家用太阳能发电系统Word文件下载.docx
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1.引言
从蒸汽机到电动机一系列动力技术的发明,对社会发展起着巨大的推动作用。
但是随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。
丰富的太阳能是最重要的能源，太阳光是最清洁、环保、廉价、人类能够自由利用的、取之不尽用之不竭的可再生能源之一。
我国太阳能资源丰富，如果将太阳能源充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且有可能在某些区域完全利用太阳能发电，实现绿色环保、无污染的清洁能源的良好使用，并可以为电力建设落后的偏远地区实现通电。
太阳能电池发电的原理是基于半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，半导体的该效应也称为光生伏特效应。
太阳能电池板可以有效地将光能转换成电能，能够充分有效的利用太阳光这个取之不尽用之不竭的能源。
市场上常见的太阳能电池板虽然发电效率不高，但价格便宜、结实耐用且便于安装、使用方便。
1.1本设计所做的工作
本设计基于太阳能电池板的光电转换特性，利用太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器等辅助设备组成家用太阳能光伏发电系统，将太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中，以供家用电器的使用。
该设计的主要研究方向是太阳能电池板的光电转换原理、蓄电池的充放电原理、蓄电池的充放电特性、蓄电池与负载及控制器的功率匹配，通过对这些问题的研究，设计出家用太阳能光伏发电系统。
实际应用时，将太阳能电池板安装于光照充足的地方以更充分接受光照将光能转化为电能，将转化而成的电能通过控制器向蓄电池充电，晚上再通过控制器使蓄电池放电供家用电器使用。
太阳能光伏发电系统的实物连接图如下图所示：
图1家用太阳能光伏发电系统实物连接图
2.家用太阳能发电系统综述
2.1家用太阳能发电
2.1.1家用太阳能发展的历史
1839年，法国科学家贝克雷尔发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象就是光生伏特效应，简称光伏效应。
1931年，科学家布鲁若利用太阳能第一次启动了电动机。
1954年，美国科学家首次制成了使用的单晶硅太阳能电池，诞生了光伏发电技术。
1959年，第一个多晶硅电池问世，效率达5%。
1960年，硅太阳能电池第一次实现并网运行，可向电网供电，以供普通家庭使用。
20世纪70年代后，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
1978年，美国建成100kWp太阳地面光伏站。
光伏站的建成，为更多普通家庭使用太阳能这种清洁环保的能源提供了更多的可能。
1983年，美国建成1MWp光伏电站，冶金硅电池的效率达到11.8%。
1986年，美国建成6.5MWp光伏电站。
随着光伏电站规模的不断扩大，使用太阳光所转化而成的电能的家庭用户也在不断增加，家用光伏电子产品不断推出，供家庭所使用的小型太阳能光伏发电系统得到良好的发展。
20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。
一些国家也先后制定了太阳能光伏发电计划。
美国是最早制定光伏发电的发展计划的国家，1997年又提出了“百万屋顶”计划，即在2010年以前为100万户，每户安装3—5kWp的光伏电池，组成家用太阳能光伏发电系统，有太阳时光伏屋顶向家庭以及电网供电，无太阳时电网向家庭供电；
日本1992年启动了新阳光计划，提出到2010年生产43亿Wp光伏电池，在住户的屋顶安装光伏电池，供给住户的家庭用电。
这些国家所采取的举措表明，家用太阳能光伏发电系统已得到大范围的推广，人们已经认识到光伏发电的优势。
随着传统能源的不断减少，常规的发电方式也面临着众多的问题，家用太阳能光伏发电技术的日益成熟为解决传统能源问题提供了良好的思路，为家庭用电的清洁环保绿色提供了途径。
2.1.2家用太阳能光伏发电的优缺点
近年来，太阳能光伏发电的迅猛发展正是由于其独有的众多特点。
其优点主要有以下几个方面。
第一，主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，也没有回转运动部件，运转没有噪声；
第二，没有燃烧过程，发电过程不需要燃料；
第三，发电过程没有废气污染，没有废水、废物排放；
第四，设备安装和维护都十分简便，维修保养简单，维护费用低，运行可靠稳定；
第五，环境条件适应性强，可在不同环境下工作；
第六，能够在长期无人值守的条件下正常稳定工作；
第七，根据需要很容易进行容量扩展，扩大发电规模。
虽然太阳能光伏发电的优点众多，但是到目前为止，仍然有许多未被解决的问题。
这些问题主要集中在以下方面：
第一，光电转化效率很低。
百分之二十四的转换效率已是世界最高的且暂时无法超越的高度；
第二，光伏发电需要很大的面积。
虽然光伏发电具有原材料廉价、制作工艺简单的巨大吸引力，但是电池的效率随面积的放大而降低，这一点与太阳能发电需要充足的光照和广域的面积相矛盾；
第三，所需光照要求复杂，选择地日光辐射情况适当。
如果在阳光不太充足的多云天气或者是雨天和闷热的天气里，太阳光伏效应转换的效率将会大幅度降低；
第四，光伏发电成本太高。
