1目錄1緒論211家用太陽能供電的意義與背景212太陽能發(fā)電研究現(xiàn)狀與前景313本文主要工作52太陽能發(fā)電原理621太陽能電池板的發(fā)電原理622太陽能蓄電池的原理823逆變器的工作原理113太陽能家用供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1231家用太陽能供電系統(tǒng)組成1232家用太陽能供電系統(tǒng)組成原件介紹1233需求分析1734系統(tǒng)設(shè)計(jì)184軟硬件的選擇2041硬件的選擇2042軟件的設(shè)計(jì)265結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝3521緒論11家用太陽能供電的意義與背景隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及傳統(tǒng)能源的日益枯竭，人們迫切的需要尋找一種新型的清潔的能源以代替由煤炭，石油，天然氣組成的傳統(tǒng)能源。太陽能就是一種可再生的新型能源，太陽能發(fā)電，不會(huì)產(chǎn)生任何廢料，也不會(huì)排放任何氣體，對(duì)環(huán)境沒有任何影響，是一種完完全全清潔的能源，如果太陽能能夠取代傳統(tǒng)能源，那么對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展是有很深遠(yuǎn)的意義的。太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1367KW/M2。太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3751026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。但太陽能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響不能維持常量。這兩大缺點(diǎn)大大限制了太陽能的有效利用。太陽能的能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能），是太陽中的氫原子核在超高溫時(shí)聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，人類對(duì)電的需求每年以很大幅度增加，進(jìn)而對(duì)能源的需求也迅速增長(zhǎng)。全世界對(duì)能源的消耗在1970年約為83億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在1995年，這種消耗達(dá)到了140噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即25年間增長(zhǎng)了697，并預(yù)計(jì)，到2020年全世界對(duì)能源的消耗會(huì)達(dá)到195億噸標(biāo)準(zhǔn)煤1。因此，采用既清潔，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我過是世界上的能源消耗大國(guó)，更應(yīng)該為可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)工作盡一份力，太陽能就是我們想要的新型能源，它不僅可以解決能源枯竭的問題，也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，對(duì)環(huán)境零污染。我國(guó)蘊(yùn)藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目前，中國(guó)太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國(guó)家和重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)比較成熟太陽能產(chǎn)品有兩項(xiàng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能供電進(jìn)入家庭是一種趨勢(shì)。目前，太陽能家用供電不能普及的原因除造價(jià)高外，還沒有較為合適的控制器為用戶提供便捷的使用服務(wù)，這是制約其發(fā)展的因素之一。故本課3題設(shè)計(jì)一種太陽能家用系統(tǒng)，為太陽能供電進(jìn)入千家萬戶奠定基礎(chǔ)。利用太陽能發(fā)電有兩大類型，一類是太陽光發(fā)電（亦稱太陽能光發(fā)電），另一類是太陽熱發(fā)電（亦稱太陽能熱發(fā)電）。太陽能光發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式，在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池、光電解電池和光催化電池。太陽能熱發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式。一種是將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。另一種方式是將太陽熱能通過熱機(jī)（如汽輪機(jī)）帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。12太陽能發(fā)電研究現(xiàn)狀與前景由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣背景下，1992年聯(lián)合國(guó)在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，會(huì)議通過了里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言，21世紀(jì)議程和聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會(huì)議之后，世界各國(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起，使太陽能利用工作走出低谷，逐漸得到加強(qiáng)。世界環(huán)發(fā)大會(huì)之后，中國(guó)政府對(duì)環(huán)境與發(fā)展十分重視，提出10條對(duì)策和措施，明確要“因地制宜地開發(fā)和推廣太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、生物質(zhì)能等清潔能源”，制定了中國(guó)21世紀(jì)議程，進(jìn)一步明確了太陽能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目2。世界上越來越多的國(guó)家認(rèn)識(shí)到一個(gè)能夠持續(xù)發(fā)展的社會(huì)應(yīng)該是一個(gè)既能滿足社會(huì)需要，而又不危及后代人前途的社會(huì)。