太阳能论文标准版pdf本文由ｌｉ贡献 ｄｏｃ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第一章绪论 １．１课题研究的背景．１ 能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也 相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也 逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开 发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。太阳能是人类取 之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性 、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源 战略中具有重要地位［１５］。我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两 种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源 开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、 多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅材料 较少，又无效率衰退问题，并且可以在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电 池，经济效益较好。此外，非多晶硅薄膜电池也具有极大的发展潜力。在晶体硅太 阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。上 游环节的企业掌握技术优势，具有较强的议价能力，可以通过提高产品价格将成本压 力向下游传导，从而保证自身获得较高的盈利能力。非多晶硅薄膜电池可以用ＩＣ废 料作为原料，成本低廉。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，１９９ ５－２００５年间，全球太阳能电池产量增长了１７倍。我们预计，２０１０年全球太阳能电 池的年产量有望较２００５年的年产量增长６．３倍，整个行业的销售收入有望增长３． ５倍。我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应 用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难 问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、 政策，有力的支持了产业的发展。 １ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ２００５年后，我国太阳能发电产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、 新光硅业、浙江中意、赛维ＬＤＫ、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入 成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。目前，各 国市场均给予太阳能发电相关公司较高的估值水平，从一个侧面也反映出各国投资者 对这一产业发展前景乐观的预期。我国太阳能发电产业正处在成长初期，发展前景广 阔。 ［１］ 国内外太阳能发电产业发太阳能发电产业发展现状及趋势１．２国内外太阳能发 电产业发展现状及趋势 全球太阳能发电产业发展现状及趋势在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大 力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家（德国）和美国等经济发达、能源消耗大的国 家起步较早，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高， 因此需要政府给予政策扶持。２０世纪９０年代末开始，从欧美、日本等国家纷 纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠。 同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能能源利用的研究。 欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划 。１９９７年６月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到２０１０年将在１００万个屋 顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水 系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于１９９７年左右也宣布了百万屋顶计划，其中， 在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于１９９８年１０月提 出了计划——在６年内安装１０万套太阳能屋顶系统，总容量在３００－５００ＭＶ，每个 屋顶约３－５ＫＷ。日本政府的计划目标是，到２０１０年安装５００ＭＷ屋顶光伏发电系统 ｐａｇｅ１ 。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，１９９５－２００５年间，全球太 阳能电池产量增长了１７倍。２００５年，全球太阳能电池年产量达到了１６５０兆瓦，累 计装机发电容量超过５ＧＷ，其中，日本太阳能电池产量达到７６２兆瓦，增长率为２ ７％；欧洲产量增加４８％，达到了４６４兆瓦；美国增加１２％，达到了１５６兆瓦；世界 其他地区增加９６％，达到了２７４兆瓦。我们预计，２０１０年全球太阳能电池的年产量 有望达到１０４００兆瓦，较２００５年的年产量增长６．３倍；整个行业的销售收入有望 。同时，受益于规 ２ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润 率有望保持在较高水平上。我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量 在每平方米４千瓦时以上，理论储量达每年１．７万亿吨标准煤，太阳能资源开发利 用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华 北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或 较丰富的地区。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一，我国有荒漠面积 １００余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区，如果利用荒漠安装并网 太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源 设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益 。第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则 成本高，建设周期长，不经济。太阳能发电无需架设输电线路，且建设周期短，可以 有效解决边远地区用电的难题。我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。２００６ 年１月，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，此法在资源调查与发展规划 、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、 法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了《可再生能源发展专项资金管 理暂行办法》、《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》等支持可再生能源发 展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗化。这一系列法律 、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。近２０年来，我国太阳能发 电产业长期维持在全球市场１％左右的份额。２００５年后，产业有了突飞猛进的发展 ，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维ＬＤＫ、新疆新能源、常州天合、天津京瓷 等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断 增强。而且，浙江、保定、四川等地的公司已经开始多晶硅太阳电池的生产或试车， 市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打电池产品的局面。