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毕业设计(论文)-太阳能发电监测系统

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太阳能 发电 监测 系统
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毕业设计(论文)-太阳能发电监测系统,太阳能,发电,监测,系统
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西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计(论文)题目太阳能发电监测系统专业班级08机械2班学号08102080206学生姓名朱立指导教师成珂设计所在单位西安文理学院2012年5月太阳能发电监测系统摘要为了监测太阳能光伏发电系统的工作现状,本文在初步设计了太阳能光伏发电系统的基础上,并针对负载的需求设计出了一套具体的实验发电系统与监测系统,主要工作有(1)发电系统设计以实验负载确定光伏发电系统的各组成元件;(2)监测系统设计针对设计好的光伏发电系统采用监测设备;(3)数据采集通过电压、电流变送器将监测信号转换为05V标准电压信号,最终将其导入导数据采集卡,进行数据采集;(4)实验监测将数据采集卡与计算机相连,通过数采卡自带显示模块,将所得到的数据显示出来,以达到监测的目的。经过对太阳能光伏发电监测系统的设计,通过对流入流出各个设备间的电压、电流值的变化,实现对各设备功率的监测。找到可以提高发电效率的环节,实现预期的目的。通过实验可以发现,该监测系统可实际用于单户小型太阳能发电系统,具有抗干扰能力强、操作简便、显示准确的特点。关键词太阳能;光伏发电;监测;数据采集SOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONSYSTEMABSTRACTTHISPAPEREXPOUNDSTHESOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONSYSTEMPRINCIPLE,COMPONENTS,ANDINTHELIGHTOFTHELOADDEMANDDESIGNOUTADETAILEDEXPERIMENTALPOWERGENERATIONSYSTEMSANDMONITORINGSYSTEM,THEMAINWORKIS1POWERGENERATIONSYSTEMDESIGNUSETHEEXPERIMENTLOADTOENSURETHEVARIOUSCOMPONENTSFORPHOTOVOLTAICSYSTEM2MONITORINGSYSTEMDESIGNUSEMONITORINGEQUIPMENTACCORDINGTOTHEDESIGNEDPHOTOVOLTAICSYSTEM3DATACOLLECTIONTHROUGHTHEVOLTAGETRANSDUCERANDELECTRICITYTRANSDUCER,MONITORINGSIGNALSWILLBECONVERTEDTO05VSTANDARDVOLTAGESIGNAL,WHICHWILLBEPUTINTOTHEDATAACQUISITIONCARDFORCOLLECTTINGDATAS4EXPERIMENTSMONITORINGCONNECTEDTOTHEDATAACQUISITIONCARDANDCOMPUTERS,THROUGHDATAACQUISITIONCARDCARRYINGDISPLAYMODULEITSELF,TOSHOWTHEDATAWHICHRECEIVEDANDACHIEVETHEPURPOSEOFMONITORINGAFTERTHESOLARPHOTOVOLTAICENERGYMONITORINGSYSTEMDESIGN,THROUGHTHECHANGEOFTHEINFLOWANDOUTFLOWEACHEQUIPMENTSVOLTAGEANDCURRENT,ANDTOREALIZEDTHEMONITORINGOFEACHEQUIPMENTFINDTHELINKWHICHCANBEIMPROVEDFORPOWEREFFICIENCY,THENREALIZADOFTHEEXPECTEDGOALTHROUGHTHEEXPERIMENTSWECANFOUNDTHAT,THEMONITORINGSYSTEMCANBEUESDFORSINGLEDOORANDSMALLSOLARPOWERGENERATIONSYSTEM,WHICKHASTHECHARACTERISTICSOFSTRONGANTIINTERFERENCE,OPERATIONSIMPLE,SHOWEDACCURATE,ANDSOONKEYWORDSSOLARENERGYPHOTOVOLTAICPOWERMONITORINGDATAACQUISITION目录目录第一章绪论111研究背景112太阳能的介绍2121太阳能的含义2122太阳能的发展历史2123我国太阳能资源2124太阳能的应用2125太阳能发电313太阳能光伏发电系统介绍4第二章太阳能电池发电原理621光电效应概述622光生伏特效应概述及应用6221光生伏特效应6222光生伏特效应应用823太阳能电池及其太阳能组件8231太阳能电池的工作原理8232太阳能电池的生产流程8233太阳能电池的制造技术8234太阳电池组装工艺简介9235太阳能电池阵列设计步骤11第三章太阳能光伏发电系统设计1331太阳能光伏发电系统工作原理1332系统设计地点概况1333系统设计要求13331负载需求13332参数要求1334太阳能光伏发电系统的组成13321蓄电池13322太阳能控制器15323逆变器16344太阳能电池板1735系统组装1936太阳能光伏发电系统的发电方式2037太阳能光伏发电系统对逆变电源的要求20目录第四章监测系统设计2241电压变送器22411工作原理22412性能优点22413电压变送器的选择2342电流变送器23421工作原理23422性能优