【正文】 ............................ 56 鉛酸蓄電池的電池反應(yīng) ..................................................................................... 57 鉛酸蓄電池的充放電特性 ................................................................................. 58 蓄電池容量的設(shè)計及其充電特性 ..................................................................... 60 蓄電池容量的設(shè)計 ..................................................................................... 60 蓄電池的充電特性 ..................................................................................... 61 第七章 結(jié)論 ............................................................................................................................ 62 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 63 致 謝 .................................................................................................................................. 64 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 第一章 緒論太陽能光伏發(fā)電概述 開發(fā)新能源的迫切需要 人們很難想象，如果沒有電人類的生活會變成什么樣子。全世界對能源的消耗在 1970 年約為 83 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在 1995 年，這種消耗達(dá)到了 140 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即25 年間增長了 %，并預(yù)計，到 2020 年全世界對能源的消耗會達(dá)到 195 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。可見，礦物燃料并不是取之不盡的。 我國擁有居世界第一位的水能資源，居世界第二位的煤炭探明儲量，居世界第 11 位的石油探明可采儲量。 因此，采用新能源和 可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展之路的重大措施。而太陽能資源豐富、分布廣泛、可以再生、不污染環(huán)境，是國際社會公認(rèn)的理想替代能源，所以開發(fā)利用太陽能受到越來越普遍的重視，成為目前各國都在研究的重大課題。光伏發(fā)電安全可靠，不會遭受能源危機(jī)或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊。 ，運(yùn)行成本很小。 ，沒有污染、 噪 聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是 理想的清潔能源。一個 4KW 的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通 美國家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳 數(shù)量，相當(dāng)于一輛家庭轎車每年的排放量。 但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價格還比較高，不過其維 修費(fèi)用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價格會下降，優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)出來。隨著全球性的自然資源過度開發(fā)與消耗，環(huán)境的污染和破壞， 1992 年聯(lián)合國召開了環(huán)境與發(fā)展 “ 世界首腦會議 ”， 通過了 《 里約宣言 》 和 《 21 世紀(jì)議程》，走可持續(xù)發(fā)展道路成為各國長期共同的發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新能源 和可再生能源己成為非常緊迫的任務(wù)，特別是光伏發(fā)電更受到各國政府的重視，美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)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，總光伏安裝量己達(dá)到 3000MW 以上，美國連續(xù) 3 年光伏產(chǎn)業(yè)均以高于 30%的年增內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 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 的公司己開始銷售適合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 20xx0 美元，完全能滿足 澳大利亞一般家庭的用電需求。 由于環(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。目前全球 20 億無電人口將從中得益 [3]。我國西部幅員遼闊、地廣人稀、負(fù)荷密度小，不利于常規(guī)電網(wǎng)的延伸。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，有利于提離當(dāng)?shù)貎?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 的農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化、自動化水平。計劃到 20xx 年利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)解決 2300 萬邊遠(yuǎn)地區(qū)人口的用電問題，使他們達(dá) 到人均擁有發(fā)電容量 100 瓦的水平，相當(dāng)于屆時全國人均擁有發(fā)電容量 1/3 的水 平。旨在解決西部地區(qū)無電鄉(xiāng)的基本生活用電問題。北京申辦 20xx 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。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡單介紹 光伏發(fā)電系統(tǒng)是直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為高品位能 源 — 電能的裝置 ， 根據(jù)光 伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系，可以分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立系統(tǒng)常用在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，它利用蓄電池和太陽能電池構(gòu)成獨(dú)立的供電系統(tǒng)來向負(fù)載提供電能，當(dāng)太陽能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時，由蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充，而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時，將電能儲存在蓄電池中； 并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能 電池控制系統(tǒng)和民用電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng) 太陽能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時，由電網(wǎng)來進(jìn)行補(bǔ)充； 而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時，將電能輸送到電網(wǎng)中。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光 伏電池板部分可以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 采用聚光器，常用的聚光器有拋物槽、菲涅耳透鏡、 CPC 聚 光器、熒光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它們都可以不同程度的提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率。