【正文】 微不足道，但是隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，其份額將會逐步增加，可以預(yù)期，到 21世紀(jì)末，太陽能發(fā)電將成為世界能源供應(yīng)的主體，一個(gè)光輝的太陽能時(shí)代將到來。 我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡， 2021 年太陽能電池的產(chǎn)量已經(jīng)超過日本和歐洲而居世界第一，然而光伏應(yīng)用市場的發(fā)展卻非常緩慢，光伏累計(jì)安裝量大約只占世界的 1%，應(yīng)用技術(shù)水平與國外相比還有相當(dāng)大的差距。光伏產(chǎn)品與一般機(jī)電產(chǎn)品不同，必須很據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀?、地理?xiàng)l件來決定系統(tǒng) 的配置，由于目前光伏發(fā)電成本較高，所以應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合，最大限度的發(fā)揮光伏電源的作用。 為了提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，獲取更多的有效能源，滿足人類的能源供應(yīng)，世界各國在研究太陽能光伏系統(tǒng)中都投入了大量的人力與物力。我國對太陽能光伏電源系統(tǒng)的研究還處于世界低等水平，產(chǎn)品的性能還有待提高，為迎接未來能源短缺帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該加大對太陽能光伏系統(tǒng)的研究，以滿足人類未來對能源的需求。 本文從理論出發(fā)，闡述了太陽能光伏電源的原理及其組成結(jié)構(gòu)；結(jié)合科研實(shí)際，應(yīng)用硬件和軟件結(jié)合的方法，設(shè) 計(jì)了簡易的太陽能光伏電源模擬系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)簡易系統(tǒng)研究分析了太陽能光伏電源的影響因素，合理優(yōu)化了系統(tǒng)的配置，以提高系統(tǒng)的性能，最終提高了太陽能的轉(zhuǎn)換效率。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景 所謂 光伏電源系統(tǒng) ，就是利用 太陽電池 半導(dǎo)體材料的 光生伏特效應(yīng) ，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。 “ 光生伏特效應(yīng) ”，簡稱“光伏效應(yīng)”。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化2021 級蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路 進(jìn)入 70 年代后，二次石油危機(jī)的影響，使 人們認(rèn)識到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。從而使許多國家重新加強(qiáng)了對太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持 （ 尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家 ） 。 我國是一個(gè)發(fā)展中的大國，同時(shí)是一個(gè)資源消耗大國，而人均資源儲量又偏低。因此快速的工業(yè)化進(jìn)程和巨大的消費(fèi)性需求使我國對資源對外具有很強(qiáng)的依賴性。環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)直接威脅我國的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，我國很多居住在偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們還沒有用上電。這些客觀條件迫使我們更加努力的尋找和開發(fā)新能源，而太陽能光伏發(fā)電就是其中之一。 光伏電源系統(tǒng)相比其他發(fā)電系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn) ：（ 1）它的能源取之不盡用之不竭，而且無污染；（ 2）沒有動作部件，不會產(chǎn)生噪聲，運(yùn)行可靠；（ 3）無論規(guī)模大小，其發(fā)電效率幾乎是相同的；（ 4）分布及其廣泛，凡是太陽能照到的地方就能發(fā)電；（ 5）輕便，易安裝維護(hù)；（ 6）能在用電現(xiàn)場發(fā)電。 近年來，以太陽光為能源的太陽能光伏電源技術(shù)不斷發(fā)展，因其具有環(huán)保、節(jié)能雙重優(yōu)勢，而得到廣泛應(yīng)用。針對邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民、哨所和野外作業(yè)等，設(shè)計(jì)一種小型的太陽能光伏電源系統(tǒng)，配置必要的戶外用裝置，具有拆裝移動方便、適于野外的中小功率電器使用和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，同時(shí)對小型電源系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控 ，顯示蓄電池的剩余電能以方便合理使用。 2021 級蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成 太陽能光伏電源系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、充電放電控制器、蓄電池組、直流 /交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖 21所示。 圖 21 太陽能光伏電源系統(tǒng)示意圖 太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為 4㎝ 2到 100 ㎝ 2不等。太陽能電池單體的工作電壓約為 ，工作電流約為 20— 25mA/㎝ 2，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率（見圖 22）。 圖 22 太陽能電池單體、組件和方陣 2021 級蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 太陽能電池的工作原理 光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長決定，光被晶體硅吸收后，在 PN結(jié)中產(chǎn)生一對對正負(fù)電荷，由于在 PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個(gè)外電流場，電流從晶體硅片電 池的低端經(jīng)過負(fù)載流到電池的頂端。這就是“光生伏打效應(yīng)”。 將一個(gè)負(fù)載連接在太陽能電池的上下兩表面間時(shí)，將有電流流過該負(fù)載，于是太陽能電池就產(chǎn)生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個(gè)高于基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個(gè)自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽能電池的效率下降。 太陽能電池的種類及其區(qū)別 目前世界上有 3種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。