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價(jià)格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭約占商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的76，已成為中國(guó)大氣污染的主要來源。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時(shí)期遲早要到來。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，太陽能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價(jià)格的上漲。目前全世界有136個(gè)國(guó)家正在普及推廣應(yīng)用，其中95個(gè)國(guó)家正在大規(guī)模研究開發(fā)和生產(chǎn)各種太陽能發(fā)電設(shè)備和太陽電池應(yīng)用產(chǎn)品。世界各主要國(guó)家都在努力提高太陽能發(fā)電設(shè)備的4生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模，因?yàn)樘栯姵貜纳a(chǎn)量10MW開始，每增加一倍，成本將降低20。應(yīng)用上建立MW級(jí)的大型太陽能發(fā)電站，不但可以降低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動(dòng)力，改善生態(tài)環(huán)境?，F(xiàn)在世界上MW級(jí)太陽能發(fā)電站已超過10座，其中最大的一個(gè)容量達(dá)到645MW。太陽能的使用主要分為幾個(gè)方面家庭用小型太陽能電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等，現(xiàn)在主要的應(yīng)用方式為建筑一體化和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。太陽能發(fā)電有更加激動(dòng)人心的計(jì)劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃。準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。據(jù)測(cè)算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發(fā)電供給全球能源，占地也不過為6511萬平方公里、18679萬平方公里、82919萬平方公里。82919萬平方公里才占全部海洋面積23或全部沙漠的514，甚至才是撒哈拉沙漠的915。因此這一方案是有可能實(shí)現(xiàn)的。另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國(guó)宇航局和能源部就提出在空間建設(shè)太陽能發(fā)電站設(shè)想，準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長(zhǎng)10公里、寬5公里的大平板，上面布滿太陽電池，這樣便可提供500萬千瓦電力。但這需要解決向地面無線輸電問題?，F(xiàn)已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了短距離、短時(shí)間、小功率的微波無線輸電，但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程。隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，在2006年，中國(guó)有三家企業(yè)進(jìn)入了全球前十名，標(biāo)志著中國(guó)將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽能光伏的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供應(yīng)和價(jià)格的上漲，我們需要將技術(shù)推廣的同時(shí)，必須采用新的技術(shù)，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供原動(dòng)力。世界目前已有近200家公司生產(chǎn)太陽能電池，但生產(chǎn)設(shè)備廠主要在日企之手。日本的生產(chǎn)水平處于世界領(lǐng)先水平。太陽能發(fā)電技術(shù)位居世界前列的德國(guó)，在巴伐利亞州法蘭哥尼亞地區(qū)的阿恩施泰因建成大型的太陽能發(fā)電場(chǎng)，其發(fā)電功率為124兆瓦，可以同時(shí)滿足3500戶家庭的用電需要。這座太陽能發(fā)電場(chǎng)占地77公頃，將擁有1500套太陽能發(fā)電裝置。它由兩家私人企業(yè)聯(lián)合策劃，建成后發(fā)電功率是目前世界上最大的5兆瓦風(fēng)力發(fā)電站的兩倍多。這兩家企業(yè)計(jì)劃完全通過私人購買的方式，籌集建場(chǎng)所需的7500萬歐元。個(gè)人購買套太陽能發(fā)電裝置的需要先投資144萬歐元。據(jù)調(diào)查，這種集資建太陽能發(fā)電場(chǎng)的全新途徑在德國(guó)有著廣闊的發(fā)展前景。51973年第一次石油危機(jī)的爆發(fā)對(duì)日本產(chǎn)生了重大影響，石油危機(jī)終結(jié)了日本經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的時(shí)代。此后，日本政府提倡節(jié)省能源，加強(qiáng)新能源開發(fā)，放寬能源限制，大力開發(fā)新能源，采用太陽能、風(fēng)能、燃料電池、氫能、超導(dǎo)能等。日本正在極力謀求多角度、全方位的能源安全措施，通過這些努力來保護(hù)環(huán)境，構(gòu)筑新層次的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。在替代能源和節(jié)能技術(shù)的研發(fā)上，日本舍得投入，力圖確保未來能源科技的制高點(diǎn)，推出“新陽光計(jì)劃“，每年撥款570多億日元研究再生能源技術(shù)、能源輸送與儲(chǔ)存技術(shù)等。經(jīng)過多年的苦心經(jīng)營(yíng)，日本成為世界上能源利用效率最高的國(guó)家之一（為美國(guó)的275倍）。日本的太陽能技術(shù)全球獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，2002年日本的太陽能發(fā)電量占全球總量的46。以色列在太陽能的利用和研究方面，不但受到政府，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視，還與歐美等國(guó)家和地區(qū)有著廣泛的合作關(guān)系，使以色列在此領(lǐng)域一直保持了世界先進(jìn)水平。