儲能裝置一般采 用蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池。控制器為整個系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測，并根據(jù)預(yù)設(shè)和判斷做出控制指令，使系統(tǒng)能夠自動穩(wěn)定運(yùn)行，并工作于最佳狀態(tài)。 圖 獨(dú)立光伏發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)主要部分如圖 11 中 A 點(diǎn)左側(cè)所示，主要包括聚 光器，對太陽的跟蹤，最大功率點(diǎn)的跟蹤，以及對蓄電池沖放電的控制。針對這一問題本文主要做了如下工作： ，設(shè)計采用聚光器，提高了光伏電池轉(zhuǎn)換效率。 ，最大效率的利用太陽光的輻射，設(shè)計了兩套自動跟蹤平臺，使光伏電池始終跟蹤太陽光的方向。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 第二章 光伏電池的研究與分析 光伏電池的原理 光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池；化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化稼光伏電池等。 光伏電池的光伏效應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)波長的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電 動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運(yùn)動，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使 P 區(qū)電勢升高， N 區(qū)電勢降低， PN 結(jié)兩端形成生電動勢，這就是 PN 結(jié)的光伏效應(yīng)。在 PN 結(jié)開路情況下， PN 結(jié)兩端建立起光生電勢 Voc，這就是開路電壓。顯然，光伏電池之所以能在光照下形成短路電流 Isc，開路電壓 Voc，都是由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場的緣故。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不單獨(dú)作為電源使用。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的：既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部分，也不排出氣體，是清潔的、無噪聲的發(fā)電機(jī)。這個電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時， 可以將光伏電池看作恒流電源。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 22 理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓 V 和流過負(fù)荷的電流 I 之間的關(guān)系式， 可由下式給出。 但是在實際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻 RS來表示；同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這種 作用可用一個并聯(lián)電阻 RSh 來等效表示。 圖 23 實際光伏電池等效電路圖 ? ?e x p 1S SLoShq V R I V R II I I n KT R????? ???? ? ? ????????? （ 22） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 此式叫做光伏電池的超越方程式。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系，所以本文不對其進(jìn)行討論。 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線 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，兩者之積即為電池的輸出功率 P，即 P=VI。 圖 24 光伏電池的 IV和 PV特性曲線 可以看出，此 IV 曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個最大功率輸出問題，在第四章中將對 此問題進(jìn)行研究。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 光伏電池的主要參數(shù) 光伏電池的幾個重要技術(shù)參數(shù) [7]： Isc：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。 （ IM）：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。 （ PM）：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率 ?， MMPPSPP???? （ 24） 以上各個參數(shù)可以在圖 25 中表示如下： 圖 25 光伏電池的伏安特性曲線 圖 25 中，在 IV 曲線上總可以找到一工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)（ MPP），即圖中 M 點(diǎn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 太陽的光照強(qiáng)度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響 圖 25 中的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下得到的，在實際運(yùn)用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會隨著兩者的變化而變化。 圖 26 不同日照強(qiáng)度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 從實驗中得到，電池的開路電壓近似的與光強(qiáng)的對數(shù)成正比。在實驗中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時，所測量的開路電壓相差不大；而天空光線極差時，開路電壓會直線下降，幾乎為 0。對于一個給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn) 換效率決定了所需的電池板的數(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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 溫度對光伏電池輸出特性的影響 溫度上升將使光伏 電池開路電壓 Voc 下降，短路 電流則略微增大，如圖 27 是日照強(qiáng)度不變時，不同溫度下的光伏電池的特性曲線。所以在應(yīng)用時，如果使用聚光器，則聚光 器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。對于給定的總能量，聚集在較小的面積上意味著較小的熱量損失。 具體的聚光器工作原理和性能特點(diǎn)在下文中將予以詳細(xì)的分析。聚光比 C 的定義為：聚光器口徑面積 A? 和接收器吸收面積 A 吸 之比值。對于給定的入射光，聚光比越高，入射光就能會聚到越小的區(qū)域，熱能的損失越低，聚光器的 工作溫度相對越高。圖 31 表示聚光器聚光比 C 和聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度 Tmax 之間的關(guān)系。由于實際的陽光并非平行光，所以陽光經(jīng)拋物面鏡聚焦后，不可能會聚在一點(diǎn)，而是形成一個焦斑區(qū)域?，F(xiàn)以槽形拋物面反射鏡和圓管接收器為例來分析拋物面反射鏡的聚光性能。 圖 32槽形拋物面反射鏡的光路圖 聚光器的聚光比根據(jù)定義為： A B l BC A d l d? ???? ? ??吸 （ 32） 式中 l— 槽形拋物面反射鏡的長度； B— 槽形拋物面反射鏡的開口寬度； d— 圓管接收器的直徑。如圖 33，與聚光比關(guān)系推導(dǎo)如下： 2 sind R a? （ 33） 式中 a 為太陽張角的半角，具體的角度為 16176。 θ 是變量， 35 式不等號右邊的函 數(shù)是關(guān)于 θ 的函數(shù)，不管 θ 取何值，接收器直徑必須滿足 35 式。所以，通過求出 35 式右邊函數(shù)的最大值，得到： 22 sin