太阳能光伏电源毕业设计.docx

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太阳能光伏电源毕业设计

学生毕业设计（论文）

题　　目　太阳能光伏电源毕业设计　

　　　　学院　光伏工程学院　　　　

专　　业　光伏材料加工与应用　　　

班级　2008级光伏（9）班　　　

姓　　名　　孟庆磊　　　　　　

学　　号　　　2085110943　　　　　

指导教师　林逢春　　　　　　

完成日期2010年11月

目录

摘要

ABSTRACT

1绪论1

2太阳能光伏电源系统的原理及组成2

2.1太阳能电池方阵2

2.1.1太阳能电池的工作原理3

2.1.2太阳能电池的种类及区别3

2.1.3太阳能电池组件3

2.2充放电控制器4

2.2.1充放电控制器的功能5

2.2.2充放电控制器的分类5

2.2.3充放电控制器的工作原理6

2.3蓄电池组7

2.3.1太阳能光伏电源系统对蓄电池组的要求7

2.3.2铅酸蓄电池组的结构8

2.3.3铅酸蓄电池组的工作原理8

2.4直流-交流逆变器9

2.4.1逆变器的分类9

2.4.2太阳能光伏电源系统对逆变器的要求10

2.4.3逆变器的主要性能指标10

2.4.4逆变器的功率转换电路的比较12

3太阳能光伏电源系统的设计原理及其影响因素15

3.1太阳能光伏电源系统的设计原理15

3.1.1太阳能光伏电源系统的软件设计15

3.1.2太阳能光伏电源系统的硬件设计16

3.2太阳能光伏电源系统的影响因素18

4总结19

致谢

参考文献

摘要

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上蓄电池组，充放电控制器，逆变器等部件就形成了光伏发电装置。

本文首先介绍了太阳能光伏电源系统的原理及其组成，初步了解了光生伏打效应原理及其模块组成，然后进一步研究各功能模块的工作原理及其在系统中的作用，最后根据理论研究成果，利用硬件和软件相结合的方法设计出太阳能光伏电源系统，以及研究系统的影响因素。

关键词：

光生伏特效应；太阳能电池组件；蓄电池组；充放电控制器；逆变器

Topic：

TheDesignofPhotovoltaicPower

Abstract

Photovoltaicpowergenerationisatechnologyofbeingenergydirectlyintoelectricalenergyonsemiconductorphoto-voltaiceffect.Thekeycomponentsofthistechnologyisthesolarcell.Solarcellsinseriescanbeformedafterthepackagetoprotectalargeareaofsolarcells,togetherwiththebattery,chargeanddischargecontroller,inverterandothercomponentstoformaphotovoltaicdevice.Thispaperintroducestheprincipleofsolarphotovoltaicpowersystemanditscomponents,apreliminaryunderstandingoftheprincipleofphotovoltaiceffectanditsmodules,andthenfurtherstudytheworkingprincipleofeachfunctionalmoduleanditsroleinthesystem,thefinalresultsoftheoreticalstudiesbasedtheuseofhardwareandsoftwarecombinationdesignedasolarphotovoltaicpowersystems,andstudytheimpactofsystemfactors.

Keywords：

photo-voltaiceffect；Solarcells；batteries;chargeanddischargecontroller;inverte

1绪论

人类社会进入21世纪，正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。

廉价的石油时代已经结束，逐步改变能源消费结，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已逐渐成为人们的共识。

太阳能光伏发电具有独特的优点，近年来正在飞速发展。

太阳能电池的产量年增长率在40%以上，已成为发展最迅速的高新技术产业之一，其应用规模和领域也在不断扩大，从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用，发展到城市并网系统和大型光伏电站。

尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道，但是随着社会的发展和技术的进步，其份额将会逐步增加，可以预期，到21世纪末，太阳能发电将成为世界能源供应的主体，一个光辉的太阳能时代将到来。

我国的光伏产业发展极不平衡，2007年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世界第一，然而光伏应用市场的发展却非常缓慢，光伏累计安装量大约只占世界的1%，应用技术水平与国外相比还有相当大的差距。

光伏产品与一般机电产品不同，必须很据负载的要求和当地的气象、地理条件来决定系统的配置，由于目前光伏发电成本较高，所以应进行优化设计，以达到可靠性和经济性的最佳结合，最大限度的发挥光伏电源的作用。

为了提高太阳能的转换效率，获取更多的有效能源，满足人类的能源供应，世界各国在研究太阳能光伏系统中都投入了大量的人力与物力。

我国对太阳能光伏电源系统的研究还处于世界低等水平，产品的性能还有待提高，为迎接未来能源短缺带来的严峻挑战，我们应该加大对太阳能光伏系统的研究，以满足人类未来对能源的需求。