對于單晶硅 太陽能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對并不能全部被 PN 結(jié)電場所分離，因?yàn)殡姾蓪υ诰w與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶體硅太陽能電池的效率一般比單晶體硅太陽能電池低，多晶體硅太陽能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶體硅太陽能電池的低。非晶體硅太陽能電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等 。 一般產(chǎn)品化單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 13%15%；多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 11%13%；非晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 5%8%。 太陽能電池組件 一個(gè)太陽能電池只能產(chǎn)生大約 電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓，為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。一個(gè)組件上，太陽能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是 36 片，能提供大約 17V 電壓，正好能為額定電壓為 12V 的蓄電池進(jìn)行有效的充電。 通過導(dǎo)線連接的太陽能電 池被密封成物理單元被稱為太陽能電池組件，具有一定的防腐、防風(fēng)、防雨等能力，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和2021 級蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。 太陽能電池組件的電氣特性主要是指電流 電壓輸出特性，也稱為 VI 特性曲線，如圖 23 所示。 VI 特性曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流 Im 與電壓 Vm在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。如果太陽能電池組件電路短路即 V=0，此時(shí)的電流稱為短路電流 Isc；如果電路開路即 I=0，此時(shí)的電路稱為開路電壓 Voc。太陽能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即 P=V*I。 圖 23 太陽能電池的電流 電壓特性曲線 I：電流 Isc：短路電流 Im：最大工作電流 V：電壓 Voc：短路電壓 Vm：最大工作電壓 當(dāng)太陽能電池組件的 電壓上升時(shí)，例如通過增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從零開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將越過最大點(diǎn)，并逐漸減少至零，即電壓達(dá)到開路電壓 Voc。太陽能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，在組件的輸出功率達(dá)到最大點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓 Vm（又稱為最大工作電壓）；該點(diǎn)所對應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流 Im（又稱為最大工作電流）；該點(diǎn)的功率稱為最大功率 Pm。 太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能 光譜的分布和太陽能電池的溫度。太陽的輻照度越強(qiáng)，輸出的功率越大；太陽光譜分布越密集，輸出功率越大；太陽能電池的溫度越高，開路電壓越低，輸出功率越低。 充電放電控制器 充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡單測量功能的電子設(shè)備。由于蓄電池組的循環(huán)充放電次數(shù)及充放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充電放電控制器是必不可少的設(shè)備。 2021 級蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 充電放電控制器的功能 控制器的功能： （ 1）高 壓 （ HVD）斷開和 恢復(fù) 功能 ：控 制 器 應(yīng)具有 輸 入高 壓 斷開和 恢 復(fù) 連 接 的功能。 （ 2） 欠 壓 （ LVG） 告警 和 恢復(fù) 功能 ：當(dāng)蓄 電池電 壓 降到 欠 壓 告警 點(diǎn) 時(shí) ， 控 制 器 應(yīng)能 自動 發(fā) 出 聲 光 告警 信 號 。 （ 3）低 壓 （ LVD）斷開和 恢復(fù) 功能 ： 這種功能可 防 止 蓄 電池過 放 電。通過一種 繼 電 器或 電 子 開 關(guān) 連 結(jié) 負(fù)載 ，可在 某 給 定低 壓點(diǎn) 自 動 切 斷 負(fù)載 。 當(dāng) 電 壓 升 到安全 運(yùn) 行 范圍時(shí) ，負(fù)載 將自 動 重 新 接 入 或 要 求 手動 重 新 接 入。有 時(shí) ， 采 用低 壓 報(bào)警 代替 自 動 切 斷。 （ 4） 保護(hù) 功能 ： ① 防 止任何 負(fù)載短 路的電路 保護(hù) 。 ② 防 止 充電 控 制 器內(nèi) 部 短 路的電路 保護(hù) 。 ③ 防 止 夜 間蓄 電池通過太陽電池 組件反 向 放 電 保護(hù) 。 ④ 防 止 負(fù)載 、太陽電池 組件或 蓄 電池 極性反接 的電路 保護(hù) 。 ⑤ 在多 雷 區(qū) 防 止 由于 雷擊 引 起 的 擊穿 保護(hù) 。 （ 5） 溫度 補(bǔ) 償 功能 ：當(dāng)蓄 電池 溫度 低于 ２５ ℃時(shí) ， 蓄 電池應(yīng)要 求 較高的充電電 壓 ，以便完 成充電過程。相 反 ，高于 該 溫度蓄 電池要 求 充電電 壓 較低。通常 鉛酸蓄 電池的 溫度補(bǔ) 賞 系數(shù)為 － 5mv/186。C/CELL 。 充放電控制器的分類 光伏充電 控 制 器 基本 上 可分為五種類型 ： 并 聯(lián) 型、 串聯(lián) 型、 脈 寬 調(diào) 制型、 智 能型和最 大功率 跟蹤 型。 （ 1）并 聯(lián) 型 控 制 器：當(dāng)蓄 電池充 滿 時(shí) ，利用電 子 部 件 把 光伏 陣列 的 輸 出 分流到 內(nèi) 部并聯(lián) 電 阻 器或 功率 模塊 上 去， 然后 以 熱 的 形 式 消耗 掉 。 因 為 這種方式 消耗熱 能，所以一 般用于小型、低功率系統(tǒng)， 例 如 電 壓 在 12伏、 20安以 內(nèi) 的系統(tǒng)。這類 控 制 器 很可 靠 ， 沒 有如 繼 電 器之 類的 機(jī)械 部 件 。 （ 2） 串聯(lián) 型 控 制 器： 利用 機(jī)械 繼 電 器控 制充電過程，并在 夜 間切 斷光伏 陣列 。它一 般用于較高功率系統(tǒng)， 繼 電 器 的 容 量決 定充電 控 制 器 的功率等 級 。 比 較 容 易 制 造 連續(xù) 通電電流在 45安以 上 的 串聯(lián) 控 制 器 。 （ 3） 脈 寬 調(diào) 制型 控 制 器： 它以 PWM脈沖 方式開 關(guān) 光伏 陣列 的 輸 入。 當(dāng)蓄 電池 趨 向充 滿 時(shí) ，脈沖 的 頻 率和 時(shí)間 縮 短 。 按 照 美 國 桑 地 亞 國家 實(shí) 驗(yàn)室 的研究，這種充電過程 形 成較 完 整的充電 狀態(tài) ，它能增加光伏系統(tǒng)中 蓄 電池的 總 循 環(huán) 壽命 。 2021 級蘭州職業(yè)