【正文】 .................................................. 58 蓄電池容量的設(shè)計(jì)及其充電特性 ..................................................................... 60 蓄電池容量的設(shè)計(jì) ..................................................................................... 60 蓄電池的充電特性 ..................................................................................... 61 第七章 結(jié)論 ............................................................................................................................ 62 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 63 致 謝 .................................................................................................................................. 64 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第一章 緒論太陽(yáng)能光伏發(fā)電概述 開(kāi)發(fā)新能源的迫切需要 人們很難想象，如果沒(méi)有電人類的生活會(huì)變成什么樣子?？梢?jiàn)，礦物燃料并不是取之不盡的。 因此，采用新能源和 可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展之路的重大措施。光伏發(fā)電安全可靠，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定的沖擊。 ，沒(méi)有污染、 噪 聲等公害，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，是 理想的清潔能源。 但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價(jià)格還比較高，不過(guò)其維 修費(fèi)用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價(jià)格會(huì)下降，優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來(lái)。澳大利亞一家名為 Integral Energy 的公司己開(kāi)始銷售適合于家庭和辦公樓使用的、可與大電網(wǎng)聯(lián)接的太陽(yáng)能 成套設(shè)備。 由于環(huán)保和能源持續(xù)供應(yīng)的需要，太陽(yáng)能光伏發(fā)電 （ 即光伏電池 ） 近年來(lái)始終 保持30～ 40%的年增長(zhǎng)量，因而被譽(yù)為全世界增長(zhǎng)最快的能源。我國(guó)西部幅員遼闊、地廣人稀、負(fù)荷密度小，不利于常規(guī)電網(wǎng)的延伸。計(jì)劃到 20xx 年利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)解決 2300 萬(wàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)人口的用電問(wèn)題，使他們達(dá) 到人均擁有發(fā)電容量 100 瓦的水平，相當(dāng)于屆時(shí)全國(guó)人均擁有發(fā)電容量 1/3 的水 平。北京申辦 20xx 年奧運(yùn)成功，提出了 “ 綠色奧運(yùn)、 人文奧運(yùn)、科技奧運(yùn)”的指導(dǎo)思想。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光 伏電池板部分可以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 采用聚光器，常用的聚光器有拋物槽、菲涅耳透鏡、 CPC 聚 光器、熒光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它們都可以不同程度的提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率。控制器為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)預(yù)設(shè)和判斷做出控制指令，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，并工作于最佳狀態(tài)。針對(duì)這一問(wèn)題本文主要做了如下工作： ，設(shè)計(jì)采用聚光器，提高了光伏電池轉(zhuǎn)換效率。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第二章 光伏電池的研究與分析 光伏電池的原理 光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。 光伏電池的光伏效應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電 動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。在 PN 結(jié)開(kāi)路情況下， PN 結(jié)兩端建立起光生電勢(shì) Voc，這就是開(kāi)路電壓。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的：既沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也不排出氣體，是清潔的、無(wú)噪聲的發(fā)電機(jī)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 22 理想狀態(tài)的太陽(yáng)能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓 V 和流過(guò)負(fù)荷的電流 I 之間的關(guān)系式， 可由下式給出。 圖 23 實(shí)際光伏電池等效電路圖 ? ?e x p 1S SLoShq V R I V R II I I n KT R????? ???? ? ? ????????? （ 22） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 此式叫做光伏電池的超越方程式。 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線 光伏電池的伏安特性是一定光強(qiáng)、一定溫度下，電池的負(fù)載外特性，直接反映出電池輸出功率。 