5KW以下家庭獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計1緒論1.1課題背景及研究的意義根據(jù)國際相關(guān)組織調(diào)查，到2060年全國人口將達(dá)到100億左右，這時候?qū)τ诘厍蚰茉吹南膶乾F(xiàn)在的幾倍，再加上人類對物質(zhì)生活進(jìn)一步的追求，那么能源危機(jī)就會變得離我們越來越近。對于這種能源的短缺以及一些化工能源給環(huán)境帶來的嚴(yán)重污染，急需要人類開展出新的環(huán)保能源，可持續(xù)地為人類提供長久的能源保證。一種新型的能源走進(jìn)了我們的視野它就是太陽能。首先，它是取之不盡用之不竭的，地球受到太陽的照射，這種能量會持續(xù)在地球中存在，那么這些太陽能就為我們的光伏發(fā)電提供了必要條件。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)論證，太陽能發(fā)電是非?？煽康摹Ｍ瑫r，這種太陽能在發(fā)電過程中，不會消耗地球上的資源，沒有污染，安全可靠，沒有廢棄物，方便靈活不受地域限制，無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件故障率低，維修簡單，無需遠(yuǎn)距離架設(shè)輸電線路，無需燃料成本較低，光伏發(fā)電在建設(shè)上是可以被論證的，時間短并且投入使用以后，可以長時間的在無人看守的情況下持續(xù)發(fā)電。不但節(jié)約了很多人工成本，而且提供了許多的有利的方面的條件，并且這種發(fā)電是持久的。不像風(fēng)力發(fā)電，在有風(fēng)的時候就能發(fā)電，在沒風(fēng)的時候就不能發(fā)電，而這種發(fā)電是能持久使用，能夠保證電量，它的持久性可以長時間提供電量。1.2太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景在各國政府的大力扶持下，世界太陽能發(fā)電產(chǎn)量迅速發(fā)展，從1995-2005年間，全球太陽能電池產(chǎn)量增長了十幾倍。光伏發(fā)電系統(tǒng)在各國電力系統(tǒng)所發(fā)電量份額逐步增加，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)所占份額在逐年增加。邊遠(yuǎn)地區(qū)居民開始享受光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來的優(yōu)惠。同時，受益于開學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展太陽能發(fā)電的規(guī)模、生產(chǎn)效率和工藝水平都獲得了大幅度提高，即在整個產(chǎn)業(yè)鏈的成本下降的條件下，行業(yè)利潤率有提高。2太陽能電池的發(fā)電原理2.1太陽光的性質(zhì)評價太陽光性質(zhì)的量有日照強(qiáng)度，日照量，日照時間等。由于地球接受到的太陽光不是恒量，而是一個隨時間變化的變量。因此，用光伏電池進(jìn)行發(fā)電，輸出電量也將隨著太陽光強(qiáng)度的變化而變化。而日照強(qiáng)度是一個基本物理量，它與光伏電池的很多特性有關(guān)[3]。所謂日照強(qiáng)度，是指利用單位面積、單位時間表示的能量密度?？梢杂脙煞N方式表示她的單位：當(dāng)為熱利用，則是，cal/(cm2·min)、kcal/(cm2·min);若為電能利用，則為mW/cm2或J/(cm2·min)。2.2光伏電池發(fā)電原理2.2.1光伏特效應(yīng)及光伏電池光伏變換效率光伏電池是一種可將太陽能直接變換為電能的半導(dǎo)體光電器，可將太陽能按比例地變換成電能。光伏電池的變換效率為輸入太陽能與輸出電功率之比，即：2.2.2太陽能光伏發(fā)電的工作原理當(dāng)有光線照射到太陽能電池上時，電池就能夠吸收這些通過太陽光或者其他光線照過來的光能，產(chǎn)生我們的伏特效應(yīng)將光生電子和空穴分離開，這時候電池的兩端就會產(chǎn)生不同電荷的累積，也就生成了正負(fù)兩極，中間就有了電壓的存在，促進(jìn)了電流的生成。在電壓和電流的共同作用下，就能有功率輸出，就可以形成一個工作的電路。3獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)整體的設(shè)計3.1光電效應(yīng)概述及光生伏打效應(yīng)應(yīng)用光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。光生伏打效應(yīng)是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，是當(dāng)物體受光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。2.生伏打效應(yīng)應(yīng)用光生伏打效應(yīng)主要是應(yīng)用在半導(dǎo)體的PN結(jié)上，把輻射能轉(zhuǎn)換成電能。大量研究集中在太陽能的轉(zhuǎn)換效率上。理論預(yù)期的效率為24％。由于半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，所以通常把這類光伏器件稱為太陽能電池，也稱光電池或太陽電池[5]。3.2太陽能電池工作原理及制造流程3.2.1太陽能電池的工作原理太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，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。3.2.2太陽能電池的生產(chǎn)流程及制造技術(shù)通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的主流。晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖3-1所示。硅片清洗燒結(jié)減反射膜硅片清洗燒結(jié)減反射膜正反極印刷背電極印刷去除背結(jié)磷擴(kuò)散擴(kuò)散清洗絨面制備測試分檔周邊刻蝕3.3太陽能發(fā)電系統(tǒng)常見問題和發(fā)電方式3.3.1離網(wǎng)太陽能發(fā)電常見的問題 離網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池陣列、光伏控制器、蓄電池組、負(fù)載等組成，電池陣列再有光照的情況下將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過光伏控制器給負(fù)載供電，同時給蓄電池組充電[7]。在無光照時通過光伏控制器由蓄電池組給負(fù)載供電，發(fā)電功率可以根據(jù)需求搭配。太陽能發(fā)電來說，常見以下問題：1、系統(tǒng)每天提供多少的電力？2、發(fā)電系統(tǒng)完整設(shè)計需求器件的數(shù)量。3、每塊電池板提供的功率是多少？下面以鄰國邊遠(yuǎn)地區(qū)為例：蘭州氣情況分析表如3-2所示。氣象站位置：北緯36度，東經(jīng)103度，海拔1520米氣候資料1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均最高氣溫1956-19904.55.512.519.224.430.232.13228.522.4158.3平均氣溫1956-1990-2.3-0.76.312.817.322.82524.119.7平均最低氣溫1956-1990-7.1-8.812.415.3-1.2-4.7降雨量（毫米）1956-199034.360.167.971.923.41.03.718.621.6降雨日數(shù)1956-199023101181211243日平均照（小時）1956-19907.81011.811.515.9圖3-2蘭州地區(qū)天氣情況有效日照時數(shù)：8.7小時，最少日照時數(shù)：5.7小時假設(shè)該居民家中家用常用電器如表3-3所示。序號設(shè)備名型號功率（W）數(shù)量總功率（W）1綠凌冰箱851852高清液晶電視機(jī)301303電視天線151154照明燈503150表3-3居民家中家用常用電器則每小時所耗功率為：280WP/小時，綠凌冰箱工作時間為24小時，高清液晶電視機(jī)和電視天線按12小時計算，照明按5小時計算，則每天所耗功率為：130WP×12＋85WPX12﹢150×5＝3330WP。（1）太陽能電池板設(shè)計太陽能板效率80%計算，則太陽能板每天所承載能耗為：3330WP/0.8=4162.5Wp；蘭州每天平均日照時間為8.7小時，最少日照時數(shù)：5.7小時，則所需太陽能板約為4162.5W/(8.7+5.7)/2=578.125Wp,加線路損耗，相當(dāng)于約4塊150Wp太陽能板。