点24423电流变送器选择2443数据采集卡25431工作原理25432技术参数25433数据采集卡的选择2644温度变送器27441温度变送器原理27442温度变送器的选择2845太阳辐射变送器3046实验设计思想31461实验步骤31462实验方法32463数据的对比32第五章总结与展望3351总结3352展望33小结35参考文献36致谢37附录38西安文理学院本科毕业设计(论文)第0页第一章绪论11研究背景能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展,能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移,化石能源的稀缺性越来越突显,且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下,大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。而太阳能作为其中一种清洁的可再生能源,是新能源开发和利用的主要对象。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点,在长期的能源战略中具有重要地位。我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式,其中,光电利用(光伏发电)是近些年来发展最快,也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分,包括硅系太阳电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅电池)和非硅系太阳能电池等。在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式,典型特征为需要蓄电池来存储能量,在民用范围内主要用于边远的乡村,如家庭系统、村级太阳能光伏电站;在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵,在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式,成为电网的补充。在各国政府的扶持下,世界太阳能电池产量快速增长,19952005年间,全球太阳能电池产量增长了17倍。我们预计,2010年全球太阳能电池的年产量有望较2005年的年产量增长63倍,整个行业的销售收入有望增长35倍。我国太阳能资源非常丰富,开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔,可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持,先后出台了一系列法律、政策,有力的支持了产业的发展。所以,研究太阳能这种可再生资源是非常必要的,并且其具有非常大发展空间,在将来必定成为能源市场的主力军。而本次课题研究太阳能发电监测系统,就是为了检测发电系统的工作效率设计的测量设备和数据采集设备。主要目的是针对太阳能发电监测系统,设计西安文理学院本科毕业设计(论文)第1页测量系统和数据采集系统,通过测量并且采集太阳能发电系统的发电电流和发电电压,实现测量太阳能发电系统的发电量。主要过程为监测太阳能发电到用电器用电过程中的电流电压等数值变化。目前太阳能发电利用率比较低,通过过程监测、数据采集以期能发现改进环节,达到更高的利用效率。12太阳能的介绍太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点,在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。121太阳能的含义一般是指太阳光的辐射能量,在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存,而自古人类也懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下,才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,化学能,水的势能等等。122太阳能的发展历史据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用,只有300多年的历史。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”,“未来能源结构的基础”,则是近来的事。20世纪70年代以来,太阳能科技突飞猛进,太阳能利用日新月异。123我国太阳能资源我国是太阳能资源相当丰富的国家,绝大多数地区年平均日辐射量在4KWH/以上,西藏最高达7KWH/。124太阳能的应用就目前来说,人类直接利用太阳能还处于初级阶段,主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。(1)太阳能集热器太阳能集热器SOLARCOLLECTOR在太阳能热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式西安文理学院本科毕业设计(论文)第2页可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。一个好的太阳能集热器应该能用2030年。(2)太阳能热水系统早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热,现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外,可能还有辅助的能源装置(如电热器等)以供应无日照时使用,另外尚可能有强制循环用的水,以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种自然循环式和自然循环式。