目前，我国非多晶硅薄膜电 池产业也展现出迅猛发展的势头，很多国内公司通过与国外公司的合作已经开始进 行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。目前各国市场均给予太阳能发电相关 公司较高的估值水平，从一个侧面也反映出各国投资者对这一产业发展前景乐观的 预期。我国太阳能发电产业正处在成长初期，发展前景广阔［２］。 ３ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） １．３本章小结 本章主要介绍了太阳能发电产业的研究背景，在环境污染严重，能源的稀缺性越 来越明显的今天，用太阳能发电，能起到充分利用能源的作用，起到环境保护的 作用，本章还主要介绍了国内外太阳能发电产业发展现状及趋势，而太阳能发电无 需架设输电线路，且建设周期短，可以有效解决边远地区用电的难题，所以课题的研 究具有重大的意义 ４ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第二章太阳能电池及太阳能电池的工作原理 ２．１太阳能 太阳的寿命还会延续几十亿年，并且储存能量巨大，太阳能可以说是真正意义上 的“取之不尽、用之不竭”的能源。虽然太阳的内部不断进行的热核反应，是人类 梦寐以求的核能利用形式，但目前为止人类还不能控制其来发电。太阳光到达地球的 ｐａｇｅ２ 部分与太阳辐射的总量相比，可谓九牛一毛，但是对于人类来说却可以认为是“用之 不竭”的。利用太阳能来发电，必须要知道太阳光在各个地方的资源分布。我国除 了四川盆地、贵州等地区因为全年的阴、雨、雾天气比较多导致太阳能比较匮乏以外 ，其他大部分地区的太阳能都可以被利用。其中丰富地区占得比例非常大。根据各 地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。一类地区为我国太阳能资 源最丰富的地区，年太阳辐射总量６６８０～８４００ＭＪ／㎡，相当于日辐射量５．１～６．４ＫＷ ｈ／㎡。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西部等地。尤 以西部最为丰富，最高达２３３３ＫＷｈ／㎡（日辐射量６．４ＫＷｈ／㎡），居世界第二 位，仅次于撒哈拉大沙漠。二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量 、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、东南部和新疆南部 等地。三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为５０００－５８５０Ｍ Ｊ／ｍ２，相当于日辐射量３．８～４．５ＫＷｈ／㎡。主要包括山东、河南、河北东南部、山西 南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部 、苏北、皖北、西南部等地。四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射 北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及 黑龙江、东北部等地。五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最 ／㎡。从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射 量在４ｋＷｈ／㎡以上，最高达７ｋＷｈ／㎡。具体分布情况如下图所示： ５ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 图２．１太阳能量的分布图 ２．２、２．２、太阳能电池的发展状况 近两年来国内太阳能电池产业发展很快，特别是受无锡尚德公司美国上市的影 响，太阳能电池企业蜂拥而上，现在，我国大大小小从事太阳能电池硅材料，硅片、 电池及组件的生产厂家已不下百家。国内２００５年的太阳能电池产量数量很难正确 统计，只能根据了解的情况作一个估计。太阳能电池产量：江苏无锡尚德太阳能电力 有限公司，宁波太阳能电源有限公司、中电电气南京光伏科技有限公司、云南天达光 伏科技股份公司、泰阳绿色能源公司等主要的十多家公司总产量约为１１０Ｍ Ｗ。太阳能电池组件生产量：天威英利新能源公司、上海太阳能科技有限公司、江苏 林洋新能源公司、新疆新能源公司、浙江昱辉阳光能源公司、西安佳阳能源公司、力 诺光伏高科技有限公司、上海超日太阳能科技公司、无锡佳诚太阳能科技有限公司、 常州天合光能有限公司、无锡国飞绿色能源有限公司、深圳能联电子有限公司等十多 家公司总产量达２２０ＭＷ以上。太阳能电池用硅材料产量：河北宁晋单晶硅基地、 江苏顺大半导体发展有限公司、四川峨眉半导体材料厂、洛阳中硅高科技有限公司 、常州天合光能公司、宁波晶元太 ６ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 阳能有限公司、绍兴精工太阳能有限公司、常州亿晶光电科技有限公司、江苏华 日源电子科技有限公司第十多家公司总产量约为７００吨。２００５年太阳能电池组件 主要销往欧洲，特别是德国，几乎是我国生产多少德国就收购多少；硅原材料与硅太 阳能电池相当一部分从国外进口。太阳能电池制造技术方面：由于硅材料缺乏，价格 飞速上涨，极大地促进了硅太阳能电池薄片技术的发展，目前硅片厚度已普遍地从 ３７０μｍ降到２４０μｍ，有的厂家已减薄到２２０μｍ，仍能保持较高的成品率，同时也 促进了太阳能电池转化效率的提高，多晶硅太阳能电池一般效率已达到１３－１４％， 有的企业已能批量生产１５％的产品；而单晶硅电池效率已普遍达到１４－１５％，有的 企业已能批量生产１６％的产品。此外，北京企业星华创股份有限公司已能制造和生 产硅太阳能电池和组件的制造设备，特别是一些国产的单晶炉和太阳能电池封装设备 已有较高的技术水平。《可再生能源法》已于２００６年１月１日起正式实施。２００ ６年４月国务院能源领导小组会议上已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中 ｐａｇｅ３ 长期发展规划、发展重点和目标。国家发改委还同时发布了《可再生能源发电价格 和费用分摊关系试行办法》，明确了２００６年及以后建设的可再生能源发电项目上 网电价及费用分摊管理办法，办法中规定可再生能源发电项目上网电价要与当地燃煤 机组标杆上网电价的部分费用，通过向全国电力用户统一征收电价附加的方式解决。 各省级电网企业按其销售电量占全国的比例，分摊全国可再生能源电价附加额，其 实际支付的可再生能源电价附加与其应承担的电价附加的差额，在全国范围内实行统 一调配。到２０１０年可享受电价优惠政策的太阳能电池总安装量可达到３５０ＭＷ，国家 的这些扶植政策和措施将大力促进我国太阳能光电产业的发展并使之应用于家用发电 ［８］。 ２．２２．２太阳能电池的原理 ：Ｎ型半导体２．２．２二极管的导电特性２．２． ７ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极 流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。１、正向 特性在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会 导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小 时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某 一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为０．２Ｖ，硅管约为０．６Ｖ）以后，二极 管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为０．３Ｖ，硅管 约为０．７Ｖ），称为二极管的“正向压降”。２、反向特性在电子电路中，二极管的 正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极 管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有 微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值 ，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击 穿。２．２．２．２．３二极管的主要参数用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指 标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须 了解以下几个主要参数：１、额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过 的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许 限度（硅管为１４０左右，锗管为９０左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二 极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的ＩＮ４００１－４００７型锗 二极管的额定正向工作电流为１Ａ。