光伏发电自动跟踪系统的设计

引 言 随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越大。同时，大量化学燃料的使用，导致能源的迅速短缺与环境污染日益突出。近年来由于人们对能源环境问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的高度重视。因此，清洁、可再生的新能源的应用已成为必然的趋势。 人类在开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭而被新的能源所取代。人类必然及早寻求新的替代能源，研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，即2050年直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13%到15%之间，而整个可再生资源在能源结构中的比例将大于50%。 太阳能将是目前大量应用的化石能源的主要替代能源之一。 以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源。它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境，走经济社会可持续发展的必经之路。 第一章 概述 太阳能作为一种有巨大能量的可再生能源。每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少的污染。太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。 1.1 选题意义 1.1.1 太阳能是化石能源的主要替代能源之一 在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。随着经济的发展，人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。 随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可采量已经是屈指可数的了。 中国的能源资源总储量情况更是危机逼人。按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。 除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。 1.1.2 太阳能是人类可利用的最直接的能源之一 从环境角度来看，化石能源的大量开发利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境与生态已经成为一个全球性的重要问题。 中国的能源开发利用对于环境造成的污染同样非常重要。中国是世界上少数几个能源机构以煤炭为主的国家，也是世界上最大的煤炭消费国。2000年中国能源生产总量中，煤炭占67.2%，煤炭燃烧所产生的温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高6.1%，比燃油高36%。1999年中国排放二氧化碳居世界第二位，其中85%是燃煤排放的。2000年中国排放二氧化硫居世界第一位，其中90%是燃煤排放的。由于能源利用及其它污染源大量排放环境污染物，2000年造成中国有57%的城市环境污染 中的颗粒物超过国家限制值；有48个城市的二氧化硫浓度超过国家的排放标准；82%的城市出现过酸雨，面积已达国土面积的30%；许多城市二氧化氮有增无减。2000年二氧化硫和酸雨造成的经济损失约占中国GDP的2%。 太阳能可以直接利用，基本上没有污染物排放，清洁干净。目前各种发电方式的碳排放率[g碳/（kw.h）]：煤发电为275，油发电为204，天然气发电为181，太阳能发电为92，太阳能光伏发电为55，波浪发电为41，海洋发电为36，潮流发电为35，风力发电为20，地热发电为11，核能发电为8，水力发电为6。这些数据是以各种发电方式所用的原料和燃烧的开采和运输、发电设备的制造、电源网架的建设、电源的运行发电以及维护保养和废气物排放与处理所有循环中消费的能源，按照各种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的。 1.1.3 资源丰富的太阳能辐射 太阳传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。中国也拥有丰富的太阳能资源，目前太阳能的开发利用量还不到可开发量的1/1000。 太阳的能量是向四面八方辐射的。每秒钟投射到地球上的能量约为1.757 x1710J，相当于5.25亿桶石油燃烧的能量，形象地比喻就是地球每天从太阳那里获得5000多亿吨的标准煤。按目前的发电水平每天可得到1.41x710亿度电。遗憾的是人类目前还没有能力将巨大的能量全部转换成电能，更没有办法储存它。值得庆幸的是,现在人类已可以将少量的太阳能直接转换成电能储存起来，它就是光伏发电技术。 1.2 光伏发电现状及发展

太阳能的转换利用方式有光-热转换、光-电转换和光-化学转换等三种方式。接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活的一些方面。光-热转换是太阳能热利用的基本方式，利用光生伏打效应原理制成的光伏电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用，称为光-电转换，即光伏发电。 1.2.1 光伏发电历史 光伏发电是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式。 1839年，法国物理学家A.E贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势，把这种现象称为“光生伏打效应”。1873年英国科学家Wilough B。Smith就观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年Charles Fritts开发出以硒为基础的光伏电池，以后人们把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。半导体P-N结器 件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“光伏电池”。 初期的光伏电池能量转换效率低、成本高。科学家们一直致力于光伏电池的改进，以提高效率，降低成本。20世纪50年代初。美国贝尔实验室在为远程通信系统寻找可靠的电源时，科学家们发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1954年在贝尔实验室第一次做出了光电效率6%的实用单晶硅光伏电池，开创了光伏发电的新纪元。 从1961年到1971年，硅光伏电池技术没有取得重大进展。研究的重点放在提高抗辐射能力及成本降低方面。 从1972年到1976年，研制出了各种空间的单晶硅光伏电池，并以不同的商标出现。从20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。 从20世纪70年代中后期开始，光伏技术得到不断地完善，成本不断降低，形成不断发展的光伏技术产业，成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。 1.2.2 光伏发电技术的现状与发展 20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术产业也一直保持,以10%到15%的递增速度在发展。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。1997年世界光伏电池组件的总产量达到200MW，比1996年增长了35%。其中，美国为80.2MW，日本为48MW，欧洲为47.2MW，其他国家为19.2MW。 中国于1958年开始研究光伏电池，1971年成功地首次应用于中国发射的东方红二号卫星上。于1973年开始将光伏电池用于地面。中国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在10KW以下，价格也很昂贵。从1981-1990年期间，中国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程。到2000年，中国的光伏电池年产量已达3MW。累计用量已超过15MW。从1996年到2000年，中国光伏发电无论是在产业化还是在应用方面都取得了很大的进展。光伏发电已经在远离电网地区的电力建设中发挥了重要作用。 20世纪90年代初期，中国主要的光电市场仍然是通信领域。从1995年以来，较大型的光伏发电应用系统逐步建立。在1996年到2000年期间，中国建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40余座，装机容量约600MW，并在约20所农村学校建立于总效率约50KW的光伏发电系统。 并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。2004年在中国深圳建造了一个 1000KW的光伏发电站示范工程。 1.2.3 存在的问题 光伏发电目前主要存在四大问题： 一、光伏阵列发电效率低 光伏发电的最基本元件是光伏阵列，主要分类为：单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜光伏电池等。光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。一般来讲，晶体硅光伏电池效率为10%-15%左右，非晶体光伏电池效率为5%-8%左右。薄膜光伏电池目前的转化率仅为2%-4%左右。由于光电转化效率太低，从而使光伏发电率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对发电转化管理不利，真正太阳能的利用率只有50%-70%。 二、系统造价成本高 由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。2003年单双晶硅光伏电池组件的价格约为36-40元/W，光伏发电系统价格约为60-80元/W，相当于目前的火力和水利水电。光伏发电的成本约为后者的6-20倍，成本高是目前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。 三、发电运行受气候环境因素影响大 光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响时有时无。另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的射入量，进而减少了光电的转换。 四、制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源 硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素。主要存在形式是沙子，从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序。期间要消耗相当多的能量，这也是它们生产成本高的原因。 1.2.4 前景与展望 1996年3月，八届全国人大四次会议审议并通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展“九五”计划和2010年的远景目标纲要》。正式确立了“以电力为中心，以煤炭为基础，加强石油，天然气资源的勘探开发，积极发展新能源，改善能源结构的能源发展方针和政策，并在电力发展一节论述农村能源时强调了因地制宜地开发利用小水电、风能、太阳能、地热能和生物质能的必要性。 太阳能作为新能源系列中的排头兵，其开发利用已被众多国家列为带动其经济增长的代表。20世纪末国际能源市场出现的以新能源和可再生能源为内容的四大热点