1、南昌航空大学自考本科毕业论文南昌航空大学自 学 考 试 毕 业 论 文题 目 光伏系统逆变电源设计专 业 光伏材料应用技术 学生姓名 准考证号 指导教师 2012 年 4 月南昌航空大学自考本科毕业论文I目 录摘要 .III第一章 绪论 .1第二章 太阳能光伏电源系统的原理及组成 .22.1 太阳能电池方阵 .22.2 充电放电控制器 .52.3 蓄电池组 .82.4 直流-交流逆变器 .9第三章 太阳能光伏电源系统的设计原理及其影响因素 .163.1 太阳能光伏电源系统的设计原理 .163.2 太阳能光伏电源系统的影响因素 .19第四章 总结 .21参考文献 .22致 谢 .23南昌航空大学
2、自考本科毕业论文摘要光 伏 发 电 是 利 用 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 蓄 电 池 组 ， 充 放 电 控 制 器 ， 逆 变器 等 部 件 就 形 成 了 光 伏 发 电 装 置 。本 文 首 先 介 绍 了 太 阳 能 光伏电源系统的原理及其组成，初步了解了光生伏打效应原理及其模块组成，然后进一步研究各功能
3、模块的工作原理及其在系统中的作用，最后根据理论研究成果，利用硬件和软件相结合的方法设计出太阳能光伏电源系统，以及研究系统的影响因素。关键词：光生伏特效应；太 阳 能 电 池 组 件 ； 蓄 电 池 组 ； 充 放 电 控 制 器 ； 逆变 器南昌航空大学自考本科毕业论文0第一章 绪论人类社会进入 21 世纪，正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。廉价的石油时代已经结束，逐步改变能源消费结，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已逐渐成为人们的共识。太阳能光伏发电具有独特的优点，近年来正在飞速发展。太阳能电池的产量年增长率在 40%以上，已成为发展最迅速的高新技术产业之一，其应用规模和
4、领域也在不断扩大，从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用，发展到城市并网系统和大型光伏电站。 尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道，但是随着社会的发展和技术的进步，其份额将会逐步增加，可以预期，到 21 世纪末，太阳能发电将成为世界能源供应的主体，一个光辉的太阳能时代将到来。我国的光伏产业发展极不平衡，2007 年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世界第一，然而光伏应用市场的发展却非常缓慢，光伏累计安装量大约只占世界的 1%，应用技术水平与国外相比还有相当大的差距。光伏产品与一般机电产品不同，必须很据负载的要求和当地的气象、地理条件来决定系统的配置，由于目前光伏发电成本较
5、高，所以应进行优化设计，以达到可靠性和经济性的最佳结合，最大限度的发挥光伏电源的作用。为了提高太阳能的转换效率，获取更多的有效能源，满足人类的能源供应，世界各国在研究太阳能光伏系统中都投入了大量的人力与物力。我国对太阳能光伏电源系统的研究还处于世界低等水平，产品的性能还有待提高，为迎接未来能源短缺带来的严峻挑战，我们应该加大对太阳能光伏系统的研究，以满足人类未来对能源的需求。本文从理论出发，阐述了太阳能光伏电源的原理及其组成结构；结合科研实际，应用硬件和软件结合的方法，设计了简易的太阳能光伏电源模拟系统。根据这个简易系统研究分析了太阳能光伏电源的影响因素，合理优化了系统的配置，以提高系统的性能
6、，最终提高了太阳能的转换效率。南昌航空大学自考本科毕业论文1第二章 太阳能光伏电源系统的原理及组成太阳能光伏电源系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、充电放电控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图 2-1 所示。图 2-1 太阳能光伏电源系统示意图2.1 太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为 4 2到 100 2不等。太阳能电池单体的工作电压约为 0.5V，工作电流约为 2025mA/ 2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几
7、瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率（见图 2-2） 。南昌航空大学自考本科毕业论文2图 2-2 太阳能电池单体、组件和方阵2.1.1 太阳能电池的工作原理光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在 PN 结中产生一对对正负电荷，由于在 PN 结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的低端经过负载流到电池的顶端。这就是“光生伏打效应” 。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池
8、就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。2.1.2 太阳能电池的种类及其区别目前世界上有 3 种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被 PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可
9、能由于晶体的不规则而损失，所以多晶体硅太阳能电池的效率一般比单晶体硅太阳能电池低，多晶体硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶体硅太阳能电池的低。非晶体硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。南昌航空大学自考本科毕业论文3一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 13%-15%；多晶硅太阳能电池的光电转换效率为 11%-13%；非晶硅太阳能电池的光电转换效率为 5%-8%。2.1.3 太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约 0.5V 电压，远低于实际应用所需要的电压，为了满足实际应用的需要，
10、需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是 36 片，能提供大约 17V 电压，正好能为额定电压为 12V 的蓄电池进行有效的充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雨等能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性，也称为 V-I 特性曲线，如图 2-3 所示。V-I 特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电
11、流 Im 与电压 Vm 在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即 V=0，此时的电流称为短路电流 Isc；如果电路开路即 I=0，此时的电路称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V*I。图 2-3 太阳能电池的电流-电压特性曲线I：电流 Isc：短路电流 Im：最大工作电流V：电压 Voc：短路电压 Vm：最大工作电压当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从零开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将越过最大点，并逐南昌航空大学
12、自考本科毕业论文4渐减少至零，即电压达到开路电压 Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性，在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点，该点所对应的电压，称为最大功率点电压 Vm（又称为最大工作电压） ；该点所对应的电流，称为最大功率点电流 Im（又称为最大工作电流） ；该点的功率称为最大功率 Pm。太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度。太阳的辐照度越强，输出的功率越大；太阳光谱分布越密集，输出功率越大；太阳能电池的温度越高，开路电压越低，输出功率越低。2.2 充电放电控制器充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由
13、于蓄电池组的循环充放电次数及充放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电放电控制器是必不可少的设备。2.2.1 充电放电控制器的功能控制器的功能：（1）高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。（3）低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。（4）保护功能：
14、防止任何负载短路的电路保护。 防止充电控制器内部短路的电路保护。 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于时，蓄电池应要求较高的充南昌航空大学自考本科毕业论文5电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。通常铅酸蓄电池的温度补赏系数为 5mv/C/CELL 。2.2.2 充放电控制器的分类光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。（1）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到
15、内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在12伏、20安以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。（2）串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在45安以上的串联控制器。（3）脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。（4）智能型控制器：采用
16、带CPU的单片机（如 Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。（5）最大功率跟踪型控制器：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵
17、的输出能量。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。2.2.3 充放电控制器的工作原理（1）单路并联型充放电控制器（如图 2-4）南昌航空大学自考本科毕业论文6图 2-4 单路并联型充放电控制器并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。D1为防“反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止
18、，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使T1导通进行“过充电保护”； 当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放电保护”。（2）串联型充放电控制器：串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。