２、最高反向工作电压加在二极管两端的反向电 压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最 高反向工作电压值。例如，ＩＮ４００１二极管反向耐压为５０Ｖ，ＩＮ４００７反向耐压为１００ ０Ｖ。３、反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过 二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向 电流与温度有着 ８ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 密切的关系，大约温度每升高１０，反向电流增大一倍。例如２ＡＰ１型锗二极管 ，在２５时反向电流若为２５０ｕＡ，温度升高到３５，反向电流将上升到５００ｕＡ，依此类 推，在７５时，它的反向电流已达８ｍＡ，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过 热而损坏。又如，２ＣＰ１０型硅二极管，２５时反向电流仅为５ｕＡ，温度升高到７５时 ，反向电流也不过１６０ｕＡ。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。测 试二极管的好坏初学者在业余条件下可以使用万用表测试二极管性能的好坏。测试 前先把万用表的转换开关拨到欧姆档的ＲＸ１Ｋ档位（注意不要使用ＲＸ１档，以免电 流过大烧坏二极管），再将红、黑两根表笔短路，进行欧姆调零。１、正向特性测试 把万用表的黑表笔（表内正极）搭触二极管的正极，红表笔（表内负极）搭触二极 管的负极。若表针不摆到０值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正 向电阻，一般正向电阻越小越好。若正向电阻为０值，说明管芯短路损坏，若正向电 阻接近无穷大值，说明管芯断路。短路和断路的管子都不能使用。２、反向特性测试 ｐａｇｅ４ 把万且表的红表笔搭触二极管的正极，黑表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷 大值或接近无穷大值，管子就是合格的。２．２．２．２．４二极管的应用１、整流二极管 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流 电。２、开关元件二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接 通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利 用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。３、限幅元件二极管正向导通后， 它的正向压降基本保持不变（硅管为０．７Ｖ，锗管为０．３Ｖ）。利用这一特性，在电路 中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。４、继流二极管在开关电源的 电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 ９ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ５、检波二极管在收音机中起检波作用。６、变容二极管使用于电视机的高频 头中。２．２．２．２．５Ｐ－Ｎ结的光伏效应太阳能电池的能量转换是应用Ｐ－Ｎ结的光伏 示，为一理想的Ｐ－Ｎ结二极管的电流电压（Ｉ－Ｖ）特性图，其对应的方程式如下： 温度Ｋ＝摄氏温度℃＋２７３度）Ｉｓ：等效二极管的逆向饱和电流ＶＴ：热电压（Ｔｈｅ ｒｍａｌＶｏｌｔａｇｅ：２５．６８ｍＶ） －１９ 图２．２Ｐ－Ｎ结二极管Ｉ－Ｖ特性图 太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子－光子（Ｐｈｏｔｏｎｓ）， 而每个光子所携带的能量为Ｅｐｈ： １０ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 其中ｈ：普郎克常数（ＰｌａｎｃｋＣｏｎｓｔａｎｔ：４．１４×１０－１５ｅＶ ? ０ｍ／ｓ）λ：光子波长２．２．太阳光照射在太阳能电池上的２．２．６太阳光照射在太阳 能电池上的能量分析并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能， 因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样：１．当光子所携带的能量大于禁带（ ｄ）而产生所谓的“电流”，所以当光子所携带的能量若大于禁带能量时，便可以通 过光电子转换成电能，如图２－２所示。２．若光子所携带得能量小于禁带能量时， 就对太阳能电池而言并没有什么作用，不会产生任何的电流。但在太阳光照射到太 阳能电池产生电子－空穴对（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＨｏｌｅＰａｉｒ）的同时，也会有部份的能量以热能 形式散逸掉而不能被有效的利用。 ８ 图２．３太阳光照射在太阳能电池上的示意图 当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内， 把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子－空穴”对，在 内建电场的作用下，电子向Ｎ型区移动，空穴向Ｐ型区移动，这样，Ｎ区有很多电 子，Ｐ区有很多空穴，在Ｐ－Ｎ结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它 的一部 １１ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 分抵消了内建电场，其余部分则使Ｐ区带正电，Ｎ区带负电，于是在Ｎ区与 Ｐ区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。如果位太阳电 池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被Ｐ－Ｎ结分开的电子和空穴， 就会全部积累在Ｐ－Ｎ结附近，于是出现了最大光生电动势，它的数值即为开路电压 ，记作Ｖｏｃ。如果把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有Ｐ－Ｎ结附近的电 子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短 路电流记作ＩＳＣ。太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄Ｐ－Ｎ结的大面积的等 效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等 ｐａｇｅ５ 效电路，如图２－４所示。 图２．４太阳能电池的理想状态等效电路 ２．３不同温度下太阳能电池的电压电流特性 在０℃～１００℃时的光伏组件Ｉ－Ｖ曲线则为其Ｐ－Ｖ曲线。由此二图可知 ，在固定日照强度下，当温度升高时太阳能电池的开路电压会有所下降，短路电流却 会有所增加。整体而言，输出功率会略微减少，而所能输出的最大功率值也会随着温 度的递增而递减，对应于温度变化，最大功率值也会呈现线性变化。温度的上升，会 造成太阳能电池输出功率的减少，因此工作环境的温度将会直接影响到太阳能电池的 效率。具体分析图表如下： １２ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 图２．５不同温度下对太阳能电池Ｉ－Ｖ曲线不同温度下对太阳能电池Ｐ－Ｖ曲线 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ２．４太阳能电池的种类 目前市面上的太阳能电池的分类及其在市场上的占有率下图所示。大致上可分 为堆积型（ＢｕｌｋＴｙｐｅ）和薄膜型（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｙｐｅ）两种，介绍如下： 图２．７太阳电池种类 图２．８各种太阳电池的市场占有率 堆积型太阳能电池又可分为：单晶硅太阳能电池 １４ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 多晶硅太阳能电池ＩＩＩ－Ｖ族化合物半导体太阳能电池薄膜型太阳能电池又可分 为：非晶硅太阳能电池ＩＩ－ＶＩ族化合物半导体太阳能电池 ［８－１２］ ２．５本章小结 本章主要介绍了太阳能电池的发电原理及太阳能电池的种类，太阳能电池是光 伏发电最重要的一部分，是系统的能量来源 １５ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第三章逆变器及最大功率跟踪技术 ３．１逆变器 ３．１．３．１．１逆变器的功能太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电、 逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。