独立光伏发电系统优化设计

论文摘要

随着人口的增长和经济的发展,世界能源短缺和环境污染问题日益加剧。解决这一矛盾主要可以从两方面入手：一是开发和利用新能源,尤其是可再生能源；二是提高能源的利用效率,节能减排。近年来各国政府都提出相应的可持续发展能源战略,制定相关扶持政策,大力发展太阳能、风能等绿色新能源产业。中国是在世界上排名仅次于美国的能源消耗大国,发展新能源产业,尤其是太阳能光伏产业,对于实现社会稳定、经济良性可持续发展具有重要的战略意义。目前我国已经跻身为世界最大的太阳能光伏产品制造基地,除了在材料和工艺方面不断改进以提高光电转换效率以外,还应该从系统的电气设计方面入手,提高系统对太阳能资源的利用效率。本文着重提出对太阳能光伏系统进行优化设计的几个关键点,分别是整个光伏系统的匹配设计、太阳自动跟踪提高发电量、最大功率跟踪提高能量转换效率以及蓄电池充电智能管理,从发电、储电到用电的各个环节全面优化光伏系统的性能,提高能源的利用效率。本文首先以LED照明为负载,结合当地的太阳能资源的特点,对光伏系统的匹配设计详细介绍。本系统以密封免维护铅酸蓄电池(VRLA)作为储能装置,结合蓄电池的充电特性设计充电控制器,在UC3909蓄电池充电专用芯片的基础上加入PWM接口控制电路,使得在大电流充电阶段能够更大限度的吸收能量,迅速充电。本系统选取带有A/D转换和PWM输出功能的STC12C5410AD系列单片机作为控制器的核心,将视日运动轨迹跟踪方式和定时控制相结合对太阳进行实时跟踪,利用KEIL C与Proteus联合仿真进行验证,并根据实际实验数据分析得出结论。同时采用开路电压法和变步长的增量电导法相结合对太阳能光伏电池的输出进行最大功率跟踪(MPPT),并利用MATLAB/Simulink进行仿真验证,以最大效率充分利用太阳能。论文最后对所做的研究工作进行了总结,同时指出进一步需要研究和改进的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外光伏发电发展
• 1.2.1 国外光伏发电历史与现状
• 1.2.2 国内光伏发电历史与现状
• 1.3 课题的研究价值
• 1.4 研究工作与主要内容
• 1.4.1 主要研究工作
• 1.4.2 论文的结构与主要内容
• 2 光伏发电系统的技术基础
• 2.1 太阳能电池的原理和特性
• 2.1.1 太阳能电池的工作原理
• 2.1.2 光伏电池基本特性
• 2.2 蓄电池的原理和特性
• 2.2.1 铅酸蓄电池的储能原理
• 2.2.2 影响铅酸蓄电池寿命的因素
• 2.3 超级电容器的原理和特性
• 2.3.1 超级电容器的储能原理
• 2.3.2 超级电容器的特性
• 2.4 光伏系统匹配设计
• 2.4.1 当地太阳能资源与自然条件
• 2.4.2 系统用电负载的特性
• 2.4.3 光伏组件的选取
• 2.4.4 蓄电池容量的选取
• 2.4.5 超级电容器容量选取
• 2.5 本章小结
• 3 系统硬件优化设计
• 3.1 微处理器
• 3.2 DC-DC转换电路
• 3.2.1 DC-DC变换器的分类
• 3.2.2 BUCK电路元器件的选取
• 3.3 实时时钟模块
• 3.4 电压和电流采样电路
• 3.5 蓄电池充电管理
• 3.5.1 UC3909芯片及外围电路
• 3.5.2 PWM脉冲接口模块
• 3.6 本章小结
• 4 MPPT算法的软件优化设计
• 4.1 常用MPPT算法
• 4.1.1 开路电压法
• 4.1.2 短路电流法
• 4.1.3 电压扰动观察法
• 4.1.4 增量电导法
• 4.2 MPPT主要软件模块
• 4.2.1 A/D采样模块
• 4.2.2 PWM控制模块
• 4.2.3 MPPT算法模块
• 4.3 MPPT控制的仿真
• 4.3.1 光伏电池的数学模型
• 4.3.2 光伏电池MATLAB仿真模型
• 4.3.3 MPPT控制的MATLAB仿真模型
• 4.4 本章小结
• 5 太阳跟踪的软件优化设计
• 5.1 视日运动轨迹跟踪
• 5.1.1 视日运动轨迹模型
• 5.1.2 视日运动轨迹跟踪的特点
• 5.2 太阳跟踪方式优化设计
• 5.3 联合仿真验证
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