美國(guó)在太陽嫩光電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用過程中，政府和民間重視研究，開發(fā)和推廣新技術(shù)以降低經(jīng)濟(jì)成本。除了政府支助研發(fā)，還建立了數(shù)目可觀的技術(shù)商品化示范項(xiàng)目2。依靠強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，美國(guó)的太陽能技術(shù)逐年提高。中國(guó)太陽能發(fā)電經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了許多顯著的進(jìn)步。但由于基礎(chǔ)薄弱，在太陽能發(fā)電的發(fā)展的過程中，面臨了許多問題，例如，并網(wǎng)發(fā)電成本高，技術(shù)落后，政府激勵(lì)措施不足，科研力度不夠等諸多困難。隨著可再生能源法的正式實(shí)施，與以往相比，具有可持續(xù)發(fā)展的太陽能發(fā)電正面臨著更大的發(fā)展機(jī)遇。太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)抓住這一契機(jī)，制定一個(gè)系統(tǒng)可行的規(guī)劃，逐步解決現(xiàn)有困難，早日使其在全國(guó)乃至全球廣泛的施行，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。13本文主要工作本文主要研究利用太陽能，為家庭供電，不僅要在理論上行得通，而且當(dāng)此系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的生活，也是要完全勝任的，無論是軟件方面，還是硬件方面，都能滿足絕大多數(shù)家庭的需要。包含了原件的選擇與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到了連續(xù)陰雨天太陽能電池板無法正常工作，利用市電備用來解決這個(gè)主要問題，同時(shí)選用了一些免維護(hù)的原件，大大的減少了采用獨(dú)立的供電系統(tǒng)為家居生活帶來的不便于麻煩。也考慮了蓄電池的容量問題，在容量上提供了200的預(yù)留空間。本文亦介紹了太陽能發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部件的工作原理，主要是交直流逆變以及控制器的工作模式，工作程序等。62太陽能發(fā)電原理21太陽能電池板的發(fā)電原理太陽光照在半導(dǎo)體PN結(jié)上，形成新的空穴電子對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成過熱蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴510倍一座1000MW的太陽能熱電站需要投資2025億美元，平均1KW的投資為20002500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)3。光電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)太陽能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的，目前利用太陽能電池板發(fā)電還是得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，完全利用太陽能為一個(gè)家庭供電，早就可以實(shí)現(xiàn)了14。太陽電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。當(dāng)光線照射太陽電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程3。7太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下圖21硅原子圖如圖21中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼，磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在一個(gè)空穴。如圖22中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子，而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生如圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（POSITIVE）型半導(dǎo)體。圖22P型半導(dǎo)體同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成N（NEGATIVE）型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。8圖23P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合如圖23所示，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子匯擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)有N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，從而形成PN結(jié)。當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過PN結(jié)后，如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋PN結(jié)，以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。22太陽能蓄電池的原理蓄電池的五個(gè)主要參數(shù)為電池的容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電池的容量通常用AH安時(shí)表示，1AH就是能在1A的電流下放電1小時(shí)。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關(guān)的一個(gè)參數(shù)是蓄電池的充電電流。蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量。例如，用2A電流對(duì)91AH電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對(duì)500MAH電池充電，充電速率就是4C。電池剛出廠時(shí)，正負(fù)極之間的電勢(shì)差稱為電池的標(biāo)稱電壓。