(3)太阳能暖房太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统,及室内暖房风扇系统所组成,其过程乃太阳辐射热传导,经收集器内的工作流体将热能储存,再供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。125太阳能发电即直接将太阳能转变成电能,并将电能存储在电容器中,以备需要时使用。(1)太阳能离网发电系统太阳能离网发电系统包括1太阳能控制器对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存,当所发的电不能满足负载需要时,太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。2太阳能蓄电池组的任务是贮能,以便在夜间或阴雨天保证负载用电。3太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电,供交流负荷使用。(2)太阳能并网发电系统太阳能并网发电系统是将光伏阵列产生的可再生能源不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。(3)SI太阳电池硅太阳电池是最常用的卫星电源,由于空间技术的发展,各种飞行器对功率的需求越来越大。其中,以发展背表面场(BSF)、背表面反射器(BSR)、双层减反射膜技术为第一代高效硅太阳电池,这种类型的电池典型效率最高可以做到15左右,目前在轨的许多卫星应用的是这种类型的电池。(4)太阳能路灯太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯,因其具有不受供电影响,不用开沟埋线,不消耗常规电能,只要阳光充足就可以就地安装等特点,因此受到人们的广泛关注,又因其不污染环境,而被称为绿色环保产品。太阳能路西安文理学院本科毕业设计(论文)第3页灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明,又可用于人口分布密度较小,交通不便经济不发达、缺乏常规燃料,难以用常规能源发电,但太阳能资源丰富的地区,以解决这些地区人们的家用照明问题。13太阳能光伏发电系统介绍太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如果输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器(转换器)。图11光伏发电系统简图图12光伏发电系统示意图直流负载交流负载太阳能电池方阵控制器蓄电池组逆变器西安文理学院本科毕业设计(论文)第4页14太阳能光伏发电的优缺点与常用的火力发电系统相比,太阳能光伏发电的优点主要体现在无枯竭危险;安全可靠,寿命长;无噪声,无污染排放外,绝对干净(无公害);不受资源分布地域的限制,可利用建筑屋面的优势,应用范围广;无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电;能源质量高;易安装,易运输,建设周期短,获取能源花费的时间短;结构简单,体积小且轻;使用方便,维护简单,在2065温度范围均可正常工作;可以与蓄电池相配组成独立电源,也可以并网发电;使用者从感情上容易接受;缺点照射的能量分布密度小,太阳能能量密度低,即要占用巨大面积;光伏发电具有间歇性和随机性;各个地区太阳能资源情况不通,所以光伏发电区域性强;太阳能电池与太阳能逆变器转化效率不是很高,还需要技术上的突破;获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。西安文理学院本科毕业设计(论文)第5页第2章太阳能电池发电原理21光电效应概述光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(PHOTOELECTRICEFFECT)。光伏发电系统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,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。22光生伏特效应概述及应用221光生伏特效应光生伏特效应是指光子入射到半导体的PN结后,从PN结的二端电极产生可输出功率的电压伏特值。这一过程包括光子入射到半导体内产生电子空穴对,电子和空穴因半导体PN结形成的内建电场作用而分离,电子和空穴往相反的方向各自传输至二端电极来输出。所以,光生伏特效应一般是和PN结的特征有关。在光生伏特效应中,PN结的空间电荷区的内建电场的作用,就是使入射光子被吸收产生电子空穴对,在复合前被分开,产生光电流。光电流再经由PN二极管的金属接触传输至负载,这就是光生伏特电池的基本工作原理。如果将光照的PN二极管二端的金属接触用金属线直接连接,就是所谓的短路,金属线的短路电流就等于光电流。若光照的PN二极管二端的金属不相连,就是所谓的开路,则光电流会在P型区累积额外的空穴,N型区累积额外的子,造成P端金属接触较N端金属接触有一较高的电位势,也就是开路电压,这个开路电压也被称为光电压,也是光生伏特这一词的由来。西安文理学院本科毕业设计(论文)第6页图21太阳电池结构原理图22PN结的光生伏特效应当然,入射光并不只有在空间电荷区内被吸收才会产生光电流。光子在PN二极管的其它区域中被吸收,就是所谓的准电中性区域,也能贡献光电流。只是准电中性区的光电流是扩散电流,而不是漂移电流,这种扩散电流是由少数载流子决定的,多数载流子并不参与。也就是说,N型准电中性区域的少数载流子、空穴,其在接近空间电荷区的地方会趋向到P型区而浓度降低,形成浓度梯度,因此N型准电中性区域内的空穴就会形成往P型区方向的扩散电流。同理,P型准电中性区域的少数载流子、电子,其在接近空间电荷区的地方会趋向N型区而浓度降低,因此P型准电中性区域内的电子就会形成往N型区方向的扩散电流。所以,PN二极管的光生伏特效应中的光电流,主要来自于三个物理机制空间电荷区内电子和空穴的漂移电流,N型准电中性区域少数载流子空穴的扩散电流,和P型准电中性区域的少数载流子电子的扩散电流。