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1、目录摘要I1 引言11.1课题的目的意义11.2课题设计的内容22 太阳能光伏发电系统概述32.1 太阳能光伏发电的原理及其组成32.2太阳能光伏发电系统的分类52.3太阳能光伏产业现状及发展趋势62.4光伏自动跟踪系统的基本原理73 硬件设计93.1 自动跟踪整体设计方案93.2光敏电阻简介及其工作原理93.3 AD0809芯片简介及工作原理123.4 80C52单片机硬件结构133.5 ULN2003的简介绍153.6 步进电机简介164电路设计194.1总体电路设计194.2 单片机最小系统设计194.2.1电源电路204.2.2 时钟电路204.2.3 复位电路214.3电压采集电路设
2、计214.4 电机驱动电路设计225 软件设计235.1软件设计的整体方案235.2 编程语言的选择235.3 跟踪系统主程序设计245.5电机驱动程序设计246 结束语26参考文献27致谢28摘要研制一种新型，低成本的跟踪系统，提高太阳能光伏电池的发电效率。采用AD0809芯片进行AD转换，控制系统采用C8052单片机，用ULN2003芯片驱动步进电机，实现自动跟踪太阳光线。这个跟踪系统基本能够满足太阳能电池板自动跟踪太阳，而且成本低、结构简单、可操作性强。本课题研制的自动跟踪系统具有可靠性较高、成本低等特点。关键词：光敏电阻、单片机、AD转换、步进电机I1 引言在21世纪，电能是社会发展不
3、可或缺的重要能源，但是电能的生产、变换、使用在很大程度上影响到环境，少一点电能的生产使用能换得少一点的环境的污染。然而社会的生产发展必然要增加电力的需求，这便要求我们节约电力，减少电力的浪费。近年来，资源和环境问题日益成为全球关注的热点问题，随着资源的不断减少，以及环境的日益恶化，人们逐渐认识到在利用能源发展经济，满足自身需求的同时，不能以自然资源的迅速消耗和环境的恶化为代价。与此同时，世界各国对其面临的资源和环境问题达成共识，应该大力发展，推广可再生能源的使用。研究和实践表明，丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源，以其独特的优势而成为人们重
4、视的焦点。现在很多国家都加大了对太阳能光伏发电技术的研究，并制定了相关的政策鼓励太阳能产业的发展，使得光伏产业成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。就目前而言，太阳能光伏发电成本较高，但从长远看，随着技术的进步，以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可能在不久的将来成为主流能源，有着不可估量的发展潜力。因此，我们应该对光伏发电的发展充满信心【1】。由于光伏发电成本太高，世界各国都在进行各种实验，以提高光伏电池的光电转换效率，进而降低成本。其主要有以下三种方法：（1）积极改进电池制造工艺，采用新的工艺以提高光伏电池转换效率，降低成本；【2】（2）采用自动跟踪的方法，使光电池随着太阳位置而变化，始
5、终保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，这样会大大提高转换效率。理想情况下，该方法比固定太阳能板转换效率提高了30%以上。【3】（3）采用最大功率跟踪技术，使光伏电池一直工作在最大功率处，也可以提高光伏电池的输出的能量，提高转换效率，降低了成本。本课题主要是设计一种低成本，简单易行自动跟踪的方法从而提高电池的转换效率，以达到家用太阳能光伏系统的优化的目的。1.1课题的目的意义众所周知，我国是一个发展中的大国，同时也是个资源消耗大国，而人均资源储量又偏低，因此快速的工业化过程和巨大的消费性需求使我国对资源对外具有很强的依赖性，环境污染和能源短缺已经直接威胁我国的可持续性发展。与此同时，我国很多居住在
6、偏远地区的人们还用电困难，这些客观条件迫使我们更加努力的寻找和开发新能源，而家用太阳能光伏发电系统就是其一。因此大力发展家用光伏发电产业已经势在必行了，世界各国也正在研究和完善家用光伏发电系统。这些年，太阳能光伏发电系统虽然发展的很快，但仍然存在很多问题需要改进及提高。本课题将对家用光伏发电系统进行优化设计，从而提高其发电效率。1.2课题设计的内容 了解太阳能光伏发电系统的结构及种类，考虑地理位置，朝向，季节的不同，根据家庭使用独立发电的特点，利用所学知识研制一种新型，低成本的自动跟踪系统，提高太阳能光伏电池的发电效率，设计优化方案使光能利用最大化，做到使同样的太阳能组件发的电最多，并将该优化
7、方案应用于家用太阳能光伏发电系统中。2 太阳能光伏发电系统概述2.1 太阳能光伏发电的原理及其组成地球表面接收的太阳辐射能量能够满足全球能源需求的1万倍。地球每平方米平均每年接收到的辐射可产生1700KW.h电。国际能源署数据显示，在全球现有沙漠表面积的4%上安装太阳能光伏系统，就足以满足全球能源需求。太阳能光伏享有广阔的发展空间，其潜力十分巨大【4】。太阳能发电又分为光伏发电、光化学发电、光生物发电等种类。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化为电能的直接发电方式。光伏发电是当今太阳能发电的主流。与常规发电和其他绿色发电技术相比，太阳能光伏发电有以下特点和优势【5】：
