1、太陽(yáng)能光伏電源畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 目 錄摘要. 1ABSTRACT. 21 緒論. 32太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成. 42.1太陽(yáng)能電池方陣. 42.2 充放電控制器. 62.3蓄電池組. 92.4直流-交流逆變器. 113太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及其影響因素. 163.1太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理. 173.2太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的影響因素. 204 總結(jié). 21致謝.參考文獻(xiàn).摘要光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上蓄電池組，充放電控制器，逆變器等部件

2、就形成了光伏發(fā)電裝置。本文首先介紹了太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的原理及其組成，初步了解了光生伏打效應(yīng)原理及其模塊組成，然后進(jìn)一步研究各功能模塊的工作原理及其在系統(tǒng)中的作用，最后根據(jù)理論研究成果，利用硬件和軟件相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)出太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)，以及研究系統(tǒng)的影響因素。關(guān)鍵詞：光生伏特效應(yīng)；太陽(yáng)能電池組件；蓄電池組；充放電控制器；逆變器 Topic：The Design of Photovoltaic PowerAbstractPhotovoltaic power generation is a technology of being energy directly into electrical e

3、nergy on semiconductor photo-voltaic effect .The key components of this technology is the solar cell. Solar cells in series can be formed after the package to protect a large area of solar cells, together with the battery, charge and discharge controller, inverter and other components to form a phot

4、ovoltaic device. This paper introduces the principle of solar photovoltaic power system and its components, a preliminary understanding of the principle of photovoltaic effect and its modules, and then further study the working principle of each functional module and its role in the system, the fina

5、l results of theoretical studies based the use of hardware and software combination designed a solar photovoltaic power systems, and study the impact of system factors. Keywords ： photo-voltaic effect； Solar cells； batteries; charge anddischarge controller; inverter.緒論人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重

6、局面。廉價(jià)的石油時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，逐步改變能源消費(fèi)結(jié)，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識(shí)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正在飛速發(fā)展。太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量年增長(zhǎng)率在40%以上，已成為發(fā)展最迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，從原來(lái)只在偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)和特殊用電場(chǎng)合使用，發(fā)展到城市并網(wǎng)系統(tǒng)和大型光伏電站。盡管目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中所占比例還微不足道，但是隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，其份額將會(huì)逐步增加，可以預(yù)期，到21世紀(jì)末，太陽(yáng)能發(fā)電將成為世界能源供應(yīng)的主體，一個(gè)光輝的太陽(yáng)能時(shí)代將到來(lái)。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡，2007年太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)日

7、本和歐洲而居世界第一，然而光伏應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展卻非常緩慢，光伏累計(jì)安裝量大約只占世界的1%，應(yīng)用技術(shù)水平與國(guó)外相比還有相當(dāng)大的差距。光伏產(chǎn)品與一般機(jī)電產(chǎn)品不同，必須很據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)氐臍庀?、地理?xiàng)l件來(lái)決定系統(tǒng)的配置，由于目前光伏發(fā)電成本較高，所以應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合，最大限度的發(fā)揮光伏電源的作用。為了提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，獲取更多的有效能源，滿足人類的能源供應(yīng)，世界各國(guó)在研究太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中都投入了大量的人力與物力。我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的研究還處于世界低等水平，產(chǎn)品的性能還有待提高，為迎接未來(lái)能源短缺帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該加大對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的研究，以滿足人類未

8、來(lái)對(duì)能源的需求。本文從理論出發(fā)，闡述了太陽(yáng)能光伏電源的原理及其組成結(jié)構(gòu)；結(jié)合科研實(shí)際，應(yīng)用硬件和軟件結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的太陽(yáng)能光伏電源模擬系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)易系統(tǒng)研究分析了太陽(yáng)能光伏電源的影響因素，合理優(yōu)化了系統(tǒng)的配置，以提高系統(tǒng)的性能，最終提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。2 太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽(yáng)能電池方陣、充電放電控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖2-1所示。圖2-1 太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)示意圖2.1 太陽(yáng)能電池方陣太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為

