【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 11 圖 太陽(yáng)能光伏電池 太陽(yáng)能 光伏 電池按材料主要分為硅型太陽(yáng)能 光伏 電池、非硅半導(dǎo)體太陽(yáng)能 光伏 電池（也叫 化合物半導(dǎo)體光伏電池 ） 、有機(jī)太陽(yáng)能電 光伏電 池。后兩種太陽(yáng)能 光伏 電池 至今還不能 普及 應(yīng)用 ，目前市場(chǎng)上 的主導(dǎo)產(chǎn)品 是硅型太陽(yáng)能 光伏 電池 ，主要包括單晶硅太陽(yáng)能光伏電池、多晶硅太陽(yáng)能光伏電池、多晶硅薄膜電池。 硅型太陽(yáng)能 光伏 電池 優(yōu)缺點(diǎn)如表 所示： 表 硅型太陽(yáng)能 光伏 電池 優(yōu)缺點(diǎn) 種類 穩(wěn)定性 光電轉(zhuǎn)換效 率 成本 單晶硅 穩(wěn)定性較好 16%左右 6元 /W左右 多晶硅 穩(wěn)定性一 般 14%左右 5元 /W左右 薄膜 穩(wěn)定性較差，容易老化 6%左右 4元 /W左右 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 12 第三章 太陽(yáng)能 1kW 照明系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于公園、景區(qū)、廣場(chǎng)、城市次干道、偏遠(yuǎn)地區(qū)的功能性和景觀性照明，以及交通指示等多種場(chǎng)合。 本章主要介紹 太陽(yáng)能 1kW 風(fēng)光 照明系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的一系列工作。 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)及其 工作原理 盡管 太陽(yáng)能 照明系統(tǒng)規(guī)模大小不一 ， 但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同 ，工作原理就是利用太陽(yáng)能光伏電池的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，再用于照明。 如圖 是一個(gè)典型的 太陽(yáng) 能照明系統(tǒng) 示意圖，系統(tǒng) 由太陽(yáng)能光伏電池組件、控制器、蓄電池、照明負(fù)載等組成。照明負(fù)載可采用大功率 LED、 節(jié)能燈和高壓氣體放電類等綠色電光源。 太陽(yáng)能光伏電池板蓄 電 池 組負(fù) 載充 電 控 制 器 圖 典型太陽(yáng)能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 太陽(yáng)能 光伏 電池板 作為 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的 產(chǎn)能部件， 其作用是將 吸收來(lái)的 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能 ，存儲(chǔ)起來(lái)或供負(fù)載使用。 充電 控制器 控制 蓄電池 的充放電，使蓄電池能夠 平穩(wěn) 、 快速 、 高效 地 充電 ， 并在充電過程中減少 能量 損耗 、 盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命 ； 同時(shí)保護(hù)蓄電池 ， 避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生 。 蓄電池 蓄電池的作用是將太陽(yáng) 能 方陣 發(fā)出的直流電直接儲(chǔ)存起來(lái) ， 供負(fù)載使用 。 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 13 燈具 作為太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的負(fù)載 ， 理想的燈具既要高效照明 ， 又要盡可能的降低功率損耗 。 太陽(yáng)能庭院燈照明系統(tǒng)如 圖 所示。 圖 太陽(yáng)能庭院燈照明系統(tǒng)實(shí)物圖 本設(shè) 計(jì)對(duì) 光照輻射情況 、 用電設(shè)備的實(shí)際要求 、 用戶的使用需求等方面的因素進(jìn)行相應(yīng)的容量設(shè)計(jì) ， 計(jì)算出所需要的太陽(yáng)能電池組件容量和蓄電池的容量 ， 綜合各個(gè)部件的基本要求進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ， 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖 所示 ： 用 電 需 求 負(fù) 載 性 能當(dāng) 地 輻 射 資 料容 量 設(shè) 計(jì)太 陽(yáng) 能 電 池 組 容 量 蓄 電 池 組 容 量系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 和 功 能 實(shí) 現(xiàn) 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 14 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在太陽(yáng)能光電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能的輸入并不是穩(wěn)定的，因此對(duì)太陽(yáng)能光電系統(tǒng)的控制帶來(lái)了不確定性。另外系統(tǒng)的各部件也隨環(huán)境和使用時(shí)間有一定的變化，因此合理的充電控制可以減少對(duì)蓄電池的損害。充電控制器就像電壓調(diào)節(jié)器一 樣，可以調(diào)控由太陽(yáng)能電池面板進(jìn)入蓄電池內(nèi)的電壓及電流，當(dāng)蓄電池充滿電后，充電控制器就不再允許電流繼續(xù)流入蓄電池內(nèi)。如果系統(tǒng)中沒有采用充電控制器，蓄電池可能會(huì)被過度充電而損壞，甚至發(fā)生安全事故。 