成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。
2.1.3家用太阳能发电的应用
我国拥有丰富的太阳能资源，如果将其充分利用，不仅可能节省大量常规能源，而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。
太阳能光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大道兆瓦级电站，小到玩具。
随着光伏发电技术的日益发展成熟，光伏发电的应用面逐步扩大，到目前为止，太阳能光伏发电产品主要用于三大方面:
一是为无电场合提供电源；
二是太阳能日用电子产品，如各种太阳能充电器、太阳能路灯等；
三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。
在国外，家用太阳能光伏发电技术日趋成熟，应用日益广泛。
德国的百万屋顶计划使许多家庭利用太阳能光伏发电解决了自家供电问题，而且这些家庭还办成了一所所私人的小型电站，能够源源不断的向公用电网输送电能。
家用太阳能光伏发电在日本也得到了迅猛良好的发展，为了实现温室气体减排的目的，日本正在大力推广太阳能的使用，在建筑以及部分住宅小区已经得到了广泛的应用，使用户使用自己太阳能光伏发电系统所发的电能，并且实现并网向一些公共设施提供电能。
在国内，太阳能光伏发电技术也得到了良好的发展。
在河北保定，太阳能路灯得到了很好的推广，大街小巷道路两边的路灯、十字路口的红绿灯都是由安装在道路两旁的太阳能光伏发电系统来提供电源，部分小区的建筑外侧也安装了太阳能电池板，为住户提供部分家庭用电，将太阳能这个清洁环保廉价的能源推广到人们生活的方方面面。
在一些偏远地区，电力建设落后的地区，太阳能光伏发电也开辟出了一个良好的前景。
由于家用太阳能光伏发电系统安装、维护十分简便，可以安装在屋顶、建筑外侧，因此不便于建设电厂、发电站的地区采用太阳能发电去解决用户的用电问题是一个行之有效的方法。
下图为太阳能光伏发电系统的应用实例：
图2太阳能光伏发电系统的应用实例
2.1.4家用太阳能发电系统的原理
家用太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器等其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。
白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。
再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能储存起来。
晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，以供交流设备使用。
蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。
如果是光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。
从总体来看，家用太阳能光伏发电系统包括太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器等设备。
下图为太阳能光伏发电系统示意图：
图3太阳能光伏发电系统示意图
2.2太阳能电池板系统
2.2.1太阳能电池板的发电原理
太阳能电池发电的原理是基于半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，这就是半导体的光敏特性。
如果将P型或者N型硅放在阳光下照射，外部看不出变化，但内部通过光的能量，电子从化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内电子又被捕获，即电子和空穴复合。
太阳能电池的基本结构是一个大面积平面的P-N结。
当P型和N型半导体结合在一起的时候，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型侧带正电，N型侧带负电。
如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子—空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区，空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将产生一个向外的可测试的电压。
通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，在太阳能电池中形成的电流也越大。
图4太阳能电池板发电原理
2.2.2太阳能电池板的分类
太阳能电池板的种类繁多，不同的太阳能电池有着不同的特性。
常用的太阳能电池主要有以下几种：
（1）单晶硅太阳能电池。
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以至于它还不能被大量广泛和普遍地使用。
由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年；
（2）多晶硅太阳能电池。
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右。
从制作成本上来讲，多晶硅太阳电池比单晶硅太阳电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。