圖 24 光伏電池的 IV和 PV特性曲線 可以看出，此 IV 曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個(gè)最大功率輸出問(wèn)題，在第四章中將對(duì) 此問(wèn)題進(jìn)行研究。 （ IM）：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率 ?， MMPPSPP???? （ 24） 以上各個(gè)參數(shù)可以在圖 25 中表示如下： 圖 25 光伏電池的伏安特性曲線 圖 25 中，在 IV 曲線上總可以找到一工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)（ MPP），即圖中 M 點(diǎn)。 圖 26 不同日照強(qiáng)度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 從實(shí)驗(yàn)中得到，電池的開(kāi)路電壓近似的與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。對(duì)于一個(gè)給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn) 換效率決定了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光 器的聚光倍數(shù)不能過(guò)大，以免造成結(jié)溫過(guò)高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。 具體的聚光器工作原理和性能特點(diǎn)在下文中將予以詳細(xì)的分析。對(duì)于給定的入射光，聚光比越高，入射光就能會(huì)聚到越小的區(qū)域，熱能的損失越低，聚光器的 工作溫度相對(duì)越高。由于實(shí)際的陽(yáng)光并非平行光，所以陽(yáng)光經(jīng)拋物面鏡聚焦后，不可能會(huì)聚在一點(diǎn)，而是形成一個(gè)焦斑區(qū)域。 圖 32槽形拋物面反射鏡的光路圖 聚光器的聚光比根據(jù)定義為： A B l BC A d l d? ???? ? ??吸 （ 32） 式中 l— 槽形拋物面反射鏡的長(zhǎng)度； B— 槽形拋物面反射鏡的開(kāi)口寬度； d— 圓管接收器的直徑。 θ 是變量， 35 式不等號(hào)右邊的函 數(shù)是關(guān)于 θ 的函數(shù)，不管 θ 取何值，接收器直徑必須滿足 35 式。 復(fù)合 拋物面（ CPC）聚光器 上一小節(jié)所提到的拋物面反射鏡聚光器進(jìn)行聚光成像，需要平行于鏡面主光軸的光線，也就是聚光器需要接收太陽(yáng)直射輻射才能工作。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤太陽(yáng)，至多只需要根據(jù)季節(jié)變化作少量?jī)A斜度的調(diào)整。根據(jù)拋物面聚光器的聚光原理以及 θA 定義，復(fù)合拋物面聚光器有：當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角小于 θmax 時(shí)就被拋物面鏡直接反射到底部接收器上；當(dāng)入射光 與CPC 中軸的夾角等于 θmax 時(shí)，光線就能被拋物面鏡反射到底部接收器的邊緣點(diǎn)（拋物面焦點(diǎn) fU 或 fV上）；當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角大于 θmax 時(shí)，都被拋物面鏡反射回天空。設(shè)計(jì) CPC時(shí)要注意這些問(wèn)題。 圖 36菲涅爾折射聚光器的光折射原理 設(shè)菲涅爾透鏡某一鋸齒的棱角為Φ，當(dāng)陽(yáng)光垂直于透鏡平面入射時(shí)，根據(jù)光的折射幾何關(guān)系有： ? ?22ta n xn x f f? ? ?? （ 39） 式中 n— 材料的折射率； X— 某一鋸齒棱的中心到主光軸的距離； f— 焦距。齒棱越窄，焦斑區(qū)域的面積就越小 ，菲涅爾聚光器的精度就越高。同時(shí)，使用拋物面反射鏡聚光器，必須 附加高精度的跟蹤裝置，這樣也提高了成本。 為了保證陽(yáng)光能垂直的入射到表面，菲涅爾聚光器需要精度較高的跟蹤裝置輔助工作。拋物面反射鏡的制造成本高，同時(shí)需要跟蹤裝置，成本相對(duì)最高；復(fù)合拋物面鏡的制造成本也很高，雖不需跟蹤裝置，但是使用的方便性有所降低；菲涅爾聚光器的成本非常低廉，制造工藝也非常簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用。比如在 CPC 反光板的的高度被截去 40%，而聚焦比只不過(guò)減少了 12%左右，所以可以對(duì) CPC 聚光器進(jìn)行截短 40%～60%，使高度 h 變成 h39。 。～ 65176。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第四章 光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 最大功率點(diǎn)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 由 節(jié)光伏電池的輸出特性可知，要利用光伏電池發(fā)電 ，為了使其工作于最佳狀態(tài)，就要使其工作于最大功率點(diǎn)上。最大功率點(diǎn)跟蹤控制具體到 P/V特性曲線上，就是使光伏電池端電壓始終處于 VM 附近 [10]。控制原理圖如 41： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 41 電壓反饋法原理圖 在系統(tǒng)對(duì) MPPT 的要求不高的情況下，可以用此特點(diǎn)簡(jiǎn)化控制設(shè)計(jì)。這種辦法不夠精確，而且需要人工干預(yù)，不利于生活上使用，但具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)； b）事先將不同溫度下測(cè)得的 VM 值存儲(chǔ)于微處理器中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，微處理器通過(guò)陣列上的溫度傳感器獲取陣列溫度，通過(guò)查表確定當(dāng)前的 VM 值。通過(guò)不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。 c)有時(shí)受電壓 、電流的突變影響，會(huì)發(fā)生程序在運(yùn)行中的失序（“誤判”）現(xiàn)象。其控制的流程圖如圖 44 。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)最大功率跟蹤的 要求，本文將兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出一種改進(jìn)方法 — 斷續(xù)擾動(dòng)觀察法。當(dāng)溫度的變化幅度超過(guò)所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。