【正文】 ，然而光伏應用市場的發(fā)展卻非常緩慢，光伏累計安裝量大約只占世界的 1%，應用技術水平與國外相比還有相當大的差距。 為了提高太陽能的轉換效率，獲取更多的有效能源，滿足人類的能源供應，世界各國在研究太陽能光伏系統(tǒng)中都投入了大量的人力與物力。 本文從理論出發(fā)，闡述了太陽能光伏電源的原理及其組成結構；結合科研實際，應用硬件和軟件結合的方法，設 計了簡易的太陽能光伏電源模擬系統(tǒng)。 系統(tǒng)設計背景 所謂 光伏電源系統(tǒng) ，就是利用 太陽電池 半導體材料的 光生伏特效應 ，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路 進入 70 年代后，二次石油危機的影響，使 人們認識到：現(xiàn)有的能源結構必須徹底改變，應加速向未來能源結構過渡。 我國是一個發(fā)展中的大國，同時是一個資源消耗大國，而人均資源儲量又偏低。環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)直接威脅我國的可持續(xù)發(fā)展。這些客觀條件迫使我們更加努力的尋找和開發(fā)新能源，而太陽能光伏發(fā)電就是其中之一。 近年來，以太陽光為能源的太陽能光伏電源技術不斷發(fā)展，因其具有環(huán)保、節(jié)能雙重優(yōu)勢，而得到廣泛應用。 2022 級蘭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 3 2 太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成 太陽能光伏電源系統(tǒng)是利用以光生伏打效應原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。 圖 21 太陽能光伏電源系統(tǒng)示意圖 太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為 4㎝ 2到 100 ㎝ 2不等。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。 圖 22 太陽能電池單體、組件和方陣 2022 級蘭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 4 太陽能電池的工作原理 光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長決定，光被晶體硅吸收后，在 PN結中產(chǎn)生一對對正負電荷，由于在 PN結區(qū)域的正負電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個外電流場，電流從晶體硅片電 池的低端經(jīng)過負載流到電池的頂端。 將一個負載連接在太陽能電池的上下兩表面間時，將有電流流過該負載，于是太陽能電池就產(chǎn)生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。 太陽能電池的種類及其區(qū)別 目前世界上有 3 種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。多晶硅太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負電荷對并不能全部被 PN 結電場所分離，因為電荷對在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶體硅太陽能電池的效率一般比單晶體硅太陽能電池低，多晶體硅太陽能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶體硅太陽能電池的低。 一般產(chǎn)品化單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為 13%15%；多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為 11%13%；非晶硅太陽能電池的光電轉換效率為 5%8%。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導線連接。 通過導線連接的太陽能電 池被密封成物理單元被稱為太陽能電池組件，具有一定的防腐、防風、防雨等能力，廣泛應用于各個領域和系統(tǒng)。 