【文章內(nèi)容簡介】 產(chǎn)生一定的電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成 太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。 晚上，蓄電池 開始 供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過負(fù)載運行及免遭雷擊， 維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。太陽能→電能→化學(xué)能→電能→光能。 發(fā)電原理 太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。 （ 1）電池單元：由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用 中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由 P 型和 N 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度 J，短路電流 sci ，開路電壓 Uoc。 若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上 負(fù)載，理論上講由 PN 結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，于是就有“光生電流”流過，太陽能電池組件就實現(xiàn)了對負(fù)載的功率 P 輸出。 （ 2）電能儲存單元：太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發(fā)電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時間決定。 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 設(shè)置原理 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮的因素： （ 1）需要考慮太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的地方以及該地日光輻射情況； （ 2）需要考 慮太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)需要承載的負(fù)載功率； （ 3）系統(tǒng)所輸出電壓，以及考慮應(yīng)該使用直流電還是交流電； （ 4）系統(tǒng)每天需要工作的小時數(shù)； （ 5）如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天； （ 6）考慮負(fù)載的情況，是純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流的大小。 系統(tǒng)組成 光伏系統(tǒng)是由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、自動太陽能跟蹤系統(tǒng)、自動太陽能組件除塵系統(tǒng)等設(shè)備組成。 圖 21 光伏系統(tǒng)組成 Figure 21 pv systems 顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計 18 太陽能電池 在有光照（無論是太陽光，還是其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩 端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”。在 光生伏打效應(yīng) 的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為 單晶硅太陽能電池 ，多晶硅太 陽能電池和 非晶硅太陽能電池 三種。 原材料特點： 電池片 ：采用高效率（ %以上）的單晶硅太陽能片封裝，保證太陽能電池板發(fā)電功率充足。 圖 22 太陽能電池圖 Figure 22 solar cells figure 玻璃 ： 采用低鐵鋼化絨面玻璃 (又稱為白玻璃 )， 厚度 ,在太陽電池光譜響應(yīng)的波長范圍內(nèi) (3201100nm)透光率達(dá) 91%以上，對于大于 1200 nm 的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時能耐太陽紫外光線的輻射，透光率不下降。 EVA： 采用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為 的優(yōu)質(zhì) EVA膜層作為太陽電池的密封劑和與玻璃、 TPT 之間的連接劑。具有較高的透光率和抗老化能力。 TPT： 太陽電池的背面覆蓋物 — 氟塑料膜為白色，對陽光起反射作用，因此對組件的效率略有 提高，并因其具有較高的紅外發(fā)射率，還可降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。當(dāng)然，此氟塑料膜首先具有太陽電池封裝材料所遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要求。 邊框： 所采用的鋁合金邊框具有高強度，抗機械沖擊能力強。也是家用太陽能發(fā)電中價值最高的部分。 蓄電池組 其作用是貯存 太陽能電池方陣 受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負(fù)載供電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求是： ； ； c.深放電能力強； ； ； ； 廉。目前我國與 太陽能發(fā)電系統(tǒng) 配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套 200Ah 以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封式 免維護(hù)鉛酸蓄電池 ，每只蓄電池的額定電壓為 2V；配套 200Ah 以下的鉛 酸蓄電池，一般選用小型密封 免維護(hù)鉛酸蓄電池 ，每只蓄電池的額定電壓為 12V。 充放電控制器 是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及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 充放電控制器 是必不可少的設(shè)備。 