逆变器是一种电源 转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能 是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用ＳＰＷＭ处理器经过调制 、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端 用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。３．１３．１．２逆变 器的分类（１）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 量很少。设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是：线路简单、价格便 宜、维修方便。缺点是由于方波电压中含有大量高次谐波，在带有铁心电感或变压 器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通讯设备有干扰。此外，这类逆 变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点。（２）阶梯波逆 变器此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，逆变器实现阶梯波输出也有多种不 同线路，输出波形的阶梯数目差别很大。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，当阶梯达到１７个以上时输出波形可实现准正弦波。 当采用无变压器输出时，整机效率很高。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。这给太阳电池方阵的分组与接 线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦。此外，阶梯波电压对收音机和某些通讯设备仍有 ｐａｇｅ６ 一些高频干扰。（３）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 １６ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 好，失真度很低，对收音机及通讯设备干扰小，噪声低。此外，保护功能齐全， 整机效率高。缺点是：线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。上述三种类 型逆变器的分类，有利于光伏系统用户对逆变器进行识别和选型。实际上，波形相同 的逆变器在线路原理，使用器件及控制方法等等方面仍有很大区别。３．１３．１．３逆变 器的原理以下为逆变器的原理图，下面对逆变的原理做简要分析。图中的Ｓ１，Ｓ２， Ｓ３，Ｓ４分别为开关。在电路的起始，是一个直流电源。电源Ｓ１Ｓ２ Ｓ３ 图３．１逆变原理图 Ｓ４ 逆变，就是把直流电经过电路的组成，把他变成交流的过程。在小功率家用太阳 能发电供电系统当中，把直流电变成交流电，以满足家庭用电的需求。如图所示， 图中的开关中，先闭合Ｓ１与Ｓ４，却断开Ｓ２与Ｓ３，这样电流的流向就如图中的箭 头方向所指。当相隔一定的时间Ｔ后，断开Ｓ１与Ｓ４，闭合Ｓ２与Ｓ３，这样，电 流的流向就与图中箭头所示方向相反。如此循环的断开闭合一组的开关，相隔时间为 Ｔ，则而输出的波形如下图３．２所示 １７ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） Ｕ ３．２输出的波形图 于是，直流电转变成交流电，逆变完成［８－１０］。 ３．２功率校正及最大功率跟踪技术 ３．２．什么是功率因数３．２．１什么是功率因数在交流电路中，电压与电流之间 的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号ｃｏｓΦ表示，在数值上，功率因数是有功 功率和视在功率的比值，即ｃｏｓΦ＝Ｐ／Ｓ功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如 白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为１，一般具有电感或电容性负载的电路功 率因数都小于１。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电 气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率 大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位 的功率因数有一定的标准要求。３．２．功率因素校正（ＰＦＣ）３．２．２功率因素校正（ ＰＦＣ）原理功率因素指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效 功率除以总耗电量（视在功率）的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的 程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。交换式电源供应器上的功率因素 校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波 型尽可能一致，让功率因素趋近于１。这对于电力需求量大到某一个水平的电子设 备而言是很重要的，否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜 系统的 １８ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 需要功率因素校正３．２．３为什么需要功率因素校正（ＰＦＣ）技术？功率因素校正的好 处包含：１．节省电费２．增加电力系统容量３．稳定电流低功率因素即代表低的电 力效能，越低的功率因素值代表越高比例的电力在配送网络中耗损，若较低的功率 因素没有被校正提升，除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，这导致需要 更大的输送工具、缆线及额外的配送系统等事实上可被省略的设施，以弥补损耗的不 足。有ＰＦＣ功能的电子设备配可以帮助改善自身能源使用率，减少电费，ＰＦＣ也是 一种环保科技，可以有效减低造成电力污染之谐波，是对社会全体有益的功能 ［３－５］ ｐａｇｅ７ 。 ３．３本章小结 本章主要介绍了逆变器的原理及作用，由于家庭用电，负载都是２２０伏的交流 电，而太阳能电池为直流电源，所以必须通过逆变，才能实现直流与交流中的转化。 １９ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第四章蓄电池 ４．１蓄电池以及蓄电池在太阳能发电系统中的应用 所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。构成 铅蓄电池之主要成份如下：阳极板（过氧化铅．ＰｂＯ２）＞活性物质阴极板（海绵状铅．Ｐ 口栓．盖子等）铅酸蓄电池的应用历史最长，也是最成熟，成本售价最低廉的蓄电池。 当前存在的主要问题是一次充电的行程短，一般约在３０～４０ｋｍ；就是快速充电也要 ４～６ｈ，且质量能只有３０Ｗｈ／ｋｇ。为此人们一直探索着如何改进铅酸蓄电池的性能， 开发能量效率更高、稳定性更好，电荷容量更大的新蓄电池（这里讲的蓄电池都是指 可通过相应手段使蓄电池能恢复性能的蓄电池，即可充电的各种蓄电池，可加注燃料 的燃料蓄电池，以及可通过更换锌片的锌空气二次蓄电池等）。在小功率家用太阳 能发电系统中，使用蓄电池，是为了在夜间没有太阳光的情况下使用白天所吸收的太 阳能量，让用户能充分利用这个发电系统发出的电量。蓄电池是小功率太阳能发电系 统的重要组成部分，保证其正常工作状态是运行管理的一项重要工作。 ４．２蓄电池的分类 １镍氢蓄电池镍氢蓄电池是目前人们看好的第二代蓄电池之一，是一取代镍镉 蓄电池的产品，当然也是取代铅酸蓄电池的产品。镍氢蓄电池的生产过程中，存在 着烧结体技术和发泡体技术两种。一般的生产厂 ２０ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 家都经历了一个从发泡体技术向烧结体技术发展的过程。采用烧结体技术对镍 氢蓄电池正板进行处理，蓄电池的内电阻会大幅度减少，具有放电电压稳定和能进行 大电流放电的特性。烧结体镍氢蓄电池还具有蓄电池不易老化，不需要预充电，以 及低温放电特性比较好等优点。经烧结处理的正极，其镍化合物粒子会转换成活性的 镍化合物，能确保蓄电池有平衡的输出电压，且具有长时间的性能稳定性、长寿命和 蓄电池不老化。以发泡镍技术生产的蓄电池在放置一段时间后，要有２０％左右的电荷 量流失。将这样的蓄电池装车后会发现与装新蓄电池的差距很大，也说明其老化现象 十分明显。为避免发泡镍蓄电池的老化所造成的内阻增高，发泡镍蓄电池在出厂时必 须得进行预充电，在使用此种蓄电池的放电电压不能低于０．９Ｖ（单元体蓄电池），给 用户的使用带来了极大的不方便。除此外，发泡镍蓄电池的工作电压极不稳定，不能 进行长时间存放和流通。这也给销售和用户造成了很大负担。