標(biāo)稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當(dāng)環(huán)境溫度、使用時(shí)間和工作狀態(tài)變化時(shí)，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩余電量也有一定關(guān)系。單元鎳鎘電池的標(biāo)稱電壓約為13V（但一般認(rèn)為是125V），單元鎳氫電池的標(biāo)稱電壓為125V。電池的內(nèi)阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗。在充放電的過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化4。蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為17518V，鎳氫電池的充電終止電壓為15V。例如，鎳鎘蓄電池的工作原理如下。鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負(fù)極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，使用密度為117119（15時(shí)）的氫氧化鈉溶液。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，使用密度為119121（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。在15以下時(shí)，使用密度為125127（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。為兼顧低溫性能和電荷保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為140（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加1520G）。鎳鎘蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸嘚IOOH，負(fù)極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k；鎳鎘電池放電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘?，?fù)極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。充足電后，立即斷開充電電路，鎳鎘蓄電池的電動(dòng)勢(shì)可達(dá)15V左右，但很快就下降到131136V。鎳鎘蓄電池的端電壓隨著充放電過程而變化，可用以下式表示U充E充I充R內(nèi)21U放E放I放R內(nèi)22從上式可以看出，充電時(shí)，電池的端電壓比放電時(shí)高，而且充電電流越大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。當(dāng)鎳鎘蓄電池以標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)，平均工作電壓為12V。采用8H率放電時(shí)，蓄電池的端電壓下降到11V后，電池即放完電。蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時(shí)，電池放出的總?cè)萘糠Q為電池的額定容量，容量Q用放電電流與放電時(shí)間的乘積來表示,表示式如下10QITAH23鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)1活性物質(zhì)的數(shù)量；2放電率；3電解液。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。使用不同成分的電解液，對(duì)蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實(shí)驗(yàn)證明每升電解液中加入1520G含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可提高45，在40時(shí)，容量可提高20。然而，電解液中鋰離子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會(huì)使殘留在正極板上的鋰離子（LI）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對(duì)正極的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。電解液的溫度對(duì)蓄電池的容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時(shí)容易結(jié)晶，堵塞極板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負(fù)極板作用，生成碳酸鎘附著在負(fù)極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降5。鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻與電解液的導(dǎo)電率、極板結(jié)構(gòu)及其面積有關(guān)，而電解液的導(dǎo)電率又與密度和溫度有關(guān)。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。氫氧化鉀和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)隨密度而變。18時(shí)氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。通常鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻可用下式計(jì)算R內(nèi)放放IUE24在正常使用的條件下，鎳鎘電池的容量效率AH為6775，電能效率WH為5565，循環(huán)壽命約為2000次。另外，鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時(shí)，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80的電量后就開始充電，充足電后，該電池也只能放出80的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)5。1123逆變器的工作原理逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220V50HZ正弦或方波）。