【正文】 太陽能光伏電池的發(fā)電原理 .................................................. 10 太陽能光伏電池的特性 .......................................................... 11 太陽能光伏電池的等效電路 ..................................... 11 太陽能 光伏電池的外特性曲線 ................................. 12 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 .................................................. 14 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 .................................................. 15 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 的特點 .................................................. 16 第 3 章太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................ 18 太陽能光伏系統(tǒng)總體設(shè)計原則 .............................................. 18 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計 .......................................... 19 蓄電池設(shè)計方法 ........................................................ 19 太陽能電池陣列設(shè)計 ................................................ 23 蓄電池和光伏組件方陣設(shè)計的校核 ......................... 24 太陽能電池方陣傾角的確定 ..................................... 25 太陽能電池方陣平面上的輻射量 計算 ..................... 26 太陽能電池方陣前后間距的計算 ............................. 26 控制器設(shè)計 ............................................................................. 26 最大功率跟蹤點控制設(shè)計 ......................................... 26 充放電控制設(shè)計 ........................................................ 27 IV 保護措施 .................................................................... 29 控制器的幾個重要指標 ............................................ 29 逆變器設(shè)計 ............................................................................. 30 逆變器原理 ............................................................... 30 SPWM 產(chǎn)生電路 ........................................................ 32 保護電路 ................................................................... 34 功率器件 IGBT 的驅(qū)動及保護原理 .......................... 35 線路設(shè)計 ................................................................................. 36 光伏系統(tǒng)的其它硬件設(shè)計 ...................................................... 36 結(jié) 論 ..................................................................................................... 37 謝 辭 ..................................................................................................... 38 參考文獻 ............................................................................................... 39 外文資料翻譯 ....................................................................................... 40 1 前 言 在地球資源日漸枯竭的今天，太陽能作為一種“取之不盡，用之不竭”的安全、節(jié)能、環(huán)保 型 新能源越來越受到世人的關(guān)注，各國政府或企業(yè)紛紛把可持續(xù)發(fā)展的目光投向太陽能這一新 型 能源領(lǐng)域。在中東局勢推高油價之后，核電危機來臨之際，我們需要什么樣的新能源 ?美國伯恩斯坦研究公司分析師表示 ：“ 日本本州地震可能會成為一個催化劑，從根本上改變我們解決全球能源問題的方法。如清潔煤技術(shù)，在脫硫和粉塵治理方面已經(jīng)大有改善，但主要是解決當(dāng)?shù)匚廴締栴}，對二氧化碳減排貢獻不大。中國是最有條件實現(xiàn)此方案的國家。 太陽能發(fā)電是清潔能源中增長速度最高和最穩(wěn)定的領(lǐng)域之一，估計今后 10年將以每年 20%一 30%甚至更高的遞增速度發(fā)展，其作用也將逐步由作為農(nóng)村和邊遠地區(qū)的補充能源向全社會的替代能源過渡。 4 清潔能源包括太陽能、風(fēng)能等許多形式，各種發(fā)電方式的技術(shù)要求都是不同的。 僅就太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀和近期國家發(fā)展規(guī)劃來看，我國的清潔能源所占比例與世界發(fā)達國家相比仍有不小差距。 應(yīng)當(dāng)說，清潔能源是未來發(fā)展的方向，預(yù)計到 2020 年，我國清潔能源裝機容量將達到 億千瓦，占總裝機容量的 35%左右。 光伏利用主要是光伏發(fā)電。 自 20 世紀 80 年代以來，其它發(fā)達國家，如德國、日本、英國、法國、意大利、西班牙、瑞士、芬蘭等，紛紛制定了光伏發(fā)展計劃，并投入了大量資金進行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化制造進程。 2020 年 ，澳大利亞計劃建造全球最大的太陽能發(fā)電站網(wǎng)絡(luò)，上述電網(wǎng)的規(guī)模將是目前最大的加州太陽能發(fā)電廠的 3倍。