星空体育平台太阳能发电系统分析与简易设计毕设论文docPAGE PAGE 52 太阳能发电系统分析与简易设计 摘 要 目前，太阳能正经历着由补充能源向替代能源发展的历史阶段。由于电力电 子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加，使得太阳能 光伏并网发电发展非常迅速。其中并网逆变器技术的发展在很大程度上提高了太 阳能光伏并网发电的效率，降低了其发电成本。 本文介绍了光伏发电的背景,研究了光伏发电的基本原理,在此基础上针对项目要求设计出一款符合要求的独立光伏系统,包括基本功能的实现、的保护功能和逆变器的主要电路设计及主程序流程。该设计主要适合中小型光伏系统，具有电路简单、功能较全等优点。 关键词：光伏系统，，逆变器 The analysis and simple design of solar power system ABSTRACT At present, it is the historical stage that solar energy is changing from additional energy to alternative energy. As the rapid development of power electronics and increasing attention of solar photovoltatic making the development of solar photoaoltaic power generation is very fast. The grid inverter technology has greatly improved the solar photoaoltaic power generation efficiency and reducing their cost of electricity. This paper describes the background of the photovoltaic power generation, and studies the basic principles of photovoltaic power generation. On this basis, there is a project designed to meet the requirements of an independent photovoltaic system, including the realization of the basic functions of controller, controller of protection Inverter and the main circuit design process and the main program. This design is suit for small and medium-sized photovoltaic system, with the advanges of simple circuit, and completed function. KEY WORDS: Photovoltaic systems, Controller, Inverter 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 前言 1 第1章 绪论 2 1.1研究背景 2 1.2太阳能光伏发电的实用价值和意义 3 1.2.1清洁能源技术经济性研究现状 3 1.2.2我国太阳能资源的分布 5 1.3光伏发电的研究应用现状和前景 6 1.3.1国外研究应用现状 6 1.3.2国内研究应用现状 8 1.3.3太阳能光伏发电的前景 9 1.4 课题的研究内容与目标 9 第2章光伏并网发电系统及基本原理 10 2.1太阳能光伏电池的发电原理 10 2.2太阳能光伏电池的特性 11 2.2.1太阳能光伏电池的等效电路 11 2.2.2太阳能光伏电池的外特性曲线太阳能光伏发电系统的组成 14 2.4太阳能光伏发电系统的分类 15 2.5太阳能光伏发电系统的特点 16 第3章太阳能光伏系统设计 18 3.1太阳能光伏系统总体设计原则 18 3.2太阳能光伏发电系统的容量设计 19 3.2.1蓄电池设计方法 19 3.2.2太阳能电池阵列设计 23 3.2.3蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 24 3.2.4太阳能电池方阵倾角的确定 25 3.2.5太阳能电池方阵平面上的辐射量计算 26 3.2.6太阳能电池方阵前后间距的计算 26 3.3设计 26 3.3.1最大功率跟踪点控制设计 26 3.3.2充放电控制设计 27 3.3.3保护措施 29 3.3.4的几个重要指标 29 3.4逆变器设计 30 3.4.1 逆变器原理 30 3.4.2 SPWM产生电路 32 3.4.3 保护电路 34 3.4.4功率器件IGBT的驱动及保护原理 35 3.5线光伏系统的硬件设计 36 结 论 37 谢 辞 38 参考文献 39 外文资料翻译 40 前言 在地球资源日渐枯竭的今天，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、节能、环保型新能源越来越受到世人的关注，各国政府或企业纷纷把可持续发展的目光投向太阳能这一新型能源领域。 目前，随着太阳能应用技术的不断提高，国家政府的大力扶持，太阳能的应用也越来越广泛，目前我们国内太阳能的应用主要在以下几个方面：通信和工业应用，包括微波中继站、光缆通信系统等；农村和边远地区的独立光伏发电系统，主要包括太阳能户用系统、太阳能照明等；独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。并网光伏发电系统，主要包括城市与建筑结合的并网光伏发电系统和大型的荒漠光伏电站，目前这类应用尚处于试验示范阶段。 光伏发电可以从根本上解决人类的能源问题，清洁无污染、太阳能也是可再生能源。专家预言，太阳能将是21世纪最理想的新能源之一。而我国幅员辽阔，太阳能资源也很丰富，这对我国普及太阳能光伏技术和利用新能源提供了有利保障。因此，光伏发电具有非常广阔的前景。 第1章 绪论 1.1研究背景 切尔诺贝利核电站的创伤还未抚平，福岛核电站的几次爆炸又把人们的心提到了嗓子眼。在中东局势推高油价之后，核电危机来临之际，我们需要什么样的新能源?美国伯恩斯坦研究公司分析师表示：“日本本州地震可能会成为一个催化剂，从根本上改变我们解决全球能源问题的方法。” 国家已经将“节能、减排”项目列入政府的工作范围。中国政府郑重承诺到， 到2020年，单位国内生产总值碳排放比2005年减少40~45%。清洁能源的研究和应用，是我们珍爱地球、保护资源，实现可持续发展的重要途径和手段。作为排放大户，电力企业任重道远。 清洁能源不能等同于“新能源”。新能源系指风能、太阳能、核能等；而清洁能源也可包括可以被清洁化的的那些“不洁能源”一传统的化石能源。在化石能源的清洁化方面，我国己经取得了长足进步。如清洁煤技术，在脱硫和粉尘治理方面已经大有改善，但主要是解决当地污染问题，对二氧化碳减排贡献不大。要发展低碳经济，还必须少用些煤。 水电的开发会对生态造成负面影响；核能会引起人们对安全的疑虑；地热能发电陆续出现了引发地震的报道；生物质能在争议中前行。 风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻，人们对风能的研究已经相当广泛，风能的应用技术也日趋成熟。 太阳能，作为伸手可得的温暖，其实是人类最钟情的新能源。资料显示，太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤。如何把这些能量转化成能源体系中重要的替代能源可以说是人类能源战略上的终极理想。 智能化的大电网，电动汽车和大规模的使用太阳能风能的结合，应该是最经济、最有效、最环保和最可持续的能源解决方案。中国是最有条件实现此方案的国家。本文选择太阳能作为对象来进行清洁能源应用研究探讨。 1.2太阳能光伏发电的实用价值和意义 1.2.1清洁能源技术经济性研究现状 l)先说风能，从目前美国、欧盟、中国风能产业的迅速发展情况来看，风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻。目前，在清洁能源技术经济性研究中，风力发电是当今世界清洁能源开发利用中技术成熟、最具备开发条件、发展前景良好的项目，自90年代以来，风电的年增长率一直保持了两位数的百分比水平。