【正文】 足以支持太陽能電站的建設(shè) ， 緩解未來的能源危機 。 智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展 ， 將有效地促進分布式可再生能源發(fā)電的發(fā)展 ， 為太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)帶來美好前景 。 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9頁 本題目主要研究的是用小型太陽能發(fā)電 站 的設(shè)計 ，具體如下： （ 1）分析、總結(jié)了太陽能電池板的電壓、電流輸出特性和蓄電池的充電過程 ，研究確定了 使用 增量電導法 作為 最大功率點跟蹤的充電法 。 通過 電壓 /電流的雙環(huán)控制策略 對逆變電路進行閉環(huán)控制，包括閉環(huán)控制電路的硬件電路設(shè)計。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流 /交流逆變器等部分組成 。 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)又稱獨立發(fā)電系統(tǒng)，是指能夠把太陽能電池產(chǎn)生的電能直接提供給負載或儲能裝置的系統(tǒng)。 其 主要是由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負載組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 。 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11頁 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過 將太陽能轉(zhuǎn) 化為電能，不經(jīng)過蓄電池儲能，直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能送上電太陽能發(fā)電系統(tǒng) 網(wǎng) 。并網(wǎng)發(fā)電將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與公共電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實現(xiàn)與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)提供電能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。由于本文主要研究的是小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的充電方法，所以該系統(tǒng)主要考慮三個部分：太陽能電池，蓄電池和控制器。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的最基本組成單元，是系統(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換的起始端。 光伏電池工作原理的基礎(chǔ)是半導體 PN結(jié)的光電效應。當具有適當能量的光子入射于半導體時，光子激發(fā)半導體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會推動電子向 N型半導體擴散，空穴向 P型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分。如果將此 PN結(jié)兩端與外部負載相連構(gòu)成回路，就會形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。 從 PN結(jié)的構(gòu)造上來說，目前已經(jīng) 【 8研制成功的大致有以下幾類 】： （ 1） 同質(zhì)結(jié)電池： PN 結(jié)是由相同的半導體材料構(gòu)成。 （ 3） 薄膜電池：利用薄膜技術(shù)將很薄的半導體材料鋪在非半導體襯底上構(gòu)成。半導體材料是目前光伏電池生產(chǎn)的主要原材料，雖然從特性上來說所有的半導體材料都具有光伏效應，但是由于受到各種材料的物理性質(zhì)、提純技術(shù)及生產(chǎn)成本等條件限制，能夠進行商業(yè)化生產(chǎn)的并不多。 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13頁 光伏電池的輸出特性 目前市面上用得最多的是硅太陽能電池，所以本文主要分析硅太陽能電池的輸出特性，及光照、溫度對輸出特性的影響。 根據(jù)半導體理論，為方便研究太陽能電池的特性，人們得出太陽能電池的 理論分析模型 [1]。 圖中的 VOC、 ISC、 Vm、 Im分別是太陽能電池的開路電壓 、短路電流、最大功率點電流和最大功率點電壓。 0 5 10 15 20 2500 . 511 . 522 . 533 . 544 . 55I(A)U ( V ) 01020304050607080P(W)IPI s cImVmPmV o c圖 太陽能電池的輸出 IV和 PV曲線 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14頁 短路電流 ISC：在給定的溫度和日照強度下的最大輸出電流 。 最大功率點電流 Im：在給定的溫度和日照強度下相應于最大功率點的電流。通常采用 太陽能電池 的最大效率值作為其效率 η= Pm/Ps () 太陽能電池輸出特 性是非線性的，受外界多種因素影響，主要因素是光照強度和環(huán)境溫度。 0 5 10 15 20 25 30012345U ( V )I(A) 0 ℃25 ℃ 50 ℃ 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 15頁 圖 相同光照強度 (1000W/m2)不同溫度下的 IV和 PV特性曲線 圖 太陽能電池 在相同光照強度不同溫度下的 IV、 PV特性曲線 。 電池溫度升高時，太陽能電池的最大輸出功率隨之降低。 0 5 10 15 20 25 30020406080U ( V )P(W)50 ℃0 ℃25 ℃大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 16頁 圖 相同溫度 (25℃ )不同光照強度下的 IV和 PV特性曲線 圖 太陽能電池 在 相同溫度不同光照 強度下的 IV、 PV特性曲線，從曲線中可以看出 ， 當溫度一定時 隨光照強度的增加， 太陽能電池短路電流ISC和開 路電壓 VOC都增加了。 光照強度升高時，太陽能電池的最大輸出功率隨之升高。 由以上可知：在溫度和 光照 強度 確定的條件 下，太陽能電池 的輸出 具有唯一的最大功率點，當其工作在該點時，能輸出當前溫度和 光照強度 下的最大功率。 由于實際應用中不能保證太陽能電池總是工作在最大功率點上，所以在應用中要用到 帶有最大功率點跟蹤的控制 裝置，以保證太陽能電池的輸出功率保持在最大功率點的附近。在光伏系統(tǒng)的常年運行，季節(jié)、天氣狀況以及每天時間的變化都會對光伏電池的輸出功率產(chǎn)生很大影響，在夏季或晴天發(fā)電量充裕，而在冬季或陰雨天發(fā)電量不足。 在目前實際應用的光伏系統(tǒng)中，蓄電池所占系統(tǒng)總投資的比重正在隨著光伏電池組件價格的下降而曰趨增加；而且，與普通蓄電池相比，與光伏電池配套使用的蓄電池充放電非常頻繁，充放電電流隨外部條件的變化而不斷變化，使得蓄電池的實際使用壽命比在常規(guī)條件下大大縮短，蓄電池的故障在整個系統(tǒng)故障中所占的比重也非常大。 