【正文】 池組件輸出功率是隨機(jī)的，為了給燈具等負(fù)荷正常供電，必須配備蓄電池。 只有裝備蓄電池的太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)才能正常工作，主要原因?yàn)椋? （ 1）太陽能電池轉(zhuǎn)換的電能無法直接滿足夜晚的照明要求，而且還要應(yīng)對當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰天等特殊條件下的照明需要。蓄電池的最大優(yōu)勢是能夠重復(fù)利用，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，不僅如此，蓄電池還具有輸出電壓穩(wěn)定、可靠性很高、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)部門、場所得到了廣泛應(yīng)用。 以天津?yàn)槔? 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)太陽能電池功率計(jì)算過程如下： 串聯(lián)數(shù) )(/)(/ ????????? DCCDfDCRs UUUUUUN 8 0 0 0 0/7 7 2 1 1 ??????? ZOPOCP CHKIQ 9 0 0152412/ ?????? NKQB Lcb )(Ah 并聯(lián)數(shù) 502412/25/ ????? hVWNVPQ LL )(Ah 15)305 0 2 9/()50309 0 0()/()( ??????? WPLWcbP NNBN 15138 ?????? PSo NNPP )(W 根據(jù)計(jì)算結(jié)果該地區(qū)太陽能電池方陣功率為 570W。 ①把太陽能電池組件安裝區(qū)域的每日總輻射量 Ht，則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)光強(qiáng)下的平均日輻射時(shí)數(shù) H可表示為（日輻射量參見表 313）： )( 4 hHH t ??? 104表示將日輻射量換算成標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（ 1000W/m2）下的平均日輻射時(shí)數(shù)系數(shù)。 蓄電池參數(shù)的選擇會影響蓄電池的浮充電壓，其浮充電壓滿足在最低溫度下選擇的蓄電池單體的最大工作電壓與電池?cái)?shù)的乘積。所以，僅當(dāng)光伏電池組件的串接電壓正好適合作浮充電壓，才可以使蓄電池處于最佳充電狀態(tài) [3]。要是串聯(lián)的太陽能電池過少，串聯(lián)電壓比蓄電池浮充電壓低，組件就無法給蓄電池充電。 （ 1）確定太陽能方 陣串聯(lián)數(shù)的方法 把太陽能電池組件以若干數(shù)目串接在一起，就能滿足所需工作電壓的要求。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理恰當(dāng)，太陽能電池必須以一定的串、并聯(lián)方式連接起來。 綜合設(shè)計(jì)與太陽能電池的技術(shù)參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用非晶硅電池。如何實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)換率以及改善穩(wěn)定性成為非晶硅薄膜光伏電池的重要課題。多晶硅電池也必將廣泛地應(yīng)用于室外照明中。相比單晶硅電池而言，多晶硅薄膜光伏電池的生產(chǎn)成本要小很多，光 電轉(zhuǎn)換效率近 1/5，比非晶硅薄膜電池要高。 現(xiàn)在，單晶硅光伏電 池廣泛應(yīng)用于交通信號和道路照明指示等室外照明中，其光 電轉(zhuǎn)換效率一般在 11%～ 24%，并且使用壽命長。 下面簡單介紹一下上述三種電池的特點(diǎn)： （ 1）單晶硅電池：與其他兩類相比，該類電池光電轉(zhuǎn)換效率最高，通常為 20%左右。因 此有史以來，光伏電池的制造都是采用二極管或是晶體管硅片進(jìn)行的。 當(dāng)今，光伏電池的光 電轉(zhuǎn)換效率通常超過百分之十幾，在某些發(fā)達(dá)國家，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能達(dá)到 %上下。若想獲得更高的輸出電壓和更大的容量，通常將若干太陽能電池連到一起 。 單個(gè)太陽能電池即一個(gè)薄片半導(dǎo)體 PN結(jié)。 