烧结体镍蓄电池由于 镍极本身就是活性体，无需进行任何活性处理，不用进行预充电，能长时间的搁置和 流通，从而为蓄电池的使用提供了方便条件。烧结镍蓄电池同样具备镍蓄电池的低电 阻和大电流，还具有发泡体镍蓄电池所无法达到的低温工作特性。因此可以说，存 在着重金属污染的镍镉蓄电池终究要被镍氢蓄电池所取代。而镍氢蓄电池中的烧结体 技术将以其优异的性能取代发泡体技术，镍氢蓄电池现在正得到广泛应用，但由于 其存在着高温使用电荷量急剧下降等缺点，其也并非是一理想蓄电池，也有可能只是 一个过渡性的蓄电池。２镍锌蓄电池新型密封镍锌蓄电池具有高质量能、高质量功 率和大电流放电的优势。这种优势使得镍锌蓄电池能够满足电动车辆在一次充电行程 、爬坡和加速等方面对能量的需求。镍锌蓄电池是美国国家能源研究公司（ＥＲＣ）开发 和生产的产品，我国已与其合作引进了此产品。镍锌蓄电池是一极具竞争力的蓄电池 。其质量能与镍氢蓄电池相当，体积能量已超过镍镉蓄电池，小于镍氢蓄电池。大电 流放电时，蓄电池的电压将在宽广的范围内是平衡的，且具很长的使用寿命。下面 以１２Ｖ／３０Ａｈ密封镍锌蓄电池为例，介绍一下镍锌蓄电池性能。如以Ｃ／３放电，蓄 电池电荷容量≥３０Ａｈ，以Ｃ／３大电流连续放电≥２２．５Ａｈ；以Ｃ／３放电，质量能≥５０ ｐａｇｅ８ Ｗｈ／ｋｇ，体积能≥９０Ｗｈ／Ｌ；瞬间质量功率≥１５０Ｗ／ｋｇ（２０％荷电状 ２１ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ０次（Ｃ／３放电，１００放电深度）。特别值得一提的是自放电抗电荷量衰减性十分好， 在室温下搁置一个月，自放电量不到３０％额定电荷量。在５０℃高温，以Ｃ／３放电， 蓄电池电荷量衰减≤１０％额定电荷量，而在－１５℃，Ｃ／３放电≤３０％。此蓄电池与铅酸 蓄电池外廓上具有很好的兼容性。１２Ｖ／３０Ａｈ蓄电池的长×宽×高＝３２５ｍｍ×９４ｍｍ×１６ ，质量２．７ｋｇ，体积１．４７Ｌ。凡现在应用铅酸蓄电池的车辆，均可换用镍锌蓄电池 。从现在的价格看，镍锌还显稍贵些，但就其性能价格比而言，可以说，镍锌蓄电池 有可能成为电动车的理想动力电源。３锂蓄电池１９９０年以后，由于日本开发成功 镍氢蓄电池得到了人们的高度重视，应用量急速增加。但自１９９４年日本新力蓄电池 公司推出锂离子蓄电池后，人们又开始认同锂蓄电池，一些镍氢蓄电池企业纷纷转产 生产锂蓄电池。一时间人们所热崇的镍氢蓄电池似有被冷落的意思。锂蓄电池可分 为锂离子蓄电池和锂分子（高聚合物）蓄电池两种。锂蓄电池具有体积小，质量能和 质量功率高、电压高、高安全性（固态）、无污染、环保性好等优点。锂蓄电池的能量 密度（体积能和质量能）几乎是镍镉蓄电池的１．５～３倍，也就是说在同样大小能量的 情况下，锂蓄电池的体积和质量可减小１／２左右。单元蓄电池的平均电压为３．６Ｖ， 相当于３个镍镉或镍氢蓄电池串接起来的电压值。能减少蓄电池组合体的数量，从 而因单元蓄电池电压差所造成的蓄电池故障的概率可减少许多，也就是说大大延长了 蓄电池组合体的寿命。相对于镍镉蓄电池和镍氢蓄电池，充电时不用先进行放电（因 锂蓄电池无记忆性），给使用带来了极大的方便性，同时也节省了电能。锂蓄电池还 具备自放电低的优点，在非使用状态下贮存，内部几乎不发生化学反应，相当稳定。 锂蓄电池的自放电率仅为５％～１０％。由于锂蓄电池不含有镉、汞和铅等重金属，因此 可以说是一绿色 ２２ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 的环保蓄电池。由于锂离子（分子）蓄电池的负极采用的是硬石墨电极，从端子 电压的测定就能清楚知道蓄电池所剩的电荷量，具有检测精度高等实际应用上的优点 。据报道，现一般的锂离子蓄电池质量能为１００Ｗｈ／ｋｇ，质量功率高达１５００Ｗ／ｋｇ，是 镍氢等蓄电池无法与之相比的。这也是人们所以看中锂蓄电池的根本所在。然而， 在开发锂蓄电池过程中，也是经历了一些技术进步和不断完善的过程。首先，锂蓄电 池处于过充电状态时，钴系锂蓄电池要将正极材料氧化锂钻分解成强还原剂氧化钴， 要使锂在极板上形成树枝状的针尖状物质。此树枝状针尖状物质极易刺穿正极板间厚 度仅数微米的隔离膜而造成短路。造成强还原剂和强氧化剂发生化学反应，从而急剧 释放出大量能量，引起蓄电池爆炸和引发火灾。为此人们将钴系改成锰系，有效解决 了上述问题。其次是选择特殊的隔离膜材料，使之能在过充电蓄电池温度上升到一 定温度时熔融，起到保护作用。第三是加装安全阀，防止高温环境下电解液汽化， 以避免压力升高造成意外。人们在解决了这个难题后，锂蓄电池安全性也可得以保证 。为进一步增加锂蓄电池的安全性，人们在实际应用锂蓄电池时往往还要加装蓄电 池保护电路模块（ＰＣＭ）。它由ＩＣ和ＭＯＳＦＥＴ开关等主要元件组成，具有过充电（小于 ４．２５～４．３５Ｖ）保护和过放电（大于２．７５～２．８Ｖ）保护，以及过电流保护功能。此外， ＰＣＭ上还可加ＰＴＣ或ＮＴＣ等温度传感器进一步监控充电时的温度是否正在常。还 可加上ＩＤ码识别蓄电池种类，以确定适合的充电方式或加上显示灯，给予显示蓄电 池剩余电荷量。总之，锂蓄电池已日益趋于完善，在电动车上它大有取代铅酸蓄电池 、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池之势，它将随着电动车的普及发展而成长壮大。４燃料 蓄电池及其技术发展状况燃料蓄电池是人们努力开发的一种蓄电池。各公司都在致 力于开发甲醇改质氢燃料蓄电池、汽油改质氢和纯氢燃料蓄电池，且将其装车进行试 ｐａｇｅ９ 验，有可能在２００５年比较成熟和具有实用意义的燃料蓄电池车将投放市场。特别 是燃料蓄电池的过渡型车型，即燃料蓄电池混用锂离子蓄电池的电动车，如三菱的 ＭＦＣＶ是极有成功希望的车。三菱已设定了２００５年达到实用化。常用的燃料蓄电池 较多，在此介绍有代表性的两 ２３ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 类。目前加拿大巴拉德（Ｂａｌｌａｒｄ）动力系统公司又推出了功率最大的ＭＫ９００燃 料蓄电池组，并已着手进行批量生产上市。ＭＫ９００的体积只有现产品ＭＫ７００的一半 ，一般的车辆只用一个燃料蓄电池组即可，其功率为７５ｋＷ，质量比用ＭＫ７００减少 ３０％；其体积功率为１．３ｋＷ／Ｌ。ＭＫ９００型燃料蓄电池能在－２５℃的低温下能正常工作 。ＭＫ９００燃料蓄电池采用甲醇改质供氢。它将取代当今世界一些燃料蓄电池车所装用 席卷燃料蓄电池车用燃料蓄电池之势，然而它毕竟还是甲醇改质氢燃料蓄电池范畴。 从燃料供应、生产和使用成本上看价格还显高一些，使用起来还很不方便。美国宾 西法尼亚大学已开发出甲烷等碳氢化合物燃料的新型燃料蓄电池，其成本大大低于 以氢为燃料的燃料蓄电池。该燃料蓄电池的最大特点是甲烷气体与氧直接反应产生 电能，其效率高，安全性好，便于储存运输，成本低廉。产品开发过程中，也试用过 碳氢化合物，但由于其化学反应后很容易在镍正电极上产生积碳等集聚物，故被 放弃。在改用铜和陶瓷混合物制造的正极后，有效解决了一些燃料的积碳等集聚物问 题，同时也最后才确定了甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等５种气体燃料为最佳燃 料。目前以此类燃料生产的燃料蓄电池的能量转换效率还比较低。但其工作原理已 有了很大发展，已从燃料蓄电池只能由氢和氧结合生成电和水，发展到了利用甲烷等 气体与氧化合生成电和水。此类燃料蓄电池经改进后，还可直接使用汽油和柴油。 据此，此类燃料蓄电池的发展，极具实际使用意义。此工作原理燃料蓄电池开发成 功，并经不断完善后，极有可能成为燃料蓄电池的主流，进而取代生产成本和使用成 本都很高的氢燃料蓄电池。５锌空气蓄电池锌空气蓄电池亦称锌氧蓄电池，是金属 空气蓄电池的一种。锌空气蓄电池现在的质量能已达到了２３０Ｗｈ／ｋｇ，几乎是铅酸蓄 电池的８倍。也就是在相同质量的情况下，电动车“充”一次电的行程是铅酸蓄电 池的８倍。根据计算，锌空气蓄电池质量能的理论值是１３５０Ｗｈ／ｋｇ，可见锌空气蓄 电池的发展空间非常大。锌空气蓄电池只能采取更换锌电极的办法进行“机械式充电 ”星空体育app下载。更换电极的时间 ２４ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 在３ｍｉｎ即可完成。换上新的锌电极，“充电”即告结束。它是一种有别于利用 市电充电的常规蓄电池的新型蓄电池。“充电”时间极短，非常方便。可随车携带一 些锌电极，为使用带来了极大方便。如此种蓄电池得到发展，省去了充电站等社会保 障设施的兴建。锌电极可在超市、蓄电池经营点、汽配商店等购买，对普及此蓄电池 电动车十分有利。锌空气蓄电池是以活性物质锌作为正极，以空气中的氧作为负极 的蓄电池。在原理上等同于锌－－固体燃料在燃烧，从此意义上理解也可称其为燃料蓄 电池。负极活性物质氧直接来源于空气，不受蓄电池体积大小的影响，蓄电池的体积 只取决于正极材料的大小。因此其体积能和功率比相当高。空气是无形的，不能直 接构成电板，需利用多孔的石墨作为负极。空气中的氧要溶解到电解液中，随后为石 墨吸附。正极锌与吸附的氧产生电化学反应，产生电流。锌不间断进行氧化，不间 断释放出电流。只要有锌和空气，就能进行锌氧化“燃烧”。从理论上讲石墨电极 不损耗，只参予工作，因此可不必更换。锌要随所提供电能的增加而减少，直至耗尽 。此时要换装新的锌电极。从正电板看，锌空气蓄电池是一个完整的蓄电池，而对于 负极来说，其充其量只是个能量转换器。