本文从理论出发，阐述了太阳能光伏电源的原理及其组成结构；结合科研实际，应用硬件和软件结合的方法，设计了简易的太阳能光伏电源模拟系统。

根据这个简易系统研究分析了太阳能光伏电源的影响因素，合理优化了系统的配置，以提高系统的性能，最终提高了太阳能的转换效率。

2太阳能光伏电源系统的原理及组成

太阳能光伏电源系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。

它由太阳能电池方阵、充电放电控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图2-1所示。

图2-1太阳能光伏电源系统示意图

2.1太阳能电池方阵

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4㎝2到100㎝2不等。

太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为20—25mA/㎝2，一般不能单独作为电源使用。

将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。

太阳能电池组件再经过串并组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率（见图2-2）。

图2-2太阳能电池单体、组件和方阵

2.1.1太阳能电池的工作原理

光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的低端经过负载流到电池的顶端。

这就是“光生伏打效应”。

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。

光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

2.1.2太阳能电池的种类及其区别

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：

单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。

对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。

多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶体硅太阳能电池的效率一般比单晶体硅太阳能电池低，多晶体硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶体硅太阳能电池的低。

非晶体硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。

一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为13%-15%；多晶硅太阳能电池的光电转换效率为11%-13%；非晶硅太阳能电池的光电转换效率为5%-8%。

2.1.3太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压，为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。

太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。

一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片，能提供大约17V电压，正好能为额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。

通过导线连接的太阳能电池被密封成物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雨等能力，广泛应用于各个领域和系统。

当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

太阳能电池组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性，也称为V-I特性曲线，如图2-3所示。

V-I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。

如果太阳能电池组件电路短路即V=0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I=0，此时的电路称为开路电压Voc。

太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V*I。

图2-3太阳能电池的电流-电压特性曲线

I：

电流Isc：

短路电流Im：

最大工作电流

V：

电压Voc：

短路电压Vm：

最大工作电压

当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从零开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将越过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。

太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性，在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点，该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率称为最大功率Pm。

太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度。

太阳的辐照度越强，输出的功率越大；太阳光谱分布越密集，输出功率越大；太阳能电池的温度越高，开路电压越低，输出功率越低。

2.2充电放电控制器

充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。

由于蓄电池组的循环充放电次数及充放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电放电控制器是必不可少的设备。

2.2.1充电放电控制器的功能

控制器的功能：

（1）高压（HVD）断开和恢复功能：

控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。

（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：

当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。

（3）低压（LVD）断开和恢复功能：

这种功能可防止蓄电池过放电。

通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。

当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。

有时，采用低压报警代替自动切断。

（4）保护功能：

①防止任何负载短路的电路保护。

②防止充电控制器内部短路的电路保护。

③防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。

④防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。

⑤在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。

（5）温度补偿功能：

当蓄电池温度低于２５℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。

相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。

通常铅酸蓄电池的温度补赏系数为－5mv/ºC/CELL。

2.2.2充放电控制器的分类

光伏充电控制器基本上可分为五种类型：

并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。

（1）并联型控制器：

当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。

因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在12伏、20安以内的系统。

这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。

（2）串联型控制器：

利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。

它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。

比较容易制造连续通电电流在45安以上的串联控制器。

（3）脉宽调制型控制器：

它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。

当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。

按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。

（4）智能型控制器：

采用带CPU的单片机（如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。

对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。

（5）最大功率跟踪型控制器：

将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。

同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。

2.2.3充放电控制器的工作原理

（1）单路并联型充放电控制器（如图2-4）

图2-4单路并联型充放电控制器

并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。

D1为防“反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。

开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。

同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。

D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。

检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使T1导通进行“过充电保护”；当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放电保护”。

（2）串联型充放电控制器：

串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串联在充电回路中。

当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。

其它元件的作用和串联型充放电控制器相同，不再赘述。

2.3蓄电池组

蓄电池组是光伏电站的贮能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来，以供应用。

2.3.1太阳能光伏电源系统对蓄电池组的基本要求

太阳能光伏电源系统对所用蓄电池组的基本要求是：

（1）自放电率低；

（2）使用寿命长；

（3）深放电能力强；

（4）充电效率高；

（5）少维护或免维护；

（6）工作温度范围宽；

（7）价格低廉。

光伏电站中与太阳能电池方阵配用的蓄电池组通常是在半浮充电状态下长期工作，它的电能量比用电负荷所需要的电能量要大，因此，多数时间是处于浅放电状态。

当冬季和连阴天由于太阳辐射能减少，而出现太阳能电池方阵充电不足的情况时，可启动光伏电站备用电源—柴油发电机组给蓄电池组补充充电，以保持蓄电池组始终处于浅放电状态。

