【正文】 可再生能源為主的新時期。若要取代化石能源則需解決一系列科學(xué)技術(shù)問題和經(jīng)濟(jì)性問題，整個過程需要長時間的持續(xù)努力。 太陽能主要利用形式及光伏發(fā)電的優(yōu)勢 太陽能利用主 要有光熱利用、光伏利用和光化學(xué)利用這三種主要形式。 光伏利用近期在世界范圍內(nèi)高速發(fā)展，我國光伏研究及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展也令人鼓舞，特別是 2020 年在“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的推動下，呈現(xiàn)出了一片繁榮景象。 由于太陽電池的主要原料 —— 硅的儲量十分豐富，隨著太陽電池研究的 快速進(jìn)展和轉(zhuǎn)換效率的不斷提高以及與其相關(guān)的系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)電成本已經(jīng)呈現(xiàn)快速下降趨勢。 國內(nèi)外太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀 上個世紀(jì)的 70 年代，由于兩次石油危機(jī)的影響，光伏發(fā)電在發(fā)達(dá)國家受到高度重視，發(fā)展較快。美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展計劃， 1997 年又提出“百萬屋頂”計劃，能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財政補(bǔ)貼政策，總光伏安裝量已經(jīng)達(dá)到 3000MW 以上，美國光伏產(chǎn)業(yè)連續(xù) 3 年均以高于 3%的年增長率上升，其主要原因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵引起的；瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程， 1990 年德國提出 1000 屋頂發(fā)電計劃， 1998 年進(jìn)一步提出 10 萬屋頂計劃。澳大利亞一家名為 Integral Energy 的公司已開始銷售適用于家庭和辦公樓使用的、可與大電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能成套設(shè)備。更大的太陽能發(fā)電設(shè)備出力為，零售價為 20200 美元，完全能滿足澳大利亞一般家庭的用電需求。出于環(huán)保和能源 持續(xù)供應(yīng)的需要，太陽能光伏發(fā)電（即光伏電池）近年來始終保持 30～ 40%的年增長量，因而被譽(yù)為全世界增長最快的能源。 在我國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展、綜合國力的不斷提高和科技進(jìn)步，特別是“西部開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，利用西部地區(qū)豐富的太陽能、風(fēng)能資源解決西部遼闊地區(qū)幾千萬人口的用電問題這一 偉大構(gòu)想已經(jīng)逐步成為現(xiàn)實(shí)。通過在人口相對集中的地區(qū)建立設(shè)備容量 100kVA 以下的獨(dú)立光伏電站，解決鄉(xiāng)村一級基本生產(chǎn)、辦公、生活用電需要是提高用電普及率的有效途徑；同時獨(dú)立光伏電站還可為小型農(nóng)場、畜牧養(yǎng)殖中心提供電源，有利于提高當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)機(jī)械化、自動化水平。 2020 年 11 月，由國家計委組織實(shí)施的“西部省份無電鄉(xiāng)通電工程光伏發(fā)電站（含風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站）建設(shè)項(xiàng)目”正式啟動，該項(xiàng)目是“中國光明工程”計劃的重要組成部分，涉及青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、四川省、陜西省等七省區(qū) 780 個無電鄉(xiāng)，旨在解太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 5 決西部地區(qū)無電鄉(xiāng)的基本生活用電問題。在未來 20 年，我國 光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展，成本將不斷下降。北京申報 2020 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，要把 2020 年奧運(yùn)會辦成最成功的一屆奧運(yùn)會，光伏發(fā)電應(yīng)用必然要擔(dān)當(dāng)一個重要的角色，在奧運(yùn)村和運(yùn)動場館規(guī)劃中，太陽能利用及光伏發(fā)電站的建設(shè)均占主要的地位。太陽能電池發(fā)電的原理是光 生伏打效應(yīng)。在電池內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，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“光生伏達(dá)效應(yīng)”。這樣，太陽的就直接變成了可以付諸 實(shí)用的電能。 太陽能光伏發(fā)電的運(yùn)行方式 通過太陽能電池（又稱光伏電池）將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)（又稱太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）。預(yù)計 21 世紀(jì)中葉，太陽能光 伏發(fā)電將發(fā)展為重要的發(fā)電方式，在世界可持續(xù)能源結(jié)構(gòu)中占有一定的比例。未與公共電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱為獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊處所，如為公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島、高原、荒漠的農(nóng)牧漁民提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電，為通信中繼站、沿海與內(nèi)河航標(biāo)、輸油輸氣管道陰極保護(hù)、氣象臺站、公路道班以及邊防哨所等特殊處所提供電源。