置，但是使用的方便性有所降低；菲涅爾聚光器的成本非常低廉，制造工藝也非常簡單，適合大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。如果有了高精低廉的跟蹤裝置相配合，同時對目前存在

10、的一些問題進(jìn)行研究解決，其發(fā)展前景非常廣闊。,.,4.,自動跟蹤系統(tǒng),自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽跟蹤平臺,自動跟蹤系統(tǒng)的工作原理 自動跟蹤系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由單片機(jī)、傳感器、步進(jìn)電機(jī)等組成。它的基本原理是：當(dāng)太陽光照射到傳感器上時，把電池列陣和太陽位置偏差（即列陣平面與陽光不垂直時）給出的傳感信號，經(jīng)過前置放大器放大、電壓跟隨器后保存到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行一定的處理后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使聚光器隨著太陽移動而移動，從而達(dá)到跟蹤的目的。 自動跟蹤系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的工作過程是：從早上時開始跟蹤太陽位置的變化，使聚光器始終接收到最強(qiáng)的太陽輻射，當(dāng)太陽落下或者天空光線極差時，聚光

11、器自動回復(fù)到朝向東方的初始位置，再檢測到太陽升起或天空光線變強(qiáng)時，繼續(xù)跟蹤最強(qiáng)的光照,.,圖5-11照度電阻特性,光敏電阻分別與滑動變阻器、和兩個5K的電阻共同構(gòu)成惠斯電橋。如圖所示。該型號的電阻值較小，所以滑動變阻器比較難容易得到，電橋比較容易組建。電壓前置放大器為差動放大器，它將橋臂的輸出信號放大，再經(jīng)電壓跟隨器741，由單片機(jī)ADC812內(nèi)置12位高精度的自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。電壓跟隨器作用是提高電壓信號的負(fù)載能力，防止信號受A/D負(fù)載的影響。有3路這樣的電橋同時采集信號到單片機(jī)中。,傳感器光敏二極管的工作過程,光敏二極管CDS是一種電阻值隨光照強(qiáng)度變化而變化

12、的感光電阻，本系統(tǒng)采用3個光敏電阻作為傳感器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置。 光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見光的測量。選用的型號是GL5516，它的暗電阻為100K歐，亮電阻為5l0K歐。CDS的阻值變化與光照的變化之間的關(guān)系是線性的，它的阻值的變化是在一個范圍內(nèi)沿著一條直線上升或下降，如圖所示。3個光敏電阻中，CDS1用于判斷是白天還是黑夜，另外兩個光敏電阻CDS2和CDS3用于測量聚光器與太陽位置的偏差，CDS1的優(yōu)先級高于CDS2和CDS3。,步進(jìn)電機(jī)及其特性,步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。,步進(jìn)電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)的一鐘，其工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的、多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能可以正常運(yùn)行工作。,基于單片機(jī)ADC812控制的驅(qū)動電路,UC3717驅(qū)動電路 UC3717是一種用來驅(qū)動二相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片。它由可控制邏輯輸入端，電流傳感器，含有內(nèi)置式保護(hù)二極管的單穩(wěn)態(tài)輸出端組成。兩片UC3717和一些外部元件可以組成一個完備的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。,