9、42到1002不等。太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為2025mA/2，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過(guò)串并組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率（見(jiàn)圖2-2）。圖 2-2 太陽(yáng)能電池單體、組件和方陣光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長(zhǎng)決定，光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)中產(chǎn)生一對(duì)對(duì)正負(fù)電荷，由于在PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個(gè)外電流場(chǎng)，電流從晶體硅片電池的低端經(jīng)過(guò)負(fù)載流到電池的

10、頂端。這就是“光生伏打效應(yīng)”。將一個(gè)負(fù)載連接在太陽(yáng)能電池的上下兩表面間時(shí)，將有電流流過(guò)該負(fù)載，于是太陽(yáng)能電池就產(chǎn)生了電流；太陽(yáng)能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長(zhǎng)決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個(gè)高于基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個(gè)自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽(yáng)能電池的效率下降。目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽(yáng)能電池的晶體方向的無(wú)規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對(duì)

11、并不能全部被PN結(jié)電場(chǎng)所分離，因?yàn)殡姾蓪?duì)在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶體硅太陽(yáng)能電池的效率一般比單晶體硅太陽(yáng)能電池低，多晶體硅太陽(yáng)能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶體硅太陽(yáng)能電池的低。非晶體硅太陽(yáng)能電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽(yáng)能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等。一般產(chǎn)品化單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 13%-15%；多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 11%-13%；非晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 5%-8%。一個(gè)太陽(yáng)能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓，為了滿足實(shí)際應(yīng)用的

12、需要，需把太陽(yáng)能電池連接成組件。太陽(yáng)能電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池，這些太陽(yáng)能電池通過(guò)導(dǎo)線連接。一個(gè)組件上，太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片，能提供大約17V電壓，正好能為額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效的充電。通過(guò)導(dǎo)線連接的太陽(yáng)能電池被密封成物理單元被稱為太陽(yáng)能電池組件，具有一定的防腐、防風(fēng)、防雨等能力，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。太陽(yáng)能電池組件的電氣特性主要是指電流-電壓輸出特性，也稱為V-I特性曲線，如圖2-3所示。V-I特性曲線顯示了通過(guò)太陽(yáng)能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm

13、在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。如果太陽(yáng)能電池組件電路短路即V=0，此時(shí)的電流稱為短路電流Isc；如果電路開(kāi)路即I=0，此時(shí)的電路稱為開(kāi)路電壓Voc。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=V*I。圖 2-3 太陽(yáng)能電池的電流-電壓特性曲線I：電流 Isc：短路電流 Im：最大工作電流V：電壓 Voc：短路電壓 Vm：最大工作電壓當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的電壓上升時(shí)，例如通過(guò)增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開(kāi)始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從零開(kāi)始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將越過(guò)最大點(diǎn)，并逐漸減少至零，即電壓達(dá)到開(kāi)路電壓Voc。太陽(yáng)

14、能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，在組件的輸出功率達(dá)到最大點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓Vm（又稱為最大工作電壓）；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流Im（又稱為最大工作電流）；該點(diǎn)的功率稱為最大功率Pm。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)能光譜的分布和太陽(yáng)能電池的溫度。太陽(yáng)的輻照度越強(qiáng)，輸出的功率越大；太陽(yáng)光譜分布越密集，輸出功率越大；太陽(yáng)能電池的溫度越高，開(kāi)路電壓越低，輸出功率越低。2.2充電放電控制器充放電控制器是能自動(dòng)防止蓄電池組過(guò)充電和過(guò)放電并具有簡(jiǎn)單測(cè)量功能的電子設(shè)備。由于蓄電池組的循環(huán)充放電次數(shù)及充放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此

