毕业论文：小型家庭太阳能供电系统.doc

1、安徽机电职业技术学院 毕 业 论 文 小型家庭太阳能供电系统 系 别 电气工程系 专 业 电气自动化 班 级 姓 名 学 号 2012 2013 学年第 一 学期 摘 要 随着全球经济的发展，人类环境保护意识的增强以及传统能源的日益枯竭，人们迫切的需要寻找一种新型的清洁的能源以代替由煤炭 、 石油 、 天然气组成的传统能源。太阳能就是一种可再生的新型能源 。 太阳能发电，不会产生任何废料，也不会排放任何气体，对环境没有任何影响，是一种完完全全清洁的能源 。 如果太阳能能够取代传统能源，那么对人类的可持续发展是有很深远的意义的。 太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除

2、造价高外，还没有较为合 适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。 整个太阳能家用照明系统 ： 白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成 220V,50Hz 交流电供 电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电

3、池在晚上或者阴雨天没有办法发电，系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供电不足。 整个装置由控制器进行 自动切换控制。 关键词： 可再生 太阳能 光伏发电 I 目 录 引 言 . 1 第一章 太阳能 及其应用 . 2 1.1太阳能的含义 . 2 1.2我国太阳能资源 . 2 1.3太阳能的应用 . 2 1.4太阳能的利弊 . 3 1.4.1 太阳能应用的优点 . 3 1.4.2 太阳能应用的缺点 . 3 第二章 太阳能发电原理 . 4 2.1 太阳能电池板的发电原理 . 4 2.2 太阳能蓄电池的原理 . 6 2.3 逆变器 的工作原理 . 7 第三章 家用太阳能供电系统的设计 .

4、 9 3.1太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素 . 9 3.2 家用太阳能供电系统组成 . 9 3.3 家用太阳能供电系统组成原件介绍 . 9 3.3.1 光伏电池组（太阳能电池板 ） . 9 3.3.2 太阳能蓄电池 . 10 3.3.3 太阳能控制器 . 11 3.3.4 太阳能逆变器 . 12 3.4需求分析 . 13 3.5 系统设计 . 13 第 四章 软件的设计 . 16 4.1 主程序模块 . 16 4.2子程序模块 . 17 II 4.2.1 I/O 设置模块 . 17 4.2.2 A/D 采样模块 . 17 4.2.3异常情况处理模块 . 18 结 论 . 20 参考文

5、献 . 21 1 引 言 随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求 也迅速增长。全世界对能源的消耗在 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995 年，这种消耗达到了 140 吨标准煤，即 25 年间增长了 69.7%，并预计，到 2020 年全世界对能源的消耗会达到 195 亿吨标准煤 1。 因此，采用既清洁，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我过是世界上的能源消耗大国，更应该为可持续发展和环境保护工作尽一份力，太阳能就是我们想要的新型能源，它不仅可以解决能源枯竭的问题，也不会产生温室气体，对环境零污染。 我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前

6、景广阔。目前 ，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统 2。 太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。故本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。 2 第一章 太阳能及其应用 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全 性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济 性 等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并

7、且得到广泛的应用。 1.1 太阳能的含义 一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。 1.2 我国太阳能资源 中国地处 北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有比较丰富的太阳能资源。 太阳能丰富区 :在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在 150 千卡 /平方公分以上。 太阳能较丰

8、富区 :北疆及内蒙东部等地，年总辐射约 130 150 千卡 /平方公分。 太阳能可利用区 :分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为 110 130 千卡 /平方公分。 1.3 太阳能的应用 就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能发电、太阳能热水系统等方式 1.3.1太阳能离网发电系统 太阳能离网发电系统包括： 1、 太阳能控制器 对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送 直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。 2、 太阳能蓄电池 组的任务是贮能，以便在

9、夜间或阴雨天保证负载用电。 3 3、 太阳能逆变器 负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。 1.3.2太阳能并网发电系统 太阳能 并网发电系统是将光伏阵列产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。 1.3.3太阳能热水系统 早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用， 另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：自然循环式和自然循环

10、式。 1.4 太阳能的利弊 1.4.1 太阳能应用的优点 (1)普遍性：太阳光普照大地，没有地域的限制无论 陆地 或 海洋 ，无论 高山 或岛屿 ，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。 (2)无害性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 (3)巨大性：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 (4)长久性：根据目前太阳产 生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的 。 1.4.2 太阳能应用的

11、缺点 (1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是 能流密度 很低。 (2)不稳定性：由于受到 昼夜 、 季节 、 地理纬度 和 海拔 高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。 (3)效率低和成本高：目前 太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。 4 第二章 太阳能发电原理 光伏发电 系统 是利用

12、半导体 界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是 太阳能电池 。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电 系统装置。 2.1 太阳能电池板的发电原理 太阳光照在半导体 P-N结上，形成新的空穴 -电子对，在 P-N结电场的作用下，空穴由 N区流向 P区，电子由 P区流向 N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式 。 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转

13、换成 过热 蒸 汽 ，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程 。 光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光 电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点 .太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太

14、阳能电池不会引起环境污染 。 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。当光线照射太阳电池表面时，一部 分光子被硅材料吸收 ;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程 3 。 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下： 5 图 2-1 硅原子图 如图 2-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子

15、。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼，磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。如图 2-2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼原子，因为 硼原子周围只有 3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成 P型半导体。 图 2-2 P型半导体 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成 N型半导体。 P 型半导体中含有较多的空穴，而 N 型半导体中 含有较多的电子，这样，当 P型和 N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。 图 2-3

16、P型半导体与 N 型半导体结合 6 如图 2-3所示，当 P型和 N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的 P 型一侧带负电， N 型一侧带正电。这是 由于P型半导体多空穴， N型半导体多自由电子，出现了浓度差。 N区的电子汇扩散到 P区， P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一个有 N 指向 P 的 “ 内电场 ” ，从而阻止扩散进行 4。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成 P-N 结。当晶片受光后， P-N 结中， N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P型区中的电子往 N型区移动，从而形成从 N型区到 P型区的电流

17、。然后在 P-N结中形成电势差，这就形成了电源。 由于半导体不是电的良导体，电子在通过 P-N结后 ， 如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上 层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 P-N结，以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，实际工业生产基本都是用化学气相沉积一层氮化硅膜，厚度在 1000 埃左右。将反射损失减小到 5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

18、 2.2 太阳能蓄电池的原理 蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放 电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用 Ah(安 时 )表示， 1Ah就是能在 1A的电流下放电 1小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率 C表示，C 为蓄电池的额定容量。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为 1.751.8V，镍氢电池的充电终止电压 为 1.5V。 负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。 充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达 1.5V 左右，但很快就下降到 1.31-1.36V。镍镉蓄电池的端电压随 着 充放电过程而变化，可用 以 下式表示： U充 =E充 +I充 R内 (2-1) U放 =E放 I放 R内 (2-2) 从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电压