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毕 业 设 计 开 题 报 告
| ２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： |
| 1 本课题要解决的问题 1.1分析研究光伏发电跟踪系统的原理结构，并确定与本课题想适应的路径规划； 1.2如何设计硬件结构中的功率调整电路； 1.3如何设计硬件结构中的BUCK变换电路； 1.4如何设计逆变主电路； 1.5如何完成基于IR2110的驱动电路设计； 1.6如何完成滤波电路设计； 1.7如何完成反馈电路设计； 1.8控制软件设计； 1.9仿真模拟电路，仿真调试过程中出现的问题（数据类型的匹配问题等）如何解决； 2本课题拟采用的研究途径 2.1系统原理结构及硬件电路结构 光伏发电跟踪系统主要由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分组成。电源输入为交流市电，在进行了整流滤波后，得到大约300V左右的直流电。光伏发电跟踪系统整体结构框图如图1所示：
图1 光伏发电整体结构框图 2.1.1光伏阵列机理建模 单个光伏电池的建模及其参数求解方法,而一个光伏组件是由多个光伏电池串并联而成。因此这里推导一下光伏电池模型之间的关系。(这里的前提是假设 组成光伏组件的所有光伏电池都完全一样)。
光伏阵列结构图 用于调压的降压BUCK变换器电路与直流变换器相比，为了降低输出纹波，在输出端接电感、电容滤波电路，为续流二极管。其输出电压平均值，总是小于输入电压。通过电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波,电感和电容的数值。在电路中，主开关管和续流二极管的选择尤为重要。根据实际情况，选用IRF460LC型的作为电路的主开关管，采用HER106作续流二极管。 2.1.2系统个设计思想和目标 本文提出一种基于单片机的固定轨迹粗略跟踪与光电传感器精确跟踪的双模式太阳能跟踪控制器。定轨迹跟踪方式是使跟踪装置的控制器根据相关的公式和参数计算出白天太阳的位置，再转化成相应的脉冲发送给伺服驱动器，驱动伺服电机实时跟踪太阳。光电传感器精确跟踪控制是由普通光电传感器和暗激发光控开关电路实现，精确地跟踪太阳光信号的最强点，提高太阳光能的利用率。 聚光光伏发电（CPV）是利用光学系统将太阳光通过光学透镜汇聚到太阳能电池芯片上，利用光生伏打效应将光能转换为电能的技术。CPV发电系统主要由聚光型太阳能电池芯片、光学聚焦模组、太阳跟踪器和冷却装置组成。CPV发电模式根据聚焦模组可分为透射式和发射式两种模式，透射式聚光模组主要采用菲涅尔透镜聚焦方式，而反射式模组主要采用回转二次反射曲面聚焦方式，聚焦后的光线经过二次匀光处理后照射在高效太阳电池芯片上，以实现光电的最大转换效率见下图。
最后，完成装置的三维建模和CAD图纸。 2.1.3系统的控制原理 光电检测传感器检测太阳的位置偏差信号送入ATmega64L 单片机，经处理，由太阳位置偏差计算步进脉冲，驱动步进电机旋转并驱使机械执行机构带动太阳能电池修正偏差和角度，实现跟踪目的。通过读取GPS 模块的数据信息，判断白天和黑夜。光照强度传感器检测晴天和阴天，晴天时，启用光电检测跟踪模式；阴时系统处于暂停等待状态；由阴天变晴天时启用太阳角度控制模式，此时通过读取GPS模块提供的时间日期和经纬度信息，计算太阳的高度角和方位角，确定太阳的位置。风速传感器采集当时的风速信号，大于设定值之后，电机带动太阳能电池板至最佳倾斜角位置，之后电机停止工作。天黑之后，为了节省功耗，系统断电停机。在跟踪的过程中，电池参数采集模块将在线采集太阳能电池的参数，经调理之后送入单片机，处理之后送入无线发射模块，通过天线发射出去。接收端接收数据送入ATmega64L 单片机，最后通过串行通信方式传输至PC 机显示。 |
毕 业 设 计 开 题 报 告
| 指导教师意见： |
| 1．对“文献综述”的评语：
指导教师： 年 月 日 |
毕 业 设 计 开 题 报 告
| 1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： |
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| 文献综述 1 本课题的选题背景意义 随着现有能源的吃紧和生态环境的恶化，光伏发电系统越来越受到各国的关注，世界光伏发电的年装机容量也在大幅增长。然而，光伏发电效率低，成本高的特点制约了它的发展。因此，提高光伏发电的效率，降低成本成了各国研究的热点。[1]提高太阳能发电系统的太阳能利用率，降低发电系统建造成本是太阳能应用领域面临的两个主要难题。太阳能跟踪技术为解决这一难题提供了可能。所谓太阳能跟踪跟踪技术就是使太阳能收集器表面法线依照太阳的运动规律做相应的运动，使太阳光如射角减小的技术。所以如何降低成本提高光能利用率成了研究的重点。 2 本课题的发展历程和现状[2] 2.1光伏发电的发展历程 1863年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应” 1932年奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。 1941年奥尔在硅上发现光伏效应。 1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5% 1978年美国建成100kwp太阳地面光伏电站。 1990年德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3至5kwp光伏电池。 1995年高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。 1997年欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池。 2.2超声发生器的发展现状： 2.2.1国外发展现状 自1839年发现“光生伏打效应”[3][4]和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以1997年美国总统克林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。 2000年以来，全球光伏产业连续6年以30%~~60%[4]以上的速度增长，2002年全球光伏电池产量为560MW/a，到2003年已高达750MW/a,增长了34%。2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后的爆发，随之而来的是发达国家间新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。2004年世界光伏电池年产量达到1256MW，年增长率高达68%，2005年产量达1818MW，增长率仍有45%（图1-2），2006年，美国加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来10年内建设3000MW光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策的新纪元的到来。正是由于欧洲、日本和美国强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出今天欣欣向荣的景象，太阳能光伏发电的前景无限光明（图1--2~~图1--7）。[5]