特別是其中的光伏電池與建筑相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng)屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，是眾多發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的熱點(diǎn)，發(fā)展迅速，市場廣闊，前景誘人 。但聯(lián)網(wǎng)太陽能 光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國卻尚處于試驗(yàn)示范的起步階段，遠(yuǎn)落后太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 7 于美、歐、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。 本課題目的與任務(wù) 太陽電池 是一種典型的非線性半導(dǎo)體有源器件，其輸出特性是一組以太陽光照度為參變數(shù)的具有下垂特性的曲線族。 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，必須配備貯能蓄電池，蓄電池起著儲存和調(diào)節(jié)電能的作用。 蓄電池，尤其是鉛蓄電池，需要在充電和放電過程中加以控制，頻繁地過充和過放電都會影響蓄電池的使用壽命。為了保護(hù)蓄電池不受過充電過放電的損害，則必須要有一套控制系統(tǒng)來防止蓄電池的過充電和過放電，這套系統(tǒng)稱為蓄電控制系統(tǒng)（充放電控制器）。 隨著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的不斷增加，設(shè)計者和用戶 對系統(tǒng)運(yùn)行方式合理性的要求越來越高，系統(tǒng)的安全性也更加突出和重要。使早期的蓄電池充電控制器發(fā)展成今天比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制器。 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 8 本章小結(jié) 本章主要對人類面臨的資源問題、光伏利用形式及優(yōu)勢、國內(nèi)外光伏利用的發(fā)展現(xiàn)狀，做了簡介。最后提出本課題研究的意義和目的。太陽能電池方陣分為若干個子陣列，每個陣列由一個電子開關(guān)控制。 ② 蓄電池組 蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負(fù)載使用。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，方陣除了供給負(fù)載用電外，要給蓄電池充電；冬天日照量小，這部分儲存的電能逐步 放出。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當(dāng)然還要考慮價格低廉，使用方便等因素。如過充保護(hù)失靈導(dǎo)致蓄電池端電壓過高時， 系統(tǒng)發(fā)出報警指令。 ③ 控制器 在不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能的多少和復(fù)雜程度差別很大，需要根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定。最簡單的系統(tǒng)也可以不用控制器，有些要求有過充放、穩(wěn)壓等功能，而一些復(fù)雜的系統(tǒng)，如并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站（并網(wǎng)發(fā)電不在本文的討論范圍內(nèi)），則要求有自動檢測、控制、轉(zhuǎn)換等多種功能。逆變器主電路由大功率晶體管構(gòu)成，采用正弦脈寬調(diào)制工作制，抗干擾能力強(qiáng)，還有很強(qiáng)的過載及限流保護(hù)功能。本章分別對太陽能電池的種類、太陽能電池的原理、光伏組件的類型、光伏組件的特性、太陽能電池的保護(hù)等有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。硅型電池包括單晶硅、多晶硅和非晶硅光伏電池。多晶硅材料晶體方向無規(guī)律性。非晶硅造價低廉，但光伏轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅光電池，目前主要用于弱光性電源，如手表、計算器等的電池。有機(jī)光伏電池主要由一些有機(jī)的光電高分子材料構(gòu)成的光伏電池。大部分半導(dǎo)體的特點(diǎn)在于其導(dǎo)電能力和電阻率對參入的微量雜質(zhì)的種類和濃度十分敏感，具有對溫度和光照等外部條件變化的熱敏、光敏等特性。所謂光伏效應(yīng)是指物體吸收光能后，其內(nèi)部能傳導(dǎo)電流的載流 子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生出電流和電動勢的太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 12 效應(yīng)。當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體的 PN 結(jié)上，就會在其兩端產(chǎn)生光 生電壓，若外部將 PN 結(jié)短路，就會產(chǎn)生光電流。而且在這種發(fā)電過程中，光伏電池本身既不發(fā)生任何化學(xué)變化，也沒有機(jī)械磨耗；在使用過程中，無噪音，無氣無味，對環(huán)境無污染。 太陽能 電池的基本特性 ① 輸出特性 光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過 IV 和 PV 特性曲線來加以體現(xiàn)。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。對應(yīng)不同的光照強(qiáng)度時，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對應(yīng)的縱和橫坐標(biāo)分別為工作電流和工作電壓，兩者之乘積即為電池的輸出功率 P，即 P=VI。對于參數(shù)見表 的光伏陣列，當(dāng)光強(qiáng)從 1000W/ 2m 變到 300W/ 2m 時的特性曲線如圖 所示。最大功率點(diǎn)跟蹤控制，將在第三章中研究。 