现在试验蓄电池的电荷容量仅是铅酸蓄电池 的５倍，不甚理想。但５倍于铅酸蓄电池的电荷量已引起了世人的关注，美国、墨 西哥、新加坡及一些欧洲国家都已在邮政车、公共汽车、摩托车上进行试用。锌空 气蓄电池于１９９３年始于德国，经过几年的努力现已基本成熟，且也可工业化生产。 美国的锌空气蓄电池采用的锌粉，配合液体氢氧化钾使锌粉在空气中进行氧化生成电 能。这种蓄电池具有体积小，电荷容量大，质量小，能在宽广的温度范围内正常工作 ｐａｇｅ１０ ，且无腐蚀，工作安全可靠，成本低廉等优点［１－３］。 ４．３蓄电池的原理与动作 铅蓄电池内的阳极（ＰｂＯ２）及阴极（Ｐｂ）浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生２ Ｖ的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的 ＰｂＳＯ４＞ＰｂＯ２＋２Ｈ２ＳＯ４＋Ｐｂ ２５ （充电反应） 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） １．放电中的化学变化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出 ，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的 硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。２．充电中的化学变化由 于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸，铅及过 氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加，亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到 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，而阴极板就产生氢 ，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减 少，此时应以纯水补充之。铅蓄电池可以在家用太阳能发电系统中得到应用。 ４．４蓄电池的使用寿命 蓄电池的实际使用情况并不令人乐观。有关资料表明，蓄电池在使用３￣４年后 ，大部份蓄电池组很难通过容量检测，只有少数能超过６年。在实际使用中，由于 数量太大，范围太广，定期对蓄电池进行检查和定期进行容量测试，困难很大。很多 情况下是在市电停电后才发现蓄电池放电容量达不到设计要求。甚至有的蓄电池组 的实际容量已经下降到额定容量的５０％还没有被发现，没能即时更换，一旦停电，这 种蓄电池的放电能力很差，无法起到后备电源的作用。所以及时了解蓄电池的性能状 态，是蓄电池维护的重要工作．蓄电池有一定的设计寿命，由于应用条件不合理，造 成蓄电池过早失效，远远达不到设计寿命．所以如何改善蓄电池的使用条件，是蓄电 池使用的重要课题．在线监测维护系统能够在电池运行过程中即时掌握蓄电池的运行 状态和性能状态：１．及时发现不良蓄电池，即时处理，确保蓄电池能够提供足够的 后备动力。２．保证蓄电池运行在的合理的状态下，延长蓄电池的使用寿命。 ２６ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ３．对轻度劣化蓄电池进行活化处理，恢复蓄电池的活性 ［１１］ ． ４．５４．５本章小结 本章主要介绍了太阳能发电系统中的蓄电池的使用及原理，由于太阳能电池板 只能在白天对系统提供电能，到了晚上，应该用蓄电池来充分利用白天所存储的能量 ，使用户在没有太阳光的情况下也能正常用电 ２７ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第五章系统的总体设计 ５．１设计基本思路 家用太阳能发电系统是用于家庭供电的，所以与生产用电还是有所区别，特别要 注意的是广大的用户使用过程中的经济可靠性和实用性，注意环境的保护性。注意选 择好各种材料，配电装置，注意系统配线和机箱设计，让家用太阳能发电系统成为一 个绿色的能量来源以下为家用太阳能发电系统设计流程图：家庭用电需求分析当 地辐射资料 确定交流直流 容量设计 ｐａｇｅ１１ 逆变器功率 太阳能电池组容量 蓄电池容量 系统设计 适用者知识水平 系统配置 ２８ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 首先，对系统作为家用的情况下，对家庭的用电量作出分析，还应该根据不同地 区辐射强度作精确的考虑。系统是用于小功率，而太阳能电池所发出的是直流电，当 负载是交流用电器的时候，应该通过逆变器把直流变成交流。发电系统也是有一定的 容量的，应该分析好蓄电池的容量，根据逆变器的功率，太阳能电池组容量，做出一 个适合家庭使用的太阳能发电系统。这个系统应该使用方便简单，符合大众需求，考 虑到使用者的知识水平，绝大多数的居民应该要都能理解并且接受和使用。５．１．５ ．１．１系统设计的基本原则１适合广大用户使用：家用太阳能发电系统并不需要复杂 的条件，用户只需要提供屋顶，安装上电池组件后就可发电。目前利用太阳能发电的 成本的确偏高，但未来成本有很大的降低空间。推广使用太阳能发电更重要的是从可 持续发展的角度出发，用户安装太阳能并不一定要自己消化，还可以并入电网出售， 而且国家对使用太阳能的企业会给予信贷优惠、税收优惠等政策，这些是吸引用户使 用太阳能发电的条件。而设计一个家用太阳能发电系统，也应该考虑广大用户的需求 和经济实力，在选好材料上也该时时注意经济实用性能。２具备高可靠性：使用太 阳能发电，可靠性高，因为它无需消耗燃料；无机械转动部件，维护简便，使用寿命 长；建设周期短，规模大小随意；可以无人值守，也无需架设输电线路，还可方便与 建筑物相结合等；这些都是常规发电和其他发电方式所不及的。设计家用太阳能发电 系统，必须把本系统的天然可靠性作为设计考虑的必备条件之一。３经济实用性高 ：尽管高昂的价格导致太阳电池市场和产业发生了突出的结构性矛盾，但太阳能的魅 力仍然势不可挡。毕竟，这是一个当化石能源趋近枯竭的时代，而太阳能是取之不尽 的能量。目前太阳电池的能量回收期为３―４年，而其使用寿命可达２５年，因此家 用太阳能电站不仅具有环保和节能的特性，而且还具有重要的能源战略安全的价值和 经济价值５．１．用电需求分析及供电类型确定５．１．２用电需求分析及供电类型确定 以下为家庭用电调查：调查对象：家庭的每月用电量调查目的：认识资源的宝 贵，从而节约资源并合理的利用资源，并考虑将太阳能发电用于家 ２９ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 调查方式：从网络、报刊、电表、用电回单上获取信息调查内容：根据信息， 普通用户家月用电约７６ｋｗｈ，春秋两季用电量明显小于夏冬两季。其原因在于夏冬 两季需要使用一些大型电器，空调、如：电炉、取暖器、冰箱……随着我国经 济的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，这些家用电器已经成为了居民生活中必不 可少的生活用品。家庭家用电器用电量从低到高依次为：１．电饭锅——三餐的必 用电器，四季常用；２．电冰箱——用于冷藏食品，防止食品变质（常用于夏季） ；３．照明设备——虽常常使用，但功率较低；４．电视机——大家都在看的娱乐 设备；５．电脑——已经逐渐普及开来，也逐渐成为家庭用电第５必备电器下面 是一张对比表（设家庭平均月用电为１００ｋｗｈ）家庭平均月用电生活必须月用电物 质享受月用电电力月浪费１００ｋｗｈ５６ｋｗｈ３８ｋｗｈ６ｋｗｈ 从上表可得到结论：调查结论：春秋用电为年用电低谷期，夏冬用电为年用电 高峰期。随着社会对环保意识的增强，政府和居民也在环境治理方面给予高度关注， 各项环保政策及法规也已相继出台，特别是在加入ＷＴＯ及北京申奥的成功，改变 能源结构，推广清洁能源已刻不容缓。沿海发达城市已无一台燃煤锅炉，北京二环以 内２５万平米居民将改为电采暖。更多城市已经在逐步实施控制使用高污染染料，限 期使用清洁能源，可以说“绿色供电”的机遇再一次为太阳能发电来了希望，故此家 用太阳能发电有着极大的社会推广价值及效益。由于家用太阳能发电系统的负载大 多数为以上所列举电器，因此家用太阳能发电系统为交流供电，以满足日常生活电 ｐａｇｅ１２ 器的需要。 ５．２容量设计 一款好的太阳能发电产品，关键在于系统设计，以下为影响系统的几个重要因 素。１纬度 ３０ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ２太阳能方阵面上的年总辐射量３最长无日照天数４日耗电量５平均每日峰 值日照时数如果太阳能电池充电量不足每天放电量会怎样呢？如果连续几年阴雨天系 统还能运行吗？这些问题都要精心设计。我们必须知道系统负载功率，１：太阳能电 池功率必须比负载功率高出４倍以上系统才能正常工作。２：蓄电池容量必须比负载 日耗电量高出３倍以上（西部地区），南方地区要高出５倍以上为好。家用太阳 能发电系统应该在黑夜也能继续供电，因此要设计的时候要注意对蓄电池的容量进 行分析，根据上述的家庭用电具体的功率，合理设计容量大小。铅酸蓄电池充放电的 过程是电化学反应的过程，充电时，硫酸铅形成氧化铅，放电时氧化铅又还原为硫酸 铅。