應(yīng)急電源，一般是把直流電逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時(shí)間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120電角度的三相交流電壓6。圖24逆變器工作過程各部分電路的主要功能如下1輸入電路為主逆變電路提供可確保其正常工作的直流電壓。2輸出電路對(duì)主逆變電路輸出的交流電的質(zhì)量（包括波形、頻率、電壓電流幅值相位等）進(jìn)行修正、補(bǔ)償、調(diào)理，使之能滿足用戶要求。3控制電路為主逆變電路提供一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，配合主逆變電路完成逆變功能。在逆變電路中，控制電路與主逆變電路同樣重要。4輔路電路將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。包括多種檢測(cè)電路5保護(hù)電路輸入過電壓、欠壓保護(hù)；輸出過電壓、欠壓保護(hù)；過載保護(hù)；過流和短路保護(hù)；過熱保護(hù)等。6主逆變電路由半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的變換電路，分為隔離式和非隔離式兩大類。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的；UPS、通信基礎(chǔ)開關(guān)電流等是隔離式逆變電路。隔離式逆變電路還應(yīng)包括逆變電壓器。無論是隔離式或非隔離式主逆變電路，基本上都是由升壓電路BUCK和降壓電路BOOST兩種電路不同拓?fù)湫问浇M合而成。這些組合在隔離式逆變器主電路中就構(gòu)成了單端式（正激式和反激式兩種）、推挽式、半橋式和全橋式等。這些電路既可以組成單項(xiàng)逆變器，也可組合成三相逆變器6。123太陽能家用供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)31家用太陽能供電系統(tǒng)組成家用太陽能供電系統(tǒng)，是由光伏電池組件（太陽能電池板），蓄電池，控制器，負(fù)載與逆變器（輸出電源為交流220V或110V）所組成的電路。圖31系統(tǒng)概況圖32家用太陽能供電系統(tǒng)組成原件介紹321光伏電池組（太陽能電池板）光伏電池組件，將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，送往蓄電池中儲(chǔ)存起來，或者推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成PN結(jié)。當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。實(shí)質(zhì)就是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。當(dāng)芯片受光后，PN結(jié)中N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過PN結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋13PN結(jié)，以增加入射光的面積7。圖32太陽能電池板太陽能電池板一般分為晶體硅電池板多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池。非晶硅電池板薄膜太陽能電池、有機(jī)太陽能電池。化學(xué)染料電池板染料敏化太陽能電池。美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員2008年開發(fā)出一種新型涂層，將其覆蓋在太陽能電池板上能使后者的陽光吸收率提高到962，而普通太陽能電池板的陽光吸收率僅為70左右。新涂層主要解決了兩個(gè)技術(shù)難題，一是幫助太陽能電池板吸收幾乎全部的太陽光譜，二是使太陽能電池板吸收來自更大角度的太陽光，從而提高了太陽能電池板吸收太陽光的效率。已經(jīng)得到廣泛的推廣應(yīng)用8。322太陽能蓄電池太陽能蓄電池是蓄電池在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用，目前采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池,膠體蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池四種。國(guó)內(nèi)目前被廣泛使用的太陽能蓄電池主要是鉛酸免維護(hù)蓄電池和膠體蓄電池。太陽能蓄電池需要比較好的深循環(huán)能力，有著很好的過充電和過放電的能力。長(zhǎng)壽命，特殊的工藝設(shè)計(jì)和膠體電解質(zhì)保證的長(zhǎng)壽命電池。適用不同的環(huán)境要求，如高海拔，高溫，低溫等不同的條件下都能正常使用的電池18。白天太陽光照射到太陽能組件上，使太陽能電池組件產(chǎn)生一定幅度的直流電壓，把光能轉(zhuǎn)換為電能，再傳送給智慧控制器，經(jīng)過智慧控制器的過充保護(hù)，將太陽能組件傳來的電能輸送給蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存；而儲(chǔ)存就需要有蓄電池，所謂蓄電池即是貯存化學(xué)能量，于必要時(shí)放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。14由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實(shí)用中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件數(shù)組。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流ISC，開路電壓UOC。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講是由PN結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，就有“光生電流“流過，太陽能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功率P輸出。理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率PK，由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸?qiáng)度與末端的用電負(fù)荷需電量決定。太陽能蓄電池的使用與維護(hù)1工作適宜溫度1520。2太陽能蓄電池聯(lián)接的方法為將太陽能蓄電池的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極聯(lián)接。這樣太陽能蓄電池的電量就會(huì)增加一倍，而電壓與一塊太陽能蓄電池的電壓一樣。太陽能蓄電池兩極柱切不可短路。