目前风力建设投资最低己降至1000美元/千瓦左右，低于核电投资且建设时间可少于一年，其成本逐步与煤电成本接近，因而具有很大的竞争潜力。据世界气象组织(WMO)和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿千瓦，是地球上可利用水能的20倍。一个世界范围内的风力发电己经到来。2002年欧洲风能协会(EWEA)与绿色和平组织发表了一份标题为“风力”的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。 太阳能发电是清洁能源中增长速度最高和最稳定的领域之一，估计今后10年将以每年20%一30%甚至更高的递增速度发展，其作用也将逐步由作为农村和边远地区的补充能源向全社会的替代能源过渡。位于美国波特兰的 CleanEdge公司于2011年3月巧日发布的报告显示，自2000年以来，太阳能光伏市场增长了20倍，安装的太阳能电池板价格下降了近一半。现在，太阳能的利用已扩展到科学研究、航空航天、国防建设和日常生活的各个方面。据世界能源组织((IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，2020年世界光伏发电将占总电力的1%，到2040年光伏发电将占全球发电量的20%，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长率将高达25%-30%。太阳能不仅仅拥有现在更拥有将来，太阳能将在21世纪取代原子能作为世界性能源。 燃料电池技术将进一步发展，容量增大、性能提高、寿命延长、价格下降是其发展趋势。燃料电池发电的低噪声、高效率、无污染性能符合未来社会的发展趋势，其优越的运行稳定性和简单的运行方式是火力发电难以比拟的，燃料的多样性和来源的方便性使燃料电池不存在应用上的障碍。 海洋能、地热能发电产业将快速发展，城市垃圾发电技术将得到高度重视，并在世界范围内快速、普遍推广。 清洁能源包括太阳能、风能等许多形式，各种发电方式的技术要求都是不同的。我国应该以发展太阳能发电为重点方向，加大对其的技术经济研究。这是因为太阳能资源分布基本上不受地域限制，而且不会有风力发电的噪声干扰，所以，其优势是其他发电方式所无法比拟的。 2)在节能减排、低碳经济的主题下，中国的火电、水电、核电、风电、光伏发电等在过去的两年里都有不同寻常的表现。截至2010年底，我国风电装机容量超过4000万千瓦，居全球第一。中国的光伏发电产能量居世界先进行列。一个不容忽视的事实是，在中国当前的能源结构中，清洁能源所占比重依然微不足道。国家统计局发布的数据显示，在2008年中国一次能源消费量构成中，煤炭依然占了69%的比重，煤炭、石油、天然气等化石能源共占91%的比重；除水电所占7.4%外，风电、太阳能、核能等所占份额不足2%。 仅就太阳能光伏发电现状和近期国家发展规划来看，我国的清洁能源所占比例与世界发达国家相比仍有不小差距。表1-1为我国与一些国家当前和未来太阳电池的累计安装容量。 表1-1当前和未来太阳电池的累计安装量(单位：GWp ) 年 2004 2010 2020 日本 1.2 14 30 欧洲 1.2 10 41 美国 0.34 5 36 中国 0.065 0.25 1.6（20） 1.195 6 91.4 世界 4.0 35 200 (括号内为振兴规划值) 国家能源局近期提出了新能源振兴规划，新能源振兴规划提出的发展目标较原规划将明显提高。根据新能源振兴规划草案，2020年我国风电、太阳能光伏及核电运行的总装机容量将分别达到1.5亿千瓦、2000万千瓦 (20GWp)和8000万千瓦。这与2007年分别颁布的可再生能源、核电两个中长期发展规划相比，分别为原先规划的5倍、11倍和2倍。 3) 2011年1月27日，中国工业节能与清洁生产协会公布的《2010年中国节能减排产业发展报告》显示，2010年，中国风力发电新开工重大施工项目378个，项目总投资额高达近3000亿元。而与快速发展的光伏产品市场形成鲜明对比的是，中国光伏发电产品的市场应用还很少，国内仍处于“有产业、无市场” 应当说，清洁能源是未来发展的方向，预计到2020年，我国清洁能源装机容量将达到5.7亿千瓦，占总装机容量的35%左右。但是，光伏发电只靠光伏生产企业“一头热”显然不够，光伏产业的发展是一个系统工程，必须与配套系统步调一致才能健康发展，要统筹解决规划问题、电网通道问题、接入标准问题、调峰配套问题，需要通过技术经济研究来实现光伏发电的合理应用。 1.2.2我国太阳能资源的分布 我国属于世界上太阳能最丰富的地区之一，全年三分之二以上地区的年日照大于2000小时，年均辐射量约为5900MJ/㎡。但各地分布不均，这与各地的纬度、海拔高度、气候条件和大气状况有关，根据日射强度可分为5类，见表1-2。 在我国开展太阳能资源利用具有得天独厚的条件，太阳能市场极具潜力。 表1-2我国太阳能分布情况 类别 包含地区 年累计日射量（MJ/㎡） Ⅰ 宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海及西部地区 6600～8400 Ⅱ 河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、东南部、新疆南部等地区 5850～6600 Ⅲ 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、广东南部等地 5000～5850 Ⅳ 湖南、湖北、陕西南部、、江西、浙江、福建北部、广西、广东北部、安徽南部、黑龙江等地 4200～5000 Ⅴ 四川大部分、贵州、重庆等地 3350～4200 1.3光伏发电的研究应用现状和前景 太阳能的利用形式多种多样，如热利用、发电、光利用以及其他利用等。热利用就是将太阳能转换成热能，如太阳能热水器、太阳能空调系统等；太阳能发电分为热发电和光发电两种，热发电是通过定日镜等装置收集太阳光用以加热气体或蒸汽，然后推动汽轮机发电；光发电是利用太阳电池将太阳光能转换成电能；光利用主要是用于照明，如使用光纤将太阳光引入地下室等阴暗处；其他利用包括将太阳能转换成化学能，例如光合作用等，利用集光太阳光可以分解有害物质，进行材料的表面加工、处理等。其中光发电(即光伏)的发展十分迅速，在能源结构中所占的比重越来越大。 光伏利用主要是光伏发电。光伏利用近期在世界范围内高速发展，我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞，特别是2002年在“西部大开发”战略的推动下，呈现出了一片繁荣景象。 太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能转化为电能的发电技术，具有安全可靠、无噪声、无污染，适合分散供电，不受地域限制，无需消耗燃料，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，扩充能量方便，无需架设输电线路，可以方便的与建筑物相结合等优点。因此目前世界上许多国家将光伏发电技术放在了可再生能源技术开发的首位，纷纷制定计划，采取措施，增加投入以推动其发展。 1.3.1国外研究应用现状 太阳能电池研发出来以后，首先服务于空间电源，价格十分昂贵。为了推动太阳电池在地面的应用，单靠市场需求是不行的。 从20世纪70年始，一些国家政府陆续投入了很大的力量来支持太阳电池的发展。美国于1973年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略标。 自20世纪80年代以来，发达国家，如德国、日本、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化制造进程。 20世纪80年代末至今，西方的发达国家从环境和能源的可持续发展的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持光伏并网发电。例如：美国于1988年开始实施PVUSA计划，计划建立集中型光伏并网发电系统(1MW～l0MW)；95年实施与屋顶结合的PVBONUS计划；97年又宣布美国百万太阳能屋顶计划，总光伏安装量将达到3025兆瓦(MW)。 德国于1990年提出1000屋顶发电计划，所发出的电力全部由电力部门收购。98年进一步提出10万屋顶计划。99年的光伏电网电价为每度电0.99马克。这些措施极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场。 