實(shí)踐表明，一般平板光伏電池采用跟蹤裝置后，平均輸出能量可提高 30%以上。 1）控放式跟蹤器 控放式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖 51 所示，其原理為：在太陽(yáng)光接收器的西 側(cè)放置一偏重，作為太陽(yáng)光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。而且跟蹤器不能自動(dòng)復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu)，這又使得跟蹤器的成本提高。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)或者大型發(fā)電廠，面向的是多個(gè)采光設(shè)各組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。該機(jī)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。當(dāng)太陽(yáng)光線與采光板的法線有一夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路采集到光敏元件的信號(hào)差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。跟蹤的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟蹤效內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 率低，跟蹤裝置還額外提高了成本，在太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中添加跟蹤器就失去了原來(lái)的意義。但這種跟蹤器只是從理論上來(lái)看比較理想，要把理論變成實(shí)際產(chǎn)品，要開(kāi)發(fā)出真正廉價(jià)、高精、實(shí)用的自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，在理論基礎(chǔ)上還得解決以下的問(wèn)題： 1）光敏元件比較式跟蹤器雖然原理簡(jiǎn)單，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格相對(duì)于民用來(lái)說(shuō)還是很高。在大自然中可能出現(xiàn)：①太陽(yáng)的由東向西的運(yùn)動(dòng)（相對(duì)地球）。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)在早上能夠復(fù)位。太空中的云朵會(huì)遮住太陽(yáng)，這時(shí)跟蹤平臺(tái)的傳感單元無(wú)法反映出太陽(yáng)光線的變化，當(dāng)云彩過(guò)后太陽(yáng)可能偏離較大的角度。 新型跟蹤平臺(tái)的開(kāi)發(fā) 為了解決上一小節(jié)所述問(wèn)題，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，本課題提出了兩套方案：一種是自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)；另一種是通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)。 該跟蹤平臺(tái)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，在保證工作性能的同時(shí)大大降低了成本提高了性價(jià)比。傳統(tǒng)比較跟蹤器的傳感探測(cè)單元存在著很大問(wèn)題，不能滿足復(fù)雜多變大氣的需要。但由于加上了這些屏蔽結(jié)構(gòu)，當(dāng)面臨烏云、陰雨天氣過(guò)后或者晝夜交替等太陽(yáng)光線偏離較遠(yuǎn)的情況時(shí)，太陽(yáng)位置變化很大，屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)屏蔽太陽(yáng)光線的變化，光敏元件就不能做出反應(yīng)，跟蹤器不能及時(shí)跟蹤上太陽(yáng)光線。 自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)位置探測(cè)單元主要是由 8 只經(jīng)過(guò)挑選的性能優(yōu)良的光敏元件和 8只電阻組成。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的精度范圍內(nèi)，太陽(yáng)偏離不太遠(yuǎn)時(shí)，與 G4 并聯(lián)的 G2（暗筒屏蔽了環(huán)境散射光干擾）開(kāi)始起主導(dǎo)作用，使暗筒精確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。傳統(tǒng)的跟蹤器只是一套太陽(yáng)探測(cè)單元，不能滿足太陽(yáng)光線復(fù)雜多變的要求，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的完全自動(dòng)跟蹤。但是光敏元件對(duì)太陽(yáng)光線做出的反應(yīng)是本身參數(shù)的改變（例如電阻值發(fā)生改變），而不是驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 它的用途很廣，可用于物體檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。 由上一小節(jié)知，光敏電阻將陽(yáng)光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚档淖兓?，信?hào)處理電路處理的是電阻的變化。窗口形成電路主要有四個(gè)電壓比較器及附屬元件組成。根據(jù)輸入信號(hào)電壓 Vi隨著阻值的變化作線性變化這一規(guī)律，得出比較器的輸入 輸出波形如圖 56 所示。當(dāng) Vi在窗口范圍以內(nèi)，無(wú)信號(hào)輸出；當(dāng) Vi 超出了窗口范圍，就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)；通過(guò)這種方法對(duì) Vi 就加以區(qū)別了，其真值表如表 51 所示。但是步進(jìn)電機(jī)也有較大的缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出力矩小且昂貴，會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比下降。在確定功率放大器輸出電路的具體方案時(shí)，首先要針對(duì)負(fù)載（電機(jī)）的特點(diǎn)：它不僅包含有電阻，而且還有電感和速度反電勢(shì)。當(dāng)要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使 A 端電位上升， B 端電