太陽能電池的基本原理為：當(dāng)太陽光輻射在由兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 P－ N 結(jié)上時(shí)，處于特定環(huán)境時(shí)，太陽能輻射的能量被半導(dǎo)體材料吸收，內(nèi)部產(chǎn)生靜電場。太陽能電池陣列皆有共同的輸出端，可直接為負(fù)荷供電。 E VDLViUL2oi L1RC2C1 L2i VD i c2 i o ++U c2+++U c1U VDUT 圖 210 庫克式電路 第三章 主要設(shè)備的選擇 太陽能電池的設(shè)計(jì) 太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)。其電路的優(yōu)點(diǎn)為：輸入、輸出均 無脈動，基本上是平滑的，只是在 DC 成份基礎(chǔ)上增加一個(gè)較小的開關(guān)紋波；而且，電壓變比可在 0 至無窮大之間改變；變換器開關(guān)元件 IGBT 的發(fā)射極接地，驅(qū)動電路構(gòu)成簡易。 庫克式變換器 庫克變換器是由美國 California Institute of Technology 的斯洛博丹庫克提出來的，該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖 所示。不足之處主要為：①輸入、輸出電流均有脈動，使得對輸入電源存在電磁干擾，并且輸出紋波較大。等到電路工作于穩(wěn)態(tài)后，則在 0T時(shí)間內(nèi)電感 L兩端電壓 uL 對 t的積分為 0，即 ? ?T dtuL0 0。 升降壓式變換器 V 關(guān)斷 VD 導(dǎo)通 V 導(dǎo)通 VD 關(guān)斷 ont oft t t ii V T RCEVDLViuoouLi 1 i 2i L 圖 29 升降壓式電路 升降壓式變換電路電路圖如圖 所示，分析電路我們可以分析得到其基本原理為：當(dāng)開關(guān)元件 V 接通時(shí)，電源 E可以為電感 L供電，使之儲存能量，這個(gè)時(shí)候電路電流為 i1，電感 L兩端的電壓為 EuL? ；當(dāng) V關(guān)斷時(shí)，電源 E 不再為電路供電，但是此時(shí)電感 L中儲存的能量向負(fù)載 R釋放。其不足之處在于：①輸出端的二極管的電流不是連續(xù)的，是脈動的，增大了輸出紋波的幅度。由于Ttoff??，因此改變它便能改變 u0與導(dǎo)通占空比的關(guān)系： 1???? 于是，式 (25)可整理為： EEU ?? ??? 1 110 EVDRLViuooCi 1 圖 27 升壓式電路 圖 28 電路連續(xù)導(dǎo)電模式下的穩(wěn)態(tài)波形 升壓變換器在蓄電池電壓高并且光伏電池的輸出電壓低的場合應(yīng)用較廣。 升壓式變換器 升壓式變換器電路原理圖如圖 所示，當(dāng) IGBT 開關(guān)元件 V 接通時(shí)，電源 E 作為能量源向電感 L儲存能量 ，電感 L電流 i1 增加，二極管 VD 關(guān)斷，電容 C為負(fù)載 R供電，這時(shí) u0=E。它的優(yōu)勢為電路結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載兩端的電壓的均值可表示成： EETtEtt tU onof fon on ?????0 ( 10 ??? ) α表示導(dǎo)通占空比，簡稱導(dǎo)通比或 者占空比 u0 最大為 E，α變小， u0 跟著變小，叫做降壓斬波電路，又稱 Buck Converter。方波型是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)行中，這種變換器中的開關(guān)器件的電流（電壓）波形本質(zhì)上是方波； DCDC變換器的按其結(jié)構(gòu)分類為： D C D C 變 換 器降 壓 式 變 換 器 （ B U C K 電 路 ）升 壓 式 變 換 器 （ b o o s t 電 路 ）升 降 壓 式 變 換 器 （ B u c k B o o s t ）庫 克 式 變 換 器 （ C u k 電 路 ） 降壓式變換器 EVDRLEMMViuoo 圖 26 降壓式電路 圖 為降壓式 變換器的電路模型。 根據(jù)功率開關(guān)器件的電流（電壓）的波形的形式，可以把 DC/DC 變換劃分為正弦型、方波型。該電壓的均值由可調(diào)寬度的脈沖構(gòu)成，脈沖的平均值就是 DC 輸出電壓。因此，根據(jù)確定電壓與電流的關(guān)系，便可 確定當(dāng)前狀態(tài)能否達(dá)到最大功率點(diǎn)，即： (1)若UIdUdI ??，位于最大功率點(diǎn)處，不要改變參考電壓； (2)若UIdUdI ??