太陽能電池組件的電氣特性主要是指電流 電壓輸出特性，也稱為 VI 特性曲線，如圖 23 所示。如果太陽能電池組件電路短路即 V=0，此時的電流稱為短路電流 Isc；如果電路開路即 I=0，此時的電路稱為開路電壓 Voc。 圖 23 太陽能電池的電流 電壓特性曲線 I：電流 Isc：短路電流 Im：最大工作電流 V：電壓 Voc：短路電壓 Vm：最大工作電壓 當太陽能電池組件的 電壓上升時，例如通過增加負載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時，組件的輸出功率亦從零開始增加；當電壓達到一定值時，功率可達到最大，這時當阻值繼續(xù)增加時，功率將越過最大點，并逐漸減少至零，即電壓達到開路電壓 Voc。 太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能 光譜的分布和太陽能電池的溫度。 充電放電控制器 充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡單測量功能的電子設備。 2022 級蘭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 6 充電放電控制器的功能 控制器的功能： （ 1）高 壓 （ HVD）斷開和 恢復 功能 ：控 制 器 應具有 輸 入高 壓 斷開和 恢 復 連 接 的功能。 （ 3）低 壓 （ LVD）斷開和 恢復 功能 ： 這種功能可 防 止 蓄 電池過 放 電。 當 電 壓 升 到安全 運 行 范圍時 ，負載 將自 動 重 新 接 入 或 要 求 手動 重 新 接 入。 （ 4） 保護 功能 ： ① 防 止任何 負載短 路的電路 保護 。 ③ 防 止 夜 間蓄 電池通過太陽電池 組件反 向 放 電 保護 。 ⑤ 在多 雷 區(qū) 防 止 由于 雷擊 引 起 的 擊穿 保護 。相 反 ，高于 該 溫度蓄 電池要 求 充電電 壓 較低。C/CELL 。 （ 1）并 聯(lián) 型 控 制 器：當蓄 電池充 滿 時 ，利用電 子 部 件 把 光伏 陣列 的 輸 出 分流到 內(nèi) 部并聯(lián) 電 阻 器或 功率 模塊 上 去， 然后 以 熱 的 形 式 消耗 掉 。這類 控 制 器 很可 靠 ， 沒 有如 繼 電 器之 類的 機械 部 件 。它一 般用于較高功率系統(tǒng)， 繼 電 器 的 容 量決 定充電 控 制 器 的功率等 級 。 （ 3） 脈 寬 調(diào) 制型 控 制 器： 它以 PWM脈沖 方式開 關 光伏 陣列 的 輸 入。 按 照 美 國 桑 地 亞 國家 實 驗室 的研究，這種充電過程 形 成較 完 整的充電 狀態(tài) ，它能增加光伏系統(tǒng)中 蓄 電池的 總 循 環(huán) 壽命 。 對 中、大型光伏電源系統(tǒng)，還可通過 單片 機 的 RS232接 口 配 合 MODEM調(diào) 制 解 調(diào) 器進 行遠 距 離 控 制。 同 時采 用 PWM調(diào) 制方式， 使 充電電流成為 脈沖 電流，以 減 少蓄 電池的 極 化，提高充電 效 率。 D1為 防“ 反 充電 二 極 管 ” ， 只 有 當 太陽電池方 陣輸 出 電 壓 大于 蓄 電池電 壓 時 ， D1才能 導 通， 反之 D1截止 ，從 而 保證夜 晚 或 陰 雨天 氣 時 不 會出 現(xiàn) 蓄 電池向太陽電池方 陣 反 向充電， 起 到 “ 放反 向 充電 保護” 作用。 同 時 ， 當蓄 電池電 壓 小于 “ 過放 電 壓” 時 ， T2也 關 斷， 進 行 “ 過 放 電 保護” 。 檢測控 制電路隨時對蓄 電池電 壓 進 行 檢測 ， 當 電 壓 大于 “ 充 滿 切 離電 壓” 時使 T1導 通 進 行 “ 過充電 保護” ； 當 電 壓 小于 “ 過 放 電 壓” 時使 T2關 斷 進 行 “ 過 放 電 保護” 。當蓄 電池電 壓 大于 “ 充 滿 切 離電 壓” 時 ， T1關 斷， 使 太陽電池不再 對蓄 電池 進 行充電，起 到 “ 過充電 保護” 作用。 蓄電池組 蓄 電池 組是 光伏電站的 貯 能裝 置 ，由它 將 太陽能電池方 陣 從太陽 輻 射 能 轉換 來的 直流電 轉換 為化學能 貯 存 起 來，以供應用。 