工作時間為1天，則所需蓄電池為:3330/12=277.5Ah?？紤]到陰雨系數(shù)和過放電因素277.5Ah/0.8=355AH,方案選用4支90Ah的太陽能專用儲能免維護(hù)膠體電池。（2）技術(shù)方案簡介本技術(shù)方案通過太陽能板發(fā)電，蓄電池蓄電，逆變器轉(zhuǎn)換成220V交流電供電給負(fù)載。光伏陣列將采取30度的安裝方式，4塊150Wp太陽能板，通過4并連接到太陽能控制逆變，經(jīng)蓄電池（1支*250Ah），逆變器（1KW）供電給負(fù)載。家庭電站最為重要是逆變器這塊，由于是出口項(xiàng)目，為了安全起見，該方案采DC-AC逆變器用，保證電能的輸出質(zhì)量。3.3.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件就是太陽能電池，它是通過一種特殊的半導(dǎo)體界面兒技術(shù)，將光能轉(zhuǎn)化為福特的效應(yīng)。然后再經(jīng)過串聯(lián)的方式，把變量儲存在電池之中。光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制，因?yàn)殛柟馄照沾蟮?光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點(diǎn)[9]。3.3.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式（1）光熱電的轉(zhuǎn)換方式來發(fā)電。首先通過光產(chǎn)生熱，然后通過熱再產(chǎn)生電。通過熱產(chǎn)生電的過程，其實(shí)就是一種蒸汽的過程，這個操作其實(shí)我們從聽起來就知道它是一個成本很高的過程，一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元[10]。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合，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爭。（2）光電直接轉(zhuǎn)化并使用。光電效應(yīng)跳過了熱能這個步驟直接將光輻射的能量轉(zhuǎn)化成電能。這里的關(guān)鍵的核心技術(shù)就是太陽能電池，通過利用伏特效應(yīng)使得這一轉(zhuǎn)化完成。在我們的半導(dǎo)體以及二極管兒快速發(fā)展的今天，才能使得這個技術(shù)被長時間的掌握和應(yīng)用。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，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(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太陽能光伏發(fā)電方式有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式[11]。3.4光伏發(fā)電系統(tǒng)重要部分的設(shè)計3.4.1光伏電源充放電控制器控制器的功能和分類：（1）高壓（HVD）斷開和恢復(fù)功能：控制器當(dāng)高壓進(jìn)入時有斷開的功能，當(dāng)高壓開始有恢復(fù)的功能。（2）欠壓（LVG）告警和恢復(fù)功能：蓄電池的電壓比較低的時候已經(jīng)到了臨界值，這時候控制器應(yīng)該發(fā)出警告信號。（3）低壓（LVD）斷開和恢復(fù)功能：當(dāng)電壓比較低的時候，這時候繼電器或者是電子開關(guān)兒。連接負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)自動斷開，當(dāng)電壓達(dá)到一定范圍時，又能自動的連接重新接入。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[12]。（1）并聯(lián)型控制器：蓄電池充滿電以后，會利用電子部件兒將光伏矩陣輸出分流到內(nèi)部，然后進(jìn)行模塊化管理。然后以熱的形式把多余能量消耗掉。（2）串聯(lián)型控制器：這是一種利用機(jī)械地繼電器控制充電的方法。他一般會用在比較。高德公立系統(tǒng)上。它的好處是容易連接通電，電流比較大的情況。