澳大利亚将建全球最大太阳能电网。2009年，澳大利亚计划建造全球最大的太阳能发电站网络，上述电网的规模将是目前最大的加州太阳能发电厂的3倍。澳大利亚的上述计划，意味着它将投身于建造全球最大太阳能电厂的国际竞争。此前该国承诺，在2020年前，20%的电力需求都将来自可再生能源。澳大利亚政府表示，将在太阳能领域要成为全球清洁能源的领导者。 与之相应，国际上已经加紧技术攻关，大大提高了电池研制的发电转化率。目前，多晶硅光电池的转化率最高可达15%，单晶硅的转化率最高可达23.3%，砷化嫁光电池的转化率最高可达25%，并且已经研制出了转化率高达35%的高效聚光光伏电池，各国政府正在投入巨资研究进一步提高效率，扩大生产，降低成本。当光伏电池售价降至1美元/Wh时，光伏发电的成本当达到0.1美元 /kWh左右时，光伏发电可以与火电相竞争。 目前，一些领先的发达国家已经开展并运行了一些先进的太阳能技术，如系统能效技术(一种全新的智能能源技术)、太阳能源全息集成技术等。太阳能源全息集成技术是充分利用太阳能全波段光谱，贯穿了太阳能源从生产、储运、应用和回收的生命周期四环节，实现太阳能的光、热、电及光化学的能效最佳的综合应用。 在太阳能电池领域，出现了非晶硅+微晶硅双结膜太阳能电池，硅料用量大大减少，电池总体效率较晶硅电池有所提高。一些新型太阳能电池正陆续试制成功。 从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也己遍及几乎所有的用电领域。 1.3.2国内研究应用现状 中国从1958年开始进行光伏元器件研究，20世纪70年代初成功地制造空间光伏电源之后，即开展光伏技术的地面应用。中国研制的航标灯光伏电源、太阳能灯塔和气象用光伏电源、通信用光伏电源在20世纪70年代己开始应用，但规模很小。1977年，中国光伏电池产量只有1.1kW，价格高达200元/W，光电转换效率为6%～10%。 20世纪80年始，中国先后引进了一批美国的单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池生产设备，使得中国的光伏产业开始起步。至1987年底，中国光伏电池产量达到100kW/年，单晶硅太阳能电池的价格降到40～45元/W，光电转换效率达到8%～12%。 至2000年底，中国己形成8.5MW/年的太阳能电池的生产能力，其中，单晶硅太阳能电池产量为6.5MW/年，非晶硅太阳能电池产量为2.0MW/年。1997年，中国单晶硅光伏电池总产量为1.5MW，2001年达到3.0MW。价格从1997年的42～47元/W降为2001年的35～40元/W。其中非晶硅太阳能电池产量为400kW，价格为23～25元/W。以深圳为中心的周边地区已经形成中国最大的光伏器件及系统来料加工区，2000年用进口光伏电池封装组成的太阳能草坪灯，太阳能庭院灯和各种光伏系统出口总量达2MW以上。 中国的增长不会停止。它在1年前超过美国，成为绿色能源领域的领先者。中国现在生产的风能和太阳能设备占全世界的将近一半。中国2010年的清洁能源投资达到544亿美元，比上一年增长39%。美国在绿色能源创新和资本方面发挥着领先作用，但是在制造方面落后。 近年来，已经筹建的太阳能光伏公司有宁波2MW/年太阳能电池用多晶硅片、河北保定3MW/年多晶硅太阳能电池、无锡10MW/年多晶硅太阳能电池和天津5MW/年非晶硅太阳能电池灯。在“十一五”期间，我国光伏电池的生产能力有了很大的增长，中国的太阳能电池板产量己经连续四年世界第一，中国已经成为全世界最大的太阳能电池板生产基地。但是，有资料显示，我国生产的太阳能电池板95%以上都用于出口，也就是说，在环保经济的世界竞争中，中国光伏产业己经再一次沦为代加工大国。如何让太阳能照进内需？实际上是我们需要加强国内应用研究的一个十分重要的课题。 目前，国内的光伏发电站建设情况主要有：甘肃敦煌8MW太阳能光伏发电站；166MW云南石林太阳能发电站；位于宁夏回族自治区石嘴山市的中节能尚德石嘴山50MW一期10MW发电项目于2009年国庆前夕正式并网投产，是国内第一个10兆瓦级太阳能光伏发电项目，后续项目分两期实施，于2011年全部建成；青海柴达木预计2020年将建成世界首座GW级(100万千瓦)太阳能电站。 开发利用太阳能资源建设光伏并网发电系统，对减轻我国能源供应压力、抑制二氧化碳排放、减少城市污染起到积极作用。发展太阳能技术和产业已经成为了国家的发展战略，涉及到国家的能源政策、环保政策和气候变化政策。 1.3.3太阳能光伏发电的前景 为了适应世界能源趋势的发展潮流，中国通过了一系列政策和法案来鼓励和发展新能源。2004年6月30日，总理主持召开的国务院常务会议，讨论并原则通过了“大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略”。2005年2月28日，十届会第十四次会议通过了《可再生能源法》，国家主席以第33号主席令公布，自2006年1月1日起实行。前者为将发展新能源和可再生能源列入国家的能源发展战略立了“户口”，后者通过立法对新能源和可再生能源的发展给予了法律上的支持和保证。中国也因此成为继德国后，世界上第二个颁布《可再生能源法》的国家。 我国《可再生能源法》的颂布，将有力促进我国太阳能工业发展，特别是光伏行业，可以预见，从现在起，我国光伏产业的发展将进入一个新的，在3～5年内我国在太阳电池研发、生产和应用产品开发将在东部沿海地区形成一个世界级的产业基地，将在国际光伏产业中占有重要的地位。 1.4 课题的研究内容与目标 ⒈ 清楚从太阳能到电能的转换过程。 ⒉ 了解太阳能发电系统的几个组成部分，以及各部分的特点和工作原理。 ⒊ 太阳能发电系统典型硬件电路的分析。 ⒋ 设计一简易电路来完成太阳能发电功能。 第2章 光伏并网发电系统及基本原理 2.1太阳能光伏电池的发电原理 如图2-1所示，太阳能光伏电池理论上相当于一个半导体二极管，其P-N结是将一些特殊的杂质掺入到半导体晶体中形成的。当太阳光照射到光伏电池板上时产生了光生伏特效应，从而直接将太阳光的光能转变成电能。其工作原理概述如下：由于太阳光光照的作用，将有光子冲击光伏电池内部的价电子，导致部分价电子因为得到了超过禁带宽带的能量而脱离共价键的束缚，从价带跃升到导带，在半导体的内部产生了电子--空穴对。这些新形成的电子-空穴对处于不平衡状态，因此为了达到新的平衡状态必须在半导体内部进行大量的复合和碰撞。这个复合过程对外并不能表现出导电的能力，而是以太阳能光伏电池能量的自损耗形式表现。而光伏电池表现导电能力的是光生电场，光生电场只有运动到P-N结区域的少数载流子才能产生。接通外电路后，光生电场就会有电流输出提供给负载。 eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,+) eq \o\ac(○,-) eq \o\ac(○,+) P型 P-N结 负载电阻 图2-1 太阳能光伏电池原理图 2.2太阳能光伏电池的特性 2.2 .1太阳能光伏电池的等效电路 基于单二极管模型的太阳能光伏电池等效的等效电路如图2-2所示： 图2-2 光伏电池的等效电路 图2-2中各个量的具体涵义如下： —电池板的开路电压；—电池的外负载电阻； —串联电阻，串联电阻的值比较小，阻值大约为1欧姆；—输出电流；—电池板的旁路电阻，一般比较大，阻值最大可达儿千欧姆； —结电容，其值很小，通常情况下可以忽略不计；—暗电流；—光生电流。根据电路理论的相关知识，对上面的等效电路图进行计算，有如下所示的关系式： (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) 上面的4个式子中，表示光伏电池等效二极管的P-N结的反向饱和电流；表示电池的短路电流； 表示等效二极管两端的电压；q表示电子电荷量，值为；k为波尔兹曼常数，大小为；T表示绝对温度；A为P-N结的曲线常数。 在强光条件下，远远大于，则有： (2-5) 在弱光条件下，远远小于，此时有： (2-6) 为了计算和分析的更加方便，在弱光条件下，我们认为光照强度与太阳能光伏电池的开路电压可近似为线性关系。因此，此时我们可以得到在理想状况下等效电路方程如下所示： (2-7) 2.2 .2太阳能光伏电池的外特性曲线)可以绘制出光伏电池的电压-电流曲线—伏安特性曲线，然后得到光伏电池的功率曲线所示，当负载电阻较小时，工作电流较大，工作电压较大，随着负载电阻的逐渐增大，工作电流慢慢减小，而工作电压则在增大。当到达图示的M点时输出的功率最大，我们称之为最大功率点，设M点的电压和电流分别为和，功率为，根据电路的知识可以计算得到： (2-8) 影响光伏电池的输出功率还有一个比较重要的因素—填充因数(FF)，填充因数是指最大功率点功率与()之比 。 