能源管理实验室新能源应用的研究太阳能毕业设计.doc

1、 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 1 页 装 订 线 目录 目录 -1 第一章 、 绪论 -2 1.1 课题的意义 -2 1.2 国内外发展状况 -3 1.3 本次毕业设计所承担的任务 -3 1.4 预期效果 -4 第二章 、 总体设计 -4 2.1 太阳能工作原理 -4 2.2 设计思路 -5 2.2.1 太阳能电池的结构及工作原理 -5 2.2.2 太阳能电池的基本特性 -6 2.2.3 影响太阳能输出的主要因素 -9 2.2.4 太阳能电池组的选择 -9 2.3 控制器 -10 2.3.1 控制器的自检 -11 2.3.2 系统电压 -11 2.3.3 控制方式 -11 2.3.

2、4 技术参数 -12 2.4 蓄电池 -12 2.4.1 蓄电池的重要性 -12 2.4.2 蓄电池的选择 -12 2.5 负载 -13 第三章 、 系统的平面布置 -13 第四章 、 系统的安装与调试 -14 4.1 太阳能电池组件的安装 -14 4.2 控制器与蓄电池的安装 -14 4.3 系统的接线 -15 4.3.1 控制器与蓄电池的连接 -15 4.3.2 控制器与电池组件的连接 -16 4.3.3 控制器与负载的连接 -16 4.4 系统的调试 -17 4.5 使用说明 -18 4.5.1 故障极其排除 -18 4.5.2 安全事项 -18 4.5.3 日常维护 -19 第五章 、

3、 结束语 -19 第六章 、 参考文献 -20 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 2 页 装 订 线 第一章 、 绪论 1.1、 课题的意义 能源是人类社会生存和发展的必需品，高速发展的经济使得能源危机和环境污 染已经成为 21 世纪国际关键词。如何缓解经济发展与能源及环境之间的矛盾，新 能源给我们提供了一种新的选择，它将成为破解中国乃至世界难题的利剑，引领世 界跨入强劲增长的新能源经济时代。 中国是世界能源生产和消费大国，但以煤为主的能源生产和消费结构不尽合 理，煤炭比重太大，带来了巨大的环境压力。据了解， 2000 年，中国一次能源生 产量达到 10.8 亿吨标准煤。尽管我国太 阳能

4、、风能、地热等新能源也都有不同程 度的发展，但原煤仍高达 9.98 亿吨。煤炭污染成为中国环境污染的重要因素。因 此，如何使新能源代替旧能源已经成为中国环境及经济发展的首要任务。 中国正处于经济高速发展时期，但在发展的同时也面临着很多问题，新能源作 为一种 “ 绿色 ” 新技术，在减少环境污染，缓解环境压力的同时，也可以缓解我国 的能源危机，充分体现了 “ 科学发展 ” 、 “ 可持续发展 ” 、 “ 和谐发展 ” 的发展理 念，发展潜力巨大，新能源开发正迎来前所未有的历史发展机遇。 太阳能以其储量的 “无限性 ”、 存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露 出的经济性等优势，其开发利用是最

5、终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短 缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。 对于太阳能的利用在新能源应用中占有重要地位，本次课题研究的就是对太阳 能的应用，本次设计的意义在于开发实验室新能源的实验设备，充分加强了教学的 实践意义。 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 3 页 装 订 线 设计的实验室系统如果可以在实验室中充分的验证，完全可以用运于具体的新 能源开发工程中，支持能源改革的建设。 1.2、 国内外发展状况 当前，太阳能开发利 用技术及其推广应用突飞猛进， 1997年，全球太阳能电池 的销量增加了 40%，成为全球发展最快的能源。太阳能热水器已形成行

6、业，正以其优 良的性能价格比不断地冲击燃气、电热水器市场；太阳能热电站也已商业化， 是大型太阳能电站的希望所在；光电技术发展更快，表现在光电转换效率的不断提 高和光电池制造成本的不断下降以及各种新型太阳能电池的问世。各国对太阳能的 开发利用给予了极大关注，突出表现在各国政府推出的光伏计划，如德国的 “千顶 计划 ”，日本的 “朝日七年计划 ”以及美国的 “百万屋顶计划 ”等。以色列在其房屋太阳 能热水 器安装率达 80%的情况下，更是明文规定，凡新建房屋必须配置太阳能热水器。 我国太阳能开发利用有其成功之处，但 用运简单，技术低端 。 自 90年代以来，我国太阳能已经进入全面启动时期，而日渐显