（3）最大功率跟蹤型控制器:是一種尋找最大功率的控制器。因?yàn)槲覀兊墓β蔖等于電壓U和電流I的乘積，所以說當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)功率不在最大輸出功，一時則通過調(diào)整脈寬來改變輸出。占空比D，進(jìn)而來使得我們的最大功率在一定的情況下穩(wěn)定的輸出。控制器的基本電路和工作原理（1）單路并聯(lián)型充放電控制器如圖3-10所示。圖3-4單路并聯(lián)型充放電控制器并聯(lián)型充電控制器是一種保護(hù)蓄電池，不會被過分充電的。控制器它是通過控制T1的。并聯(lián)在太陽電池方陣的輸出端。當(dāng)電壓過大時，我們的開關(guān)器件會通過二極管D1截止，從而實(shí)現(xiàn)不再對蓄電池的充電。上圖中，D1和T2、D2等相關(guān)部件同時作用。檢測控制電路隨時對蓄電池進(jìn)行檢測。有過分充電保護(hù)，有放電電壓的。過放電保護(hù)，從而在各個方面保證正蓄電池的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）串聯(lián)型充放電控制器：串聯(lián)充放電控制器和并聯(lián)型充放電控制器的結(jié)構(gòu)基本是相同的，它們的區(qū)別就是踢在使用的時候是不一樣的，一種是避免的接法，一種是串聯(lián)的接法，對于我們整個電路的保護(hù)作用，起到的作用。基本相似，同時還有各種各樣的控制器的。其它元件的作用和串聯(lián)型充放電控制器相同，不再贅述。單路并聯(lián)型充放電控制器如圖3-11所示。圖3-5單路并聯(lián)型充放電控制器（3）檢測控制電路的組成和工作原理如圖3-12所示。圖3-6單路并聯(lián)型充放電控制器檢測控制電路包括過壓檢測控制和欠壓檢測控制兩部分。國家檢測控制和欠壓檢測，控制是我們檢測電路的兩個重要的組成部分，其中檢測電路是由帶回差供的運(yùn)算所組成的，其中的A1W1。是對我們的一個電壓進(jìn)行檢測的，由基準(zhǔn)電壓。在這個電路中，通過過呀切離電壓來實(shí)現(xiàn)他的控制。3.4.2DC-DC變換器的設(shè)計DC-DC變換器原理DC-DC變換器，亦稱為直流斬波器。將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關(guān)型DC-DC變換電路，俗稱斬波器（Chopper）。DC-DC變換器可以分為很多種，按照調(diào)制形式可分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）、混合調(diào)制。按照變換電路的功能可分為降壓式直流-直流變換（BuckConverter）、升壓式直流-直流變換器（BoostConverter）、升壓-降壓復(fù)合型直流-直流變換器（Boost-BuckConverter）、庫克直流-直流變換、全橋式直流-直流變換（FullBridgeConverter）。圖3-7升壓式DC/DC變換器4太陽能發(fā)電系統(tǒng)的安裝及維護(hù)4.1光伏系統(tǒng)的安裝4.1.1太陽能電池方陣的安裝（1）電池方陣安裝前的準(zhǔn)備工作：①在家庭獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)安裝前，應(yīng)到居住偏遠(yuǎn)或位置閉塞的居民家里進(jìn)行實(shí)地勘察，測量安放地點(diǎn)的尺寸大小及朝陽方向。太陽能電池安裝方向都應(yīng)朝陽無論南北半球都應(yīng)朝向赤道方向。方陣前盡量不能有樹木或建筑物的遮擋，尤其在上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)之間。②有現(xiàn)場位置及大小確定電池方陣的安放排列并設(shè)計施工圖、制定確切的施工方案。③有具體安裝地點(diǎn)的不同設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的材料，如果是在屋頂應(yīng)反復(fù)核算屋頂?shù)某休d能力及電池方陣需承受的風(fēng)力。如果在地面對現(xiàn)場進(jìn)行場地平整，澆注基座和預(yù)埋件。一切措施要做好防水防電保證安全。（2）現(xiàn)場安裝①檢察所有基礎(chǔ)設(shè)施及基座是否按設(shè)計要求設(shè)計到位，間隔是否正確。