15、能控制蓄電池組過(guò)充電或過(guò)放電的充電放電控制器是必不可少的設(shè)備?？刂破鞯墓δ埽海?）高壓（HVD）斷開(kāi)和恢復(fù)功能：控制器應(yīng)具有輸入高壓斷開(kāi)和恢復(fù)連接的功能。（2）欠壓（LVG）告警和恢復(fù)功能：當(dāng)蓄電池電壓降到欠壓告警點(diǎn)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)發(fā)出聲光告警信號(hào)。（3）低壓（LVD）斷開(kāi)和恢復(fù)功能：這種功能可防止蓄電池過(guò)放電。通過(guò)一種繼電器或電子開(kāi)關(guān)連結(jié)負(fù)載，可在某給定低壓點(diǎn)自動(dòng)切斷負(fù)載。當(dāng)電壓升到安全運(yùn)行范圍時(shí)，負(fù)載將自動(dòng)重新接入或要求手動(dòng)重新接入。有時(shí)，采用低壓報(bào)警代替自動(dòng)切斷。（4）保護(hù)功能： 防止任何負(fù)載短路的電路保護(hù)。 防止充電控制器內(nèi)部短路的電路保護(hù)。 防止夜間蓄電池通過(guò)太陽(yáng)電池組件反向放電保

16、護(hù)。 防止負(fù)載、太陽(yáng)電池組件或蓄電池極性反接的電路保護(hù)。 在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護(hù)。（5）溫度補(bǔ)償功能：當(dāng)蓄電池溫度低于時(shí)，蓄電池應(yīng)要求較高的充電電壓，以便完成充電過(guò)程。相反，高于該溫度蓄電池要求充電電壓較低。通常鉛酸蓄電池的溫度補(bǔ)賞系數(shù)為5mv/ºC/CELL 。光伏充電控制器基本上可分為五種類型：并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型、智能型和最大功率跟蹤型。（1）并聯(lián)型控制器：當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉。因?yàn)檫@種方式消耗熱能，所以一般用于小型、低功率系統(tǒng)，例如電壓在12伏、20安以內(nèi)的系統(tǒng)。這類控制器很可靠

17、，沒(méi)有如繼電器之類的機(jī)械部件。（2）串聯(lián)型控制器：利用機(jī)械繼電器控制充電過(guò)程，并在夜間切斷光伏陣列。它一般用于較高功率系統(tǒng)，繼電器的容量決定充電控制器的功率等級(jí)。比較容易制造連續(xù)通電電流在45安以上的串聯(lián)控制器。（3）脈寬調(diào)制型控制器：它以PWM脈沖方式開(kāi)關(guān)光伏陣列的輸入。當(dāng)蓄電池趨向充滿時(shí)，脈沖的頻率和時(shí)間縮短。按照美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究，這種充電過(guò)程形成較完整的充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)壽命。（4）智能型控制器：采用帶CPU的單片機(jī)（如 Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對(duì)光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件

18、程序?qū)温坊蚨嗦饭夥嚵羞M(jìn)行切離/接通控制。對(duì)中、大型光伏電源系統(tǒng)，還可通過(guò)單片機(jī)的RS232接口配合MODEM調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。（5）最大功率跟蹤型控制器：將太陽(yáng)電池的電壓U和電流I檢測(cè)后相乘得到功率P，然后判斷太陽(yáng)電池此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈寬，調(diào)制輸出占空比D，改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過(guò)這樣尋優(yōu)過(guò)程可保證太陽(yáng)電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽(yáng)電池方陣的輸出能量。同時(shí)采用PWM調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。（1）單路并聯(lián)型充放電控制器（如圖2-4）圖2-4 單路并聯(lián)型

19、充放電控制器并聯(lián)型充放電控制器充電回路中的開(kāi)關(guān)器件T1是并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣的輸出端，當(dāng)蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)，開(kāi)關(guān)器件T1導(dǎo)通，同時(shí)二極管D1截止，則太陽(yáng)電池方陣的輸出電流直接通過(guò)T1短路泄放，不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充電，起到“過(guò)充電保護(hù)”作用。D1為防“反充電二極管”，只有當(dāng)太陽(yáng)電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時(shí)，D1才能導(dǎo)通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天氣時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蓄電池向太陽(yáng)電池方陣反向充電，起到“放反向充電保護(hù)”作用。開(kāi)關(guān)器件T2為蓄電池放電開(kāi)關(guān)，當(dāng)負(fù)載電流大于額定電流出現(xiàn)過(guò)載或負(fù)載短路時(shí)，T2關(guān)斷，起到“輸出過(guò)載保護(hù)”和“輸出短路保護(hù)”作用。同時(shí)

