PLC的光伏发电逐日系统模板Word格式文档下载.docx
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因此,解决可再生能源不连续的一种有效途径便是多种能源运用相结合的方式。
这同时也是减少环境污染问题,缓解能源危机的好办法。
相比其他清洁能源如潮汐、风电、核能等,太阳能以其特有的优势而被人们所重视。
丰富的太阳辐射能取之不尽用之不竭的。
且其无污染、无噪声、不消耗燃料、不排放温室气体和有害气体的优良特性,最能体现可持续发展的绿色理念,因而极具应用价值。
1.2太阳能资源丰富
太阳能是太阳系最普遍的能源。
地球上的绝大多数能源,究其本质上,都是来源于太阳能,不管是风能还是海洋温差能。
因而说,是太阳的能量得以形成如地球般繁荣富丽的璀璨生命文明。
太阳能来自与太阳内部源源不断的核聚变反应。
这一系列过程产生的能量向各个方向辐射[6]。
尽管只有约22亿分之一的太阳辐射能能够抵达到地球,但这一份能量的通量却高达1.73×
10^5tw。
换算成我们熟悉的煤炭,这便相当于太阳在每秒钟都向地球上投放5.9×
10^6吨煤当量的能量。
中国主要位于温带和亚热带,因而太阳能资源丰富。
全国各地年太阳辐射总量大致分布3.35×
10^3~8.40×
10^3MJ/m2之间,平均值约为5.86×
103MJ/m2。
图1-1中国太阳能资源
1.3太阳能发展史
1839年,法国科学家埃德蒙·
贝克勒尔(EdmondBecquerel)首次发现光伏效应,为光伏发电的发展奠定了基础[8]。
1876年亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。
1883年制成第一个“硒光电池”,用作敏感器件。
1930年肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。
同年,朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”,使太阳能变成电能。
1941年奥尔在硅上发现光伏效应。
1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室,首次制成了实用的单晶太阳电池,效率为6%。
同年,韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成了第一块薄膜太阳电池。
1958年太阳电池首次在空间应用,装备美国先锋1号卫星电源。
1959年第一个多晶硅太阳电池问世,效率达5%。
1960年硅太阳电池首次实现并网运行。
至今太阳能发电应用多样化,越来越受到人们的关注。
1.4我国太阳能发展概况
我国光伏发电发展进程较晚。
从2002年的“送电到乡”项目的启动,我国的光伏发电市场才得以得到初步的发展。
自此,我国的光伏装机容量完成从千瓦每年,逐步发展到兆瓦每年的水平。
2009年,我国开始实施金太阳工程,国家能源局开始实行特许权招标制度,此后我国的光伏发电市场开始快速发展,终于开始起步规模化发展。
近年来,在国际能源结构向可再生能源转移以及能源消耗和环境保护问题愈发受人关注的背景下,我国陆续推出了相关产业政策,用以推动光伏发电产业的快速发展。
2011年,我国新增的太阳能发电装机容量约为220万千瓦,与2010年的装机容量相比有了显著提高,跻身世界光伏新增装机容量的第三位[3]。
2017年,我国新增装机容量占全球新增容量近四成,达到53.06GW,已连续多年成为世界第一大的增量市场,总累计装机规模已超过130GW,位于世界第一[4]。
我国在经济与政策上大力扶持光伏发电的发展,尤其是分布式光伏发电。
这极大的促进了我国的太阳能发电产业的发展。
并为我国的能源供应做出了重要保障,为环境保护做出了重要贡献。
虽然我国的太阳能发电装机总量很大,但是太阳能发电总量却仅占全国总发电量的2.5%,不过光伏发电与风能等清洁能源发电方式正在逐步慢慢取代火力发电,最终并淘汰火力发电。
由于我国人口基数大,且我国政策好,要求村村通电,确保户户用得上电。
所以相应的电力需求极大,而需求电力的峰值也会激增。
尽管到达地球表面的太阳辐射能通量巨大,但分散下来后能量流密度却是很低的,而且当下的光伏发电的利用率也仅有10%~20%,因而是情有可原的。
而环境的因素,如阴雨雪等天气对太阳能发电的影响颇大,且25°
左右的温度下是光伏发电最高的效率。
所以太阳能发电不稳定,效率低。
因此太阳能发电技术仍旧有着巨大的提升空间。
图1-2太阳能发电占比
1.5本文结构和主要研究内容
本文以PLC控为制核心,研究光伏发电的逐日系统,以达到更准确的追踪太阳,进而提高系统的发电效率。
本文根据简练,高效的设计原则和目标,围绕着光电控制系统模糊控制的方法进行了分析和探索,以下是本文主要的讨论内容和章节介绍。
第一章介绍太阳能发电的研究背景和发展概况
第二章介绍太阳能发电的类别与特性
第三章介绍本文的硬件设计
第四章介绍常见随动系统与软件设计
第五章介绍光伏发电的应用与前景
第二章太阳能发电
太阳能发电根据发电原理的不同,主要可分为光伏发电与光热发电。
但通常所说的太阳能发电便是指光伏发电[9]。
2.1光伏发电原理