充電控制器主要由專用處理器 CPU、電子元件器件、顯示器、開關(guān)功率管等器件組成?？梢苑譃橐韵聝深悾? （ 1）線性充電控制器?？膳c太陽(yáng)能電池發(fā)電器串聯(lián)或并聯(lián)在一起，調(diào)整充電電流，使蓄電池的電壓不會(huì)超過一定的極限。缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生過多的熱損耗。 （ 2）開關(guān)式充電控制器。是一種 MOSFET 的半導(dǎo)體開關(guān)組件，它只有兩種工作狀態(tài)：全 開或全關(guān)，在理想的狀態(tài)下，控制器的電壓或電流為 0，它不會(huì)有功率損耗。 目前主要的充電控制有并聯(lián)型控制、串聯(lián)型控制和 PWM（脈寬調(diào)制）等幾種類型。 （ 1） 串聯(lián)型 充電 控制 器 串聯(lián)型 充電 控制 器 通過保持充電電壓在一個(gè)限定的范圍內(nèi)，防止對(duì)蓄電池造成過充。當(dāng)充電電壓高于蓄電池設(shè)定的最高 充電 電壓值時(shí)，充電開關(guān)管斷開，蓄電池充電停止，電壓下降 ； 當(dāng)充電電壓低于蓄電池設(shè)定的最 低充電 電壓值時(shí)，充電開關(guān)管打開，開始給蓄電池充電，蓄電池電壓升高。串聯(lián)型充電 控制器簡(jiǎn)單可靠，多用于小型光伏系統(tǒng)，但其 沒有智能控制模塊， 太陽(yáng)能 光伏電池利用 率 相對(duì)較 低。串聯(lián)型充電控制 如 圖 所示 。 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 15 太陽(yáng)能電池組控制器蓄電池組開 關(guān) 管 圖 串聯(lián)型充電控制圖 （ 2） 并聯(lián)型 充電 控制 器 并聯(lián) 充電 原理簡(jiǎn)單 、 容易實(shí)現(xiàn) 以及價(jià)格便宜 等優(yōu)點(diǎn)，是目前 太陽(yáng)能 光伏 系統(tǒng)采 用最多的一種控制 方法 。其原理是 在串聯(lián)隔離二極管前接入一并聯(lián)放電電路， 使充電電壓始終保持在 一定電壓值 的范圍內(nèi) 。 首先設(shè)定一個(gè)蓄電池的最高充電電壓和最低充電電壓，然后把 放 電電路并聯(lián)接到 太陽(yáng)能 光伏電池。根據(jù)設(shè)定 的電壓 值，當(dāng)蓄電池限定的最高充電電壓低于 系統(tǒng)充電電壓時(shí)，開通 旁路 放電回路，拉低充電電壓；當(dāng)蓄電池限定的最低充電電壓高于系統(tǒng) 充電電壓 時(shí) ，斷開 旁 路 放電回路，充電電壓升高。在充電過程中，充電電壓始終保持 在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，保護(hù)蓄電池，防止過充。 此充電方法簡(jiǎn)單可靠，但缺少 智能控制模塊，只能對(duì)蓄電池實(shí)現(xiàn)基本的充電功能， 太陽(yáng)能 光伏電池利用率 也比較 低 ， 充電方式單一。圖 為 并聯(lián)型充電控制圖。 太陽(yáng)能電池組控制器蓄電池組隔 離 二 極 管開關(guān)管 圖 并聯(lián)型 充電 控制 圖 （ 3） PWM 型控制器 太陽(yáng)能 照明 系統(tǒng)中，由于給蓄電池充電的 太陽(yáng)能 光伏電池 本身的非線性以及 所發(fā)電力受環(huán)境影響比較大，在充電過程中，很難保證 蓄電池的 充電電壓 穩(wěn)定， 蓄電池的充電 也會(huì)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 16 受 環(huán)境溫度、電池老化、蓄電池電解液濃度等因素 的 影響。為 得 到最好的充電方式 ， 我們需要對(duì)環(huán)境溫度 、太陽(yáng)能 光伏電池電壓、蓄電池電壓等因素進(jìn)行綜合考慮。一般來(lái)說，充電步驟 可以 分 為快速充電、恒壓充電、浮充充電 三個(gè)階段。 PWM 型控制器，具有智能 識(shí)別控制功能 ，可以根據(jù)環(huán)境 的 溫度、蓄電池 的 電壓 、太陽(yáng)能 光伏電池 的 電壓 等 調(diào)整充電方式， 有效地提高太陽(yáng)能 光伏電 池 利用 率 ， 大大 減少充電過程中對(duì)蓄電池的損耗，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。但 PWM 型控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高。 圖 為 PWM 型控制器 實(shí)物圖。 圖 PWM 型控制器 太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì) 為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力，我們必須使太陽(yáng)能電池能最大限度地接收太陽(yáng)輻射，所以確定合適的太陽(yáng)能電池方陣傾角和太陽(yáng)能電池方陣方位角對(duì)提高太陽(yáng)能電池利用率是很重要的。太陽(yáng)能電池方陣的傾角是指太陽(yáng)能電池方陣平面與水平 地面的夾角，而方位角是指方陣的垂直面與正南方向的夾角。 本設(shè)計(jì)是針對(duì)烏魯木齊地區(qū)的，由附錄 A 得烏魯木齊的緯度角為 44186。，所以 太陽(yáng)能電池板最佳傾角： 44176。＋ 5176。＝ 49176。 。 在我國(guó)，太陽(yáng)能電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽(yáng)能電池單位容量的發(fā)電量最大。 太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)主要考慮蓄電池充電能夠滿足負(fù)載消耗的需要，使蓄電池能夠長(zhǎng)期正常工作，所以設(shè)計(jì)要保證太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池在安裝地天氣條件下能夠匹配工太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 17 作。