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简易太阳能发电装置

日期:2016-07-30 10:43:54 来源:未知 点击

简易太阳能发电装置

 

一、选题背景和意义

能源是人类生产生活的源泉,当今世界早已离不开各种能源,如果没有能源,人类社会科技发展的成果将无法得以应用。而目前人类赖以生存使用的生物能源以日渐枯竭,据统计,世界的石油,煤炭,天然气还可持续开采100年左右。而且这些能源物质也为世界带来了许多“副作用”。

日益突出的环境污染问题,很大程度上是由于能源结构不合理造成的。使用石化燃料等不可再生能源,使得空气中的二氧化碳和二氧化硫急剧增加,造成温室效应及酸雨蔓延。目前,不少发展中国家的空气污染还在进一步恶化。

随着世界经济的不断发展,能源危机和环保的要求,迫使人们更加关注能源的洁净和永续利用的问题。因此,可再生能源的探求与利用已经成为世界各国竞相追逐的对象。自19818月在内罗华召开联合国新能源和可再生能源会议以来,世界上许多国家已逐渐认识到,过于依赖石化能源将造成严重的环境污染,资源与生态破坏,因而正逐步转向开发可再生能源及其综合利用。

在这样的大背景下,发展新型的,可再生的,无污染的环保能源就迫在眉睫,太阳能就是新型能源中最具代表性的能源之一。

二、国内外研究现状、发展动态

据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用,只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”,“未来能源的基础”,则是近来的事。20世纪70年代以来,太阳能科技突飞猛进,太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。70年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年,美国制定了政府级的阳光发电计划,1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投入8亿多美元。1992年,美国政府颁布了新的光伏发电计划,制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”,1993年将“月光计划”(节能计划),“环境计划”,“阳光计划”合并成为“新阳光计划”。德国在1995年安装了光伏系统容量5MW1996年增加了一倍,达到10MW1999年扩大为15.6MW1997年在慕尼黑贸易展览中心安装了世界上最大的屋顶并网光伏系统,容量为1.016MW19991月德国开始实施“十万屋顶计划”。2000年安装光伏系统容量超过40MW。随着大量推行现在德国的光伏发电市场已从探索阶段发展成为繁荣的专业市场。日本到1996年底已安装2700套并网用光伏系统,每套容量平均3KW,到1997年末为1万套,在政府支持下,又开展了“普及住宅光伏系统计划”,在1999年底,已在3万户住宅屋顶安装了120MW光伏电池组件。现在日本的光伏组件产量已超过美国而占世界第一位。欧盟在19971126发表了名为《能源的未来:再生能源》的欧盟战略与行动白皮书提出到2010年在欧盟范围内要安装100万套光伏系统,其中50万套为屋顶并网光伏系统,需要光伏组件1000MW,另外50万套是为乡村供电的独立光伏系统。加拿大,德国和法国的科学家正在研究能源无线传送技术。希腊宣布了建设世界上最大的太阳能发电厂计划,最终目标是将克里特岛变成完全又太阳能提供电力的社区。

国内情况: 我国的太阳能光伏发电技术几乎与世界同步,也是在70年代开始将太阳能光伏发电技术应用于民用领域。中国于1958年开始研制光伏电池,1959年第一块有实用价值的光伏电池诞生。19713月首次应用光伏电池作为科学实验卫星的电影,开始了光伏电池的空间应用。1973年首次在天津港的灯浮标上进行了光伏电池供电的试验,开始了光伏电池的地面应用。中国的光伏技术经过40多年的努力,已具有相当的水平和基础。1982年在甘肃榆中县建成第一座10KW光伏电站,为200余户农民提供照明用电。1992年,新疆巩留县城示范区全部采用太阳能光伏电源供电,迈出了利用太阳能消灭无电状况的第一步。1998年中国通信史上建成难度最大的兰——西——拉光缆干线工程,有26个光缆通信站采用光伏电池作电影,其海拔高度多在4500M以上,光伏电池组件的总功率达100KW。到2003年底,我国光伏产业总得生产能力达到38MW