通常,光生伏特电池所涉及的物理机制和过程是相当复杂的,随着电池的材料和结构的不同而有所差异。但总的来说,任何光生伏特电池的工作需要有三个必要条件1、入射光子被吸收产生电子空穴对。PE浅结太阳光EN西安文理学院本科毕业设计(论文)第7页2、电子空穴对在复合前被分开。3、分开的电子和空穴传输至负载。对PN半导体二极管而言,入射光子被吸收产生电子空穴对取决于导带和价带间的带间光吸收系数,而导带或价带自身之内的带内光吸收系数则是不会产生电子空穴对的。空间电荷区内施主正离子和受主负离子形成的内建电场,是提供电子空穴对分开的物理条件。半导体的金属接触则将分开的电子和空穴传输至负载。必须强调的是,这三个条件也往往是决定设计光生伏特电池效率高低的重要因素。222光生伏特效应应用光生伏打效应主要是应用在半导体的PN结上,把辐射能转换成电能。大量研究集中在太阳能的转换效率上。理论预期的效率为24。由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高,所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池,也称光电池或太阳电池。23太阳能电池及其太阳能组件231太阳能电池的工作原理太阳光照在半导体PN结上,形成新的空穴电子对,在PN结电场的作用下,空穴由N区流向P区,电子由P区流向N区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。232太阳能电池的生产流程通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450M的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。图23太阳能电池生产流程西安文理学院本科毕业设计(论文)第8页233太阳能电池的制造技术晶体硅太阳能电池的制造工艺流程如图。提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳能电池技术发展的主流。图24晶体硅太阳能电池的制造流程具体的制造工艺技术说明如下(1)切片采用多线切割,将硅棒切割成正方形的硅片。(2)清洗用常规的硅片清洗方法清洗,然后用酸(或碱)溶液将硅片表面切割损伤层除去3050UM。(3)制备绒面用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。(4)磷扩散采用涂布源(或液态源,或固态氮化磷片状源)进行扩散,制成PN结,结深一般为0305UM。(5)周边刻蚀扩散时在硅片周边表面形成的扩散层,会使电池上下电极短路,用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。(6)去除背面PN结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN结。(7)制作上下电极用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极,然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。(8)制作减反射膜为了减少入反射损失,要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MGF2,SIO2,AL2O3,SIO,SI3N4,TIO2,TA2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法,溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。(9)烧结将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。10测试分档按规定参数规范,测试分类。234太阳电池组装工艺简介组件线又叫封装线,封装是太阳能电池生产中的关键步骤,没有良好的封装工艺,多好的电池也生产不出好的电池组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证,而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢硅片清洗扩散前清洗磷扩散周边刻蚀去除背结背电极印刷绒面制备正反级印刷减反射膜制备烧结测试分档西安文理学院本科毕业设计(论文)第9页得可客户满意的关键,所以组件板的封装质量非常重要。在这里只简单的介绍一下工艺的作用,给大家一个感性的认识。电池测试由于电池片制作条件的随机性,生产出来的电池性能不尽相同,所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起,所以应根据其性能参数进行分类;电池测试即通过测试电池的输出参数(电流和电压)的大小对其进行分类。以提高电池的利用率,做出质量合格的电池组件。正面焊接是将汇流带焊接到电池正面(负极)的主栅线上,汇流带为镀锡的铜带,我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯(利用红外线的热效应)。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连背面串接背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串,我们目前采用的工艺是手动的,电池的定位主要靠一个膜具板,上面有36个放置电池片的凹槽,槽的大小和电池的大小相对应,槽的位置已经设计好,不同规格的组件使用不同的模板,操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极(负极)焊接到“后面电池”的背面电极(正极)上,这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。层压敷设背面串接好且经过检验合格后,将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好,准备层压。