【正文】 設(shè)施有 若干 個(gè) （功率約為 300W），其它（飲水機(jī)，充電器等）功率約為 400W，總計(jì)功率為 7000W。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工 作點(diǎn)也是在變化的。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的輸出，只要太陽(yáng)電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。 逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。 逆變器的主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。準(zhǔn)正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價(jià)適中，因而成 為市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。同時(shí)，其負(fù)載能力差，僅為額定負(fù)載的 40－ 60%，不能帶感性負(fù)載。本案中，由太陽(yáng)能電池 板 產(chǎn)生 的電能，會(huì)經(jīng)過(guò)逆變器 DC/AC 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為 220V， 50Hz 的交流電，從而為家用電器提供電能。 常規(guī)的太陽(yáng)能控制器的充電模式是照抄了市電充電器的三段式充電方法，即恒流、恒壓、浮充三個(gè)階段。在溫差較大的地方，合格的控 制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即 PWM 控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn) Pm附近區(qū)域。 5) 為太陽(yáng)能蓄電池配置在線監(jiān)測(cè)管理技術(shù)，對(duì)太陽(yáng)能蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻在線測(cè)量與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的缺陷，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。安裝前必須測(cè)量蓄電池是否充足，如電力不足，請(qǐng)?jiān)陉?yáng)光充足的地方對(duì)蓄電池進(jìn)行 8 到 16 小時(shí)以上充電或者用交流電先把電池充足，應(yīng)嚴(yán)格避免過(guò)放充電。 2) 太陽(yáng)能蓄電池聯(lián)接的方法為：將太陽(yáng)能蓄電池的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極聯(lián)接。同于 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度 J，短路電流 Isc，開路電壓 Uoc。適用不同的環(huán)境要求，如高海拔，高溫，低溫等不同的條件下都能 正常使用的電池 [18]。 太陽(yáng)能蓄電池 太陽(yáng)能蓄電池是 ?蓄電池 ?在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中的應(yīng)用，目前采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池 ,膠體蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池四種。 化學(xué)染料電池板：染料敏化太陽(yáng)能電池。于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò) PN結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在 PN結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。 太陽(yáng)能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。 圖 31 系統(tǒng)概況圖 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成原件介紹 光伏電池組（太陽(yáng)能電池板） 光伏電池組件，將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，送往蓄電池中儲(chǔ)存起來(lái)，或者推動(dòng)負(fù)載工作。無(wú)論是隔離式或非隔離式主逆變電路，基本上都是由升壓電路 Buck 和降壓電路 Boost 兩種電路不同拓?fù)湫问浇M合而成。包括多種檢測(cè)電路 5) 保護(hù)電路： 輸入過(guò) 電 壓、欠壓保護(hù)；輸出過(guò) 電 壓、欠壓保護(hù)；過(guò)載保護(hù)；過(guò)流和短路保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)等。 2) 輸出電路： 對(duì)主逆變電路輸出的交流電的質(zhì)量（包括波形、頻率、電壓電流幅值相位等）進(jìn)行修正、補(bǔ)償、調(diào)理，使之能滿足用戶要求。 逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時(shí)間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。 11 逆變器的工作原理 逆變器是把直 流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為 220V 50Hz 正弦或方波）。 18℃ 時(shí)氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。此外，碳酸根離子還能與負(fù)極板作用，生成碳酸鎘附著在負(fù)極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降 [5] 。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化 鋰，組成混合溶液。t(Ah) () 鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)： 1) 活性物質(zhì)的數(shù)量； 2) 放電率； 3) 電解液。鎳鎘蓄電池的端電壓隨 著 充放電過(guò)程而變化，可用 以 下式表示： U充 =E充 +I充 R內(nèi) () U放 =E放 － I放 R內(nèi) () 從上式可以看出，充電時(shí)，電池的端電壓比放電時(shí)高，而且充電電流越大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。為兼顧低溫性能和 電荷 保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為 （ 15℃時(shí)）的氫氧化鉀溶液。鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和 石墨粉 的混合物，負(fù)極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。在充放電 的 過(guò)程中，極板的電阻是不變的 ，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化 [4] 。標(biāo)稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。與電池容量相關(guān)的一個(gè)參數(shù)是蓄 電池的充電電流。 太陽(yáng)能蓄電池的原理 蓄電池的五個(gè)主要參數(shù)為：電池的容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。 另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。當(dāng)晶片受光后， PN 結(jié)中， N 型半導(dǎo)體的空穴往 P 型區(qū)移動(dòng)，而 P 型區(qū)中的電子往 N 型區(qū)移動(dòng)，從而形成從 N 型區(qū)到 P 型區(qū)的電流。 8 圖 23 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體結(jié)合 如圖 23 所示， 當(dāng) P 型和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的 P 型一側(cè)帶負(fù)電， N 型一側(cè)帶正電。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼，磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在一個(gè)空穴。 當(dāng)光線照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收 。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。前一個(gè)過(guò)程是光 ～ 熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一 個(gè)過(guò)程是熱 ～ 電轉(zhuǎn)換過(guò)程，與普通的火力發(fā)電一樣 .太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴 5～ 10 倍 .一座 1000MW 的太陽(yáng)能熱電站需要投資 20～ 25億美元，平均 1kW 的投資為 2021～ 2500 美元。 