逆變器 是 將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng) ，為獨立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng) 。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和 正弦波逆變器 。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。 正弦波逆變器 成本高，但可以適用于各種負(fù)載。 逆變器保護(hù)功能： a、 過載保護(hù)； b、短路保護(hù)； c、接反保護(hù)； d、欠壓保顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計 20 護(hù)； e、過壓保護(hù)； f、過熱保護(hù)。 注：本設(shè)計是無需逆變器的，因為給 LED 燈供電用直流 電，沒有直流變交流的必要。 防反沖二極管 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時，擂電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔谩Ｒ虼怂仨毐ＷC回路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的沖擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的話可以不用任何二極管，因為控制器本來就可防反沖。板子串聯(lián)的話，需要安裝旁路二極管，如果是并聯(lián)的話就要裝個防反沖二極管，防止板子直接沖 電。防反充二極管只是保護(hù)作用，不會影響發(fā)電效果。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類，離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。 A）離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見的太陽能應(yīng)用方式。在國內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難而限制了使用范圍。 B）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)用電負(fù)荷較大時，太陽能電力不足就向市電購電。而負(fù)荷較小時，或用不完電力時，就可將多余的電力賣給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉 了蓄電池，從而擴張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價。 C） A， B 兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個方之間的系統(tǒng)。該方案有較強的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價來調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價和運行成本較上述兩種方案高。 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 3. 光伏發(fā)電 LED 照明系統(tǒng)的配置 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計原理 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計包括兩個方面：軟件設(shè)計和硬件設(shè)計。 光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：負(fù)載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計，太陽能電池方陣安裝傾角的計 算，系統(tǒng)運行情況的預(yù)測和系統(tǒng)經(jīng)濟效益的分析等。由于軟件設(shè)計牽扯到復(fù)雜的太陽輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計計算，一般是由計算機來完成。在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采用估算的辦法。 光伏系統(tǒng)硬件設(shè)計包括：負(fù)載的選型及必要的設(shè)計，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設(shè)計。逆變器的選型和設(shè)計，以及控制和測量系統(tǒng)的選型和設(shè)計。對于大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，還要有光伏電池方陣場的設(shè)計、防雷接地的設(shè)計、配電系統(tǒng)的設(shè)計以及輔助或備用電源的選型和設(shè)計。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的總的原則是，在保證滿足負(fù)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，以減少初始投資。系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)該知道在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計過程中做出的每一個決定都會影響造價。由于不適當(dāng)?shù)倪x擇，可輕易地使系統(tǒng)的投資成倍的增加，而且未必就能滿足使用要求。再決定建立一個獨立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之后，可按下述步驟進(jìn)行設(shè)計：計算負(fù)載，確定蓄電池容量，確定太陽能電池方陣容量，選擇控制器。在設(shè)計計算中，需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場的地理位置，包括地點、經(jīng)度、緯度和海拔等；安裝地點的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射能量、直接輻射量及散射輻射量；年平均氣溫和最高 最低氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無法做出長期預(yù)測，只能以過去 10年到 20年的平均值作為依據(jù)。