3對(duì)于新安裝或整修后第一次充電的太陽能蓄電池，進(jìn)行一次較長(zhǎng)時(shí)間的充電，為初充電，應(yīng)按額定容量1/10的電流來進(jìn)行充電。安裝前必須測(cè)量蓄電池是否充足，如電力不足，請(qǐng)?jiān)陉柟獬渥愕牡胤綄?duì)蓄電池進(jìn)行8到16小時(shí)以上充電或者用交流電先把電池充足，應(yīng)嚴(yán)格避免過放充電。用交流電正常充電時(shí)，最好采用分級(jí)充電方式，即在充電初期用較大電流的恒流均充，充到均充電壓并恒壓一定時(shí)間后改用常規(guī)的恒壓浮充方式。4保持蓄電池本身的清潔。安裝好的太陽能蓄電池極柱上應(yīng)涂上凡士林，防止腐蝕極柱。5為太陽能蓄電池配置在線監(jiān)測(cè)管理技術(shù)，對(duì)太陽能蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻在線測(cè)量與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的缺陷，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。6冬季預(yù)防太陽能蓄電池凍裂，夏季避免陽光直曬，應(yīng)將太陽能蓄電池放于通風(fēng)陰冷處9。323太陽能控制器太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備?？刂破鞯闹饕?5功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)PM附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時(shí)切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)PM，又能跟蹤太陽移動(dòng)參數(shù)的“向日葵“式控制器，將固定電池組件的效率提高了50左右16。太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。太陽能控制器有三項(xiàng)功能，分別是功率調(diào)節(jié)功能，通信功能（簡(jiǎn)單指示功能，協(xié)議通訊功能如RS485以太網(wǎng),無線等形式的后臺(tái)管理）與完善的保護(hù)功能（電氣保護(hù)，反接,短路,過流等）。在選擇太陽能控制器的時(shí)候要考慮輸入功率，輸出功率，退出欠壓保護(hù)，散熱與充電模式。常規(guī)的太陽能控制器的充電模式是照抄了市電充電器的三段式充電方法，即恒流、恒壓、浮充三個(gè)階段。因?yàn)槭须婋娋W(wǎng)的能量無限大，如果不進(jìn)行恒流充電，會(huì)直接導(dǎo)致蓄電池充爆而損壞，但是太陽能路燈系統(tǒng)的電池板功率有限，所以繼續(xù)延用市電控制器恒流的充電方式是不科學(xué)的，如果電池板產(chǎn)生的電流大于控制器第一段限制的電流，那么就造成了充電效率的下降。MCT充電方式就是追蹤電池板的最大電流，不造成浪費(fèi)，通過檢測(cè)蓄電池的電壓以及計(jì)算溫度補(bǔ)償值，當(dāng)蓄電池的電壓接近峰值的時(shí)候，再采取脈沖式的涓流充電方法，既能讓蓄電池充滿也防止了蓄電池的過充電10。16圖33太陽能控制器324逆變器逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。本案中，由太陽能電池板產(chǎn)生的電能，會(huì)經(jīng)過逆變器DC/AC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為220V，50HZ的交流電，從而為家用電器提供電能。逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵(lì)方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變11。逆變器主要分為兩類，一類是正弦波逆變器，正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因?yàn)樗淮嬖陔娋W(wǎng)中的電磁污染17。方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負(fù)向最大值幾乎在同時(shí)產(chǎn)生，這樣，對(duì)負(fù)載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時(shí)，其負(fù)載能力差，僅為額定負(fù)載的4060，不能帶感性負(fù)載。如所帶的負(fù)載過大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負(fù)載中的容性電流增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞負(fù)載的電源濾波電容。針對(duì)上述缺點(diǎn)，近年來出現(xiàn)了準(zhǔn)正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負(fù)向最大值之間有一個(gè)時(shí)間間隔，使用效果有所改善，但準(zhǔn)正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好?？偫▉碚f，正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動(dòng)任何種類的負(fù)載，但技術(shù)要求和成本均高。準(zhǔn)正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價(jià)適中，因而成為市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。另一類是方波逆變器，方波逆變器的制作采用簡(jiǎn)易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場(chǎng)13。逆變器根據(jù)發(fā)電源的不同，分為煤電逆變器，太陽能逆變器，風(fēng)能逆變器，核能逆變器。根據(jù)用途不同，分為獨(dú)立控制逆變器，并網(wǎng)逆變器14。逆變器的主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。在光伏/風(fēng)力互補(bǔ)系統(tǒng)選用逆變器時(shí)，首要的是確定逆變器如下幾個(gè)最主要的技術(shù)參數(shù)輸入直流電壓范圍，額定輸出電壓，輸出電壓波形。逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來有自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動(dòng)電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測(cè)17功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能，早晨日出后，太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽電池的輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽電池組件的輸出，只要太陽電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)。最大功率跟蹤控制功能，太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強(qiáng)度和太陽電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。太陽輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對(duì)于這些變化，始終讓太陽電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)始終從太陽電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）這一功能。圖34太陽能逆變器33需求分析本案中，用電系統(tǒng)是一個(gè)三口之家，居住在一個(gè)一百平方米左右的的兩居室，太陽能電池板鋪設(shè)在房屋的頂棚上?？蛷d內(nèi)配有是液晶電視機(jī)一臺(tái)（功率約為100W），空調(diào)一臺(tái)（功率約為2000W），廚房?jī)?nèi)配有電磁爐一臺(tái)（功率約為2000W），電冰箱一臺(tái)（功率約為300W），電飯煲一個(gè)（功率約為1500W），主臥室內(nèi)放著一臺(tái)臺(tái)式電腦（功率約為300W），次臥室內(nèi)放18有一臺(tái)筆記本電腦（功率約為100W），整個(gè)屋子的照明設(shè)施有若干個(gè)（功率約為300W），其它（飲水機(jī)，充電器等）功率約為400W，總計(jì)功率為7000W。具體情況如下表所示。表1家用負(fù)載的計(jì)算電器數(shù)量功率約為每天運(yùn)行時(shí)間每日消耗電量液晶電視機(jī)一臺(tái)100W5個(gè)小時(shí)05度電冰箱一臺(tái)300W4個(gè)小時(shí)12度空調(diào)一臺(tái)2000W1個(gè)小時(shí)20度電磁爐一個(gè)2000W1個(gè)小時(shí)20度電飯煲一個(gè)1500W2個(gè)小時(shí)30度照明工具若干300W4個(gè)小時(shí)12度臺(tái)式計(jì)算機(jī)一臺(tái)300W3個(gè)小時(shí)09度筆記本計(jì)算機(jī)一臺(tái)100W4個(gè)小時(shí)04度飲水機(jī)，充電器等若干400W2個(gè)小時(shí)08度總功率7000W12度為了充分滿足該用戶的需要，決定留出充裕的額度，決定采用正常情況下每日可以發(fā)出十五度到二十度左右的系統(tǒng)，已備日后填充家電，更好的留出了備用容量，已備不時(shí)之需12。34系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前，國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是以直流系統(tǒng)為主，但最普遍的電力負(fù)載是交流負(fù)載。對(duì)于家居用電來說，基本全部都是交流負(fù)載，所以本設(shè)計(jì)主要針對(duì)交流負(fù)載。整個(gè)太陽能家用照明系統(tǒng)如圖所示白天，光伏電池接收太陽的光能并轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在蓄電池中；夜間，控制器將蓄電池存儲(chǔ)的電能變換成50HZ交流電供電器使用，達(dá)到節(jié)能的目的。由于太陽光的不連續(xù)性、光伏電池在晚上或者陰雨天沒有辦法發(fā)電，所以本設(shè)計(jì)將蓄電池通過一個(gè)正偏二極管和繼電開關(guān)與蓄電池連接在一起，最大程度利用太陽能。設(shè)計(jì)蓄電池的容量維持連續(xù)陰雨天氣的最長(zhǎng)天數(shù)為3天。結(jié)合陰雨天的穩(wěn)定性考慮，該系統(tǒng)日發(fā)電量在15度到二十度之間，完全滿足該三口之家的需求。系統(tǒng)配備市電備用，主要應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)陰雨天氣造成的供電不足。整個(gè)裝置由控制器進(jìn)行控制12。19圖35家用太陽能供電系統(tǒng)框圖整個(gè)系統(tǒng)的主控制回路如圖所示圖36主控制回路原理圖光伏電池通過一正偏二極管、繼電開關(guān)與蓄電池連接起來。系統(tǒng)的工作原理是在控制器的作用下，光伏電池向蓄電池組充電，晚上蓄電池組提供電力給負(fù)載?？刂破髂軌蛟谌魏螚l件下陽光充足或長(zhǎng)期陰雨天確保蓄電池組不因過充電或過放電而被損壞，最大程度的利用太陽能。由于光伏電池輸出電壓不穩(wěn)定，這樣會(huì)對(duì)后端電路產(chǎn)生影響，所以采用BUCK電路實(shí)現(xiàn)DC/DC變換，得到穩(wěn)定直流輸出36V，再通過逆變電路實(shí)現(xiàn)DC/AC，得到所需的交流電。控制器由STC12C5410AD和SG3525組成。在DC/AC輸出電壓通過變壓、整流、濾波后將反饋電壓EA送SG3525進(jìn)行控制。SG3525根據(jù)EA的值調(diào)整PWM_0_O來控制BUCK電路，如果無偏差時(shí)，按照原來固定脈寬輸出，如有偏差時(shí)，SG3525改變PWM_0_O的輸20出脈寬進(jìn)行調(diào)整。STC12C5410AD則控制SG3525的啟動(dòng)與停止。整個(gè)電路形成一個(gè)閉環(huán)控制。本設(shè)計(jì)只針對(duì)照明，所以設(shè)計(jì)輸出為220V/50HZ的方波，由STC12C5410AD產(chǎn)生50HZ的方波來控制逆變電路實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了市電備用，STC12C5410AD根據(jù)預(yù)先設(shè)定的情況對(duì)繼電開關(guān)進(jìn)行控制，繼電器的控制如下表所示。正常工作時(shí)，充電開關(guān)KA開啟，切換開關(guān)KB工作在逆變狀態(tài)，市電備用開關(guān)KC關(guān)閉。STC12C5410AD通過電阻分壓對(duì)蓄電池的端電壓進(jìn)行AD采樣檢測(cè)，當(dāng)白天光照強(qiáng)烈導(dǎo)致電池板輸出電壓過高，STC12C5410AD檢測(cè)到蓄電池過壓時(shí)，控制器斷開太陽能板的充電開關(guān)KA，停止對(duì)蓄電池充電，以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能；如果在夜間出現(xiàn)蓄電池所儲(chǔ)存的電量不足或者遇到連續(xù)陰雨天時(shí)，STC12C5410AD檢測(cè)蓄電池處于欠壓狀態(tài)，開啟市電備用開關(guān)KC，切換開關(guān)KB工作在市電備用狀態(tài)。