②對組件按技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢察，使工作電流相近的串聯(lián)，電壓相近的并聯(lián)。③將組建正面向下，并排安防在清潔非粗糙平臺上。安裝支架放在組件上，使得支架的安裝孔向與組件的安裝孔對準(zhǔn)。④固定支架與組件并按設(shè)計要求用導(dǎo)線將組件的正負(fù)極進(jìn)行連接。導(dǎo)線連接應(yīng)盡量粗短，且不宜過緊。⑤將帶組件的安裝支架用螺栓、彈簧墊圈、螺母固定在底座上，需要時可進(jìn)行焊接防止支架變形。⑥檢察傾角是否正確，將四個底座與安裝支架固定，務(wù)必牢靠整齊。⑦有多個子方陣，接線可通過分線盒集中后輸出。如在山頂處或雷擊頻發(fā)出安防避雷針。⑧安放在屋頂?shù)墓夥疥嚱M建連接應(yīng)有防水性能，太陽能電池背后通風(fēng)蹭不得被雜物填塞，鋼結(jié)構(gòu)支架與框架應(yīng)與建筑物接地系統(tǒng)可靠連接，電氣系統(tǒng)的接地應(yīng)符合國家標(biāo)注要求。系統(tǒng)組件應(yīng)有相應(yīng)規(guī)定的耐火等級。（3）安全注意事項(xiàng)①施工現(xiàn)場應(yīng)配備必要的安全設(shè)施，嚴(yán)謹(jǐn)雨天施工。②房屋坡度較大時應(yīng)設(shè)置腳踏板防止人員或物件花落。③禁止在電池板的玻璃面上作業(yè)。④太陽能電池方陣的兩端輸出不能短路，陽光下施工應(yīng)用遮陽物覆蓋電池板。⑤光伏系統(tǒng)在運(yùn)送過程中不得碰撞或受損。⑥在方陣周圍安裝圍欄以防止動物或人為的破壞。4.1.2控制器及逆變器的安裝(1)技術(shù)要求①光伏系統(tǒng)的接線和設(shè)備配置應(yīng)符合電力系統(tǒng)設(shè)計的要求和規(guī)范。②家庭獨(dú)立太陽能光伏系統(tǒng)屬于應(yīng)用A級系統(tǒng)，其設(shè)計應(yīng)符合應(yīng)用等級A要求。③逆變器與系統(tǒng)的直流側(cè)和交流側(cè)都應(yīng)有絕緣隔離的裝置，且光伏系統(tǒng)直流側(cè)應(yīng)考慮必要的觸電警告和安全措施。④太陽能電池方陣、接線箱、逆變器、保護(hù)裝置的主回路與地之間的絕緣電阻應(yīng)不小于1M歐姆。⑤光伏系統(tǒng)應(yīng)具備極性反接保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、接地保護(hù)功能、過熱保護(hù)工能、過載保護(hù)功能。（2）安裝位置通常控制其和逆變器安裝在室內(nèi)，事先硬件好配電室。安裝存放應(yīng)避開高腐蝕行、高粉塵性、高溫、高濕性環(huán)境、特別應(yīng)避免金屬物質(zhì)落入其中。小型家用光伏系統(tǒng)，控制室也不能直接安放在蓄電池上，因?yàn)樾铍姵匾惨a(chǎn)生腐蝕性氣體，會對控制器元件產(chǎn)生不良影響。小中型逆變器可以根據(jù)要求固定在墻壁或擺放在工作臺上，如果在室外逆變器一定的有防潮功能。（3）按次序接線逆變器和控制器在開箱時，要先檢查有無保質(zhì)卡、出廠合格證、和產(chǎn)品說明書，內(nèi)部連線是否有松動，如有問題，應(yīng)及時與廠家聯(lián)系解決?？刂破鹘泳€時開關(guān)應(yīng)放在“關(guān)”的位置。先連接蓄電池，再連接太陽能電池方陣，觀察在陽光照射時是否有電流通過。最后將控制器與負(fù)載連接。將逆變器的輸出開關(guān)放在“關(guān)”的位置，然后接線。接線時注意正負(fù)極性，并要保證接線質(zhì)量和安全。對于無斷弧功能的開關(guān)，連接時不允許在有負(fù)荷或能夠形成低阻回路的情況下接通或斷開，防止因拉弧而造成事故。4.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)及管理光伏系統(tǒng)繳費(fèi)使用前，建設(shè)單位應(yīng)建立系統(tǒng)的管理制度，家用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)使用時家庭成員也應(yīng)有一定的檢查及維護(hù)能力。當(dāng)光伏系統(tǒng)出現(xiàn)問題時應(yīng)先考慮自己是否能夠解決，不行的話聯(lián)系專業(yè)維護(hù)人員日常維護(hù)：（一）方陣檢察方陣檢查就是看我們這個方陣上面是