20、，當(dāng)蓄電池電壓小于“過(guò)放電壓”時(shí)，T2也關(guān)斷，進(jìn)行“過(guò)放電保護(hù)”。D2為“防反接二極管”，當(dāng)蓄電池極性接反時(shí)，D2導(dǎo)通使蓄電池通過(guò)D2短路放電，產(chǎn)生很大電流快速將保險(xiǎn)絲BX燒斷，起到“防蓄電池反接保護(hù)”作用。檢測(cè)控制電路隨時(shí)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)使T1導(dǎo)通進(jìn)行“過(guò)充電保護(hù)”；當(dāng)電壓小于“過(guò)放電壓”時(shí)使T2關(guān)斷進(jìn)行“過(guò)放電保護(hù)”。（2）串聯(lián)型充放電控制器：串聯(lián)型充放電控制器和并聯(lián)型充放電控制器電路結(jié)構(gòu)相似，唯一區(qū)別在于開(kāi)關(guān)器件T1的接法不同，并聯(lián)型T1并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣輸出端，而串聯(lián)型T1是串聯(lián)在充電回路中。當(dāng)蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)，T1關(guān)斷，使太陽(yáng)電池不再

21、對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，起到“過(guò)充電保護(hù)”作用。其它元件的作用和串聯(lián)型充放電控制器相同，不再贅述。2.3蓄電池組蓄電池組是光伏電站的貯能裝置，由它將太陽(yáng)能電池方陣從太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來(lái)，以供應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)對(duì)所用蓄電池組的基本要求是：(1) 自放電率低；(2) 使用壽命長(zhǎng)；(3) 深放電能力強(qiáng)；(4) 充電效率高；(5) 少維護(hù)或免維護(hù)；(6) 工作溫度范圍寬；(7) 價(jià)格低廉。光伏電站中與太陽(yáng)能電池方陣配用的蓄電池組通常是在半浮充電狀態(tài)下長(zhǎng)期工作，它的電能量比用電負(fù)荷所需要的電能量要大，因此，多數(shù)時(shí)間是處于淺放電狀態(tài)。當(dāng)冬季和連陰天由于太陽(yáng)輻射能減少，而出現(xiàn)太陽(yáng)能電

22、池方陣充電不足的情況時(shí)，可啟動(dòng)光伏電站備用電源柴油發(fā)電機(jī)組給蓄電池組補(bǔ)充充電，以保持蓄電池組始終處于淺放電狀態(tài)。固定式鉛酸蓄電池性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定、容量較大、價(jià)格較低,是我國(guó)光伏電站目前選用的主要貯能裝置。鉛酸蓄電池主要由正極板組、負(fù)極板組、隔板、容器、電解液及附件等部分組成。極板組是由單片極板組合而成，單片極板又由基極(又叫極柵)和活性物質(zhì)構(gòu)成。鉛酸蓄電池的正負(fù)極板常用鉛銻合金制成，正極的活性物是二氧化鉛，負(fù)極的活性物質(zhì)是海綿狀純鉛。極板按其構(gòu)造和活性物質(zhì)形成方法分為涂膏式和化成式。涂膏式極板在同容量時(shí)比化成式極板體積小、重量輕、制造簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，因而使用普遍;缺點(diǎn)是在充放電時(shí)活性物質(zhì)容易

23、脫落，因而壽命較短?；墒綐O板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，在放電過(guò)程中活性物質(zhì)脫落較少，因此壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是笨重，制造時(shí)間長(zhǎng)，成本高。隔板位于兩極板之間，防止正負(fù)極板接觸而造成短路。材料有木質(zhì)、塑料、硬橡膠、玻璃絲等，現(xiàn)大多采用微孔聚氯乙烯塑料。電解液是用蒸餾水稀釋純濃硫酸而成。其比重視電池的使用方式和極板種類而定，一般在1.2001.300(25)之間(充電后)。容器通常為玻璃容器、襯鉛木槽、硬橡膠槽或塑料槽等。蓄電池是通過(guò)充電將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來(lái)，使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能釋放出來(lái)的化學(xué)電源裝置。它是用兩個(gè)分離的電極浸在電解質(zhì)中而成。由還原物質(zhì)構(gòu)成的電極為負(fù)極。由氧化態(tài)物質(zhì)構(gòu)成的電極為正極。當(dāng)外