图2-3 光伏电池的输出特性 由式(2-7)可知，在外部条件相同的情况下，FF越大，太阳能光伏电池的输出功率也越大。因此，从上述可以看出填充因数也是影响太阳能光伏电池输出特性的因素之一。 根据式(2-2)和(2-4)可知，对光伏电池的输出特性影响最大的还是温度和光强。图2-4(a)和图2-4(b)为光伏电池的输出特性与温度之间的关系，图2-5(a)和图2-5(b)所示的则是光伏电池的输出特性与光强之间的关系。 图2-4(a) 不同温度下的I-V曲线 (b) 不同温度下的P-V曲线 当光照强度不变，温度升高时，光伏电池的开路电压下降，短路电流仅仅只有略微的上升，几乎没有改变，具体如图2-4(a)所示；光伏电池具有负的温度特性，即随着温度的升高，阵列的输出功率会下降，关系如图2-4(b)所示。 图2-5(a) 不同光强下的I-V曲线(b) 不同光强下的P-V曲线 光强也是影响光伏电池输出的决定因素之一，如图2-5所示，当温度一定，光照强度发生变化时，光伏电池的开路电压变化并不大，但是短路电流随着光照强度的增大而增大。 2.3太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能、逆变器和蓄电池(组)构成。 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。 太阳能：太阳能的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。 逆变器：逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。 蓄电池(组)：蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负裁用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。 2.4太阳能光伏发电系统的分类  根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。 (1)独立供电的光伏发电系统 独立供电的太阳能光伏发电系统如图2-6所示。整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为.与交流负载同相的交流电。 图2-6 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图 (2)并网光伏发电系统 图2-7 并网光伏发电系统结构框图 并网光伏发电系统如图2-7所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。 (3)混合光伏发电系统 图2-8为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。 图2-8 混合型光伏发电系统结构框图 2.5太阳能光伏发电系统的特点 长期以来，太阳能光伏发电系统以其自身具有独特的特点备受人们青睐，人类从正从利用“昨日阳光”逐步过渡到利用“今日阳光”。其优点如下： (1)无枯竭危险； (2)绝对千净(无污染，除蓄电池外)； (3)不受资源分布地域的限制； (4)可在用电处就近发电； (5)能源质量高； (6)获取能源花费的时间短； (7)供电系统工作可靠； 不足之处是： (1)照射的能量分布密度小； (2)获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关； 第3章 太阳能光伏系统设计 太阳能光伏电站是太阳能光电应用的主要形式之一。在我国西部的无电地区，很大程度依赖光伏电站提供电能。光伏电站的大小一般在几千瓦到超过一兆瓦，可根据实际的用电需求和安装地点的实际情况确定。光伏电站安装灵活、快速、运行可靠。虽然光伏发电站的初期投资相对较大，但其运行和维护费用很低，其价格和环保优势在使用的过程中会逐渐得以体现。 3.1太阳能光伏系统总体设计原则 太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计主要包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算以及两者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计主要包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能光伏发电系统，还有光伏电池方阵场的设计、防雷接地的设计。由于软件设计牵涉到复杂的太阳辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成的；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。 太阳能光伏发电系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量减少初始投资。系统设计者应当知道，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍地增加，而且未必就能满足使用要求。在决定要建立一个独立的太阳能光伏发电系统之后，可按下述步骤进行设计：计算负载，确定蓄电池容量，确定太阳能电池方阵容量，选择和逆变器，考虑混合发电的问题等。 在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量；年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。 3.2太阳能光伏发电系统的容量设计 光伏系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量减少系统成本。 3.2.1蓄电池设计方法 蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍能可以正常工作。在进行蓄电池设计时，我们需要引入一个不可缺少的参数：自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。 一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件，即最大续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。对于负载对电源要求不是很严格的光伏应用，我们在设计中通常取自给天数为3~5天。对于负载要求很严格的光伏系统，我们在设计中通常取自给天数为7~14天。所谓负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微调节一下负载要求从而适应恶劣天气带来的不便；而严格系统指的是用电负载比较重要，例如常用于通信、导航或者重要的健康设施，如医院、诊所等。此外还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很偏远的地区，必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员要到达现场需要花费很长时间。 蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。 (1)基本公式 第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。 第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%的放电深度(DOD)；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用伸用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式如下： 下面介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 (2)设计修正 以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法，在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响。为了得到正确的蓄电池容量设计，上面的基本方程必须加以修正。 对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度。 