太陽能源全息集成技術(shù)是充分利用太陽能全波段光譜，貫穿了太陽能源從生產(chǎn)、儲運、應(yīng)用和回收的生命周期四環(huán)節(jié)，實現(xiàn)太陽能的光、熱、電及光化學(xué)的能效最佳的綜合應(yīng)用。至 1987 年底，中國光伏電池產(chǎn)量達到 100kW/年，單晶硅太陽能電池的價格降到 40～ 45 元 /W，光電轉(zhuǎn)換效率達到 8%～ 12%。中國現(xiàn)在生產(chǎn)的風(fēng)能和太陽能設(shè)備占全世界的將近一半。 開發(fā)利用太陽能資源建設(shè) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對減輕我國能源供應(yīng)壓力、抑制二氧化碳排放、減少城市污染起到積極作用。 課題的研究內(nèi)容與目標 ⒈ 清楚從太陽能到電能的轉(zhuǎn)換過程。這個復(fù)合過程對外并不能表現(xiàn)出導(dǎo)電的能力，而是以太陽能光伏電池能量的自損耗形式表現(xiàn)。當(dāng)?shù)竭_圖示的 M 點時輸出的功率最大，我們稱之為最大功率點，設(shè) M 點的電壓和電流分別為 mU 和 mI ，功率為 mP ，根據(jù)電路的知識可以計 算得到： m m mP I U? (28) 影響光伏電池的輸出功率還有一個比較重要的因素 —填充因數(shù) (FF)，填充因數(shù)是指最大功率點功率與 ( OC SCVI? )之比 。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池 (組 )構(gòu)成。 (1)獨立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨立供電的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖 26 所示。帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對于一些重要負荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意義。光伏電站的大小一般在幾千瓦到超過一兆瓦，可根據(jù)實際的用電需求和安裝地點的實際情況確定。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的總原則是，在保證滿足負載供電需要的前提下，確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初始投資。在進行蓄電池設(shè)計時，我們需要引入一個不可缺少的參數(shù) ： 自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負載仍能正常工作的天數(shù)。 蓄電池的設(shè)計包括蓄電池容量的設(shè)計計算和蓄電池組的串并聯(lián)設(shè) 計。每個蓄電池都有它的標稱電壓。進行光伏系統(tǒng)設(shè)計時就要為所設(shè)計的系統(tǒng)選擇在恰當(dāng)?shù)姆烹娐氏碌男铍姵厝萘?。隨著溫度的降低， 0℃ 時的容量大約下降到額定容量的90%，而在 20℃ 的時候大約下降到額定容量的 80%，所以必須考慮蓄電池的環(huán)境溫度對其容量的影響。在寒冷的氣候條件下，如果蓄電池放電過多，隨著電解液凝結(jié)點的上升，電解液就可能凝結(jié)，從而損壞蓄電池。設(shè)計時可以適當(dāng)?shù)販p小這個值，擴大蓄電池的容量，以延長蓄電池的使用壽命。也就是說最好是選擇大容量的蓄電池以減少所需的并聯(lián)數(shù)目。 24 a、 將太陽電池組件輸出降低 10% 在實際情況工作下，太陽電池組件的輸出會受到外在環(huán)境的影響而降低。 (3)完整的太陽電池組件設(shè)計計算 考慮到上述因素，必須修正簡單的太陽電池組件設(shè)計方式，將每天的負載除以蓄電池的庫侖效率，這樣就增加了每天的負載，實際上給出了太陽電池組件需要負擔(dān)的真正負載 ； 將衰減因子乘以太陽電池組件的日輸出，這樣就考慮了環(huán)境因素和組件自身衰減造成的太陽電池組件日輸出的減少，給出了一個在實際 J隋況下太陽電池組件輸出的保守 估計量。這對于高緯度地區(qū)尤為重要，高緯度地區(qū)的冬季和夏季水平面太陽輻射量差異非常大（我國黑龍江省相差約 5 倍），如果按照水平面輻射量進行設(shè)計，則蓄電池的冬季存儲量要遠遠大于陰雨天的存儲量，造成蓄電池的設(shè)計容量和投資都加大。； 緯度 41176。 換算公式如下 ： 峰值日照小時數(shù) =輻射量 (cal/ 2cm )? 。利用太陽能電池自身的光敏特性就可以實現(xiàn)光控功能。e ，這就不能充分利用當(dāng)前條件下陣列所能提供的最大功率，被浪費的陣列能量如圖 12 陰影所示的面積。 UmLP m a xU ( V )I(A)1000800600400200abcdea39。主電路的電路框圖和軟件流程圖見圖33 和圖 34。熱敏電阻在蓄電池工作的溫度范圍（一般為 10℃ 到 45℃ ）內(nèi)的阻值有近似線性關(guān)系，在電路中可以實現(xiàn)溫度補償。 (4)防反充保護。 本系統(tǒng)采用全數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 由微處理器 87C52 及 SA8381 型 PWM 波形產(chǎn)生器組成 ,產(chǎn)生逆變橋驅(qū)動 SPWM 脈沖 ,驅(qū)動隔離放大及保護電路 ,輸出電壓、電流反饋電路、其他輔助環(huán)節(jié)。以典型的單相全橋式逆變器為例，四個對角的開 關(guān)功率管以每個對角線的二個開關(guān)管為一組，依次導(dǎo)通和判斷，在負載二端就產(chǎn)生交替的正負電壓，形成交流輸出。 PWM 調(diào)制的開關(guān)頻率愈高，則逆變器輸出波形諧波愈小，但開關(guān)過程帶來的功率損耗則愈大，要權(quán)衡選取開關(guān)管 PWM 調(diào)制的開關(guān)頻率。通過對波形發(fā)生器 SA838 的編程 與控制，即產(chǎn)生逆變橋所需要的SYWM 驅(qū)動脈沖，還完成故障及參數(shù)的報警顯示。在電路不變的情況下 ,通過軟件改變波形參數(shù) ,就可改變逆變器的性能指標 ,即設(shè)置靈活方便 ,又大大節(jié)約了成本費用。調(diào)制頻率變化范圍寬 。 圖 37微控制器與 SA8381形成 SPWM原理框圖 87C52 微控制器由時鐘芯片產(chǎn)生 CPU 所需頻率通過鍵盤將 SA 8381 所需的初始值及控制字通過 CPU寫入。構(gòu)成一臺實用型逆變器需要主功率電路、控制電路和輔助電路（如保護、測量和監(jiān)控等）。以單相電壓型逆變器為例，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 36 所示，具體器件的開關(guān)順序選擇，根據(jù)控制目的的不同為存在直流 驅(qū)動隔離放大 SA8381 SPWM 波形發(fā)生器 逆變 交流 87C52 微處理器 顯示，報警 反饋 31 多種控制方式，如方波逆變控制、正弦波 PWM 逆變控制等。 30 逆變器設(shè)計 逆變器 原理 本系統(tǒng)主電路采用單相全橋電壓型逆變 電路和正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）。 (2)回路壓降要低。 保護措施 短路過載保護：當(dāng)發(fā)生短路或負載超過保險額定值時，通過燒保險管進行保護。e39。c 、 39。a 、 39。 一般的確定原則為 ： 冬至當(dāng)天早 9： 00 至下午 3： 00，太陽能電池方陣不應(yīng)被遮擋。傾角等于緯度加 15176。傾角等于緯度 ； 緯度 26176。在太陽輻射處于峰值時，光伏組件方陣對于蓄電池的充電率不能太大，否則會損害蓄電池。又因