此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。
从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好；
（3）非晶硅太阳能电池。
非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗很低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。
但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减；
（4）多元化合物太阳电池。
多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。
现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：
a硫化镉太阳能电池；
b砷化镓太阳能电池；
c铜铟硒太阳能电池。
2.3蓄电池储能系统
2.3.1蓄电池的充放电原理
构成铅酸蓄电池的主要部分为正极板（过氧化铅）、负极板（海绵状铅）、电解液（稀硫酸）、电池外壳、隔离板以及其他辅助材料。
蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应生成新化合物硫酸铅。
经由放电硫酸成分从电解液中释放，放电越久，硫酸浓度越稀薄。
所消耗的成分与放电量成正比，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测得比重，即可得知放电量或残余电量。
蓄电池在充电时，阴极板上在放电时所产生的硫酸铅会被分解还原成硫酸铅及过氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加，并逐渐恢复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束。
整个充放电过程的化学反应式为：
PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4（放电反应）
PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb（充电反应）
2.3.2蓄电池的充放电特性
蓄电池的充电特性包括充电电流特性、充电电压特性、充电容量特性。
（1）充电电流特性：
在充电开始阶段，其电流是一个恒定值，随着充电时间的推移逐渐下降，最终趋于0。
由于在放电过程中，电池内的电荷大量流失，因此，由放电转变为充电时，电荷的增长较快，随着电池容量的恢复，充电电流将自动下降。
电池放电越深，恒流充电的时间越长，反之则较短。
（2）充电电压特性：
在电池恒流充电阶段，电池的电压始终是上升的，当恒流充电结束时，电池的电压基本保持不变，称为恒压充电。
恒压充电结束后，为保持电池的储能，防止电池的自放电，会转入浮充电。
（3）充电容量特性：
在恒流充电阶段，电池的容量基本呈线性增长，在恒压充电阶段，容量增长的速度减慢。
恒流充电是为了恢复电池的电压，恒压充电是为了恢复电池的储能，浮充电是为了抑制电池的自放电或保持储能。
蓄电池的放电特性主要包括以下两个方面：
（1）无论放电电流的大小，在放电的初始阶段都会使端电压下降较多，然后略有回升的现象。
这种现象是因为电池从充电状态转变为放电状态的瞬间，电池极板附近的电荷快速释放出来，而离极板较远的电荷需要逐渐运送到极板附近，然后才能释放出来；
（2）无论放电电流的大小，电池端电压最终将出现急剧下降的拐点，以这些曲线的拐点连接起来得到的曲线就是安全工作时的终止电压曲线。
它表示放电电压低于此曲线后将造成电池的永久性失效，即电池不能再恢复储电的能力。
图5电池的充电特性曲线图6电池的放电特性曲线
2.4控制器
2.4.1控制器的原理
控制器分为方阵投撤型（串联、并联）和DC-DC变换型（有MPPT和无MPPT）。
投撤型的原理是：
控制器检测蓄电池的电压，当达到设定值时撤出方阵。
并联型的是将撤出的方阵并联到控制器内的假负载上；
串联型的是直接将方阵开路。
DC-DC变换型：
将一些参数固化到控制器内部，将方阵输出的电压经过变换器固定为设定值给蓄电池充电。
太阳能电池组件经过光线照射后发生光电效应产生电流。
如果将所产生的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重影响光伏发电系统的寿命。
对蓄电池充电时，需把电流先送入光伏控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，同时采用独有的控制技术“自适应三阶段充电模式”，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。
对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。
这样做的目的有三个，一是为了稳定放电电流；
二是为了保证蓄电池不被过放电；
三是可对负载和蓄电池进行一系列的检测保护。
下图是控制器的原理图：
图7控制器原理图
2.4.2控制器的作用
家用太阳能控制器是用于家用太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。
在太阳能光伏发电系统中，蓄电池、逆变器、直流负载是直接连接到控制器上的，白天控制器控制着蓄电池的充电，到夜晚或者需要用电时控制器控制着蓄电池的放电。