但是很少有獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)是建立在太陽輻射數(shù)據(jù)資料齊全的城市的，而且偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽輻射數(shù)據(jù)可能并不類似于附近的城市。因此只能采用臨近的某個城市的氣象資料或類似地區(qū)氣象觀測站所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行類推。在類推的時候要把握好可能導(dǎo)致的偏差因素，要知道，太陽能資源的估算會直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和造價。另外，從氣象部門得到的資料，一般只有水平面的太陽能輻射量，顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計 22 實際使用時必須設(shè)法換 算到傾斜面上的輻射量。 對于負(fù)載的估算，是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和定價的關(guān)鍵因素之一。通常列出所有負(fù)載的名稱、功率要求、額定工作電壓和每天用電時間。對于交流和直流負(fù)載都要同樣列出。功率因數(shù)在交流功率計算中不要過濾。然后，按負(fù)載分類和按工作電壓分組，計算每一組的總功率。接著，選定系統(tǒng)工作電壓，計算系統(tǒng)在這一電壓下所要求的平均安培178。小時（ Ah）數(shù)，也就是算出所有負(fù)載的每天平均耗電量之和。關(guān)于系統(tǒng)工作電壓的選擇，經(jīng)常是選最大功率負(fù)載說要求的電壓。在以交流負(fù)載為主的系統(tǒng)中直流系統(tǒng)電壓應(yīng)當(dāng)考慮與 選用的逆變器輸入電壓相適應(yīng)。通常獨立運行的太陽能光伏打電系統(tǒng)，其交流負(fù)載工作在 220V，直流負(fù)載工作在 12V 或 12V 的倍數(shù)。從理論上說，負(fù)載的確定是直截了當(dāng)?shù)?，而實際上負(fù)載的要求卻往往并不確定。例如家用電器所要求的功率可以從制造商的資料得知，但是并不知道他們的工作時間，如果使用時間估算過高，其累計的效果會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計容量和造價上升。實際上，某些較大功率的負(fù)載可安排在不同的時間內(nèi)使用。再嚴(yán)格的設(shè)計中，我們必須掌握獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，即每天 24 小時中不同時間的負(fù)載功率。特別是對于集中的供電系統(tǒng)，了 解用電規(guī)律后可適時地加以控制。 蓄電池容量設(shè)計思想是保證在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作，為了避免連續(xù)陰雨天氣時蓄電池長期處于欠壓狀態(tài)，在蓄電池容量設(shè)計時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(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。這個參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。 一般來說自給參數(shù)的確定與兩個因素有關(guān)：一，負(fù)載對電源的要求；二，安裝地點的最大連續(xù)陰雨天數(shù)。一般情況下可以將安裝地點的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為 系統(tǒng)設(shè)計的自給天數(shù)。對于負(fù)載對電源要求不是很嚴(yán)格的光伏系統(tǒng)，我們在設(shè)計中常取自給天數(shù)為 3— 5 天；對于負(fù)載對電源要求很嚴(yán)格的光伏系統(tǒng)，我們在設(shè)計中常取自給天數(shù)為 7— 14 天。所謂負(fù)載不嚴(yán)格的光伏應(yīng)用系統(tǒng)通常指用戶遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 可以稍微調(diào)節(jié)一下負(fù)載需求從而適應(yīng)惡劣天氣帶來的不便，而嚴(yán)格系統(tǒng)指負(fù)載用電比較重要，如通信、導(dǎo)航、醫(yī)院、診所等。此外還要考慮安裝地點，如果在很偏遠(yuǎn)的地方必須設(shè)計較大的蓄電池容量，因為維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場需要花費很長時間。 蓄電池容量計算 1) 基本公式 將每天負(fù)載需要的用電量乘以根據(jù) 實際情況確定的自給天數(shù)就可以得到初步的蓄電池容量，再除以蓄電池的允許最大放電深度即可得到所需的蓄電池容量。最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池的性能參數(shù)，通常情況下，深循環(huán)型蓄電池推薦使用 80%的放電深度（ DOD）；淺循環(huán)型蓄電池推薦使用 50%的放電深度（ DOD）。 基本公式如下： 所需蓄電池總?cè)萘?= ?自 給 天 數(shù) 日 平 均 負(fù) 載最 大 放 電 深 度 每個蓄電池都有它的標(biāo)稱電壓，為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓，我們將蓄電池串聯(lián)起來給負(fù)載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo) 稱電壓。當(dāng)蓄電池總?cè)萘看笥趩蝹€蓄電池容量時，我們需要將單個蓄電池并聯(lián)起來組成總?cè)萘俊? 公式如下： 串聯(lián)蓄電池數(shù)量 = 負(fù) 載 標(biāo) 稱 電 壓蓄 電 池 標(biāo) 稱 電 壓 并聯(lián)蓄電池數(shù)量 = 所 需 蓄 電 池 總 容 量單 個 蓄 電 池 容 量 2) 修正 對于鉛酸蓄電池，蓄電池的容量不是一成不變的與兩個重要因素有關(guān)：蓄電池的放電率和環(huán)境溫度。 a. 放電率對蓄電池容量的影響 蓄電池的容量隨放電率的降低（即蓄電池