，位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，須要升高參考電壓； (3)若UIdUdI ??，位于最大功率點(diǎn)的右側(cè)，須要降低參考電壓。 圖 24 擾動觀察法原理圖 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法又被稱為導(dǎo)納增量法，是通過最大功率點(diǎn)的電壓來調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的方法。 當(dāng)△ P0 時(shí)，光伏電池位于上升側(cè)，即最大功率點(diǎn)左側(cè)，需再升高電壓值，使功率自左向最大功率點(diǎn)持續(xù)逼近，維持原方向繼續(xù)擾動；當(dāng)△ P0 時(shí)，光伏電池位于下降段，即最大功率點(diǎn)尺的右側(cè)，即改變擾動方向，降低工作電壓值，自右向最大功率點(diǎn)靠近；若△ P=0，電池位于最大工作點(diǎn)（或附近），此時(shí)不需要改變輸出電壓。伴著數(shù)字信號處理技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，恒壓跟蹤法將會逐步被取代。譬如每當(dāng)安裝地點(diǎn)的溫度增加1℃，不為負(fù)載供電時(shí)，硅太陽能電池的輸出電壓會減至原來的 %%。顯然，此方法是一種近似的最大功率點(diǎn)跟蹤算法。由圖可知，同一溫度條件下，不同的光照強(qiáng)度，光伏電池的最大功率點(diǎn)差不多分布在某一固定垂線的兩側(cè)附近。 最大功率點(diǎn)跟蹤的算法 最大功率點(diǎn)跟蹤的關(guān)鍵問題 是研究跟蹤的算法，目前應(yīng)用較廣泛的幾種為：恒①壓跟蹤法、②擾動觀察法、③電導(dǎo)增量法等。采取改變輸出電壓的方法，把負(fù)載電壓調(diào)節(jié)到 U01處，讓負(fù)載的功率從 M 點(diǎn)向 N點(diǎn)移動。圖中直線表示負(fù)載電阻 0R ；虛曲線表示等功率線； ocI 表示光伏電池的短路電流； ocU 表示光伏電池的斷路電壓； mP 表示光伏電池的最大功率點(diǎn)。與此類推，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采取調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電阻值，來使負(fù)載獲得最大功率。 由光伏電池的簡化電路可知：當(dāng) 0R = iR 時(shí)， 0R 和 iR 兩端的電 壓均是電壓 U的一半，此時(shí) 0P 取得最大值。因此，針對光伏電池等效簡化的線性電路，當(dāng)負(fù)載電阻和電源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載便可以獲得最大功率。最大功率點(diǎn)跟蹤的算法是光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵問題，在當(dāng)前提出的眾多的控制方法里，主要包括 擾動觀察法、恒壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制法等?？紤]到光伏電池的特殊性，如何準(zhǔn)確地設(shè)置它的工作電壓、電流來找到最大功率點(diǎn)是非常重要的。在環(huán)境溫度以及太陽光輻射強(qiáng)度不變的情況下，光伏電池的工作電壓是變化的，然而只有輸出電壓是一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，光伏電池才可以輸出最大功率， 這時(shí)太陽能光伏電池的工作點(diǎn)即是最大功率點(diǎn) (Maximum Power Point)。根據(jù)太陽電池的工作原理，處于不同光照強(qiáng)度，溫度等環(huán)境條件下，光伏電池的輸出便隨著改變，輸出功率包括最大功率點(diǎn)也隨著相應(yīng)改變。預(yù)計(jì)，后十年（即到 2020 年），中國光伏發(fā)電市場主流將會轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 2021 年國內(nèi)光伏電池制造能力跨過了 3 108W 大關(guān)。第二次跳躍是在 2021 年以后，主要是受到世界大環(huán)境的影響、涉外項(xiàng)目 /市政項(xiàng)目的啟動和市場的帶動；如： 2021 年由我國法改委承擔(dān)實(shí)施的“光明工程”的輸電到鄉(xiāng)和隨后的送電到農(nóng)村工程都采用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。 