目前西藏已建成了县级小型独立光伏电站14座,这已成为我国光伏电站,光伏电池总装机容量最大的省区。而在通讯方面,微波通讯中继站应用光伏电影已有700KW以上,小型光伏电站有1300个。以光伏系统提供电源将是西藏通讯电源的主要发展趋势。在广播电视行业,阿里的狮泉河,改则,门士煤矿等地已建成了20多座太阳能供电电视差转台,目前大约有400多个太阳能电视卫星接收系统。在家用光伏电源方面,全区已经推广应用家用光伏电源约7万套左右。

青海柴达木盆地百万千瓦太阳能示范基地建设是西部大开发2011年新开工的22项工程之一。2011年,柴达木盆地建成光伏发电项目40个,并网发电容量达92万千瓦,总投资160亿元。按照我省十二五规划中提出的目标和任务,到2015年,柴达木光伏发电装机将达到400万千瓦,到2020年将达到1000万千瓦。青海建设光伏发电基地的宏大构想正一步步走向现实。目前柴达木盆地已建成全球规模最大的太阳能发电基地。 青海大型太阳能光伏电站并网容量已达1003兆瓦,青藏高原柴达木盆地成为全球规模最大的大型荒漠太阳能光伏发电基地。柴达木盆地太阳年辐射总量大于6800兆焦/平方米,有可用于光伏发电建设的荒漠化土地10万平方公里,理论装机达30亿千瓦,是中国发展太阳能发电条件最优越的地区。

太阳能发电也存在着许多问题以下列出三点。一是产品结构不合理。高端原料、装备测试仪器设备制造企业规模、数量小,多晶硅50%左右、银浆100%、装备20%等需要进口,绝大多数测试设备仪器依赖进口;低端太阳能电池片和组件产能占全世界的60%95%的产品需要出口。二是市场结构不合理。中国是世界光伏产业大国,但国内消费不到10%,国内光伏发电的装机总量仅占全球装机总量的1%,产品严重依赖出口。三是技术结构不合理。中国最具优势的是电池片和组件技术以及其他新兴电池的开发,但装备技术和原材料技术并没有真正掌握,基本上都还控制在发达国家手中。中国是光伏制造大国,而不是制造强国,目前赚的只是加工费。两头在外是中国光伏产业最致命的弱点之一。

太阳能电池,是一种将光能直接转换成电能的半导体器件。它的原料硅晶,目前世界上只有美国、日本、德国等只有不到10个国家掌握这项技术(并且核心技术也一直都掌握在几家公司手中,具有相当的垄断性);而且由于硅材料严重短缺的制约,我国95%的高纯多晶硅材料依赖进口,因此太阳能电池价格高昂,使太阳能发电价格很难有所下降。另外,太阳能电池中组件成本占整套系统的比例达到了70%。要降低太阳能发电的成本,就得不断提高光电转换率,而目前的光电转换率多在15%左右,短时间很难大有突破。作为太阳能光伏电池的主要原料,而且在技术基本上被国外垄断,这一问题已经成为我国发展太阳能光伏产业的最大瓶颈。我们不能指望从国外买进技术,必须要靠科研人员和企业的自主研发创新。所以要使太阳能发电得到大规模推广,科学家必须降低太阳能电池材料的成本,或找到更廉价的太阳能电池新材料,或提高光电转化效率,当然方向是多元的。

太阳能光伏发电蕴含巨大发展前景,而太阳能光伏板主要分为两类:单晶/多晶硅及薄膜太阳能电池。以往,中国制造的太阳能光伏板主要是使用多晶硅。但在去年8月,国务院发布紧急指令,重申需要减少多晶硅的生产;9月,强调要抑制六大行业产能过剩的问题,其中包括多晶硅产业。因此有人怀疑,国家抑制多晶硅产业,是否也会同时制止太阳能的发展?