首先，我们考虑放电率对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，放电电流变小，放电时间就越长，蓄电池的容量也会相应增加。这样就会对我们的容量设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是l0h放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100~200h。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。光伏系统的平均放电率公式如下： 上式中负载工作时间可以用下述方法估计：对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数；对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下： 根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。 下面考虑温度对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量会随着蓄电池的温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的90%，而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。 如果光伏系统安装地点的气温很低星空体育全站app，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，也就是无法满足系统负载的用电需求。在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。这样，设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况(25℃)下蓄电池参数计算出来的容量要大，只有选择安装相对于25℃时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于25℃的情况下，还能完全提供所需的能量。 蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度一容量修正曲线。在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数，除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正。 因为低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度，以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久损坏。铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固，随着蓄电池的放电，蓄电池中不断生成水稀释电解液，导致蓄电池电解液的凝结点不断上升，直到纯水的0℃。在寒冷的气候条件下，如果蓄电池放电过多，随着电解液凝结点的上升，电解液就可能凝结，从而损坏蓄电池。即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池，其最大的放电深度也不要超过80%。图3-1给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度和蓄电池温度的关系，系统设计时可以参考该图得到所需的调整因子。 在设计时要使用光伏系统所在地区的最低平均温度，然后从图9或者是由蓄电池生产商提供的最大放电深度一蓄电池温度关系图上找到该地区使用蓄电池的最大允许放电深度。通常，只是在温度低于-8℃时才考虑进行校正。 图3-1 铅酸蓄电池最大放电深度--温度曲线)完整的蓄电池容量设计计算 考虑到以上所有的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式。 a、最大允许放电深度 一般而言，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50%，而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80%。如果在严寒地区，就要考虑到低温防冻问题，对此进行必要的修正。设计时可以适当地减小这个值，扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。 b、温度修正系数 当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求。 c、指定放电率 指定放电率是考虑慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。使用供应商提供的数据，可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。如果在没有详细的有关容量一放电速率的资料的情况下，可以粗略的估计认为，在慢放电率(C/ 100到C/300)的情况下，蓄电池的容量要比标准状态多30%。 d、蓄电池组并联设计 当计算出了所需的蓄电池的容量后，下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量。在实际应用当中，要尽量减少并联数目。也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目。这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响，因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联的蓄电池不平衡。并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。一般来讲，建议并联的数目不超过4组。 3.2.2太阳能电池阵列设计 (1)基本公式 太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量(安时数)除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量(安时数)，这样就可以算出系统那个需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本计算公式如下： (2)光伏组件方阵设计的修正 太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正。 将太阳电池组件输出降低10% 在实际情况工作下，太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低。泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出。通常的做法就是在计算的时候减少太阳电池组件的输出10%来解决上述的不可预知和不可量化的因素。可以看成是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。又因为光伏供电系统的运行还依赖于天气状况，所以有必要对这些因素进行评估和技术估计，因此设计上留有一定的余量将使得系统可以年复一年地长期正常使用。 将负载增加10%以应付蓄电池的库仑效率 在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失，我们用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。不同的蓄电池其库仑效率不同，通常可以认为有5%~10%的损失，所以保守设计中有必要将太阳电池组件的功率增加10%，以抵消蓄电池的耗散损失。 (3)完整的太阳电池组件设计计算 考虑到上述因素，必须修正简单的太阳电池组件设计方式，将每天的负载除以蓄电池的库仑效率，这样就增加了每天的负载，实际上给出了太阳电池组件需要负担的真正负载；将衰减因子乘以太阳电池组件的日输出，这样就考虑了环境因素和组件自身衰减造成的太阳电池组件日输出的减少，给出了一个在实际J隋况下太阳电池组件输出的保守估计量。