我國太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景 我國從 1958 年才開始研究太陽能電池， 1972 年第一次成功地在地面應(yīng)用了光伏電池， 1979 年開始制造以單晶硅為材料的太陽能電池。 據(jù)預(yù)測，到 2020 年光伏發(fā)電在全球電力產(chǎn)業(yè)中的所占比例將達(dá)到 ， 2050 年約占 1/4。光伏電池的研制首先在歐洲、美洲和亞洲以大規(guī)模的形式展開。 鑒于太陽能光伏發(fā)電有很多優(yōu)勢，其研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)和市場開拓已經(jīng)成為目前全球各國，尤其是世界發(fā)達(dá)國家競爭的主要熱點(diǎn)。各國始終 在采取改進(jìn)工藝、不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、開拓新市場等方式來減少制造成本。 90年代末期，光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加迅速，并成為世界增長速度最快的新型該科技產(chǎn)業(yè)之一。 光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 太陽能向其他形式的能轉(zhuǎn)換的方式多種多 樣： 太 陽 能 轉(zhuǎn) 換 方 式光 電 轉(zhuǎn) 換光 熱 轉(zhuǎn) 換光 化 學(xué) 轉(zhuǎn) 換 國外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景 目前，全球各國尤其是發(fā)達(dá)國家把光伏發(fā)電技術(shù)放在尤為重要的地位，著重制定了規(guī)劃，擴(kuò)大投入、全力貫徹發(fā)展。據(jù)此預(yù)見，太陽能發(fā)電在全球的未來發(fā)展中勢必會占據(jù)主導(dǎo)地位。 通過和常規(guī)發(fā)電技術(shù)比較，太陽能發(fā)電具有①可無限使用；②不會造成危害、穩(wěn)定性好，沒有噪聲，沒有向環(huán)境排放污染，無公害；③可以安裝在各個(gè)角落，而且可以安裝在不影響人類生活的地方優(yōu)勢；④不用使用燃料以及譜架線路便可以立刻發(fā)電供電；⑤能源質(zhì)量高；⑥消費(fèi)者從情感上易采納；⑦很短的建設(shè)時(shí)間，能源利用獲取時(shí)間 短等優(yōu)勢。從能源提供的多方面因素著眼，太陽能毫無疑義的成為理想的綠色新能源。若不采取措施，溫室效應(yīng)也將加劇，全球逐漸變暖，南極和北極的冰山必將被融化，后果就是可能造成海平面上漲， 1/4的人類社會環(huán)境便會由此承受巨大危險(xiǎn)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、不斷增加的人口數(shù)以及人們生活質(zhì)量的不斷改善，將來全球能源消耗數(shù)目將繼續(xù)增長，地球上可用的化石能源必將會被消耗殆盡。這些一次能源都是經(jīng)過很長時(shí)間，太陽能通過各種轉(zhuǎn)換，被地球上各個(gè)角落的生物儲存起來。 關(guān)鍵字： 能源 太陽能光伏發(fā)電 LED 照明 單片機(jī) AT89S51 目 錄 第一章 緒論 ............................................................... 1 光伏發(fā)電的背景及意義 ............................................... 1 光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 ......................................... 1 國外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景 ................................. 2 我國太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景 ............................... 2 第二章 MPPT 控制部分與 DC/DC 變換 .......................................... 4 最大功率點(diǎn)跟蹤原理