事实上,国家发展太阳能新能源的目标并没有改变,只是提倡发展真正环保、低耗能的太阳能技术。多晶硅在提炼过程中需要使用一千多度高温才能完成,生产过程中消耗大量能源,而且造价相对昂贵。此外,多晶硅在生产过程中还会排放超过十种有毒物质。据统计,2008年中国共享了3000万吨煤炭提炼多晶硅,所产生的二氧化碳等空气污染物非常之高,故这才是国家抑制多晶硅的真正原因。

中国占全球光伏组件产量39%,是全球最大的生产国,但99%的产品都是出口外国,这表示中国正为国外太阳能发展承担环境污染的代价,强制减少多晶硅的产能可避免环境进一步恶化。为降低成本及保护环境,非晶硅薄膜技术的需求正快速

上升。生产多晶硅需要较多能源,而且能源回收期长达7年;非晶硅薄膜所采用的硅材料则少于多晶硅的1%,能源回收期亦只需要1.5年,无论是对环境的破坏,还是污染物的排放量均符合国家节能环保的要求。

非晶硅薄膜是一种节能技术,但究竟有何优势呢?首先在转换效能上,多晶硅因应硅不可改变的物理特性,其最高效能为15%16%;而非晶硅薄膜可透过沉淀不同化学特性的物质于不同段层,以提升转换效能可由6%提升至12%或更高,理论上最高更可达17.8%。其次,薄膜吸收较广的阳光波长,在阴天或微弱阳光下运作亦较佳;相反,多晶硅的效能在较暗的情况下就会急速下降。因此,非晶硅薄膜在实际环境下的转换效能比多晶硅高出10%以上。

非晶硅薄膜的转换效能虽然只及多晶硅的一半,但生产成本亦只有多晶硅的三分之一。多晶硅生产过程需要1100度高温,不但耗能大,而且所带来的污染问题亦十分严重。而非晶硅薄膜只需将气体沉淀转化成等离子附在玻璃上即可,生产过程只需200度低温,可以一条龙式生产,消耗电能少,无污染,因此可以低成本大面积连续生产。

 

 

三、研究的内容及可行性分析

本课题为简易太阳能发电装置,具体包括:

1)光伏组件

太阳能光伏电池是利用光伏效应把光能转换为电能的器件。太阳能电池采用电压值和电流值标定。在充足阳光下50W组件标称电压12V,电流大约为3A。光伏系统采用串/并联以获得所需电压和电流值。

2)充电控制器

主要由以下几部分组成:以单片机为核心的主控电路、电源电路、温度检测电路、太阳能极板电压检测电路、蓄电池电压检测电路、负载控制和保护电路等。以下为原理框图。

 

 

 

主控电路:主要包括两个部分振荡电路设计和复位电路设计。 采用的单片机为89C51芯片。振荡电路:这里采用内部时钟方式,利用单片机内部的振荡器,然后接上晶振,这样就构成了稳定的自激振荡器,其发出的脉冲直接送入内部时钟电路,为了更好的保证振荡电路稳定的可靠的工作,振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。复位电路:复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时,都需要先复位,其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。因而,复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的,必须配合相应的外部电路才能实现。

电源电路:单片机要正常工作,必须得有电源的供电。唯一的供电来源是太阳能极板,但是由于太阳能极板输出电压的不稳定性以及电压过大会烧坏单片机,所以不能将太阳能极板和单片机直接连接,必须得经过一个电源电路将太阳能极板的输出电压转换成稳定的电压后,输送给单片机供电。

温度检测电路:温度的变化会影响蓄电池的性能,所以在控制太阳能极板对蓄电池充电时应进行适当的温度补偿,从而保护太阳能极板对蓄电池的充电,提高整个太阳能路灯系统的可靠性,这样就必须设计有相应的温度检测电路。

蓄电池电压检测电路:在独立的太阳能应用产品中,蓄电池是整个系统的重要组成部分,对蓄电池的保护也至关重要,所以电路中必须设计有蓄电池两端电压的检测电路,来检测蓄电池电压的大小,从而控制器有效地工作。为了保证准确性,整个控制器的基准零电位点需用蓄电池的负极。