24、電路接近兩極時(shí)，氧化還原反應(yīng)就在電極上進(jìn)行，電極上的活性物質(zhì)就分別被氧化還原了，從而釋放出電能，這一過(guò)程稱為放電過(guò)程。放電之后，若有反方向電流流入電池時(shí)，就可以使兩極活性物質(zhì)回復(fù)到原來(lái)的化學(xué)狀態(tài)。這種可重復(fù)使用的電池，稱為二次電池或蓄電池。如果電池反應(yīng)的可逆變性差，那么放電之后就不能再用充電方法使其恢復(fù)初始狀態(tài)，這種電池稱為原電池。電池中的電解質(zhì)，通常是電離度大的物質(zhì)，一般是酸和堿的水溶液，但也有用氨鹽、熔融鹽或離子導(dǎo)電性好的固體物質(zhì)作為有效的電池電解液的。以酸性溶液(常用硫酸溶液)作為電解質(zhì)的蓄電池，稱為酸性蓄電池。鉛酸蓄電池視使用場(chǎng)地，又可分為固定式和移動(dòng)式兩大類。鉛酸蓄電池單體的標(biāo)稱電壓

25、為2V。實(shí)際上，電池的端電壓隨充電和放電的過(guò)程而變化。鉛酸蓄電池在充電終止后，端電壓很快下降至2.3 伏左右。放電終止電壓為1.71.8 伏。若再繼續(xù)放電，電壓急劇下降,將影響電池的壽命。鉛酸蓄電池的使用溫度范圍為4040。鉛酸蓄電池的安時(shí)效率為85%90%，瓦時(shí)效率為70%，它們隨放電率和溫度而改變。2.4直流-交流逆變器眾所周知，整流器的功能是將50HZ的交流電整流成為直流電。而逆變器與整流器恰好相反，它的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過(guò)程，被稱之為“逆變”由于太陽(yáng)能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆

26、變器和三相逆變器；根據(jù)輸出波形的不同，可分為方波逆變器和正弦波逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型不同，可分為晶體管逆變器、MOSFET 模塊及可關(guān)斷晶閘管逆變器等；根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的不同，又可分為推挽電路、橋式電路和高頻升壓電路逆變器等。（1）方波逆變器：方波逆變器輸出的交流電壓波形為50HZ 方波。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點(diǎn)是線路比較簡(jiǎn)單，使用的功率開(kāi)關(guān)管數(shù)量少。設(shè)計(jì)功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，維修簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是：由于方波電壓中含有大量高次諧波，在以變壓器為負(fù)載的用電器中將產(chǎn)生附加損耗，對(duì)收音機(jī)和某些通信設(shè)備也有干擾。此外，這類逆變

27、器中有的調(diào)壓范圍不夠?qū)挘械谋Ｗo(hù)功能不夠完善，噪聲也比較大。（2）正弦波逆變器：正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波。正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：輸出波形好，失真度低，對(duì)通信設(shè)備無(wú)干擾，噪聲也很低。此外，保護(hù)功能齊全，對(duì)電感性和電容型性負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是：線路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)維修技術(shù)要求高，價(jià)格較貴。采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成，而逆變器是其中關(guān)鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的技術(shù)要求如下：（1）要求具有較高的逆變效率。由于目前太陽(yáng)電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。（2）要求具有較高的可靠性。目前光

28、伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)等。（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。由于太陽(yáng)電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如蓄電池，其端電壓可在10V-16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。（4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸出應(yīng)為失

29、真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)有較高的要求。另外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免對(duì)公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出失真度滿足要求的正弦波形。（1）額定輸出電壓：在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，它表示逆變器應(yīng)能輸出的額定電壓值。對(duì)輸出額定電壓值的穩(wěn)定精度有如下規(guī)定： 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)限定，例如，其偏差不超過(guò)額定值的±3或±5。 在負(fù)載突變（額定負(fù)載的0Ö50Ö100）或有其它

