太阳能光伏发电系统设计毕业设计

摘要I摘要众做周知，追求低碳发展已经成为各国的一项重要的政策。太阳能作为一种清洁的可再生能源越来越受到全世界各国的重视，在各国政府的大力支持下，全世界太阳能光伏产业得到了快速发展，因此本设计是基于太阳能独立发电系统进行了研究，主要研究的是光伏发电系统中的最大功率点跟踪（MPPT）技术，并且研究了基于MC9S12XS128为CPU的新型控制器，对电路参数进行了设计调试，完成了系统的硬件软件设计。关键词：太阳能可再生能源最大功率点追踪MC9S12XS128；AbstractIIAbstractAsyouknow,thepursuitoflowcarbondevelopmenthasbecomeoneoftheimportantpoliciesofeverycountries.Solarenergyasacleanrenewableenergyhasattractedworldattention,inthestrongsupportofgovernments,theworldsolarphotovoltaicindustryhasdevelopedrapidly,sothedesignisbasedonsolarindependentpowersystem,themainresearchisthephotovoltaicmaximumpowerpointtracking(MPPT)technology,andbasedonMC9S12XS128isanewCPUcontroller,thecircuitparametersaredesignedanddebugging,completedthehardwareandsoftwaredesignofthesystem.Keywords：SolarenergyrenewableenergymaximumpowerpointtrackingMC9S12XS128；绪论-1-第一章绪论1.1太阳能光伏发电背景以及本设计的意义随着当今世界能源短缺以及化境污染问题的日益严重，可再生能源的发展引起了越来越高的重视，因此风能、核能、地热能、潮汐能以及太阳能等新能源的发展也成为了当今世界能源发展的重要利用对象。太阳能的发展成为了未来主流能源的发展方向之一，各国以及各地区都加大了对太阳能发展的投入。太阳能能够成为当今世界主流能源的发展方向是因为其清洁环保，无任何污染，利用价值高。众做周知，追求低碳发展已经成为各国的一项重要的政策。太阳能作为一种清洁的可再生能源越来越受到全世界各国的重视，在各国政府的大力支持下，全世界太阳能光伏产业得到了快速发展，因此本设计是基于太阳能独立发电系统进行了研究，主要研究的是光伏发电系统中的最大功率点跟踪（MPPT）技术，并且研究了基于MC9S12XS128为CPU的新型控制器，对电路参数进行了设计调试，完成了系统的硬件软件设计。1.2国外太阳能光伏发电现状太阳能是一种快速增长的能源形式，因此当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济总量处于衰退和低谷时期，太阳能光伏发电产业也一直是以10%-15%的增速持续发展。90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。按照规划，2010年全球光伏装机总容量达到28GW，是2008年以前装机总容量的10.95倍；2030年全球总装机容量将达到1850GW。这种增长势头在很大程度上要归功于全球快速增加的市场需求、日益提高的上网电价和各种政府鼓励措施[1]。在世界的一些而主要国家中，尤其是德国、意大利、西班牙、美国、法国，联邦政府、州政府和地方政府机构纷纷以退税、税收抵免和其他激励措施的形式向太阳能产品的最终用户、经销商、系统集成商和制造商提供补贴和经济鼓励，以促进太阳能在并网应用中的使用，降低对其他能源的依赖，然而拥有巨大政治游说能力的传统公共电力企业也可能试图改变所在市场的相关立法，这也可能对太阳能的发展和商业应用造成相对不利的影响。但总体来说，由于全球许多石油和天然气生产地区政治和经济局势的不稳定性，多国政府都在采取积极措施，以减少对国外能源的依赖。太阳能提供了一种极具吸引力的发电方案，而且不会对国外能源形成严重的依赖性。除此之外，日益突出的环境问题和工学院毕业（设计）论文:太阳能光伏发电系统设计-2-与矿物燃料发电相关的气候变化风险形成政治动因，促使政府实施旨在减少二氧化碳及其他气体排放量的温室气体减排战略。太阳能及其他可再生能源有助于这些环境问题的解决。日本早在1994年就出台了“朝日七年计划”，并且在1997年又出台了“七万屋顶计划”，规定每个新安装的光伏发电系统可以获得50%的安装成本补贴，日本政府在近些年又发布了光伏产业的新政策，投资200亿元用于鼓励光伏发电的应用。德国在2000年颁布了《可再生能源电力供应法》，规定电力公司收购光伏并网电力，并且逐年下调用户光伏电价，其中2008年的收购价为40欧分/千瓦时，并且在2011年出台新规定要求光伏电价在现有的基础上面每年下调90%。美国早在克林顿政府时期就提出了“百万屋顶计划”，奥巴马政府也积极推进新能源政策，将在未来10年内耗资1500亿美元以刺激私人投资清洁能源。2011年2月通过了“复兴和在投资”法案，对包括光伏在内的新能源产业给予贷款扶持和税收减免政策。荷兰拥有世界上面最大的太阳能社区，改成是位于荷兰中部城市阿姆斯弗特附近，建有600多座房屋及几十栋附属建筑，有600多户居民在此定居，该社区的房屋屋顶上面大部分安装有太阳能光板，晴天时候太阳能光板采集的电能都统一并入到当地的电网，小区的用电基本都保持自给自足。1.3我国太阳能光伏发电的现状与前景中国太阳能光伏资源丰富，取之不尽用之不竭，成为了传统不可再生能源的良好替代品。