【正文】 源，一種未來(lái)常規(guī)能源的替代品，尤其受到人們的重視。太陽(yáng)能的直接應(yīng)用主要有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換 和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式，光電轉(zhuǎn)換（即光伏技術(shù)）是最有發(fā)展前途的一種。 系統(tǒng)的工作原理及其電路設(shè)計(jì) 光伏系統(tǒng)的總體框圖如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)的總體框圖 由圖 1 可知，整個(gè)系統(tǒng)包含充電和逆變兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。太陽(yáng)電池是本系統(tǒng)賴(lài)以工作的基礎(chǔ)，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。 充電控制部分 第 26 頁(yè) 共 221 頁(yè) （ 1）太陽(yáng)電池的工作特性 太陽(yáng)電池作為光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其工作特性，包括工作電壓和電流與日照、太陽(yáng)電池溫度等有著密切的關(guān)系，圖 圖 3分別給出了太陽(yáng)電池溫度在 25℃ 時(shí)，工作電壓、電流和日照的 關(guān)系曲線(xiàn)及太陽(yáng)電池的輸出功率和日照（ S）、 U 之間的曲線(xiàn)。 從圖 2 可以看出，曲線(xiàn)上任一點(diǎn)處的功率為 P=UI，其值除和 U、 I有關(guān)外，還與日照（ S）、太陽(yáng)電池溫度等有關(guān)。由圖 3 進(jìn)一步可知，由于太陽(yáng)電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽(yáng)電池面積上的功率之比，為了提高本系統(tǒng)的工作效率，必須盡可能地使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處，這樣就可以以功率盡可能小的太陽(yáng)電池獲得最多的功率輸出。在圖 2和圖 3 中， A、 B、 C、 D、 E 點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)不同日照 時(shí)的最大功率點(diǎn)。 圖 2 工作電壓、電流和日照關(guān)系曲線(xiàn) 圖 3 輸出功率和日 照關(guān)系曲線(xiàn) （ 2）太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT） 由圖 1 可知，系統(tǒng)首先采用太陽(yáng)電池陣列對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，以化學(xué)能的形式將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中。在這個(gè)過(guò)程中，通常采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽(yáng)電池在最大功率點(diǎn)處工作。整個(gè)控制過(guò)程可以分解成兩個(gè)階段進(jìn)行： 第 27 頁(yè) 共 221 頁(yè) 1）確定出太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電壓值 Uref； 2）改變太陽(yáng)電池對(duì)蓄電池的充電電流使太陽(yáng)電池的輸出電壓穩(wěn)定在 Uref。 這兩個(gè)階段是由控制電路通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)電池的輸出電壓和電流，采用逐次比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 逆變器設(shè)計(jì) （ 1）逆變電路設(shè)計(jì) 正弦波逆變環(huán)節(jié)采用單相全橋電路，用 IGBT 作逆變電路的功率器件。 IGBT是電壓控制型器件，它集功率 MOSFET 和雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開(kāi)關(guān)損耗低、安全工作區(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。逆變器將蓄電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為 50Hz 的 SPWM波，再經(jīng)過(guò)濾波電感和工頻變壓器將其轉(zhuǎn)換為 220V 的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，采用這種方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。 逆變器的工作方式采用 SPWM 控制方式，預(yù)先將 0～ 360176。 的正弦值制成表格預(yù)存在 EPROM 中。