7、现的常规能源危 机，更是进一步加速了太阳能 利用的 发展速度。 但我国的太阳能利用只是初级阶段， 主要为太阳能的热水器，简单照明等。 但是，总体来说国内在太阳能利用方面 还处于一个初级阶段，我国在太阳能方面的技术以及应用方面，与国外相比较还有 一定的差距，随着科技的发展，国内在太阳能利用方面的竞争力明显不足。要同国 外 大企业竞争，我们就不能局限与学习外国的技术，我们要在学习的基础上创新， 争取在短时间内，缩小差距，实现超越。 1.3、 本次毕业设计承担的主要任务 本次毕业设计主要是设计一个实验室系统，课题比较独立，采用天达光伏 TDLD 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 4 页 装 订

8、 线 系列产品，以实物与展板结合的形式，为模拟现实的 LED 景观照明演示实验板提供电能，以满足演示景观照明的智能控制功能。 本次设计采用理论与实践相结合的方法，三月初结合对设计任务书的了解，到小寨实验室进行了认识实习，指导老师对课题进行了初步的指导说明。然后按照设计安排首先查阅资 料进行初步的理论构思，与老师 、 同学探讨构思的可行性，再进行书面性的理论设计， 绘制系统图 、 平面图。定期到实验室和老师探讨，完成修改，完善初步的理论设计。四月中旬，联系相关安装调试的同学，到实验室进行实物的安装调试，结合指导老师的指导，进一步完善，等达到预期效果，编写正式的书面材料，充分准备完成最终的设计答辩

9、。 本次设计需要自己完成查阅书籍资料，网络查询学习相关知识，再通过实验室 完成实物的认识设计出具体的试验系统，画出系统图，平面图，接线图。以及安装调 试，编写系统操作说明书等一系列任务。 1.4、 预期效果 通过 关于太阳能利用的实验系统 的设计实现节约能源 、 为模拟现实的 LED 景观照明演示实验板提供稳定的电能，以满足演示景观照明的智能控制功能。 第二章 、 总体设计 2.1 太阳能系统的工作原理 系统工作原理简单，其原理结构图如图 1，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至 设定值 、太

10、阳能电池板开路电压 4.5V 左右，充放电控制器侦测到这一电压位后动作，蓄电池对负载 放电。蓄电池 按照设定的模式以及时间 来放电， 充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 5 页 装 订 线 蓄电池展板控制器太阳能电池图 1 太阳能系统原理结构图 2.2 设计思路 2.2.1 太阳能电池的结构及工作原理 太阳能电池通常由半导体硅材料制成。其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装

11、后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成 。 图 2 所示的硅电池，它的基体材料为 P 型单晶硅，厚度在 0.4mm 以下。上表面层为 N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个 P 一 N 结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率 ;另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜 ，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到 90%以上。 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 6 页 装 订 线 图 2 硅太阳电池结构 太阳电池的工作原理为 :当太阳光照射 P 一 N 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释

12、放电子，相应地便产生了电子 -空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向 N 型区，空穴被驱向 P 型区，从而使 N 区有过剩的电子， P 区有过剩的空穴 ;于是就在 P 一 N 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使 P 型区带正电、 N 型区带负电 ;于是就使得 N 区与 P 区之间的薄层产生了 电动势，即光生伏电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是太阳能电池发电的基本原理。 2.2.2 太阳能电池的基本特性 （ 1）太阳能电池数学模型 当光照恒定时，由于光生电流不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电池的

13、两端接入负载 R 后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压 V。负载端电压反作用于光伏电池的 P 一 N 结上，产生一股与光生电流方向相反的电流。此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻 Rs。串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。在实 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 7 页 装 订 线 际的太阳能电池中，一般串联电阻都比较小，大都在 0.001 3 欧之间。另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流

