1、12014 届本科毕业论文太阳能光伏发电电源变换系统的设计姓名： 李少博学号： 2010274024专业： 光 信 专 业导师： 董有尔老师二零一四年四月2太阳能光伏发电电源变换系统的设计学生：李少博 指导老师：董有尔摘要：本设计实验所设计的光伏发电系统，目的是将光伏电池产生的的不稳定直流电源通过 DC-DC 变换及 DC-AC 变换，成为稳定输出的直流和交流电，以至于可以外接蓄电池及负载形成完整的发电系统。此稳压电源为 DC-DC 变换、充电保护、DC-AC 变换三个模块构成。开关电源将电池板稳压后的直流电发送给蓄电池，再通过逆变器变换成交流电，实现太阳能发电的家庭或小规模应用。关键词： 蓄
2、电池；升压；降压；模数转换；逆变器；开关电源3目录第一章 绪论 .11.1 全球能源背景简介 .11.2 研究光伏发电电源变换系统的意义 .11.3 论文研究主要内容 .3第二章光伏电池发电的原理和特点 .32.1 光伏电池的发展 .32.2 光伏发电原理 .42.3 光伏发电特性 .6第三章 系统设计 . 103.1 系统总体设计 .103.2 DC-DC 变换电源模块设计 .103.3 充电保护模块的设计 .103.4 DC-AC 变换输出模块的设计 .16第四章 总结与展望 .17参考文献 .18ABSTRACT.19致谢 .204第一章 绪论1.1 全球能源背景简介在人类成长的前 50
3、00 年中，对能量的需求远远比不上最近的三百年需求那么紧张。18 世纪，最先从英国发起的工业的革命，极大地促进了世界的发展，从此步入了新的时代，对此，世界各国急切需求更多能源以促进社会文明的进步。然而，自然界一次性能源储量有限，遇到能源缺乏只是时间的问题，从世界来看，已经得知的石油只能够 20-40 年消耗的了，石油气也只能够 50-60 年消耗，就连现在占绝对比例的煤，最多也只够使用 200 年左右。另一方面，一次性能源的采集、转移和消耗过程中都会对大气和自然环境造成严重的破坏性后果。根据调查，目前，每年大量的化石能源消耗平均产生约一亿吨温室气体，已经严重破坏了大气层和严重的温室效应，近 2
4、000 年来，世界二氧化氮产生速度的日益加快，如果不尽早的控制，将使冰川融化，水平面上升，淹没大片陆地，四分之一的人类居住地将受到威胁。就连近代才发展起来的核能发电的原料放射性元素铀的储量也是极为有限的，而且核能发电最大的问题是安全的不确定性和环境的放射性污染的废料难以处理，也是很难解决全球能源的长久地稳定地供应问题。因此，人类在全力设法解决常规能源不足的问题，寻找可持续的替代性能源。太阳能就成了一种稳定、可持续性好、安全洁净无污染的理想的替代新能源。光伏电池经过不断的进步，技术日益成熟，转换效率已经提高不少，目前单晶硅电池的效率最高可以达到 20%，量产型的也能达到 14%，多晶硅效率也能达
5、到 12%了。于是在 2000 年开始，多晶硅光伏电池的成品也开始结束实验室生涯，进入市场，效率的提升，更加促进了太阳能使用的步伐。从中国本身来看，经过数年的发展，我国光伏产业发展迅速，光伏电池技术日益完善，和老牌国家相比，正迎头赶上，而且有超越的潜力。产业化方面，2000 年之后，中国的光伏产业不断进步，产业不断扩大，但是和发达国家相比仍有不小差距。2003 年中国太阳能电池制造大概是 20 兆瓦，然而中国太阳能电池成品封装本可以达到 50 兆瓦的，数倍于太阳能电池的制造能力。所以，中国虽然有可以制造 20 兆瓦太鞥能电池的能力，但是截至2002 年，只生产了全球百分之一，也就是 4 兆瓦的