综合考虑以上因素，可以得到下面的计算公式： 3.2.3蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 我们有必要对光伏组件方阵和蓄电池的设计计算进行校核，以进一步了解系统运行中可能出现的情况，保证光伏组件方阵的设计和蓄电池的设计可以协调工作。 校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不会过放电 计算公式如下，但是如果自给天数很大，那么实际的每天DOD可能相当小，不需要进行校核计算。 校核光伏组件方阵对蓄电池组的最大充电率 另外一个校核计算就是校核设计光伏组件方阵给蓄电池的充电率。在太阳辐射处于峰值时，光伏组件方阵对于蓄电池的充电率不能太大，否则会损害蓄电池。蓄电池生产商将提供指定型号蓄电池的最大充电率，计算值必须小于该最大充电率。下面给出了最大充电率的校核公式，用总的蓄电池容量除以总的峰值电流即可。 3.2.4太阳能电池方阵倾角的确定 如果采用计算机辅助设计软件，应当进行太阳能电池方阵倾角的优化计算，要求在最佳倾角时冬天和夏天辐射量的差异尽可能小，而全年总辐射量尽可能大，二者应当兼顾。这对于高纬度地区尤为重要，高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大（我国黑龙江省相差约5倍），如果按照水平面辐射量进行设计，则蓄电池的冬季存储量要远远大于阴雨天的存储量，造成蓄电池的设计容量和投资都加大。选择了最佳倾角太阳能电池方阵面上的冬夏季辐射量之差就会变小，蓄电池的容量也可以减少，系统造价降低，设计更为合理。 如果不用计算机进行倾角优化设计，也可以根据当地纬度由下列关系粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角： 纬度0°~25°，倾角等于纬度； 纬度26°~400°，倾角等于纬度加5°~10°； 纬度41°~550，倾角等于纬度加10°~15° ； 纬度55°，倾角等于纬度加15°~20°。 3.2.5太阳能电池方阵平面上的辐射量射量计算 一般来讲，太阳能电池方阵面上的辐射量要比水平面的辐射量高5%一15%不等；纬度越高，倾斜面比水平面增加的辐射量越大。最后要将辐射量换算成每日的峰值日照。换算公式如下：峰值日照小时数=辐射量(cal/)0.0116。其中，峰值日照定义为：1 cal=4.1868J=4.1868Ws；1 00mW/=0.1 W/。 3.2.6太阳能电池方阵前后间距的计算 当光伏电站功率较大时，需要前后排布置太阳能电池方阵。当太阳能电池方阵附近有高大建筑物或树木时，需要计算建筑物或前排方阵的阴影，以确定方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离。 一般的确定原则为：冬至当天早9： 00至下午3： 00，太阳能电池方阵不应被遮挡。计算公式如下： 光伏方阵间距或可能遮挡物与方阵底边的垂直距离应不小于D； 式中：纬度（在北半球为正、在南半球为负）； H 光伏方阵或遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差。 3.3设计 的最主要的功能就是通过检测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。 的功能除了监测判断是否继续充放电，为了保护系统正常运行还要对充放电过程进行保护。利用太阳能电池自身的光敏特性就可以实现光控功能。 3.3.1最大功率跟踪点控制设计 最大功率点控制方法有多种，大都十分复杂，而目前国内的最大功率点控制尚处于理论阶段，并没有广泛应用于市场，本设计就采用CVT（恒定电压跟踪法）的最大功率点控制，此方法相对简单有效。 硅太阳能电池具有如图3-2所示的伏安特性，在不同的日照强度下它与负载特性L的交点如a、b、c、d、e为系统当前的工作点。可以看出，这些工作点并不正好落在阵列可能提供的最大功率点、、、、，这就不能充分利用当前条件下阵列所能提供的最大功率，被浪费的阵列能量如图12阴影所示的面积。人们发现当温度保持在某一固定值时，、、、、这些点几乎落在同一根垂直线的邻近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U＝Const的一根垂直线，亦即只要保持阵列的输出电压为常数且等于某一日照强度下相对应的最大功率点的电压，就可以大致保持阵列输出在该温度下的最大功率，把最大功率跟踪器简化为一个稳压器，因此称为恒定电压跟踪法。 利用单片机的AD转换功能不停地循环监测太阳能电池的输出端就可以得到太阳能电池的输出功率，然后根据温度调整负载功率，使太阳能电池工作在最大功率点处。 图3-2 硅太阳能电池伏安特性 3.3.2充放电控制设计 由于太阳能电池的不稳定性和蓄电池充放电比较复杂的特性，本设计采用ATMEGA16单片机控制充放电过程。ATMEGA16单片机属于AVR单片机，同样时钟频率时运算速度比51快12倍（51是内部12分频，即大多数指令需要12CLK），并且内部集成了大容量的FLASH，EEPROM，多个定时器，二十几个中断，内置10BIT A/D，线（IIC），SPI，JTAG等，与51系列芯片价格相当。 根据蓄电池充放电的性质，可以将蓄电池的过充点和过放点分别设为2个阀值电压点，充放电过程中不停地检测蓄电池的电压，当蓄电池输出电压低于过放电点时就切断蓄电池与负载的连接停止放电，当蓄电池的电压高于过充点时切断蓄电池与太阳能电池的连接，停止充电。主电路的电路框图和软件流程图见图3-3和图3-4。 工作状态显示 工作状态显示 太阳能电池 控制芯片 蓄电池 直流负载或逆变器 图3-3 主电路 开 始初 始 化检测蓄电池停止放电停止充电检测太阳能电池最大功率充电 开 始 初 始 化 检测蓄电池 停止放电 停止充电 检测太阳能电池 最大功率充电 放 电 FlagL=1 FlagH=1 FlagL=0且持续1分钟以上 FlagH=0 Flag，UsunUxu且持续1分钟以上 图3-4 主程序流程图 注：流程图中标示变量FlagL和FlagH分别标示蓄电池的电压过低和过高,初始化包括各寄存器的初始化以及Flagl=0。UsunUxu表示太阳能电池电压高于蓄电池电压。为了稳定充放电保护负载，程序设定由过充或过放时到正常可以工作时持续一分钟后（确保此正常电路并非短暂瞬间的正常）再正常放电或充电。 3.3.3保护措施 短路过载保护：当发生短路或负载超过保险额定值时，通过烧保险管进行保护。 防反充保护：采用反向二极管IS5401或肖特基二极管串接在电路上，防止极性接反。 温度补偿：蓄电池的容量随温度变化而变化，因此对蓄电池的充放电进行温度补偿对延长蓄电池的寿命来讲很有必要。本设计采用负温度系数的热敏电阻进行温度补偿。热敏电阻在蓄电池工作的温度范围（一般为-10℃到45℃）内的阻值有近似线性关系，在电路中可以实现温度补偿。 3.3.4的几个重要指标 除应具有防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能外，还有以下的几个重要指标。 (1)本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，世界银行的标准是自耗电流小于额定工作电流的1%，因此电路的设计与低功耗器件的选择非常重要。 (2)回路压降要低。世界银行的标准是回路压降应小于系统电压的5%，这跟电路的设计与开关器件的选择密切相关。 (3)放PV组件或蓄电池反接保护。可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功率二极管。 (4)防反充保护。在太阳电池正极输入端串接防反充二极管或者其他开关方式防蓄电池电流倒流。 (5)防雷击保护。PV系统若安装在易遭雷击的地方时可在输入端并接压敏电阻或增设防雷措施。 3.4逆变器设计 3.4.1 逆变器原理 本系统主电路采用单相全桥电压型逆变电路和正弦脉宽调制（SPWM）。全桥逆变电路克服了推挽电路的变压器利用率低和带动感性负载能力较差的缺点。进行SPWM调制逆变后，经LC滤波输出。SPWM电路输出的电能性能质量较好，谐波分量较小，容易滤波。本系统采用全数字控制系统，该系统由由微处理器87C52及SA8381型PWM波形产生器组成,产生逆变桥驱动SPWM脉冲,驱动隔离放大及保护电路,输出电压、电流反馈电路、其他辅助环节。其主电路框图见图3-5 直流 直流 驱动隔离放大 SA8381 SPWM波形发生器 逆变 交流 87C52微处理器 显示，报警 反馈 图3-5 逆变系统原理框图 常用电压型逆变器 逆变器按输出类型，又分为电压型逆变器和电流型逆变器。 