開(kāi)關(guān)模式信號(hào)是利用正弦波參考信號(hào)與一個(gè)三角載波信號(hào)互相比較來(lái)生成的，主要有單極性和雙極性?xún)煞N類(lèi)型，在開(kāi)關(guān)頻率相同的情況下，由于雙極性 SPWM 控制產(chǎn)生的正弦波，其中的諧波含量和開(kāi)關(guān)損耗均大于單極性，故本系統(tǒng)采用的是單極性 SPWM 控制。 （ 2）控制核心 圖 4是系統(tǒng)的控制框圖，控制芯片 80C196MC 是 INTEL 公司繼 MCS96 之后，于 1992 年推出的真正 16 位單片機(jī)，其數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，指令的執(zhí)行速度更快，尤其是其內(nèi)部集成了最具 特色的三相波形發(fā)生器 (WG)單元，大大簡(jiǎn)化了用于 SPWM波形發(fā)生的軟件和外部硬件，從而使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。為了使輸出信號(hào)和它的互補(bǔ)信號(hào)不致同時(shí)有效，在芯片的內(nèi)部設(shè)有死區(qū)發(fā)生器電路，從而避免了同一橋臂上的 IGBT 上下直通，保護(hù)了 IGBT。 第 28 頁(yè) 共 221 頁(yè) 圖 4 控制框圖 （ 3）系統(tǒng)穩(wěn)壓控制 為了提供滿(mǎn)足精度要求的電壓，必須采取相應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)壓控制方法，其控制框圖見(jiàn)圖 5。 圖 5 系統(tǒng)穩(wěn)壓控制框圖 穩(wěn)壓控制是通過(guò)在 80C196MC 的片內(nèi)外設(shè)裝置 —— 波形發(fā)生器 (WG)產(chǎn)生中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中反饋電壓的測(cè)取 是在中斷時(shí)完成的。其控制方式采用反饋控制和前饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。再者，本系統(tǒng)在常規(guī)數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，提出了分段變系數(shù) PI 調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的偏差較大時(shí)，積分系數(shù) (KI)和比例系數(shù) (KP)較大；當(dāng)系統(tǒng)的偏差較小時(shí)，積分系數(shù)和比例系數(shù)也較小。所以，這種控制方式既可保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，又能滿(mǎn)足一定的靜態(tài)穩(wěn)壓精度。 完整的主電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖 6所示。 圖 6 主電路拓樸結(jié)構(gòu) 第 29 頁(yè) 共 221 頁(yè) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、 WG 模塊、 PI 調(diào)節(jié)模塊和MPPT 模塊等。 其中主程序模塊完成系統(tǒng)的初始化，各單元賦初值，判斷有無(wú)運(yùn)行信號(hào)及對(duì)各種故障的判斷。同時(shí)，為避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)方式，使輸出電壓呈斜坡上升至給定值。 WG 中斷模塊主要是從正弦表中取出相應(yīng)的正弦值，然后送入 WG－ COMPX寄存器，從而得到不同脈寬的 SPWM 波。 PI 調(diào)節(jié)模塊主要是使系統(tǒng)輸出電壓在突加負(fù)載時(shí)迅速穩(wěn)定為 220V。 MPPT 模塊主要是完成太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。 試驗(yàn)結(jié)果 基于上述控制思想，已成功研制出一系列大功率樣機(jī)。 對(duì)于 10kW 的樣機(jī)，其效率 η≥85 ％，頻率精度 ≤ ％，輸出電壓精度 ≤ ％ ,其空載和帶負(fù)載時(shí)的電壓波形分別如圖 7 和圖 8所示。 圖 7 空載時(shí)的電壓波形 第 30 頁(yè) 共 221 頁(yè) 圖 8 帶負(fù)載時(shí)的電壓波形 結(jié)語(yǔ) 實(shí)驗(yàn)證明此種設(shè)計(jì)方法是可行的。 幾個(gè)建筑光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 藍(lán)色構(gòu)件都是多晶硅光伏電池組件 。 圖片 1 為一個(gè)停車(chē)場(chǎng)方案 。 圖片 2 為另一個(gè)停車(chē)場(chǎng)方案 。 圖片 3 為第二個(gè)停車(chē)場(chǎng)的屋頂休憩平臺(tái) ,小噴泉是用的光伏噴泉 ,2 米的揚(yáng)程 ,間歇式噴泉 ,太陽(yáng)越大噴的頻率越快 。 圖片 4 為一個(gè)多層住宅的方案 ,一根根管子的是真空管 熱水系統(tǒng) ,屋面熱水器提供洗浴熱水 ,墻面部分提供部分采暖熱水 。 