8、1、太阳能光伏发电安全可靠，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，可就近供电，不必长距离运输，因而避免了输电线路上的电能损失；3、太阳能不用燃料，运行成本很低；4、发电部件不易损坏，维护简单；5、光伏发电不产生任何废物，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，与燃煤电厂相比，每年可少排放二氧化碳600-2300kg，一氧化氮16kg，二氧化硫9kg及其它微粒0.6kg。一个4KW的屋顶家用光伏系统，可以满足普通家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳的量数量相当一辆家用轿车每年的排放量；6、光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅
9、可用于小到太阳能计算器的几个毫安，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【6】。 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳辐射能转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，成本较高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可大幅度降低成本，而且具有更高的效率和更好的环保性能【7】。本课题研究的是独立运行的光伏发电系统，该系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成
10、的。图2-1-1就是家用太阳能光伏发电系统的示意图【8】:2-1-1 家用太阳能光伏发电系统图太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是直接将太阳能转化为电能，在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种【9】。太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压；快速、平稳、高效的为蓄电池
11、充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的寿命；同时保护蓄电池，避免过充和过放电现象的发生。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的控制器是必不可少的设备【10】。逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于
12、几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：a、 过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。蓄电池（组）：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2V； 200Ah
13、以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12V。2.2太阳能光伏发电系统的分类 光伏发电系统按是否与电网相连可分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种【11】。独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。其机构框图如图2-2-1：直流负载蓄电池CD/DC太阳能电池板控制器逆变器交流负载2-2-1 独立光伏发电系统结构框图并网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。其结构框图如图2-2-2：电网交流负载逆变器CD/DC太阳能电池板控制器2-2-2 并网光伏发电系统结构框图混合型光伏发电系统区别上两个系统的是增加了一台备
14、用的发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，他既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。其结构框图如图2-2-3：直流负载交流负载蓄电池逆变器控制器太阳能电池板主开关发电机组2-2-3 混合型光伏发电系统结构框图2.3太阳能光伏产业现状及发展趋势能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续性发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力扶持下，光伏产业迅速发展。 世界光伏产业和市场发展的一个突出特点是：光伏发电在能源中的替代功能越来越大，主要表现在并网发电的应用比例增加的非常快，并成为光
15、伏发电的主导市场。世界光伏发电市场的增长主要得益于德国、日本和美国的鼓励政策。目前70%以上的太阳能电池用于并网发电系统。美国、日本和欧洲都制定了各自的光伏发展路线，表2-3-1给出了这三个国家的光伏发展路线和发展目标的比较：表2-3-1 光伏发电成本预测年份200420102020日本（日元/KW.h）302314欧洲（欧元/KW.h）0.250.180.1美国（美元/KW.h）0.180.130.1依靠中国半导体设备行业数十年来的技术积累，通过和一流光伏电池企业的深度合作，经过连续多年的不懈努力，中国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造设备的整线装备能力。在目前国产设备及进口设备混搭的主流建线方案中，国产设备在数量上已占多数。 目前，中国光伏设备企业从硅材料生产、硅片加工到太阳能电池芯片的生产以及相应的纯水制备、环保处理、净化工程的建设，已经初步具备成套