光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)， 它與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)特性、材料特性、工作溫度和環(huán)境溫度變化等有關(guān)。對于一個給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn)換效率決定了所需電池板的數(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。 ③ 填充因子 又稱曲線因子，即光伏電池最大功率與開路電壓 OCV 和短路電流 SCI 乘積的比值，用符號 F 表示 M M MFO C SC O C SCP V IF V I V I????? （ 22） 填充因子是評價光伏電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。一般 F 1, 它的值越高，表明光伏電池輸出特性越近于矩形，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高。溫度上升將使光伏電池開路電壓OCV 下降，短路電流 SCI 略微增大，當(dāng)溫度從 0176。 C 時特性曲線如圖 所示。對于單晶硅光伏電池，溫度每升高 1176。 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 15 溫度變化時光伏陣列的特性曲線 由特性曲線可知，效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。由特性曲線可知，當(dāng)光強(qiáng)變化時，輸出功率和最大功率點(diǎn)都在變，所以最大功率點(diǎn)跟蹤是必要的。 光伏陣列的構(gòu)成 在構(gòu)成太陽電池陣列時，為避免組合損失，應(yīng)盡可能選用參數(shù)一致的太陽電池組件。由圖可以看出，隨著溫度的升高，太陽電池最大功率點(diǎn)電壓及開路電壓向左偏移減小，發(fā)電能力也隨之下降。按照系統(tǒng)所需功率及電壓的大小，可以用許多個 (例如幾個、幾十個 、幾百個甚至成千上萬個 )組件按串、并聯(lián)規(guī)則組合在一起，構(gòu)成光伏陣列（ PV array），以便把太陽能直太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 16 接轉(zhuǎn)換為電能后向負(fù)載供電。 光伏陣列的 特性 光伏陣列的伏 安特性受溫度的影響較大，一般說來，對于常用的晶體硅太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 17 太陽電池，其影響系數(shù)為： 開路電壓 OCV （ ～ %） OCV （ 25℃） /℃ 短路電流 SCI （ +～ +%） SCI （ 25℃） /℃ 光伏陣列在 不同溫度條件下的 IV和 PV 關(guān)系曲線如圖 。 圖 溫度對光伏陣列工作特性的影響 光伏陣列的工作特性除了受溫度影響外，在很大程度上還與日照強(qiáng)度有關(guān)。 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 19 圖 不同日照下光伏陣列的 IV 和 PV 特性曲線 儲能裝置 獨(dú)立光伏系統(tǒng)用的儲 能 裝置 在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，由于太陽能電池的輸出功率隨太陽光照強(qiáng)度在變化，當(dāng)夜間或陰雨天時，太陽能電池的輸入功率為 O 或很小，不能滿足負(fù)載的要求?？蛇x的儲能方法有電容器儲能，飛輪儲能，超導(dǎo)儲能，提升重物，分解水為氫氧等，但從方便、可靠、 價格等綜合的角度來看蓄電池是獨(dú)立光伏系統(tǒng)儲能裝置的最佳選擇。因?yàn)殂U酸蓄電池有如下的優(yōu)點(diǎn) : ① 除鏗離子二次電池外，在常用體系蓄電池中，鉛酸蓄電池的單格電壓最高，為 2 伏 ； ② 較廉價 ； 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 20 ③ 可制成小至 1 安時大至幾千安時的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池 ； ④ 高低溫性能良好，可在 40～ 60 攝氏度條件下工作 ； ⑤ 沒有記憶效應(yīng)。鉛酸蓄電池按用途可以分為起動用系列，固定防酸式，牽引用，鐵路客車用，內(nèi)燃機(jī)車用，摩托車用，航空用等。在光伏系統(tǒng)中一般選用固定防酸式及閥 控密封式，現(xiàn)在很多蓄電池廠家專門為光伏系統(tǒng)推出了太陽能應(yīng)用鉛酸蓄電池。 ② 放電率非常小 。 ④ 不能按一定的規(guī)律對蓄電池充電。 蓄電池工作原理 鉛酸蓄電池由正、負(fù)極板電解液和電解槽組成，正極板的活性物質(zhì)是二氧化鉛 ? ?2PbO ，負(fù) 極板的活性物質(zhì)是灰色海綿狀的金屬鉛 ? ?Pb ，電解液是濃度為27%～ 37%的硫酸水溶液，蓄電池的容量與極板面積有關(guān)。電解槽是極板組和電解液的容器。當(dāng)外接直流電源的電壓高于蓄電池電動勢時，電流從正極板流入蓄電池，經(jīng)過電解液后，從負(fù)極板流出。負(fù)極板上的 4PbSO 逐漸變成 Pb 。放電過程與充電過程正好相反。 ① 蓄電池的自放電 蓄電池的自放電是指蓄電池在獨(dú)立存貯期間容量逐漸減少的現(xiàn)象。 ② 使用壽命 是指蓄電池的有效壽命，即規(guī)定工作條件下，蓄電池正常工作時間。使用期限指包括蓄電池存放時間在內(nèi)的蓄電池可供使用的時間；使用周期是指蓄電池可以重復(fù)使用的次數(shù)。由于規(guī)定試驗(yàn)方法的不同，同一個蓄電池使用期限也各異。蓄電池組主要有三種運(yùn)行方式：循環(huán)充放電制、定期浮充制和連續(xù)浮充制。在光伏系統(tǒng)中，蓄電池總的充電策略是在蓄電池沒有充滿的情況下 ，就盡可能多的把太陽能電池產(chǎn)生的電流充進(jìn)去。若充電電流大于了蓄電池可接受的電流，會導(dǎo)致蓄電池升溫，電極副反應(yīng)的發(fā)生，損害電池。在要求嚴(yán)格的情形下，當(dāng)蓄電池快充滿時，充電電流大于可接受電流時，若是多路的太陽能電池，則可以一路一路的斷開太陽 能電池，減小充電電流 。不過這樣系統(tǒng)的控制就比較復(fù)雜了。在光伏系統(tǒng)中蓄電池的放電深度不是恒定的，它隨天氣狀況和季節(jié)而變。在天氣陰沉的冬日，蓄電池放電深度大。為了延長蓄電池的壽命，必須合理的控制蓄電池的放電 與充電。當(dāng)蓄電池充電