圖片 5 為一個(gè)小高層住宅方案 ,西南面的真空管提供衛(wèi)生間的洗浴熱水 ,南面的真空管提供部分采暖熱水 。 圖片 6 為小高層的屋頂休憩平臺(tái) 。 圖片 7 為小高層南立面的遮陽(yáng)擋板 ,也是用光伏做的 。 第 31 頁(yè) 共 221 頁(yè) 第 32 頁(yè) 共 221 頁(yè) 第 33 頁(yè) 共 221 頁(yè) 第 34 頁(yè) 共 221 頁(yè) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù) 摘要：本文通過(guò)介紹光伏建筑一體化，以引起業(yè)界人士對(duì)太陽(yáng)能利用的廣泛關(guān)注。文中分別對(duì)光伏屋頂和光伏幕墻鋪設(shè)太陽(yáng)電池板發(fā)電形式和特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期不斷擴(kuò)大太陽(yáng)能的應(yīng)用范疇。 巨大能源的太陽(yáng)東升西落，成為匆匆過(guò)客未被人們充分利用。若在世界陸地的 ％面積（恰為中國(guó)城鎮(zhèn)占地之和）上安裝太陽(yáng)電池，將能供應(yīng)全球所需能源，所以找宇宙要效益索取太陽(yáng)能是當(dāng)務(wù)之急。 我國(guó)太陽(yáng)能資源的數(shù)量、分布的普遍性、供應(yīng)的清潔性、技術(shù)的可靠性都優(yōu)越于風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等可再生能源。目前大量能源消耗難以面對(duì)，專(zhuān)家估計(jì)，再過(guò) 50 年， 全世界可再生能源比例將＞ 50％的總一次能源，其中太陽(yáng)能可占到13％～ 15％十分可觀。所以加大光伏發(fā)電力度刻不容緩。 1 光伏發(fā)電利用范疇 第 35 頁(yè) 共 221 頁(yè) 充分利用太陽(yáng)光 目前國(guó)內(nèi)外許多建筑光學(xué)工作者指出，首先應(yīng)掌握太陽(yáng)能日照量三要素：季節(jié)，夏季日照量最高，冬季最低。天氣，正午日照量最高，晴、陰雨天則相應(yīng)降低。方位，以正南向效率為 100％，則東西向?yàn)?82％，北向?yàn)?50％的輸出量。但在實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)電池方陣輸出降低的原因很多，如日照量的多少，太陽(yáng)電池鏡面污垢產(chǎn)生的程度，溫度上升及轉(zhuǎn)換器損失等。加上太陽(yáng)能控制器損失的 5％，總發(fā)電容量為設(shè)置容量的 85％～ 95％；其次是發(fā)電量估算：太陽(yáng)電池容量 =太陽(yáng)電池最大輸出 設(shè)置數(shù)量。如以最大輸出功率 50W 太陽(yáng)電池為例，設(shè)置 20 片時(shí)，則其輸出容量 =50W20=1kWp ，表 1 示某市 7 月底的光伏發(fā)電量。 表 1 夏季南向日發(fā)電量 時(shí)間 /h 0～6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19～20 0～ 24 發(fā)電量 /kWh 0 1 2 1 0 太陽(yáng)能應(yīng)用多樣 化 從收集到的有關(guān)資料來(lái)看，歷年的成果涵蓋許多方面。近年來(lái)涉及的領(lǐng)域又有了發(fā)展。分別為太陽(yáng)能光伏建筑一體化、光伏電站、光伏照明和光伏設(shè)施等方面的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。 2 太陽(yáng)能光伏建筑一體化 基本概念 第 36 頁(yè) 共 221 頁(yè) 定義 光伏幕墻（屋頂）是將傳統(tǒng)幕墻（屋頂）與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合的一種新型建筑。換句話(huà)說(shuō)，主要是利用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新型、綠色的能源技術(shù)。光伏與建筑相結(jié)合的進(jìn)一步目標(biāo)，是將光伏器件與建筑材料集成化。通常建筑物墻面多采用馬賽克、涂料等材質(zhì)，為了美觀，還以?xún)r(jià)格較高的玻璃幕墻達(dá)到保護(hù)和裝飾的雙重目的 。若能將屋頂、向陽(yáng)的外墻、窗戶(hù)都由光伏器件取代，則既能作為建材使用又能發(fā)電，可謂一舉兩得。當(dāng)然，對(duì)太陽(yáng)電池組件來(lái)講，還需具有絕熱保溫、電氣絕緣、防水防潮、強(qiáng)度、剛度和不易破裂等性能。 光伏幕墻（屋頂） 設(shè)計(jì)除了需要考慮太陽(yáng)電池、光組件、導(dǎo)線(xiàn)、逆變器和整流器等因素以外，還必須保證對(duì)建筑幕墻（屋頂）安全等功能的落實(shí)。其性能指標(biāo)參數(shù)在滿(mǎn)足有關(guān)的國(guó)家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，并使其具備上佳使用效果，還要注重其安裝朝向。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)電池板應(yīng)裝在樓群中接受光照時(shí)間長(zhǎng)的那些部位，如女兒墻、墻楣（屋頂）等 ；通常選擇幕墻面朝南、東南和西南之間，在一定條件下亦可東向和西向。