6、太阳能电池板。在 2002-2003 我国进行了“光明工程”，在计划要安装的 20 兆瓦的太阳能总装机量中，国产太阳能电池仅占10%，国内厂商和一次大的商机擦肩而过。近日中国光伏电池产业销售地区还是以偏远地区为主，看上去有一定的发展，但是实际上前景不容乐观。太阳能发电市场在 2000 年前是:通讯业有 40%一 50%，乡村和偏僻地区占 40%左右，其它 10%左右。然而 07 年当年的 75%销量都是在乡村地区。现在国产硅片的理论能力是 4.5 兆瓦，在西藏没有电力的县试点全部建设了太阳能发电设备，其中大功率的到了 100 千瓦。可以看出，中国太阳能电池行业的发展迅速但是市场应用的发展没有跟
7、上时代。其实，中国的太阳能资源分布十分广泛，而且可利用的总量也是十分巨大的。根据资料显示，太阳能容量达到 500 万千焦/平方米每年，光照时间至少有 2200 小时的区域能有全中国面积的一半以上以上。太阳能资源中国亟需开发.51.2 太阳能光伏发电电源变换系统开发的意义光伏发电是应用光生伏特效应，以光伏电池作为工具将太阳能转变为电能的装置。光伏电池是应用光生伏特原理，采用相应半导体材料制成的发电设备。太阳能和其他能源相比较，是一种很洁净，可再生，利用简单高效的新能源。在当代，世界各国政府和能源部门都认为太阳能是未来新能源利用的方向所在。有关调查表现，到2010 年，全球光伏电池产量将会有 14
8、-15GW 的总量，这显示光伏产业的未来前景是很大的。总的来说，太阳能光伏发电终将有一日会完全取代传统的不可再生能源。在此发张方向来看看，大概到 21 世纪 30 年代，全世界总发电量的 5%-20%将会是太阳能发电的产出。以下的特点尤其重要的揭示了其的特征：储量巨大：太阳能是可再生的，使用量几乎无穷大。太阳发出的辐射的能量约是 3.75xkW，是利用不完的的。其中辐射到地球上的能量有 1.73x ，能到达地表的能量有 8.1xkW。在陆地上的能量大约为 1.7x W，这个数字几乎是全世界一年生产用电总和的四万多倍。太阳这个恒信是个年轻的恒星，还能稳定存在几十亿年，对于人类来讲，太阳能所能利用
9、的时间是无穷无尽的。不需要复杂的开采工艺，运输相对来说也十分简单，不消耗多少能源。干净无污染，不会释放有毒气体和温室气体，也没有辐射的废料产生。本身利用十分简单，不需要复杂的设备占用空间，也没有噪声产生。寿命长，工作稳定并且使用环境无限制。晶体硅光伏电池的工作年限可以达到 20-35年，蓄电池也可以工作 10 多年。由此可见，在能源紧缺的危机即将出现，全球变暖，环境污染严重的今天，光伏发电应用的重要性异同反常。同时显示出，光伏发电技术的研究意义的重要和应用前景的美好。在偏僻不通电的乡村和远海，该装置能够有效地实现为用户生活供电，国内主要生产和研究应用于偏远地区或短时间照明等用途的小型独立式光伏