STC12C5410AD檢測(cè)到蓄電池過電壓或者欠電壓時(shí)，發(fā)出聲光警報(bào)，綠燈亮表示正常工作，紅燈亮表示欠壓、黃燈亮表示過壓。當(dāng)STC12C5410AD檢測(cè)到電路欠壓故障時(shí)，關(guān)閉SG3525工作，以實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。表2繼電器工作組合表KAKBKC備注白天夜晚市電備用ONOFFOFFONONOFFOFFOFFONON開啟OFF關(guān)閉4軟硬件的選擇41硬件的選擇411太陽能電板的選擇選擇太陽能電板無非是選擇他們的功率，本案中，需要一個(gè)日發(fā)電量在十五度左右的系統(tǒng)?？鄢刂破髋c逆變器的損耗，需要大約兩千五百瓦的太陽能電池板，而市場(chǎng)上常見的是一百瓦與二百五十瓦的電池板居多，所以本案中選擇了十塊二百五十瓦的單晶硅太陽能電池板。并且，十塊電池板采用并聯(lián)的方式連接在一起，這樣不會(huì)因?yàn)槟骋粔K電池板或者某一段線路的故障影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行發(fā)電。本電池板的規(guī)格是1935MM986MM50MM。電壓為18V。電流為1389A。繼電器工作狀態(tài)21圖41太陽能電池板本案中十塊電池板連接起來之后，面積約為19平方米。面積足夠在本案的一百平方米的房屋頂棚上搭建這些電池板。412逆變器的選擇本逆變器就是要把蓄電池中的直流電能，轉(zhuǎn)化為220V，50HZ的交流電，本案中選擇機(jī)型為三千瓦的逆變器。圖42逆變器此逆變器凈重48KG尺寸長(zhǎng)470MM寬22MM高555MM。表3逆變器的具體參數(shù)22機(jī)型3KW功率W3000直流電壓（VDC）電壓可定制輸入電壓160265VAC輸入頻率4565HZ逆變器輸出電壓/頻率220VAC5/50HZ1輸出波形純正弦波切換時(shí)間125150,10秒150,140毫秒保護(hù)噪音55V過壓蓄電池端電壓經(jīng)過電阻分壓（分壓比為112）后得到05V范圍的直流電壓后供STC12C5410AD進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。根據(jù)ADC的工作原理，不同的輸入電壓對(duì)應(yīng)不同的數(shù)字量，再將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送CPU處理。考慮到電路中可能存在干擾因素，誤差允許范圍在1內(nèi)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算公式如下ADCDATA70,ADCLOW210VCCVIN1024（42）其中VIN為模擬輸入通道輸入電壓，VCC為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。對(duì)上述表格幾個(gè)數(shù)據(jù)整理得下表表9數(shù)據(jù)整理蓄電池電壓分壓值N值數(shù)字量ADC_DATAADC_LOW2結(jié)論0V0V00000000000B00H00H開路42V3500V7171011001100BB3H00H欠壓臨界點(diǎn)48V4000V8201100110011BCCH02H正常工作基準(zhǔn)點(diǎn)55V4583V9391110101010BEAH02H過壓臨界點(diǎn)在開機(jī)初始化時(shí)，CPU先將以上幾個(gè)特殊電壓值所對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)存入存儲(chǔ)單元，作為各種判據(jù)的基準(zhǔn)。初始化后，單片機(jī)將采集來的數(shù)據(jù)與存在里面的常數(shù)進(jìn)行比較，并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行處理。在誤差允許范圍內(nèi)，如果AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)等于00H，則可判斷電路處于開路狀態(tài)，單片機(jī)產(chǎn)生出一個(gè)開路狀態(tài)標(biāo)志，紅燈指示報(bào)警；如果AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)B3H，說明檢測(cè)到蓄電池的端電壓42V，則可判斷蓄電池處于欠壓狀態(tài)，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)欠壓標(biāo)志，紅燈指示報(bào)警；如果AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)EAH，說明檢測(cè)到蓄電池的端電壓55V，則可判斷蓄電池處于過壓狀態(tài)，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)過壓標(biāo)志，黃燈指示報(bào)警；如果AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)據(jù)在B3HEAH之間，說明蓄電池4255V之間，則可判斷蓄電池處于正常工作狀態(tài)，綠燈指示正常工作。子程序流程48如圖所示31圖410數(shù)據(jù)判據(jù)處理子程序流程圖4PWM信號(hào)模塊電路通過控制PWM_1和PWM_2信號(hào)，使VT1和VT2交替開啟和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變。PWM信號(hào)是通過STC12C5410AD的定時(shí)器中斷T0產(chǎn)生。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣或者夜間蓄電池供電不足需要市電備用時(shí)，關(guān)閉PWM信號(hào)輸出，停止DC/AC逆變。PWM信號(hào)輸出的子程序流程如圖所示。32圖411PWM輸出子程序流程5異常情況處理模塊異常情況時(shí)是指蓄電池端電壓在白天出現(xiàn)的過壓或欠壓和夜間出現(xiàn)的欠壓狀態(tài)。白天異常情況包括太陽光太強(qiáng)烈造成的蓄電池過電壓情況和連續(xù)陰雨天氣所造成的蓄電池欠壓情況。白天出現(xiàn)過電壓情況時(shí)當(dāng)蓄電池端電壓出現(xiàn)過壓時(shí)，說明蓄電池電已充滿，此時(shí)無需給蓄電池充電。當(dāng)采樣到電壓處于過電壓狀態(tài)，則產(chǎn)生一個(gè)“過壓”標(biāo)志，就斷開電池板與蓄