当蓄电池中的电能足够带动负载的运行时，控制器控制着蓄电池向直流负载直接供电或者通过逆变器向交流设备提供电能，当蓄电池中的电能不足以带动负载时，控制器会自动将提供电能的任务转到市电电网上，再对直流负载或者交流负载进行供电。
若某家用太阳能光伏发电系统是离网的，即家庭用电都是太阳能光伏发电系统提供，则当发电量大于用电量时，控制器将多余的电能储存在蓄电池中，当发电量小于用电量时，控制器能将蓄电池中多余的电能释放供给负载。
在太阳能光伏发电系统中，控制器的重要作用还体现在以下几个方面：
（1）自适应式三阶段充电模式。
蓄电池性能的劣态化，除了正常的寿命老化所致外，主要是两种原因，一是充电电压过高而造成的内部析气和失水，二是充电电压过低或充电不足而造成极板硫酸盐化。
所以蓄电池的充电，必须进行超限保护，智能化的分三个阶段即恒流限压、恒压减流和涓流来进行，避免蓄电池出现供电故障，达到安全、有效、满容量的充电效果；
（2）充电保护。
电池电压超过了终值充电电压时，电池就会产生氢气和氧气并打开阀门放气。
大量的析气必将导致电解液的失水损失。
而且电池即使达到终值充电电压，电池也不可能完全充满，因此充电电流不应被切断。
此时，控制器由内置的传感器根据环境温度作自动调节，以控制不超过终值充电电压为条件，逐步减小充入电流至涓流状态，有效的控制蓄电池内部的氧循环复合和阴极析氢过程，最大程度的防止了蓄电池的容量衰减性老化；
（3）放电保护。
电池如果没有放电保护，同样也会被损坏。
当电压到达设定的最低放电电压时，控制器会自动切断负载来保护电池不被过放电。
当太阳能电池板对蓄电池的充电达到控制器设定的再次启动电压时，负载才会被再次接通；
（4）析气调节。
蓄电池如果长时间未能出现析气反应时，电池内部会出现酸液分层，也将造成蓄电池容量衰减。
所以，我们可以通过数字电路定期屏蔽掉充电保护功能，让蓄电池定期的出现充电电压超限析气现象，防止蓄电池出现酸液分层，减少蓄电池的容量衰减和记忆效应，延长蓄电池的寿命；
（5）超压保护。
防止因意外情况产生的高压损坏控制器和蓄电池；
（6）过流保护。
在蓄电池的回路间可并联上保险丝，有效对蓄电池进行过流保护。
2.5逆变器
2.5.1逆变器的工作原理
逆变器的直接功能是将直流电变换成交流电。
逆变装置的核心是逆变开关电路，简称逆变电路，该电路通过电力电子开关的导通与关断来完成逆变的功能。
电力电子开关器件的通断需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节。
产生和调节脉冲的电路通常称为控制回路。
逆变装置的基本结构除了逆变电路和控制回路外，还有保护电路、输出电路、输入电路等。
逆变器由升压电路和逆变桥式回路构成，是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于直流转换交流。
其中，升压回路把太阳能电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压，逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价的转换成常用频率的交流电压。
逆变器主要是由晶体管等开关元件构成，通过有规律的让开关元件重复开关，使直流输入变成交流输出。
一般还需要采用高频脉宽调制，使靠近正弦波两端的电压宽度变窄，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一个方向动作，这样形成一个脉冲波列，然后让脉冲波通过滤波器形成正弦波。
图8逆变器原理图
2.5.2逆变器的分类及特点
有关逆变器分类原则很多，如根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；
根据逆变器使用的半导体器件类型不同，又可分为晶体管逆变器，晶闸管逆变器等；
根据逆变器线路原理的不同，还可以分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器等等。
为了方便起见，这里以逆变器输出交流电压波形的不同进行分类。
（a）方波逆变器。
方波逆变器输出的交流电压波形为方波，此类逆变器所使用的逆变线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。
但是由于方波电压中含有大量高次谐波，在以变压器为负载的用电器中将产生附加损耗，而且此类逆变器的调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大。
（b）阶梯波逆变器。
该种逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，阶梯波逆变器的优点是输出波形比方波有明显改善，高次谐波含量减少，当阶梯数目足够多的时候输出波形可实现准正弦波。
缺点是阶梯波叠加线路使用的功率开关管较多，其中有些线路形式还要求有多组直流电源输入。
（c）正弦波逆变器。
正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波，正弦波逆变器的特点是综合技术性能好，功能完善，但线路复杂。
此类逆变器的优点是输出波形好、失真度很低、噪声也低。
但是缺点是线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。
下图为不同的逆变器输出的波形图。
图9逆变器输出波形图
3.家用发电系统功率匹配设计
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