因此无论从能源安全的长远战略角度触发还是从调整优化能源能源结构的需求出发，大力发展光伏发电都是我国能源安全的重要措施之一，为此国家相继出台了与光伏发电相关的政策，鼓励光伏发电的平稳快速发展。我国太阳能资源丰富，理论储量达年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发和利用的前景十分广阔。我国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增长，经过30年的努力，已迎来了快速发展时的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏发电市场的有力拉动下，尤其是《可再生能源中长期发展规划》以及“太阳能屋顶计划”、“金太阳工程”的出台，我国太阳能光伏发电产业获得迅猛发展：2007年我国的太阳能电池产量超过欧洲和日本成为世界第一；2008年全球太阳能电池产量约7GW，同年我国的太阳能电池产量约2.6GW；2009年全球太阳能电池产量约为10GW，而同年我国产量超过4GW；2009年我国太阳能市场安装容量为228MW年增长率高达552%。在我国政府对新能源产业发展的大力推动下，2020年我国的光伏产业规模将达到20GW[2]。绪论-3-1.4本设计的内容主要内容：（1）具有最高电压跟踪功能，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能，相对偏差绝对值不大于1%。（3）DC-AC变换器的效率≥60%，输出电压失真度THD≤5%。（4）具有输入欠压保护功能，具有输出过流保护功能。（5）分析总结太阳能电池板的电压电流输出特性以及蓄电池的充电过程研究确定具有最大功率点跟踪的充电方法，此方法可以更好地利用太阳能电池板来转换电能并且有效的延长蓄电池的使用寿命。（6）实现具有最大功率点跟踪的C语言编程。（7）画图并且制作硬件电路。（8）调试系统使其工作正常。（9）基于MC9S12XS128控制系统的实现方法同时完成相关控制系统的设计。本章小结本章主要就太阳能光伏发电系统在全世界的应用现状以及前景做了相关简介，描述了太阳能光伏发电系统的广泛应用背景，为本设计的开展提供了一个有力的支持。工学院毕业（设计）论文:太阳能光伏发电系统设计-4-太阳能光伏发电系统的原理以及组成-5-第二章太阳能光伏发电系统的原理以及组成2.1太阳能光伏发电的系统分类以及组成太阳能光伏发电系统主要分为离网发电系统，并网发电系统，以及分布式发电系统。2.1.1离网发电系统离网发电系统主要由太阳能电池组件，蓄电池，控制器组成，如果输出的是220V或者380V的交流电则还需要逆变器。图2-1离网发电系统的结构图2.1.2并网发电系统并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电，但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展，而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点已经成为并网发电的主流。工学院毕业（设计）论文:太阳能光伏发电系统设计-6-图2-2并网发电系统的结构图2.1.3分布式发电系统又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节[3]。本设计采用的是基于离网发电系统的方式下进行的太阳能发电系统的研究。2.2本设计采用的系统结构图以及工作原理本设计采用的是离网方式下太阳能发电系统的研究同时系统还进行了逆变的的处理。太阳能光伏发电系统的原理以及组成-7-图2-3系统设计结构图2.2.1本系统主要有由几个部分组成以及各部分的作用太阳能光伏阵列、BOOST变换器、蓄电池、逆变器、驱动、采集电路、辅助电源以及控制器MC9S12XS128组成。太阳能光伏阵列的作用是：将照射到光伏阵列表面的太阳能转换为电能共给整个系统。蓄电池的作用是：储存太阳能转换成的电能并且在没有阳光或者阳光不足的情况下照射的情况下给负载供电。逆变器的作用是：由于太阳能光伏阵列送过来的是直流电，同时蓄电池储存释放的也是直流电因此当系统需要交流电源的时候，就需要逆变器将直流电源转换为交流电源。BOOST电路的作用是：提升太阳能光伏阵列送过来的电压，达到给蓄电池充电的电压。控制器的作用：控制器是整个太阳能光伏发电的核心部件，决定着整个系统的运行工作状态，同时能够反映实时工作信息进行相关保护控制[4]。2.2.2本系统工作原理该系统的工作原理是太阳能光伏电池板经过日照之后输出电压经过升压变换器给蓄电池供电，然后经过逆变电路变换成交流电。与此同时采集电路采集实时电压电流信息，送给控制器进行闭环控制实现稳定的输出以及相关保护的实现比如过电压，过电流工学院毕业（设计）论文:太阳能光伏发电系统设计-8-的保护。辅助电源是为了给给系统的各个模块进行供电，其中主控模块需要的是+5V电压，采集电路的传感器需要的是+-15V电压，光耦驱动需要的是+24V电压。2.3太阳能光伏发电原理2.3.1太阳能光伏电池种类目前，可以生产太阳能光伏电池的材料有多种，制造的方法也各有差异，所以太阳能光伏电池的种类很多，据统计，迄今为止已有100多种。太阳能光伏电池虽有这么多种，但可以按所用的材料或电池的构造来分类。按照所用材料分类：主要可分为化合物太阳能光伏电池和硅太阳能光伏电池两大类。硅太阳能光伏电池还可分为晶体硅太阳能光伏电池和非晶体硅太阳能光伏电池两种。晶体硅太阳能光伏电池还可再分为单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池。多晶硅太阳能光伏电池可分为铸造多晶硅太阳能光伏电池、带状多晶硅太阳能光伏