固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低,是我国光伏电站目前选用的主要贮能装置。

2.3.2铅酸蓄电池组的结构

铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。

极板组是由单片极板组合而成，单片极板又由基极（又叫极栅）和活性物质构成。

铅酸蓄电池的正负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化铅，负极的活性物质是海绵状纯铅。

极板按其构造和活性物质形成方法分为涂膏式和化成式。

涂膏式极板在同容量时比化成式极板体积小、重量轻、制造简便、价格低廉，因而使用普遍;缺点是在充放电时活性物质容易脱落，因而寿命较短。

化成式极板的优点是结构坚实，在放电过程中活性物质脱落较少，因此寿命长；缺点是笨重，制造时间长，成本高。

隔板位于两极板之间，防止正负极板接触而造成短路。

材料有木质、塑料、硬橡胶、玻璃丝等，现大多采用微孔聚氯乙烯塑料。

电解液是用蒸馏水稀释纯浓硫酸而成。

其比重视电池的使用方式和极板种类而定，一般在1.200－1.300（25℃）之间（充电后）。

容器通常为玻璃容器、衬铅木槽、硬橡胶槽或塑料槽等。

2.3.3铅酸蓄电池组的工作原理

蓄电池是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。

它是用两个分离的电极浸在电解质中而成。

由还原物质构成的电极为负极。

由氧化态物质构成的电极为正极。

当外电路接近两极时，氧化还原反应就在电极上进行，电极上的活性物质就分别被氧化还原了，从而释放出电能，这一过程称为放电过程。

放电之后，若有反方向电流流入电池时，就可以使两极活性物质回复到原来的化学状态。

这种可重复使用的电池，称为二次电池或蓄电池。

如果电池反应的可逆变性差，那么放电之后就不能再用充电方法使其恢复初始状态，这种电池称为原电池。

电池中的电解质，通常是电离度大的物质，一般是酸和碱的水溶液，但也有用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解液的。

以酸性溶液（常用硫酸溶液）作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。

铅酸蓄电池视使用场地，又可分为固定式和移动式两大类。

铅酸蓄电池单体的标称电压为2V。

实际上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。

铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至2.3伏左右。

放电终止电压为1.7－1.8伏。

若再继续放电，电压急剧下降,将影响电池的寿命。

铅酸蓄电池的使用温度范围为＋40℃―－40℃。

铅酸蓄电池的安时效率为85%－90%，瓦时效率为70%，它们随放电率和温度而改变。

2.4直流-交流逆变器

众所周知，整流器的功能是将50HZ的交流电整流成为直流电。

而逆变器与整流器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。

这种对应于整流的逆向过程，被称之为“逆变”由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

2.4.1逆变器的分类

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；根据输出波形的不同，可分为方波逆变器和正弦波逆变器；根据逆变器使用的半导体器件类型不同，可分为晶体管逆变器、MOSFET模块及可关断晶闸管逆变器等；根据功率转换电路的不同，又可分为推挽电路、桥式电路和高频升压电路逆变器等。

（1）方波逆变器：

方波逆变器输出的交流电压波形为50HZ方波。

此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量少。

设计功率一般在几十瓦至几百瓦之间。

方波逆变器的优点是：

价格便宜，维修简单。

缺点是：

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，对收音机和某些通信设备也有干扰。

此外，这类逆变器中有的调压范围不够宽，有的保护功能不够完善，噪声也比较大。

（2）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。

正弦波逆变器的优点是：

输出波形好，失真度低，对通信设备无干扰，噪声也很低。

此外，保护功能齐全，对电感性和电容型性负载适应性强。

缺点是：

线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。

2.4.2太阳能光伏电源系统对逆变器的要求

采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是其中关键部件。

光伏发电系统对逆变器的技术要求如下：

（1）要求具有较高的逆变效率。

由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

（2）要求具有较高的可靠性。

目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

（3）要求直流输入电压有较宽的适应范围。

由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如１２Ｖ蓄电池，其端电压可在10V-16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

（4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。

这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对供电品质有较高的要求。

另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆变器输出失真度满足要求的正弦波形。

2.4.3逆变器的主要技术性能指标

（1）额定输出电压：

在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器应能输出的额定电压值。

对输出额定电压值的稳定精度有如下规定：

①在稳态运行时，电压波动范围应有一个限定，例如，其偏差不超过额定值的±3％或±5％。

②在负载突变（额定负载的0％Ö50％Ö100％）或有其它干扰因素影响动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的±8％或±10％。

（2）逆变器应具有足够的额定输出容量和过载能力：

逆变器的选用，首先要考虑具有足够的额定容量，以满足最大负荷下设备对电功率的需求。

额定输出容量表征逆变器向负载供电的能力。

额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。

但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率因数小于1时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。

（3）输出电压稳定度：

在独立光伏发电系统中均以蓄电池为储能设备。

当标称电压为12V的蓄电池处于浮充电状态时，端电压可达13.5V，短时间过充状态可达15V。

蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至10.5V或更低。

蓄电池端电压的起伏可达标称电压