太陽(yáng)電池板還可作為固定的遮陽(yáng)板（頂棚）之類(lèi)的材料。既可得光能，又易散熱，可謂最佳組合。特別值得注意的是，要把光伏和傳統(tǒng)建筑有機(jī)地結(jié)合在一起，合理選擇其結(jié)構(gòu)形式和布局，使其最終達(dá)到既利用了太陽(yáng)能，又能滿(mǎn)足性能要求及人們的感觀滿(mǎn)意程度。 光伏建筑特點(diǎn)（表 2）是一種集發(fā)電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能為一身的新型功能性建筑，它不但突破了傳統(tǒng)建筑以消極的辦法減少能量損失，而是積極利用光伏技術(shù)，把以往被當(dāng)作有害因素被屏蔽掉的太陽(yáng)光，轉(zhuǎn)化 為被人們利用的電能，而且還是一種潔凈能源。還充分考慮了太陽(yáng)電池板的電能轉(zhuǎn)化工藝、結(jié)構(gòu)和安裝的電氣絕緣性，將幕墻和光伏技術(shù)有機(jī)地結(jié)合。如將接線(xiàn)端子排裝在幕墻橫、豎縫的不可見(jiàn)內(nèi)腔，便于拆卸維護(hù)，電路布線(xiàn)的穩(wěn)固、快捷。即使遇到雨雪等惡劣天氣，也不致于出現(xiàn)漏電、短路等問(wèn)題，讓指標(biāo)達(dá)到國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 表 2 光伏建筑一體化特點(diǎn) 序號(hào) 優(yōu)勢(shì) 備注 1 太陽(yáng)電池組件是一種固態(tài)裝置，能將太陽(yáng)光直 勿需轉(zhuǎn)動(dòng)零件、燃料，不會(huì)第 37 頁(yè) 共 221 頁(yè) 接轉(zhuǎn)換成電能 產(chǎn)生污染 2 已經(jīng)證實(shí)太陽(yáng)電池組件的預(yù)期壽命長(zhǎng) 可達(dá) 30 年 3 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)已被成功 地應(yīng)用于成千上萬(wàn)棟建筑上 含小型、中型、大型等案例 4 太陽(yáng)電池組件呈模塊化，是一種分散式的電力生產(chǎn)裝置 不是大型集中式的發(fā)電廠 5 偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽(yáng)電池是一種符合改善成本的現(xiàn)實(shí)選擇 傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)輸配電線(xiàn)路價(jià)格昂貴 6 建筑屋頂（幕墻）可以為光伏系統(tǒng)提供大量面積，尤其在人口密集地 指不要占用額外昂貴的土地 7 安裝在建筑物上的太陽(yáng)電池方陣，省去各類(lèi)支撐構(gòu)件 無(wú)需多余的基礎(chǔ)設(shè)施 8 直接向電網(wǎng)輸送電力，省去一系列輸配電費(fèi)用 減少各級(jí)別傳輸線(xiàn)路的電壓損失 9 能夠在供電尖峰時(shí)刻提供足夠的電力 以適時(shí) 降低該緊急時(shí)段的電量需求 10 完全可能取代傳統(tǒng)的建筑材料 使光伏系統(tǒng)擔(dān)負(fù)起雙重角色 11 有效地減輕對(duì)環(huán)境的光污染 造福于人類(lèi) 12 以多種創(chuàng)新的方式，渲染獨(dú)具魅力的建筑外觀 使建筑物更加完美、潔凈 13 配備蓄電池后，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)確保自身用電 還能夠滿(mǎn)足用電設(shè)施的不間斷供電要求 注：利用太陽(yáng)能，不僅可以滿(mǎn)足建筑能源供應(yīng)的需求，實(shí)現(xiàn)建筑物的 0排放，而且可以使每棟建筑都成為小型分散的網(wǎng)絡(luò)電力生產(chǎn)者。 光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電控制方案的探討 第 38 頁(yè) 共 221 頁(yè) 目前光伏系統(tǒng)大多采用蓄電池作為貯能元件。而能夠與光伏電池配套使用的蓄電池種類(lèi)有很多，目前廣泛使用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池等。目前常使用的是鉛酸免維護(hù)蓄電池，因其維護(hù)方便，性能可靠，且對(duì)環(huán)境污染較小，特別是用于無(wú)人值守的光伏電站時(shí) 如圖１ ，有著其他蓄電池所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。 本文以光伏系統(tǒng)中的鉛酸免維護(hù)蓄電 池 １２Ｖ，１２ＡＨ 為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較不同的充電檢測(cè)方法。 １ 關(guān)于蓄電池的充放電 蓄電池充放電是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的，即電池主要組件的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生連續(xù)和深度的變化。所以與一般電子零部件相比，蓄電池對(duì)溫度變化更