30、干擾因素影響動(dòng)態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過(guò)額定值的±8或±10。（2）逆變器應(yīng)具有足夠的額定輸出容量和過(guò)載能力：逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負(fù)荷下設(shè)備對(duì)電功率的需求。額定輸出容量表征逆變器向負(fù)載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負(fù)載。但當(dāng)逆變器的負(fù)載不是純阻性時(shí)，也就是輸出功率因數(shù)小于1 時(shí)，逆變器的負(fù)載能力將小于所給出的額定輸出容量值。（3）輸出電壓穩(wěn)定度：在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)標(biāo)稱電壓為12V 的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時(shí)，端電壓可達(dá)13.5V，短時(shí)間過(guò)充狀態(tài)可達(dá)15V。蓄電池帶負(fù)荷放電終了時(shí)端電壓可降至1

31、0.5V 或更低。蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的30左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能，才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。輸出電壓穩(wěn)定度表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是輸入直流電壓在允許波動(dòng)范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差百分?jǐn)?shù)，通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應(yīng)同時(shí)給出當(dāng)負(fù)載由0100變化時(shí)，該逆變器輸出電壓的偏差百分?jǐn)?shù)，通常稱為負(fù)載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)±3，負(fù)載調(diào)整率應(yīng)±6。（4）輸出電壓的波形失真度：當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦波時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波含量）。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值不應(yīng)超過(guò)5。

32、（5）額定輸出頻率：逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz。正常工作條件下其偏差應(yīng)在±1以內(nèi)。（6）負(fù)載功率因數(shù)：“負(fù)載功率因數(shù)”表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。在正弦波條件下，負(fù)載功率因數(shù)為0.70.9(滯后)，額定值為0.9。（7）額定輸出電流（或額定輸出容量）：它表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)，逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量，其單位以VA 或kVA 表示。逆變器的額定容量是當(dāng)輸出功率因數(shù)為1（即純阻性負(fù)載）時(shí)，額定輸出電壓與額定輸出電流的乘積。（8）額定逆變輸出效率：整機(jī)逆變效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一

33、個(gè)顯著特點(diǎn)。10 千瓦級(jí)的通用型逆變器實(shí)際效率只有7080，將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來(lái)總發(fā)電量2030的電能損耗。光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器，在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗，提高整機(jī)效率。這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施。在整機(jī)效率方面對(duì)光伏發(fā)電專用逆變器的要求是：千瓦級(jí)以下逆變器額定負(fù)荷效率8085，低負(fù)荷效率6575；10 千瓦級(jí)逆變器額定負(fù)荷效率8590，低負(fù)荷效率7080。逆變器的效率值表征自身功率損耗的大小，通常以百分?jǐn)?shù)表示。容量較大的逆變器還應(yīng)給出滿負(fù)荷效率值和低負(fù)荷效率值。千瓦級(jí)以下的逆變器效率應(yīng)為8085，10 千瓦級(jí)的逆變器效率應(yīng)為8590。逆變器效率的高低對(duì)

34、光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有著重要影響。（9）保護(hù)功能：光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，因負(fù)載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過(guò)流或短路，是完全可能的。逆變器對(duì)外部電路的過(guò)電流及短路現(xiàn)象最為敏感，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在選用逆變器時(shí)，必須要求具有良好的對(duì)過(guò)電流及短路的自我保護(hù)功能。這是目前提高光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。 過(guò)電壓保護(hù)：對(duì)于沒(méi)有電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過(guò)電壓的防護(hù)措施，以使負(fù)載免受輸出過(guò)電壓的損害。 過(guò)電流保護(hù)：逆變器的過(guò)電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。（10）起動(dòng)特性：它表征逆變器

35、帶負(fù)載起動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時(shí)采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)。（11）噪聲：電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開(kāi)關(guān)及風(fēng)扇等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過(guò)65dB。逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，其主電路分別如圖 2-5 和圖 2-6 所示。圖2-5所示的推挽電路，將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電輸出。由于功率晶體管共地連接，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡(jiǎn)單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制