图1-3 世界光伏组件生产成本下降趋势（图中2010年为预测值） 图1-4 美国光伏发展路线图
图1-5 日本光伏发展路线图（2010年目标为4.8GW，2030年为81.3GW）
图1-7 中国光伏系统安装机容量发展路线图 2.2.2世界光伏发展的表现方面。 （1）光伏电池产量持续增长 多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，1999~~2005年间，光伏电池产量以年均增长率超过40%的速度高速发展，太阳电池的产量从1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增长了9倍。[6] （2）生产规模不断扩大 光伏产业的领头企业电池产量早已突破100MW，且有越来越多的企业已经提出了建设年产1000MW电池生产线的目标。[7] （3）光伏市场飞速膨胀 不断有新的国家出台激励光伏发展的政策。2004年德国补贴法修订后，仅用了一年，即在2005年，德国市场年装机容量便达到了837MW，占全球市场的57%，政府政策对光伏的激励可想而知。而2006年，美国加州正式出台3000MW光伏安装计划，带动美国其它各州也纷纷仿效。美国将成为继日本、欧洲之后又一大的光伏市场。 （4）新技术不断出现，电池效率不断提高 随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅16%~~18%，多晶硅15%~~17%）向更高水平（单晶硅18%~~20%，多晶硅16%~~18）发展。 2.2.3国内发展现状 中国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景观照明等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段。[7]光伏产业包括多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。[8] 2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏发电和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）700多个无电乡的用电问题，光伏用量达到15.5MWp。[9]该项目大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWp（2002年当年产量20MWp）。[9] 为了促进我国太阳能光伏发电产业的发展，实现可再生能源中长期规划提出的发展目标，2007年国家发改委启动了“大型并网光伏示范电站建设计划”[10][11]，加快解决日照资源丰富的西部八省（内蒙古、云南、西藏、新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西）无电乡用电问题，明确要求并网光伏示范电站建设规模应不小于5兆瓦，同时明确了大型并网光伏电站的上网电价通过招标确定。[12][13]
图1 中国太阳电池年产量和年装机 自2002至2008年，中国大陆的太阳能电池组件的产能以每年3位数(即年增长率超过100%)的速度不断增长。[14]值得注意的是，中国2007年太阳能电池/组件生产能力达到2900MWp，太阳能电池年产量达到1088MWp，超过日本和德国，已跃居世界第一大光伏电池生产国。[15]2008年中国太阳能电池生产能力已达到5GWp，太阳能电池年产量达到2000MWp。但是生产的太阳电池98%以上用于出口。[16]图1和表3给出自1990年以来中国光伏市场的发展进程。
表3 中国太阳电池年产量和年装机比较（MWp）
3本文完成的主要研究工作 本文设计实现一种基于单片机平台的太阳能电池板自动跟踪系统。[17] 主要研究工作一是分析国内外太阳能应用的发展情况，太阳能追光技术的发展状况以及嵌入式技术的技术现状。[18][19]二是要完成跟踪系统硬件设计，包括：跟踪系统机械机构设计，电机选型，跟踪系统控制电路设计。[20]三是要同时完成跟踪系统的软件设计，同时画出相应的电气图。 参考文献： [1] 郑小年，黄巧燕．太阳跟踪方法及应用[J]．能源技术，2003，24（4）： 149-151. [2] 李敏．太阳光照明的关键技术研究[D]．重庆：重庆大学，2008. [3] P. A. Davies. SUN-TRACHING MECHANISM USING EQUATORIAL AND ECLIPTICAXES，SolarEnergy，1993，50（6）： 487-489． [4] William A．Lynch and Ziyad M．Salameh．SIMPLE ELECTRO-OPTICALLY CONTROLLED DUALAXISSUN TRACKER，Solar Energy，1990，45（2）： 65-69． [5] 张迎胜．子午坐标双轴完合跟踪系统[J]．太阳能学报，1992，13（3）： 298-302． [6] 张顺心，宋开峰，范顺成．基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究[J]．河北工业大学学报，2003，32（6）： 44-49． [7] 饶鹏，孙胜利，叶虎勇．两维程控太阳跟踪器控制系统的研制[J]．控制工程，2004，11（6）：532-535． [8] 方玲李，晓波，廖兰兰，朱志华．提高太阳能电池板光电转化率的研究[J]．中国新技术新产品，2008，16（11），3-3． [9] 许颖．非晶体/单晶体异质结合电池的研究[J]．中科院半导体所，2007，33（5）： 26-27． [10] 张起勋，于海 |