光伏发电是为了将太阳能直接转变为电能而制备的新型半导体材料。
当太阳辐射照射在PN结上时,部分光被反射(减反射膜的使用得以有效的降低管的反射),部分辐射使光子与半导体的原子价电子发生碰撞形成空穴电子对。
由于存在扩散运动,P区带正电,N区带负电,PN结两端产生电势差,如果将多个电池串联或并联在一起,接通外电路就会形成电压和电流,太阳能便被转化为电能[1]。
如图2-1所示。
图2-1光伏发电原理
2.3光伏发电的优缺点
2.3.1光伏发电的优点:
a)太阳能资源丰富;
b)太阳能电池可实行从光能到电能的直接转换;
c)使用期长,理论可达25年以上;
d)安全可靠;
e)无噪音、无污染;
f)不使用水,不消耗燃料;
g)不需要架设远距离输电线路;
h)安装简单、方便,建设周期短;
i)分散建设,就地发电;
j)便于分步实施。
2.3.2光伏发电的缺点:
a)成本高;
b)太阳光能量密度低(地面峰值辐射每平方米1KW);
c)发电时数低;
d)不连续,受天气影响,要求连续、可调度存在除能问题。
2.4太阳能电池
光伏发电技术的关键组件就是太阳能电池,根据电池材料类型分为以下几类:
a)晶体硅类。
单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池;
b)非晶硅类。
薄膜太阳能电池;
c)多元化合物。
CuInGaSe2太阳能电池、CdS太阳能电池等;
2.4.1单晶硅太阳电池
单晶硅太阳电池,如图2-2所示。
a)表面规则稳定,通常呈黑色;
b)光电效率最高,可达18-19%左右,而且其发电效率稳定可靠;
c)不能弱光发电;
d)因单晶硅衬底造价高,成本较贵;
e)光电单元间的空袭可透部分光
图2-2单晶硅太阳电池
2.4.2多晶硅太阳电池
多晶硅太阳电池,如图2-3所示。
a)结构通常清晰,不透明;
b)转化率略低于单晶硅太阳能电池,约17%-18%,但有进一步提高的潜力;
c)稳定性较单晶硅太阳能电池略差;
d)不能够弱光发电;
e)成本低于单晶硅太阳能电池,但目前两者价格相差不大。
图2-3多晶硅太阳电池
2.4.3非晶硅太阳电池
非晶硅薄膜电池,如图2-4所示。
a)具有透光性,透光度可从5%到75%,运用到建筑上的最理想的透光度为5%;
b)转化率较低(10%-12%);
c)能够弱光发电,因而日发电时间长;
d)材料以及制造工艺的成本低,容易大规模生产制备;
e)承受的工作温度比晶体硅要高。
图2-4非晶硅太阳电池
2.4.4非晶硅电池与晶体硅电池特性对照
非晶硅太阳电池与晶体硅太阳电池特性对照表,如图2-5所示。
图2-5非晶硅电池与晶硅电池特性对照表图
2.5光热发电
光热发电技术根据物理学原理通过镜面将光能聚集到焦点或焦线上,通过集热器吸收储存热量再将热量传递给工质流体,从而产生蒸汽,带动汽轮机发电。
不同光热发电方式原理与特性对照图标,如2-6所示。
图2-6光热发电原理与特性表图
第三章硬件设计
3.1系统设计原则
在系统设计的时候我们要考虑的是实际的运用情况,所以在整个系统的设计过程中,应当遵循原则如下。
a)简炼、高效:
在实际应用中,要求尽可能以简单的结构,低廉的成本,来高效准确的完成预设。
b)模块化:
模块化的设计使系统结构简单明确。
使他人能够更加清晰明确的了解系统,并对系统进行整体的把握,从而可以自主对系统维护。
c)可扩展:
由于采用了模块化的设计,人们可以稳定高效在原有的基础上直接进行功能模块的增添与删减。
3.2本系统设计目标
利用4块放置不同位置,且使用格栅遮挡的光敏元件实施对光信号的采集,通过信号放大电路与电压比较电路对采集到的电信号进行放大,并以此作为整个系统的运作信号,从而实现系统的逐日功能。
逐日系统与触摸屏之间通信,并显示时间、系统状态等数据。
能够实现系统逐日的同时,并具备计数功能、通讯功能等。
能够在PLC控制器中进行逐日系统主程序的设计与编写。
3.3硬件设计
3.3.1逐日系统整体框架
逐日系统的整体框架,如图3-1所示。
图3-1逐日系统整体框架
逐日系统可以大致分为以下部分:
1)信号收集,4块位置不同的光敏元件作为信号采集器
2)信号处理电路,将微弱的电流信号转换成适合输入的电压信号
3)控制系统,进行转换,数据处理程序、脉冲转换程序和控制策略的软件实现
4)上位机系统,进行系统的运算和上位机界面显示,并可以进行其余模块的加载
5)步进电机驱动模块,控制步进电机的转到
6)步进电机,执行元件,带动系统的转动
7)反馈模块,光电编码器将步进电机的转动信息反馈到输入端,从而构成完整的闭环系统。
3.3.2系统硬件结构
系统主体主要包括四个模块:
光信号收集处理模块、plc控制模块、步进电机模块以及反馈模块。
光敏元件作为信号采集的工具,具有高灵敏度、响应速度快、可靠性高等特点。
PLC作为整个硬件系统的控制核心,内置功能强大、外形紧凑小巧,同时具有很强的抗干扰能力。
步进电机为执行机构,低速性能好,精度高,误差不累积。
光电编码器将步进电机的转动数据转换成脉冲,输入系统中,形成反馈信号。
该系统首先由4块不同位置的光敏元件将所检测到的光信
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