14、过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻Rsh 来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在 1K 欧以上。太阳能电池的等效电路如图 3 所示 图 3 太阳能电池等效电路 （ 2）太阳能电池的 I 一 V特性曲线 太阳电池的特性曲线可以表示为图 4 所示。它表明在 某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出电流和输出电压之间的关系，简称 I 一 V特性。从图 4 可以看出，该伏安特性曲线具有非线性，不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。 太阳电池的额定功率是在以下条件下定义的 :当日照 S=l0

15、00w/，太阳电池温度 T=25，大气质量 AM=1.5 时，太阳电池输出的最大功率便定义为它的额定功率，它对应于图中的 M点。太阳电池额定功率的单位是“峰瓦”。曲线上的 M点表示在相应日照强度下太阳电池输出 最大功率的位置，称“最大功率点 (MPP)”。 毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 8 页 装 订 线 图 4 太阳电池的 I一 V特性曲线 假定负载为纯电阻负载，和特性曲线相交于 M 点，则根据公式 R=V/I，可以画出负载线为一条直线，其斜率由负载的阻值决定。根据图中所示特性曲线，定义如下几个主要参数 : 短路电流 Isc(short circuit current):当 V=0

16、 时，对应的最大电流值 : 开路电压 Voc(open circuit voltage):当 I=0 时，对应的最大电压值 ; 工作点 (working point):负载线与伏安特性曲线的交点。 从图 4 可知 ，特性曲线上任意一点均为太阳电池的工作点。每一点都对应着负载电阻从太阳电池处获得的功率，即图中矩形 OIMV 所围成的面积。当调节负载电阻的阻值 R 时，总可以找到一点 M，对应的 I V 为最大，此时，称 M 点为最佳功率点，也称为最大功率点。为 MPP。这一点所对应的负载 R 为最佳负载电阻， P 功率为最大输出功率。定义填充因子 FF=PM Voc Isc(P=I V);FF

17、是衡量太阳电池好毕业设计（论文）报告纸 共 19页 第 9 页 装 订 线 坏的重要指标，越大越好。 2.2.3 影响太阳能输出的主要因素 日照强度和温度是影响电池输出的重要因素，如图 5、图 6 所示。 图 5 一定温度不同日照 图 6 一定日照不同温度 由以上两图可知，温度相同时，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加 ;在日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小，具有负温度系数。此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能电池总有一个最大功率点，温度 (或日照强度 )不同，最大功率点位置

18、也不同 。 2.2.4 太阳能电池组的选择 根据负载 的参数要求：电压 12V，功率大约 30W。 每天光照时间 10 小时， 保证连续阴雨天数 5 天能正常。 (l)根据查表得知西安地区平均日照时间为 3.94h (2)负载日耗电量为（ 30 12） 10=25(AH) (3)所需太阳能电池组件的总充电电流 =1.05 25 (3.94 0.85)=7.84A 毕业设计（论文）报告纸 共 19 页 第 10 页 装 订 线 在这里， 1.05 为太阳能电池组件系统综合损失系数， 0.85 为蓄电池充电效率。 (4)太阳能组件的最少总功率数 =17.5 7.84=137.2W 在这里， 17.

19、5 为太阳能电池组件的输出工作电压 （ 5）与天达光伏提供的产品对比，适当的放大， 选取 150W TD-M5 高效率单晶 1589 806 系列太阳能电池组件 .性能参数如下： 2.3 控制器 控制 器是太阳能系统的最重要组成部分， 控制器主要是用来保护蓄电池，避免源自太阳能电池板的能量对蓄电池过度的充电，以及负载的过度运行带来的过度放电。 本次设计采用的是美阳 MYSC-L210 控制器。 具有以下优点： 1. 清晰可读的充放电状态显示。 2. 可编程的照明控制功能。 3. 自动判断白天黑夜。 4. 基于蓄电池剩余容量状态和蓄电池电压的放电保护模式。 5. 最大 6 平方毫米的接线端子。 6. 全面采用电子保险，浪涌 .短路 .反接 .过载等各种 保护。