当电池中电解溶液的硫酸铅浓度过高或静态闲置时间过长时，就会“抱成”团 ，结成小晶体，这些小晶体再吸引周围的硫酸铅，就象滚雪球一样形成大的惰性结晶 ，造成了电极板工作面积下降，这一现象叫硫化，这时电池容量会逐渐下降，直至无 法使用。深度放电时，大电流放电，电池会加速硫化。短时充电，电池就会因过度析 氧而开阀排气，造成失水，使电解液浓度增加，电池的硫化现象加重。放电后不能及 时充电，形成的大量硫酸铅如果超过半小时不充电还原为氧化铅，就会硫化结成晶体 。从电池充电，到放电这段时间要经过很多环节，间隔时间如果很长，没对电池进行 补充电，自放电产生的硫酸铅大量堆积结晶，用户刚买到的新电池可能是已经老化 甚至报费的电池。 ５．３太阳能发电系统模型及硬件电路图 ３１ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 图５．１太阳能发电系统硬件模型图 如果负载不是使用交流电是个直流负载，那么也可以不接逆变器，直接接上负 载，如下图５．２所示： 。 ３２ １本文由ｌｉ贡献 ｄｏｃ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第一章绪论 １．１课题研究的背景．１ 能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也 相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也 逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开 发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。太阳能是人类取 之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性 、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源 战略中具有重要地位［１５］。我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两 种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源 开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、 多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅材料 较少，又无效率衰退问题，并且可以在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电 池，经济效益较好。此外，非多晶硅薄膜电池也具有极大的发展潜力。在晶体硅太 阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。上 游环节的企业掌握技术优势，具有较强的议价能力，可以通过提高产品价格将成本压 ｐａｇｅ１３ 力向下游传导，从而保证自身获得较高的盈利能力。非多晶硅薄膜电池可以用ＩＣ废 料作为原料，成本低廉。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，１９９ ５－２００５年间，全球太阳能电池产量增长了１７倍。我们预计，２０１０年全球太阳能电 池的年产量有望较２００５年的年产量增长６．３倍，整个行业的销售收入有望增长３． ５倍。我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应 用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难 问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、 政策，有力的支持了产业的发展。 １ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ２００５年后，我国太阳能发电产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、 新光硅业、浙江中意、赛维ＬＤＫ、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入 成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。目前，各 国市场均给予太阳能发电相关公司较高的估值水平，从一个侧面也反映出各国投资者 对这一产业发展前景乐观的预期。我国太阳能发电产业正处在成长初期，发展前景广 阔。 ［１］ 国内外太阳能发电产业发太阳能发电产业发展现状及趋势１．２国内外太阳能发 电产业发展现状及趋势 全球太阳能发电产业发展现状及趋势在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大 力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家（德国）和美国等经济发达、能源消耗大的国 家起步较早，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高， 因此需要政府给予政策扶持。２０世纪９０年代末开始，从欧美、日本等国家纷 纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠。 同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能能源利用的研究。 欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划 。１９９７年６月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到２０１０年将在１００万个屋 顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水 系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于１９９７年左右也宣布了百万屋顶计划，其中， 在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于１９９８年１０月提 出了计划——在６年内安装１０万套太阳能屋顶系统，总容量在３００－５００ＭＶ，每个 屋顶约３－５ＫＷ。日本政府的计划目标是，到２０１０年安装５００ＭＷ屋顶光伏发电系统 。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，１９９５－２００５年间，全球太 阳能电池产量增长了１７倍。２００５年，全球太阳能电池年产量达到了１６５０兆瓦，累 计装机发电容量超过５ＧＷ，其中，日本太阳能电池产量达到７６２兆瓦，增长率为２ ７％；欧洲产量增加４８％，达到了４６４兆瓦；美国增加１２％，达到了１５６兆瓦；世界 其他地区增加９６％，达到了２７４兆瓦。我们预计，２０１０年全球太阳能电池的年产量 有望达到１０４００兆瓦，较２００５年的年产量增长６．３倍；整个行业的销售收入有望 。同时，受益于规 ２ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润 率有望保持在较高水平上。我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量 在每平方米４千瓦时以上，理论储量达每年１．７万亿吨标准煤，太阳能资源开发利 用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华 北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或 较丰富的地区。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一，我国有荒漠面积 １００余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区，如果利用荒漠安装并网 太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源 设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益 。第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则 ｐａｇｅ１４ 成本高，建设周期长，不经济。太阳能发电无需架设输电线路，且建设周期短，可以 有效解决边远地区用电的难题。我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。２００６ 年１月，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，此法在资源调查与发展规划 、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、 法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了《可再生能源发展专项资金管 理暂行办法》、《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》等支持可再生能源发 展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗化。