10、发电系统。图一太阳能电池板1.3 论文研究主要内容在能源结构与利用新型洁净能源发展的背景下，太阳能光伏发电电源变换系统将成为一项热门研究。中国的光伏发电技术起步较晚，在利用太阳能是不是很常见，太阳能光伏发电系统需要合理的设计在不同的地区，条件下能够良好的运作。本文依照山西大学近代物理实验室的现有的太阳能电池板为条件，设计一套简单实用的光伏发电电源变换系统，配合蓄电池组件，各模块能够组成完整的发电和存贮应用系统，可以达到直接接负载及用6电器利用太阳能的目的。文章主要结构如下：第一部分为绪论部分，介绍了太阳能光伏发电在未来能源趋势中的重要地位和光伏发电系统在中国急需推广和扩大生产的现状。第二部分主
11、要介绍了太阳能光伏电池的发电原理和光伏电池本身的特性。第三部分主要介绍了光伏发电电源转换系统的设计思路。和各个模块的电路设计。第四部分是总结和展望，为本文的太阳能光伏发电系统的设计操作的分析，总结了设计缺陷。第二章 光伏电池发电的原理和特点2.1 光伏电池的发展历程在 1839 年，法国一个名叫安托万亨利贝克雷尔的人发觉，光照射在半导体材料表面上，致使不同区域间产生了电位差。这就是光伏效应的由来。1954 年，洽彬与匹而宋这两个美国科学家在美国著名的贝尔实验室首次研究成功了单晶硅光伏电池，从此太阳能和电能之间的转变成为了可能。到今天，经过了 170 多年的进步，总体来讲，基础研究和技术的成长都
12、起到了积极推动作用。光伏电池应用革命在三贝尔实验室科学家成功地开发了单晶硅光伏电池，发挥着决定性的作用，在光伏电池发展上有着里程碑一样的作用。然而到今天，光伏电池的根本结构和运作原理没有发生多大的变化。后期的研究主要是围绕薄膜光伏电池来研究的，例如，非晶硅光伏电池，光伏电池 CIS ， CdTe 的光伏电池和纳米晶体的染料敏化光电池等，除此之外主要是大规模制造技术的日益成熟，如丝网印刷技术、多晶硅光伏电池生产技术的应用，尤其强调的减反射膜研发和自动化制造技术的广泛应用，大大提高了工作效率和节约的发电成本。1990 年后，太阳能发电产业成长十分迅速，仅仅经过了 16 年的发展，就已经实现了大规模
13、的应用，建造了数十座兆瓦级太阳能发电站。美国最先规划了太阳能利用的方案。日本 1992 也开始了新阳光计划，经过十年就让日本跻身世界光伏电池制造前沿。德国紧随其后制定了了光伏发电并网电价，规范了行业标准。法国，意大利，瑞士，芬兰，西班牙等国，相继开发太阳能能源发展规划，在投资于技术开发，加快光伏产业生产过程的同时。晶体硅电池仍占光伏电池的主要部分，它虽然是第一代产品，不仅转换效率高,而且技术成熟,发电性能稳定. 原料资源丰富，因此目前应用较广泛.2.2 光伏发电原理我们这里说的光伏发电主要是利用光生伏特效应原理，应用半导体原件通过光照产生电势，形成电流加以利用的。7光伏效应是光照在太阳能电池表
14、面，光被吸收在光生伏打电池的界面层，所述光子具有足够的能量以激发共价键中的 P 和 N 型硅原子，电子，得以形成电子空穴对。PN 结附近的不稳定状态恢复前，其电场是不均衡分布的。电子向带正电荷的 N 区和空穴向带负电荷的 P 区方向运动。由分离的电荷层，将产生一个可测量的电压之间的和区。这时在硅片的两边附上电极并接入电路。由光照导致的电子空穴对越多，电流越大。多个太阳能界面层的接受，能够加大光生伏打电池的界面面积，电流形成的光伏电池也更大。半导体参杂示意图如图所示，各种半导体在受到阳光的照射，产生的电子空穴对，会分别朝向 P 和 N 区移动，外接成回路就可以形成电流，这就是光伏发电的原理。2.