在設(shè)計選擇光伏系統(tǒng)蓄電池時需要考慮的指標因素很多，如容量、電壓、放電深度、循環(huán)壽命、充放電性能、自放電率、運行溫度及維護要求等等。堿性蓄電池 (如鎘鎳、鎳氫、鎳鈣等 )在充放性能、循環(huán)壽命、放電深度以及低溫特性等方面比鉻酸蓄電池要好，但由于其價格昂貴，除在高寒環(huán)境等特殊場合外，其目前的應用遠不如鉛酸蓄電池廣泛。在 太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 鉛酸蓄電池投人使用后， 必然會進行充電和 放電過程 。 當太陽能電池發(fā)電不足時蓄電池自身放電提供電能。目前對蓄電池充電的方法很多 [1315]，選擇科學合理的充電方法將會大大提高蓄電池的 供電能力和 維護效果。 鉛 蓄電池充電方式的選擇 1恒流充電法 恒流充電就是以一 確 定的電流進行充電，在充電過程中隨著鉛 酸蓄電池電壓的變化要進行 調(diào)整使電流 恒定不變。 這種充電方式的不足之處在于 ： 鉛酸蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低， 固其 充電電流較大 。在充電末期只有很小的電流通過。這種充電方法不足之處在于 ： ① 在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深， 即蓄電池電壓很低， 充電電流會很大，不僅危及充電 設(shè)備 的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷 ； ② 如果鉛酸蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會太大，而且這種系 統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多 。但其自身都有缺點，并且現(xiàn)在控制器上的芯片性能十分優(yōu)越，可采用充電性能更好的方法。 二階段 充電 法 是 采用 恒 流充電法 和恒 壓 充電法 相結(jié)合的快速充電方法 。 一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段 恒 壓的 電壓。 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 19頁 三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒 流充電，中間 階段 用恒 壓充電。 當電流衰減到預定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段 ， 再繼續(xù)以很小的電流向蓄電池充電 。在浮充時，蓄電池 的 充電電壓比恒壓階段的充電電壓 要 低， 這種方法可以將出氣量減到最少， 提高 蓄電池的電性能及 延長 使用壽命。 4快速充電 法 比較流行的幾種快速充電方法有 ： ①脈 沖式充電法：脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停止 充 電 一段時間，之后繼續(xù)脈沖電流充電，如此循環(huán)。 ②變電壓間歇充電法： 在每個恒 壓 間歇 充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流 的 可接受率隨著充電進行逐漸下降的特點 ，可提高充電效率。 在此基礎(chǔ)上加入 間歇停充階段，能夠在較短的時間內(nèi)充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。 充電方法的選擇 本章分析、總結(jié)了太陽能電池的輸出特性和蓄電池的充電方法。鉛酸蓄電 池充電方法選用三階段充電方法可以提高蓄電池性能，延長系統(tǒng)壽命。 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 21頁 第三章 最大功率點跟蹤原理和方法 目前，在太陽能發(fā)電應用中存在 兩大要解決的問題：太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率低和系統(tǒng)的造價過高。這兩個問題主要可以通過兩大方面進行解決，第一方面是研發(fā)新材料提高轉(zhuǎn)化效率并降低成本，第二方面就是在已有設(shè)備基礎(chǔ)上找到一種方法來提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。 太陽能 最大功率點跟蹤 為了提高系統(tǒng)的整體效率，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般 都要求太陽電池能夠始終工作在當前環(huán)境下的最大功率點處，但是由于其最大功率點隨著電池表面溫度和日照強度的變化而不斷改變，因此必須對太陽電池進行最大功率點跟(MaximumPower Point Tracking， MPPT)。目前提出的 MPPT 方法主要有擾動觀察法、電導增量法、三點比較法 、功率回授法、間歇掃描法、最優(yōu)梯度法、模糊邏輯法等，表 3． 1Yd出了這些方法各自的優(yōu)缺點。 電導增量法 控制精確，響應速度快，穩(wěn)態(tài)震蕩小，能適應快速變化的環(huán)境。 三點比較法 能準確快速跟蹤的最大功率點；當光強突變時并不限移動工作點，待日照量穩(wěn)定后再追蹤，減少了擾動損耗。 通過比較和改進確定控制器選取改進型擾動觀測法。 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 23頁 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 24頁 第四章 基于 SPWM 波的正弦波逆變器的 設(shè)計 逆變器的主要功能 和分類 逆變器（ PWM） 是電力電子技術(shù)的一個重要應用方面。 眾所周知，整流器的功能是將 50HZ 的交流電整流成為直流電。這種對應于整流的逆向過程，被稱之為 “逆變”。例如，日光燈、電視機、電冰箱、電風扇等均不能直接用直流電源供電，絕大多數(shù)動力機械也是如此。因此，除特殊用戶外，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中都需要配備逆變器。綜上所述，逆變器已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的重要配套設(shè)備。 正弦波逆變器 輸出的交流電壓波形為正弦波，正弦波逆變器的優(yōu)點是：輸出波形好，失真度低，對通信設(shè)備無 干擾，噪聲也很低。缺點是：線路相對復雜，對維修技術(shù)要求高，價格較貴 。沖量即指窄脈沖的面積。如把各輸出波形用傅式變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。脈沖越窄，其輸出的差異越小。 圖 5． 1 沖量相同的脈沖 大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 26頁 上述結(jié)論是 PWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。這就是‘ PWM 波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理， PWM波形和正弦半波是等效的。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的