电压型逆变器一般需要在直流侧接有平波电容，根据器件的开关动作，输出一连串的方波电压，方波的幅值箝位在直流电压上，逆变器是个电压源。该逆变器以对角线和、对角线和构成两组联动开关，两组开关交替开通，其结果是在负载端输出分别为正负的方波电压。以单相电压型逆变器为例，其主电路结构如图3-6所示，具体器件的开关顺序选择，根据控制目的的不同为存在多种控制方式，如方波逆变控制、正弦波PWM逆变控制等。 图3-6 单相全桥电压型逆变器的主电路 2．正弦波脉宽调制（SPWM）逆变控制原理 正弦波逆变器的优点是输出波形基本为正弦波，在负载中只有很少的谐波损耗，对通信设备干扰小，整机效率高。缺点是设备复杂、价格高。随着电力电子技术的进步，脉宽调制技术的普及，大容量PWM型正弦波逆变器逐渐成为逆变器的主流产品。以典型的单相全桥式逆变器为例，四个对角的开关功率管以每个对角线的二个开关管为一组，依次导通和判断，在负载二端就产生交替的正负电压，形成交流输出。当此交替导通的频率与负载所需的交流频率相同时，其输出的电压就为方波电压。当开关管以比逆变交流输出电压高许多的频率开关，且每次开关的脉宽按照正弦波的幅值调制时，就变成了正弦波脉宽调制输出的逆变器，加滤波器后其输出的电压波形就是正弦波输出逆变器。 PWM型逆变器广泛使用功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 、可关断型晶闸管（GTO）等作为开关管，而控制部分使用专用型PWM开关集成电路以及带有PWM输出的DSP和单片机芯片。构成一台实用型逆变器需要主功率电路、控制电路和辅助电路（如保护、测量和监控等）。其逆变过程为：光伏阵列或蓄电池输出的直流电进入逆变器直流母线，经开关电路（如桥式电路）将直流电变成正反方向输出的、脉宽为正弦调制的交流脉冲波，此脉宽调制的交流电压经滤波电路变成正弦交流电压输出，如需要升压则外接升压变压器，再经输电线路将交流电力送往负载。PWM调制输出信号频率称作逆变器的调制频率或开关频率，它一般是逆变器输出交流基波频率的十几倍、几十倍到上百倍。典型的逆变器交流输出频率为50HZ，逆变器开关频率可以几百到几十千赫。PWM调制的开关频率愈高，则逆变器输出波形谐波愈小，但开关过程带来的功率损耗则愈大，要权衡选取开关管PWM调制的开关频率。 逆变器输出所接的滤波器通常为低通滤波器，由电感器和电容器构成型低通滤波形式。滤波器的设计要考虑滤波能力也要考虑可能带来的电磁谐振。 3.4.2 SPWM产生电路 1．微与SA8381实现SPWM波形的原理 微与SA8381实现SPWM波形的原理框图如图3-7所示。 P3.0 P3.0 P3.1 P3.2 87C52 P1 ALE WR CS SA8381 RD AD0~7 时钟 LCD 键盘 反馈 SPWM波 VDD 图3-7微与SA8381形成SPWM原理框图 87C52微由时钟芯片产生CPU所需频率通过键盘将SA 8381所需的初始值及控制字通过CPU写入。即通过CPU与SA8381接口很方便地将载波频率、调制频率、输出幅值、脉冲取消时间、脉冲延迟时间等写入SA8381内部寄存器，并只需改变工作方式时才刷新。通过输出电压/电流反馈信号，经A/ D转换后控制SPWM的幅值与相位，使输出电压稳定。同时为过压、过流保护提供取样信号。通过对波形发生器SA838的编程与控制，即产生逆变桥所需要的SYWM驱动脉冲，还完成故障及参数的报警显示。 2．SA8381的结构 SA838系列集成电路可提供高质量的单机正脉宽调制波形,其仅与时钟、微处理器或微、驱动电路、逆变功率电路相连,即可构成性能优异的逆变系统,该系统接口简捷、编程容易、成本低廉。 该系列芯片的功能特点: 全数字化控制, 抗干扰能力强; 适应于Int el 和Mot orala 两种总线格式, 接口通用性好;调制频率变化范围宽;调制频率精度高(12位);载波频率高达24 kHz(当时钟为12 MHz时)。最小脉宽和死区时间通过软件设置完成,省掉了硬件电路,提高了可靠性。在电路不变的情况下,通过软件改变波形参数,就可改变逆变器的性能指标,即设置灵活方便,又大大节约了成本费用。 如图3-8 所示, SA8381 为20 脚双列直插小封装, 图中： RST 为内部计数器复位端, 当初始化时RST 置0, 无PWM 输出, 初始化完成后RST 置1, 此时才有PWM 输出。 AD0～AD7： 8 位地址、数据复用总线; ALE ( AS) ： Int el CPU 地址锁存允许端( AS MotorolaCPU 地址通端) 。 CS： 片选输入, 低电平有效。 RD ( R/ W) ： Int el CPU 写选通( Mot orola CPU 读/ 写选择) 。 CLOCK： 外部输入时钟。 PWMT ： PWM 输出信号, T T L 电平, 用来驱动与电源相连的高端功率开关。 PWMB： PWM 输出信号, T T L 电平, 用来驱动与电源相连的低端功率开关。 TRIP：输出TRIP状态,无PWM输出时为低电平。 SET TRIP：外部输入,该端为1时,在紧急情况下可瞬时关闭PWM输出,从而实现对功率级的保护。该端可由过流、过压检测等控制。 图3-8 SA8381管脚图 逆变控制系统的流程图 送初始化数据至SA8381 送初始化数据至SA8381 送初控制数据至SA8381 SA8381工作正常？ AD采样 输出正确？ 输出超限？ 关闭输出 报警 累计次数超限？ 延时3s 调整SA838控制数据 Y Y Y Y N N N N 图3-9 逆变系统主控制程序流程图 3.4.3功率器件IGBT的驱动及保护原理 其核心部分是EXB841,他是混合IC能驱动400 A以下的600 V IGBT和高达300 A的1200 V IGBT。其驱动电路信号延迟≤1μs,所以此混合IC适用于高达40 kHz的开关频率。 使用该IC时应注意以下几个方面： IGBT的栅极与射极驱动回路线 m; IGBT的栅射驱动接线应用绞线。 在IGBT应用中,关键的技术之一是过流保护,他不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全,而且影响到整个系统的性能和安全。IGBT应用的失败,很大程度上取决于过流保护系统设计的优劣。 如果流过IGBT的电流超过动作值(OC)的时间toff(oc)IGBT将被关断。一般典型值设为toff(oc)IGBT时,并不危险,过流保护不予理睬,当检测出过流时,IGBT将被有控制地软关断,同时输出一个故障信号。 3.4.4逆变器的几个重要指标 (1)要有较高的逆变效率 大功率逆变器在满载时，效率必须在90%或95%以上。中小功率的逆变器在满载时也应在85%或者90%以上。这里电路的设计与器件的选择以及系统负载的匹配性好坏对逆变器效率有较大的影响。 (2)要有较高的可靠性和可恢复性 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，这就要求逆变电源具备一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力以及各种保护功能，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11~17V之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保持正常工作，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，逆变电源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，这些设备对电网品质有较高的要求。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，也要求逆变器电源输出正弦波电流，并且“孤岛”检测保护相应快、可靠性好。 以上几条是作为逆变电源设计与采购的主要依据，也是评价逆变电源技术性能的重要指标，应高度重视。 3.5线V AC电能通过低压架空线路送到终端用户。导线VLJ型铝导线，导线截面积满足用户负荷要求。本设计方案主干线平方毫米钢芯铝绞线平方毫米单芯铝线米高水泥杆，杆与杆之间距离为50米，杆头选用镀锌角铁横担，并配套绝缘瓷座。供电半径200米以内，要求远端压降不得高于5%。入户后每户设有一个配电盘，内设保险，开关及插座。如果使用埋地电缆则应选用恺装VV22型聚氯乙烯电缆，线平方毫米，穿墙必须使用穿线管保护，在电站输出端安装电能计量装置。 