15、3 光伏发电特性已知的可用于制造光伏电池半导体材料很多，所以光伏电池也有很多种。截止目前，在光伏电池制造领域，生产能力技术最好，工业产品化最好的是硅太阳能电池。光谱特性8实际应用中不是所有波长的光都能够同样效率的转化为电能，实际情况是，由于光的波长不同，电池将光能转换为电能的能力也不一样。一般来说，红光波长段的辐射和蓝光段辐射变换为电能的效率是不一样的。像这样的因光谱不同影响转换效率的特征光伏电池的光谱特性。光谱特性一般用转化效率来表示，转化效率，即用单光子照到到光伏电池会生成多少电子空穴对。一般来说 1 个光子引起电子空穴是小于 1 的。温度特性一般是指太阳能电池本身或者所处位置温度的改变导
16、致的工作效率的改变。光照特性光照辐射对电池的影响中，一般控制两个物理变量：光通量和光照强度。光通是单位时间吸收的辐射的能量。光照强度是平均每平方米有多少光通量。一般光照强度越大太阳能电池能产生的电流越大，当光照强度为 1001000w时，产生的电流和光强的关系是基本上是线性关系；光照强度影响光电压的作用十分有限，温度基本不变的情况时，光强度在 4001000w区间时，光伏电池产生的电压基本上保持恒定的。因此，由功率计算可以得出，光强和光伏电池的功率关系是线性的。第三章 系统设计3.1 系统总体设计本太阳能光伏电力转换系统，主要功能是不稳定的电源光伏电池，实现了稳定控制，通过控制器，现将其变换为
17、稳定的直流电，以便将其输入蓄电池存储，要使用时可以通过逆变器变换为 220V 市电输出，达到利用电能的目的。其总体设计概念图如下：总体设计框图可以看出，本设计核心模块分为 DC-DC 变换模块、充电保护模块、逆变器模块和光伏电池。以下将详细研究设计各模块的细节，以及电路的设计方案。2.2 DC-DC 变换电源模块设计降压升压电路原理降压电路9图五 降压电路工作原理：将功率开关管作为开关元件，在 PWM 信号控制下，使输入电压交替接通和断开储能电感。当 MOS 管打开时，二极管 D 的状态是反向截止，输入电流经功率开关管 M与电感 L 形成回路，输入电压和输出相比其差值加在电感 L 上，使电流
18、IL线性增加，这时侯电源不仅提供给负载，也同时有部分能量以其它的形式贮存在电感 L 和电容 C 里。当功率管截止时，由于电感特性，I L不能瞬间突变，所以会产生反向电场来维持流过电感时保持不变。此时二极管 D 打开，存储在 L 中的能量经 D 构成闭合回路输出，以至于维持了电压不变。升压电路图六 升压电路工作原理：和降压变换器原理一样，也是通过脉宽调制信号控制 MOS 管通断，来实现对输出电压的动态控制达到稳压的效果。当 M 断开时，二极管 D 此时截止，电感元件 IL上的电流线性持续增加，进行存储电能，当电容 C 放电时，流过负载电流经过负载，负载两端电压为 U0；开关管闭合时电感两端电压极
19、性翻转，通过电感的电流不变，电感中的储能与输入电源一起为负载供电，电容 C 同时进行充电，电感放电完成，伴随电容充电结束，当输出电压下降时，电容 C 将释放存储的能量，以至于维持了电压不变。10了解了开关稳压电源的原理，我经过查阅资料得知，搭建开关稳压电路，在工作稳定性能上不如继承稳压电路。后者有工作稳定，易于维护，使用简单的特点，尤其在成本上和原始电路相比，有绝对优势。我在这里选择 XL6009 型开关电源芯片，XL6009 为 400KHz 的固定频率 PWM 降压直流转换器，额定电流为 4A。基于 XL6009 设计的稳压电路：搭建此电路相对容易，配合使用的电子元件较少。XL6009 本身自带过流保护，过温度保护，输出短路保护，整个模块运行效率也能得到保证。电路中，经过 R1，R2 测量输出电压同时可以电压模式控制使能端 CV，EN 脚可以通过对高低电平控制整个电路的运行与否，当 EN 脚为高电平即大于 1.4V 时或者悬空时，芯片有输出； 0.8V 以下的低电压时，芯片不工作。输出电压是可以控制的，通过预设 R2 和R1 的比例即可。如：R2=16K R1=1.82K VOUT=1.25*（1+R2/R1）可以算出输出电压为 12.25V。
