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基于PLC控制的光伏发电单轴跟踪控制系统设计
1 绪 论
1.1 光伏发电的意义
在20世纪的世界能源结构中，人类所能利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石性的能源，这些能源本质上是数万年前或数十万年前甚至更长时间以来太阳的光能和热能辐射到地球上的部分能源存储到古生物和古植物中，历经沧海桑田的变化后演化成为今天地球上的能源矿藏。它们是古生物和古植物化石的一种特殊形态，历经人类数百数千年，尤其是近百年的开采消费，这些化石类能源已经被消耗了相当大的比例。随着世界经济的进一步发展、人口的增加和社会生活水平的不断提高，未来世界的能源消耗量将持续增长，世界上的化石能源总量和消费总量总有一天会产生冲突。即化石能源远远达不到人类的消费需求，甚至会被消耗殆尽，日益枯竭的能源和人类无休止的需求形成了一个很大的反差，而这个反差越来越大时，它将会制约人类社会的发展，甚至，会使人类社会的发展产生倒退。所以人类必须寻找一种新的、清洁安全、可靠的可再生能源，而太阳能光伏发电正是缓解能源短缺的新路。
开发新能源和可再生能源是全世界面临的共同课题，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。在新能源中，光伏发电是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术受到全世界的普遍重视。太阳能到达地球的能量，每40秒钟相当于210亿桶石油的能量。我国在光照资源丰富的西北地区的荒漠面积达108万平方公里。如果每平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年可发电1.5亿度；如果开发利用1％的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。目前，在我国的北方、沿海等很多地区，每年的日照量都在2000 小时以上，海南更是达到了2400 小时以上，是名副其实的太阳能资源大国。可以说，太阳能发电作为一种新型的能源发展方向，有着它独特的优势。必将成为新世纪能源的发展方向，是替代当前能源的选择之一。然而，由于全球能源资源的矿藏分布非常不均，导致各个国家的能源资源的拥有量存在很大差异。中国的能源储量更是危机逼人。按照2000年底的统计，探明中国能源的经济可开发储量约占全世界总量的10.1%，中国人口众多，因此，除太阳能外，中国人均能源资源远远低于世界水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。人类在开发和利用能源的历史中，以传统化石能源为主的时期，仅仅是一个不太长的阶段，但是，这些能源由于它自身形成的特殊性，终将走向枯竭而被新的能源取代，人类必须要提早寻求新的可替代能源。经研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量相当丰富且分布广泛，并且可以再生，不会对环境造成污染，是国际社会公认的理想替代能源。
1.2 光伏发电的优点
光伏发电技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电能的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。阳光照射在半导体上时，两极交界处产生电流。阳光强度
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沈阳工程学院毕业设计（论文）
越大，电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作，在阴天也能发电。由于反射阳光，少云的天气甚至比晴天发电效果更好。
与传统的化石能源相比，光伏发电具有以下优点：
1．储量丰富。太阳能是取之不尽的可再生能源。太阳每秒钟辐射的能量大约是1．6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于燃烧6×109吨标准煤121。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合成标准煤约1．892x1016亿吨，是目前世界主要能源探明储量的1万倍，因此可以说太阳能是“无限\的，取之不尽，用之不竭。
2．燃料免费。太阳能资源无处不在，可以直接免费获取，不受地域条件的限制，应用范围广泛，只是地区之间有丰富与欠丰富的差别。
3．长寿命。一般没有会磨损、毁坏或需更换的活动部件，因此系统使用寿命长，晶体硅光伏电池的使用寿命能够达到25年以上。
4．无污染。光伏发电无任何有害气体及声、光、磁、噪音等排放，因此是一种清洁安全的能源。
5．低维护费用。保持系统运转稳定仅需要很少的维护，节约了系统维护的成本。 6．原料储量丰富。硅作为光伏电池生产所使用的主要原料，在地壳中的储量十分丰富，随着硅提纯技术和转换效率的不断提高及相关技术的发展，光伏发电的成本正呈现快速下降的趋势。
7．安装方便。光伏发电系统机动灵活，可在任何地方快速安装。光伏发电系统可用作分布式电力系统，也可用于光伏建筑集成(Building IntegratedPhotovoltaie)，一方面可以节省发电基地使用的土地面积和费用；另一方面可以用光伏组件来充当部分建筑材料，节约成本。
8．适合高海拔地区。在海拔较高的地区，由于空气稀薄，柴油发电机的工作效率会降低，但此类地区较强的日照强度将使得光伏系统可以输出更高的功率，因此使用光伏发电非常有利。
1.3 光伏发电的国内外现状及发展趋势
太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW 增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划,2010年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑,总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5 年国家光伏计划和2020～2030 年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度，2010 年美国光伏销售达到4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的发展水平，达到
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1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速，居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW，累计安装量40～50MW。因此,到2010年世界光伏系统累计安装容量将达到14～15GW。
太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式, 随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施, 太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW，《中华人民共和国可再生能源法》，承诺2010年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看,2006-2020年每年的平均装机容量约60 MW。
建立在煤炭、石油、天然气等燃料基础上的能源体系极大地推动了中国的现代化建设。但同时人们也越来越发现大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭、环境不断恶化。所以人类必须寻找一种新的、清洁安全、可靠的可再生能源太阳能光伏发电正是缓解能源短缺的新路。
虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏产业还处于成长期。随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。
1.4 本文主要完成的工作
因光伏电池的输出特性受外界因素影响较大，如何对光伏系统进行有效控制使其能够工作在最佳的状态，有效的利用太阳能，从而能够产生更多的电能，是一个非常重要的课题。本文在掌握光伏电池特性的基础上，重点研究了光伏发电自动跟踪系统，采用了PLC控制技术，可实现高准确性跟踪。
本文的研究内容主要有如下几点：
1．根据光伏发电的原理建立光伏电池的跟踪模型，详细分析了光伏电池的输出特性及影响因素。
2．分析太阳运行规律。对不同的跟踪策略进行比较和分析，提出了适合本系统的跟踪策略。
3．对光伏自动跟踪控制系统的硬件进行了总体设计，并对各个功能模块电路进行设计。
4．设计软件控制方案，结合系统硬件完成试验平台的搭建。
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2 光伏发电的基本原理
2.1光伏发电基本原理
太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。并网运行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。太阳能光伏发电系统一般由蓄电池、太阳能电池方阵、控制器、逆变器、交流配电设备等组成如图2.1 所示。当负载为直流时，如通讯设备、石油管道阴极保护等电源，则可以省略逆变器和交流配电设备，系统比较简单，成本也降低。如果发电系统与交流电网并联运行，则可以省略蓄电池组、控制器和逆变器合而为一，系统的成本可以大大降低，同时还可以减少由于蓄电池组造成对环境带来的影响。可见太阳能并网发电系统是今后的主要形式。但在我国广大的牧区和偏远无电地区，户用光伏系统和风光互补系统在很长一个时期内将是主要的供电方式。
图2.1 光伏发电系统框图
光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池两大类。其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化稼光伏电池等。在实际应用中，应用最多的主要是单晶硅和多晶硅光伏电池。
当适当波长的太阳光照到光伏电池上时，光伏电池吸收光能后在其两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。如果在产生的电动势两端并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。光伏电池等效电路如图2.2所示。
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