36、短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點(diǎn)是變壓器利用率低，帶動(dòng)感性負(fù)載的能力較差。圖2-6所示的全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率開(kāi)關(guān)管3、6和4、5反相，3和4相位互差180°，調(diào)節(jié)3和4的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有能使5和6共同導(dǎo)通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)產(chǎn)生畸變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動(dòng)電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共態(tài)導(dǎo)通，在3、6及4、6之間必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。圖2-5 推挽式逆變器電路原理框圖圖2-6

37、 全橋逆變器電路原理框圖圖2-7為高頻升壓電路，由于推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，而工頻升壓變壓器體積大，效率低，價(jià)格也較貴，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變，可實(shí)現(xiàn)高功率密度逆變。這種逆變電路的前級(jí)升壓電路采用推挽結(jié)構(gòu)（T1、T2），但工作頻率均在20KHz以上，升壓變壓器B1采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過(guò)高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在250以上），再通過(guò)工頻全橋逆變電路（T3、T4、T5、T6）實(shí)現(xiàn)逆變。采用該電路結(jié)構(gòu)，使逆變電路功率密度大大提高，逆變器的空載損耗也相應(yīng)降低，效率得到

38、提高。該電路的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，可靠性比上述兩種電路偏低。圖2-7高頻升壓電路3 太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及其影響因素太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的總體框圖如圖3-1所示。圖 3-1 系統(tǒng)總體框圖由圖3-1可知，整個(gè)系統(tǒng)包含充電和逆變兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。太陽(yáng)電池是本系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。3.1太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，且軟件設(shè)計(jì)先于硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池、蓄電池用量的計(jì)算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算等。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、

39、WG模塊、PI調(diào)節(jié)模塊和MPPT模塊等。其中主程序模塊完成系統(tǒng)的初始化，各單元賦初值，判斷有無(wú)運(yùn)行信號(hào)及對(duì)各種故障的判斷。同時(shí)，為避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)方式，使輸出電壓呈斜坡上升至給定值。WG中斷模塊主要是從正弦表中取出相應(yīng)的正弦值，然后送入WGCOMPX寄存器，從而得到不同脈寬的SPWM波。PI調(diào)節(jié)模塊主要是使系統(tǒng)輸出電壓在突加負(fù)載時(shí)訊速穩(wěn)定為220V。MPPT模塊主要是完成太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。充電程序主要由12/ 24 V 電池電壓的自動(dòng)識(shí)別、太陽(yáng)能電池板和電池之間的自動(dòng)匹配、電池未接判斷、電池極性接反識(shí)別、過(guò)充保護(hù)和充電終點(diǎn)判斷部分組成,如圖 3-2充電主程序

40、流程圖。圖 3-2系統(tǒng)充電主程序流程圖硬件設(shè)計(jì)包括：蓄電池組容量的設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)，逆變電路的設(shè)計(jì)，充放電控制電路的設(shè)計(jì)等。（1）蓄電池組容量的計(jì)算公式為：B=A*QL*NL*TO/Cc (安時(shí))A ：安全系數(shù)，取1.1-1.4之間；QL ：負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；NL ：最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；TO ：溫度修正系數(shù)，一般在0以上取1，-10以上取1.1，-10以下取1.2；Cc ：蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。（2）太陽(yáng)能電池方陣中電池組件串聯(lián)數(shù)的計(jì)算公式：Ns =UR / UOC = ( Uf + UD + Uc )/ UOC

41、UR ：太陽(yáng)電池方陣輸出最小電壓；UOC ：太陽(yáng)能電池組件的最佳工作電壓；Uf ：蓄電池浮充電壓；UD ：二極管壓降，一般取0.7V；Uc ：其它因素引起的壓降。太陽(yáng)能電池方陣中電池組件并聯(lián)數(shù)的計(jì)算公式：Np = ( Bcb + Nw * QL )/( Qp * Nw )Bcb ：補(bǔ)充的蓄電池容量；Nw ：兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天氣的間隔天數(shù)；QL ：負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；Qp ：太陽(yáng)電池組件日發(fā)電量。（3）逆變電路的設(shè)計(jì)正弦波逆變環(huán)節(jié)采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件。IGBT是電壓控制型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開(kāi)關(guān)損耗低、安全工作區(qū)大