實(shí)際應(yīng)用中，受外在環(huán)境的影響，太陽(yáng)能電池方陣的輸出不可能達(dá)到 100%，一般取90%來(lái)計(jì)算；另外實(shí)際中太陽(yáng)能方陣產(chǎn)生的電流不可能被蓄電池全部轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存起來(lái)，必有一部分電流損失，我們可以用蓄電池的庫(kù)侖效率來(lái)評(píng)估這種電流損失，一般認(rèn)為有 5%～10%。 所以太陽(yáng)能電池方陣的保守計(jì)算值可以用以下公式計(jì)算： SSCp ???N （ 3 – 1） Ss UU? （ 3 – 2） 式中， Np 為并聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件數(shù)量； Ns 為串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件數(shù)量； Q為負(fù)載平均每天所需要的能量； Qs 為太陽(yáng)能電池組件的平均日輸出能量，單位采用安時(shí)；U 為系統(tǒng)負(fù)載的標(biāo)稱電壓； Us 為太陽(yáng)能電池的標(biāo)稱電壓； ηc 為蓄電池的庫(kù)侖效率，通常取 ～ ； βs 為太陽(yáng)能電池方陣的輸出效率衰減因子，通常取 ～ 。 太陽(yáng)能方陣的輸出可以由以下公式計(jì)算： 0HHT t? （ 3 – 3） TIQs max? （ 3 – 4） 式中， Ht 為太陽(yáng)能電池方陣接收的太陽(yáng)日輻射能量；標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射 H0 為 1000W/㎡； T 為峰值時(shí)間單位為 h； Imax 為峰值輸出電流。圖 為太陽(yáng)能電池方陣實(shí)物圖。 圖 太陽(yáng)能電池方陣實(shí)物圖 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 18 本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)一個(gè) 1kW 太陽(yáng)能 照明系統(tǒng) ，負(fù)載電壓 24V。由附錄 A 得南寧市的日輻射量為 Ht=14464kJ/m2 = 4017W178。 h/m2，采用 12V135W 太陽(yáng)能電池方陣，其峰值電流為，由公式（ 3 – 3）得標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時(shí)數(shù)： ）（ hHHT t ??? 所以太陽(yáng)能方陣的輸出為： ）（ hATIQ s ????? a x 負(fù)載功率 1kW，每天從晚上 7 點(diǎn)開始至第二天早上 6 點(diǎn)照明，采用前 5 個(gè)小時(shí)全功率放電，后 6 個(gè)小時(shí)半功率放電，則負(fù)載一天的功耗 Q 為： )(3336245005241000Q hA ?????? 蓄電池的庫(kù)侖效率取 ，太陽(yáng)能電池方陣的輸出效率衰減因子為 ，并聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件數(shù)： 333N ????? SSCp ?? 串聯(lián)的太陽(yáng)能電池組件數(shù)： 21224 ??? Ss UUN 所以本設(shè)計(jì)需要 12V135W 太陽(yáng)能電池方陣 30 塊，其中每 2 塊組成串聯(lián)，串聯(lián)后的15 塊電池組并聯(lián)在一起。 蓄電池 種類 蓄電池也稱為二次電源，是一種能把化學(xué)反應(yīng)所釋放出來(lái)的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。蓄電池按其電解液的不同，一般可分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類。而酸性蓄電池的電解液是酸性水 溶液，目前以鉛酸蓄電池應(yīng)用最普遍；堿性蓄電池的電解液是堿性水溶液（如 KOH、 NaOH），包括 鎳鎘 蓄 電池 、 鎳氫 蓄 電池 以及鐵鎳蓄電池等。 在光伏系統(tǒng)中，常見的蓄電池有： 鉛酸 蓄 電池 、 鎳鎘 蓄 電池 、 鎳氫 蓄 電池 、 鋰電池 、燃料蓄電池以及超級(jí)電容等。 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)分析設(shè)計(jì) 19 表 各種蓄電池特性的比較 在一個(gè)獨(dú)立型的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要將能量進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)，以提供在日照不足或完全沒日照的條件下電能的來(lái)源。因此，蓄電池 作為太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，白天將太陽(yáng)能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出到照明負(fù)載 。 它不僅要具備可以供應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間電力需求的能力，還要具備在短時(shí)間內(nèi)提供大量電力的能力。表 是各種蓄電池的特性比較。 當(dāng)今在太陽(yáng)能光電系統(tǒng)中最常用的蓄電池是鉛酸蓄電池，它是價(jià)格最低廉的一種商業(yè)化電池。因?yàn)殂U酸蓄電池具有價(jià)格低廉、原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，能夠用于大電流放電以及環(huán)境溫度范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)選用鉛酸蓄電池。 酸蓄電池 鉛酸蓄電池由于其制造成本低、容量