6 2 太陽(yáng)能發(fā)電原理 太陽(yáng)能電池板的發(fā)電原理 太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上，形成新的空穴 電子對(duì)，在 PN 結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由 N區(qū)流向 P 區(qū)，電子由 P 區(qū)流向 N 區(qū)，接通電路后就形成電流。 本文主要工作 本文 主要研究利用太陽(yáng)能，為家庭供電，不僅要在理論上行得通，而且當(dāng)此系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的生活，也是要完全勝任的，無(wú)論是軟件方面，還是硬件方面，都能滿足絕大多數(shù)家庭的需要。 中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，取得了許多顯著的進(jìn)步。 以色列在太陽(yáng)能的利用和研究方面，不但受到政府，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視，還與歐美等國(guó)家和地區(qū)有著廣泛的合作關(guān)系，使以色列在此領(lǐng)域一直保持了世界先進(jìn)水平。日本正在極力謀求多角度、全方位的能源安全措施，通過(guò)這些努力來(lái)保護(hù)環(huán)境，構(gòu)筑新層次的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。個(gè)人購(gòu)買套太陽(yáng)能發(fā)電裝置的需要先投資 萬(wàn)歐元。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)位居世界前列的德國(guó)，在巴伐利亞州法蘭哥尼亞地區(qū)的阿恩施泰因建成大型的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，其發(fā)電功率為 兆瓦，可以同時(shí)滿足 3500 戶家庭的用電需要。目前雖已用模型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了短距離、短時(shí)間、小功率的微波無(wú)線輸電，但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程。另一是天上發(fā)電方案。準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過(guò)超導(dǎo)電纜將全球太陽(yáng)能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電?，F(xiàn)在世界上 MW 級(jí)太陽(yáng)能發(fā)電站已超過(guò) 10 座，其中最大的一個(gè)容量達(dá)到 。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，太陽(yáng)能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價(jià)格的上漲。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的 貯量日益下降，其價(jià)格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。這次會(huì)議之后，世界各國(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù) 的開發(fā)，將利用太陽(yáng)能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在 一起，使太陽(yáng)能利用工作走出低谷，逐漸得到加強(qiáng)。一種是將太陽(yáng)熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā) 電等。 利用太陽(yáng)能發(fā)電有兩大類型，一類是太陽(yáng)光發(fā)電（亦稱太陽(yáng)能光發(fā)電），另一類是太陽(yáng)熱發(fā)電（亦稱太陽(yáng)能熱發(fā)電）。中國(guó)比較成熟太陽(yáng)能產(chǎn)品有兩項(xiàng)：太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。全世界對(duì)能源的消耗在 1970 年約為 83 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在 1995 年，這種消耗達(dá)到了 140 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即 25 年間增長(zhǎng)了 %，并預(yù)計(jì)，到 2020 年全世界對(duì)能源的消耗會(huì)達(dá)到 195 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 [1]。但太陽(yáng)能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響不能維持常量。太陽(yáng)是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無(wú)盡的能源。 1 目 錄 1 緒論 ............................................................ 2 家用太陽(yáng)能供電的意義與背景 ...................................2 太陽(yáng)能發(fā)電研究現(xiàn)狀與前景 .....................................3 本文主要工作 ................................................5 2 太陽(yáng)能發(fā)電原理 .................................................. 6 太陽(yáng)能電池板的發(fā)電原理 .......................................6 太陽(yáng)能蓄電池的原理 ...........................................8 逆變器的工作原理 ............................................11 3 太陽(yáng)能家用供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ....................................... 12 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成 ......................................12 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成原件介紹 ..............................12 需求分析 ...................................................17 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...................................................18 4 軟硬件的選擇 ................................................... 20 硬件的選擇 .................................................20 軟件的設(shè)計(jì) .................................................26 5 結(jié)論 ........................................................... 33 參考文獻(xiàn) .......................................................... 34 致謝 .............................................................. 35 2 1 緒論 家用太陽(yáng)能供電的意義與背景 隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及傳統(tǒng)能源的日益枯竭，人們迫切的需要尋找一種新型的清潔的能源以代替由煤炭，石油，天然氣組成的傳統(tǒng)能源。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為 1367kw/m2。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。 隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，人類對(duì)電的需求每年以很大幅度增加，進(jìn)而對(duì)能源的需求也迅速增長(zhǎng)。目前，中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國(guó)家和重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。故本課 3 題設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能家用 系統(tǒng)，為太陽(yáng)能供電進(jìn)入千家萬(wàn)戶奠定基礎(chǔ)。太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能