光伏電站中 與 太陽能電池方 陣 配 用的 蓄 電池 組 通常 是 在 半 浮 充電 狀態(tài) 下 長 期 工作，它的電能 量 比 用電 負荷 所 需 要的電能 量 要大， 因此 ，多數(shù) 時間是處 于 淺 放 電 狀態(tài) 。 固 定式 鉛酸蓄 電池 性 能 優(yōu) 良 、 質 量 穩(wěn) 定、 容 量 較大、 價格 較低 ,是 我國光伏電站目 前 選 用的主要 貯 能裝 置。極 板 組是 由 單片 極 板 組 合 而 成， 單片 極 板又 由基 極 (又 叫 極 柵 )和 活 性物 質 構 成。 極 板 按 其 構造 和 活 性物 質 形 成方 法 分為 涂膏 式和化成式。缺 點 是 在充 放 電 時活 性物 質容 易 脫落 ， 因而 壽命 較 短 。 隔 板位 于兩 極 板 之間 ，防 止 正 負 極 板 接 觸 而造 成 短 路。 電 解 液 是 用 蒸餾 水 稀 釋 純濃硫 酸而 成。 容 器 通常為 玻璃 容 器 、 襯 鉛 木槽 、 硬 橡膠槽或 塑 料 槽 等。它 是 用兩個分離的電 極 浸 在電 解 質 中 而 成。由 氧 化 態(tài) 物 質 構 成的電 極 為 正極 。 放 電 之后 ， 若 有 反 方向電流流入電池 時 ， 就 可以 使 兩 極 活 性物 質回 復 到 原來的化學 狀態(tài) 。 如果 電池 反 應的可 逆變 性差 ， 那 么 放 電 之后 就 不能再用充電方 法使 其 恢復初 始 狀態(tài) ，這種電池 稱 為 原 電池。以 酸性 溶液 (常用 硫 酸 溶液 )作為電 解 質 的 蓄 電池， 稱 為 酸性蓄 電池。 鉛酸蓄 電池 單 體的 標稱 電 壓 為 2V。 2022 級蘭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 10 鉛酸蓄 電池在充電 終 止 后 ， 端 電 壓 很 快 下降至 伏 左右 。 若 再 繼 續(xù) 放 電，電 壓 急劇 下降 ,將影響 電池的 壽命 。 鉛酸蓄 電池的安 時效 率為 85%－ 90%，瓦 時效 率為 70%，它 們 隨 放電率和 溫度而 改 變。 而逆 變 器與 整 流 器 恰好 相 反 ，它的功能 是將直 流電 轉換 為交流電。 逆變器的分類 根據(jù) 逆 變 器 輸 出 交流電 壓 的相數(shù)，可分為 單 相 逆 變 器 和 三 相 逆 變 器 ；根據(jù) 輸 出波形的不 同， 可分為方 波逆 變 器 和 正弦波逆 變 器 ；根據(jù) 逆 變 器使 用的 半導 體 器件 類型不 同 ，可分為 晶 體 管 逆 變 器 、 MOSFET 模塊 及可 關 斷 晶 閘 管 逆 變 器 等；根據(jù)功率 轉換 電路的不同， 又 可分為 推 挽 電路、 橋 式電路和高 頻 升 壓 電路 逆 變 器 等 。 此 類 逆 變 器 所 使 用的 逆 變 線 路也不完 全相 同 ， 但 共同 的 特點 是 線 路 比 較 簡單 ， 使 用的功率開 關 管 數(shù) 量少 。 方 波逆 變 器 的 優(yōu)點 是：價格 便宜 ， 維 修 簡單 。 此外 ，這類 逆 變 器 中有的 調(diào)壓 范圍 不 夠寬，有的 保 護 功能不 夠 完善 ， 噪聲 也 比 較大。 正弦波逆 變 器 的 優(yōu)點 是： 輸 出波形好 ， 失 真 度 低， 對 通信設備無 干擾 ， 噪聲 也很低。 缺 點 是： 線 路相 對 復 雜 ， 對 維 修 技術要 求 高， 價格 較 貴 。光伏發(fā)電系統(tǒng) 對逆 變 器 的技術要 求如 下 ： （ 1）要 求 具有較高的 逆 變 效 率。 （ 2）要 求 具有較高的可 靠 性 。 （ 3）要 求直 流 輸 入電 壓 有較寬的 適 應 范圍 。 （ 4）在中、大 容 量 的光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 逆 變 器 的 輸 出 應為 失 真 度 較小的 正弦波 。 另 外 ， 當 中、大 容 量 的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng) 運 行 時 ，為 避免 對 公 共 電網(wǎng)的電力 污染 ，也要 求逆 變 器 輸 出 失 真 度 滿 足要 求 的 正弦波 形 。對 輸 出 額 定電 壓值 的 穩(wěn) 定 精 度 有 如 下規(guī)定 ： ① 在 穩(wěn) 態(tài)運 行 時 ，電 壓 波 動 范圍 應有一個 限 定， 例 如 ，其偏 差 不 超 過 額 定 值 的 177。 5％