3.6光伏系统的硬件设计 光伏系统设计中除了蓄电池容量和太阳电池组件大小设计之外，还要考虑如何选择合适的系统设备，及如何选择合乎系统需要的太阳电池组件、蓄电池、逆变器、、电缆、组件支架、汇线盒、柴油机/汽油机、风力发电机(风光互补系统)，对于大型太阳能光伏供电站，还包括输配电工程部件，如变压器、避雷针、负荷开关、空气断路器、交直流配电柜，以及系统的基础建设、控制机房的建设和输配电建设、接地和防雷设计等问题。上述各种设备的选取需要综合考虑系统所在地的实际情况、系统的规模、客户的要求等因素。本文不具体介绍选型设计。 结 论 太阳能光伏发电技术的出现与快速进步，为人类解决环境问题和能源问题带来了希望。虽然现阶段光伏发电技术已经日渐成熟，但在应用研究上仍然存在着许多问题。本文对太阳能光伏发电的研究应用现状进行了总结，介绍了光伏发电的基本原理，在此基础上设计出一款符合项目要求的光伏系统，该系统具有以下特点： 系统简单，容易实现，成本也比较低。 用体积小、功能全、价格便宜而且使用ATMEGA系列单片机作为控制芯片，从而简化了电路设计，同时提高了系统的性价比。 具有防过充、防反充、短路保护、温度补偿等保护功能。 逆变器采用高频逆变，全桥逆变电路和正弦波调制方式，输出的电能质量较好，带动负载能力较强。 谢 辞 本文是在指导老师xxx讲师的悉心指导下完成的。孙老师在选定课题、论文等各个环节都给予我很多的指导和帮助，使得我的论文得以顺利完成，在此，对孙老师表示我深深的谢意！ 同时我要感谢这两年来指导、帮助过我的所有电气工程与自动化系的老师们，衷心的感谢你们！ 最后，感谢所有关心和帮助过我的朋友们！谢谢您们！ 参考文献 [1]Sangmin Chon. 提高太阳能电池板转换器的效率. 电源技术，2007.8,（8）:79-91 [2]王建华. 太阳能发电技术与绿色照明. 农村电气化，2003.10(10):25-27 [3]钱瑾. 太阳能发电技术的发展及应用. 北京:邮电大学出版社,第五版：41-44,79-82 [4]周丽梅. 小型太阳能光伏发电系统的实现. 大连铁道学院学报，2006.3:5-6 [5]曾叶凡. 独立光伏发电系统研究与应用. 制造业自动化，2008.4:72-75 [6]于静. 太阳能发电技术综述. 世界科技研究与发展，2008.2:55-58 [7]王兆安. 电力电子技术. 黄俊.北京：机械工业出版社，第四版:222-239 [8]王斯成. 我国光伏发电有关问题研究. 中国能源，2006.2:214-215 [9]张艳红. 一种新型光伏发电充放电. 可再生能源，2006.5:108-110 [10]吴春华. 一种新型光伏发电逆变系统的研究与设计. 电力电子技术，2007.11:28-31 [11]H Irie，H Yamada . 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Post and telecommunications in particular, due to the rapid development of the telecommunications industry in recent years, the power of communications to higher and higher, so the stability and reliability of solar photovoltaic power generation systems are widely used in communications. And how solar radiation under conditions of various regions, to design an economical and reliable solar photovoltaic system, which is one of many experts and scholars has long been the subject of study, and there are any excellent research results, for our PV the development has laid a olid foundation. I design the learning method of the expert found that the design only considered the battery’s self-sustained time (ie the longest consecutive rainy days), without taking into account the loss of battery power after the minimum recovery time (ie two longest consecutive rainy the shortest interval between the day the number of days). This problem especially in the South China should pay more attention, because the rainy days in southern China is long and great, and for convenient application of solar photovoltaic power generation system of solar photovoltaic power generation system independent, since no other power protection emergency spare, so this issue should be considered together into the design. This integrated approach has the advantage of previous design, combined with the author over the years actually working in the photovoltaic power system design experience, the introduction of two consecutive rainy days, the longest interval between the minimum number of days one of the basis for design, and comprehensive account of all kinds of factors that affect the solar radiation condition proposed solar cells, battery capacity is calculated, and the related design method. 1, many factors affect the design of the Sun shines on the square on the ground solar radiation light spectrum, light intensity by the thickness of the atmosphere (ie air quality), geographical location, local climate and weather, terrain and other effects, the energy in the day, January and have a lot of changes within one year, or even between the total annual amount of radiation has a greater difference. PV solar power system in the matrix of the photoelectric conversion efficiency, by the battery itself, temperature, sunlight intensity and the impact of the battery voltage fluctuations, and these three will change in one day, so the photovoltaic solar ce

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