这一系列法律 、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。近２０年来，我国太阳能发 电产业长期维持在全球市场１％左右的份额。２００５年后，产业有了突飞猛进的发展 ，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维ＬＤＫ、新疆新能源、常州天合、天津京瓷 等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断 增强。而且，浙江、保定、四川等地的公司已经开始多晶硅太阳电池的生产或试车， 市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打电池产品的局面。目前，我国非多晶硅薄膜电 池产业也展现出迅猛发展的势头，很多国内公司通过与国外公司的合作已经开始进 行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。目前各国市场均给予太阳能发电相关 公司较高的估值水平，从一个侧面也反映出各国投资者对这一产业发展前景乐观的 预期。我国太阳能发电产业正处在成长初期，发展前景广阔［２］。 ３ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） １．３本章小结 本章主要介绍了太阳能发电产业的研究背景，在环境污染严重，能源的稀缺性越 来越明显的今天，用太阳能发电，能起到充分利用能源的作用，起到环境保护的 作用，本章还主要介绍了国内外太阳能发电产业发展现状及趋势，而太阳能发电无 需架设输电线路，且建设周期短，可以有效解决边远地区用电的难题，所以课题的研 究具有重大的意义 ４ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第二章太阳能电池及太阳能电池的工作原理 ２．１太阳能 太阳的寿命还会延续几十亿年，并且储存能量巨大，太阳能可以说是真正意义上 的“取之不尽、用之不竭”的能源。虽然太阳的内部不断进行的热核反应，是人类 梦寐以求的核能利用形式，但目前为止人类还不能控制其来发电。太阳光到达地球的 部分与太阳辐射的总量相比，可谓九牛一毛，但是对于人类来说却可以认为是“用之 不竭”的。利用太阳能来发电，必须要知道太阳光在各个地方的资源分布。我国除 了四川盆地、贵州等地区因为全年的阴、雨、雾天气比较多导致太阳能比较匮乏以外 ，其他大部分地区的太阳能都可以被利用。其中丰富地区占得比例非常大。根据各 地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。一类地区为我国太阳能资 源最丰富的地区，年太阳辐射总量６６８０～８４００ＭＪ／㎡，相当于日辐射量５．１～６．４ＫＷ ｈ／㎡。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西部等地。尤 以西部最为丰富，最高达２３３３ＫＷｈ／㎡（日辐射量６．４ＫＷｈ／㎡），居世界第二 位，仅次于撒哈拉大沙漠。二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量 、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、东南部和新疆南部 等地。三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为５０００－５８５０Ｍ Ｊ／ｍ２，相当于日辐射量３．８～４．５ＫＷｈ／㎡。主要包括山东、河南、河北东南部、山西 南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部 、苏北、皖北、西南部等地。四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射 北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及 黑龙江、东北部等地。五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最 ／㎡。从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射 ｐａｇｅ１５ 量在４ｋＷｈ／㎡以上，最高达７ｋＷｈ／㎡。具体分布情况如下图所示： ５ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 图２．１太阳能量的分布图 ２．２、２．２、太阳能电池的发展状况 近两年来国内太阳能电池产业发展很快，特别是受无锡尚德公司美国上市的影 响，太阳能电池企业蜂拥而上，现在，我国大大小小从事太阳能电池硅材料，硅片、 电池及组件的生产厂家已不下百家。国内２００５年的太阳能电池产量数量很难正确 统计，只能根据了解的情况作一个估计。太阳能电池产量：江苏无锡尚德太阳能电力 有限公司，宁波太阳能电源有限公司、中电电气南京光伏科技有限公司、云南天达光 伏科技股份公司、泰阳绿色能源公司等主要的十多家公司总产量约为１１０Ｍ Ｗ。太阳能电池组件生产量：天威英利新能源公司、上海太阳能科技有限公司、江苏 林洋新能源公司、新疆新能源公司、浙江昱辉阳光能源公司、西安佳阳能源公司、力 诺光伏高科技有限公司、上海超日太阳能科技公司、无锡佳诚太阳能科技有限公司、 常州天合光能有限公司、无锡国飞绿色能源有限公司、深圳能联电子有限公司等十多 家公司总产量达２２０ＭＷ以上。太阳能电池用硅材料产量：河北宁晋单晶硅基地、 江苏顺大半导体发展有限公司、四川峨眉半导体材料厂、洛阳中硅高科技有限公司 、常州天合光能公司、宁波晶元太 ６ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 阳能有限公司、绍兴精工太阳能有限公司、常州亿晶光电科技有限公司、江苏华 日源电子科技有限公司第十多家公司总产量约为７００吨。２００５年太阳能电池组件 主要销往欧洲，特别是德国，几乎是我国生产多少德国就收购多少；硅原材料与硅太 阳能电池相当一部分从国外进口。太阳能电池制造技术方面：由于硅材料缺乏，价格 飞速上涨，极大地促进了硅太阳能电池薄片技术的发展，目前硅片厚度已普遍地从 ３７０μｍ降到２４０μｍ，有的厂家已减薄到２２０μｍ，仍能保持较高的成品率，同时也 促进了太阳能电池转化效率的提高，多晶硅太阳能电池一般效率已达到１３－１４％， 有的企业已能批量生产１５％的产品；而单晶硅电池效率已普遍达到１４－１５％，有的 企业已能批量生产１６％的产品。此外，北京企业星华创股份有限公司已能制造和生 产硅太阳能电池和组件的制造设备，特别是一些国产的单晶炉和太阳能电池封装设备 已有较高的技术水平。《可再生能源法》已于２００６年１月１日起正式实施。２００ ６年４月国务院能源领导小组会议上已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中 长期发展规划、发展重点和目标。国家发改委还同时发布了《可再生能源发电价格 和费用分摊关系试行办法》，明确了２００６年及以后建设的可再生能源发电项目上 网电价及费用分摊管理办法，办法中规定可再生能源发电项目上网电价要与当地燃煤 机组标杆上网电价的部分费用，通过向全国电力用户统一征收电价附加的方式解决。 各省级电网企业按其销售电量占全国的比例，分摊全国可再生能源电价附加额，其 实际支付的可再生能源电价附加与其应承担的电价附加的差额，在全国范围内实行统 一调配。到２０１０年可享受电价优惠政策的太阳能电池总安装量可达到３５０ＭＷ，国家 的这些扶植政策和措施将大力促进我国太阳能光电产业的发展并使之应用于家用发电 ［８］。 ２．２２．２太阳能电池的原理 ：Ｎ型半导体２．２．２二极管的导电特性２．２． ７ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极 流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。１、正向 特性在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会 导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小 时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某 一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为０．２Ｖ，硅管约为０．６Ｖ）以后，二极 ｐａｇｅ１６ 管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为０．３Ｖ，硅管 约为０．７Ｖ），称为二极管的“正向压降”。２、反向特性在电子电路中，二极管的 正极接在低电位端，负极接在高电位端，此

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