太阳能极板电压检测电路:太阳能极板是唯一的供电来源,所以对太阳能极板的电压的采样成为本控制器的一个重要的环节,通过对太阳能极板两端电压的检测不仅可以判断出白天黑夜,更便于控制器发出是否对蓄电池充电的控制,提高对蓄电池的保护。

负载保护电路:天黑后,蓄电池给负载供电,此时,要接通蓄电池和负载之间的开关。对于此开关的控制,具体的过程由软件来实现。但是在供电的过程中为了避免负载的短路和过载,也需要有负载保护电路。

 

3)蓄电池组

在太阳能发电系统中,采用的蓄电池通常为铅酸蓄电池。拟采用12V的规格。

4)负载

可以为照明负载。

 

四、论文拟解决的关键问题及难点

本课题的关键问题及难点就在于控制器部分,现拟用89C51单片机作为控制电路的CUP

 

五、研究方法

    本系统框图如图所示:

1)太阳能电池

太阳能电池的发电原理实际上是利用半导体PN结的光生伏打效应,所谓光生伏打效应就是当物体受光照时,物体内德电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时,就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压。这种现象叫做光生伏打效应。太阳能光伏发电基于光伏效应,其核心部件是能够将太阳的光能转化为电能的太阳能电池。太阳能电池产生的直流电,可以直接应用,也可以通过使用逆变器将其转换成交流电,加以应用。根据是否与电网相连,太阳能光伏发电系统分为独立型和并网型两种。前者通常建在远离电网的边远地区或者用作移动式电源,解决无电问题;后者与常规电网连接在一起,直接将所发出的电能输送到当地电力网络上。

2)充电控制器

对铅酸蓄电池的充电方法有很多,包括恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法。太阳能系统由于考虑到能源有限、成本投资有限及充电电源特殊等特点,因此在太阳能系统的充电控制有其特殊性。

1、恒流充电

恒流充电就是以一定的电流进行充电,在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电,能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复,最好用于小电流长时间的充电模式。

这种充电方式的不足之处是,蓄电池开始充电电流偏小,在充电后期充电电流又偏大,充电电压偏高,整个充电过程时间长,特别在充电后期,析出气体多,一种改进型的恒流方法得以应用,他就是分段恒流充电,这种方法在充电后期把电流减小。

2、恒压充电

恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低,充电电流很大,但随着蓄电池电压的渐渐升高,电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过,这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说,此方法的充电电流自动减小,所以充电过程中析气量小,充电时间短,能耗低,充电效率可达80%,如充电电压选择适当,可在8小时内完成充电。

此方法也有不足之处:

在充电初期,如果蓄电池放电深度过深,充电电流会很大,不仅危及充电控制器的安全,而且蓄电池可能因过流而受到损伤;

如果蓄电池电压过低,后期充电电流又过小,充电时间过长,不适合串联数量多的电池组充电;

蓄电池端电压的变化很难补偿,充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。

这种充电方式,在太阳能小系统中常采用,由于其充电电源来自太阳能陈列,其功率不足以使蓄电池产生很大的电流,而且在这样的系统中蓄电池组串联不多。

3、恒压限流充电

恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻,当电流大时,其上的电压降就大,从而减小了充电电压;当电流小时,限流电阻上的电压降也小,从而加在蓄电池上的电压也增大,这样就自动调整了充电电流,使之在某个限定范围内,这样在充电初期的电流就得到限制,虽然充电控制器输出是恒压,但加在蓄电池上的电压不为恒压,因此也称这种方式为准恒压方式。

这种采用串电阻限流的方式对于太阳能系统来说,肯定是不使用的,因为串联电阻将消耗掉有限的电能。

3)蓄电池组

在太阳能发电系统中,采用的蓄电池通常为铅酸蓄电池。铅酸电池有2.4伏,4伏,6伏,8伏,12伏,24伏系列,容量200毫安时到3000安时。这里采用12伏的规格。

4)负载

用照明负载,如灯泡

 

七、主要参考文献

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