玻璃事先涂一层试剂(PRIMER)以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置,调整好电池间的距离,为层压打好基础。(敷设层次由下向上钢化玻璃、EVA、电池片、EVA、玻璃纤维、背板)。组件层压将敷设好的电池放入层压机内,通过抽真空将组件内的空气抽出,然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起;最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步,层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时,层压循环时间约为25分钟。固化温度为150。电池板原料玻璃,EVA,电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池等如图。西安文理学院本科毕业设计(论文)第10页图25太阳能电池板修边层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边,所以层压完毕应将其切除。装框类似与给玻璃装一个镜框;给玻璃组件装铝框,增加组件的强度,进一步的密封电池组件,延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。焊接接线盒在组件背面引线处焊接一个盒子,以利于电池与其他设备或电池间的连接。高压测试高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压,测试组件的耐压性和绝缘强度,以保证组件在恶劣的自然条件(雷击等)下不被损坏。组件测试测试的目的是对电池的输出功率进行标定,测试其输出特性,确定组件的质量等级。目前主要就是模拟太阳光的测试STANDARDTESTCONDITION(STC),一般一块电池板所需的测试时间在78秒左右。235太阳能电池阵列设计步骤(1)计算负载24H消耗容量P(式21)VHV负载额定电源(2)选定每天日照时数TH(3)计算太阳能阵列工作电流(式22)TQPI1Q按阴雨期富余系数,Q021100西安文理学院本科毕业设计(论文)第11页(4)确定蓄电池浮充电压VF镉镍和铅酸蓄电池的单体浮充电压分别为1416V和22V。(5)太阳能电池温度补偿电压VT(式23)VFTV254301(6)计算太阳能电池阵列工作电压VP(式24)DP其中VD0507约等于VF(7)太阳电池阵列输出功率平板式太阳能电板。(式25)UIW(8)根据VP、WP在硅电池平板组合系列表格,确定标准规格的串联块数和并联组数。图26太阳能电池阵列西安文理学院本科毕业设计(论文)第12页第3章太阳能光伏发电系统设计31太阳能光伏发电系统工作原理光伏发电系统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,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。光伏发电系统的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。32系统设计地点概况西安地处中国西北东部关中平原中部,位于东经1074010949和北纬33393444之间。年平均日照1377小时,平均日照时间4小时。根据实际状况设计小户型独立太阳能发电系统。33系统设计要求331负载需求21寸100W彩电一台,工作时间3小时实验时用15W节能灯代替;15W节能灯泡一个,工作时间6小时332参数要求蓄能天数为3天,蓄电池放电深度在电池使用过程中,电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系,当二次电池的放电深度越深,其充电寿命就越短,因此在使用时应尽量避免深度放电。一般范围在5080左右,选取50。转换效率转换效率就是电源的输入功率与输出功率的比值即电源转换西安文理学院本科毕业设计(论文)第13页效率电源为主机提供的即时输出功率/输入电源的即时功率100。要求在85左右。线损线损指的是以热能形式散发的能量损失,即为电阻、电导消耗的有功功率,在5左右。34太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。321蓄电池一般为铅酸电池,一般有12V和24V这两种,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。蓄电池组容积计算蓄电池的容积是根据系统日用电量蓄能的天数及蓄电池放电的深度来确定的,其计算公式为(式31)12EDOLC式中L系统日耗电量,单位KWH;D估计最多无风无光照的天数,或要求的蓄能天数;DOD蓄电池的最大放电深度,约5080E1系统能量转换率,约8090E2电力传输损失,约5。由此计算出C1003WH,若选择12V的标称电压铅酸蓄电池单体,串联成24V电池蓄电池组,根据电池组容量安时数等于所需瓦时除以电池组电压,得电池组的容量为(式32)AH8412034所以采用汤浅LCPA2412蓄电池,由2块24AH/12V蓄电池两两串联成此蓄电池组。西安文理学院本科毕业设计(论文)第14页图31免维护太阳能蓄电池表31汤浅LCPA2412蓄电池参数项目参数及相关信息型号LCPA2412额定电压(V)12额定容量10小时(AH)24外形尺寸(MM)175165126最大充电电流025C10充电时间48H温度参数5MV/CELL322太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。控制器选择由于系统日耗电L为135WH,根据当地平均日照时间为4H,可以得出太阳能电池板需要的时均总功率为(式33)WP75341总根据太阳能电池对太阳光的转换效率90,控制器和逆变器的转换效率为75,得出太阳能电池板的功率为西安文理学院本科毕业设计(论文)第15页(式34)AIWP1245050793板板由于蓄电池采用串联,又依据上述计算结果,所以选择24V/5A的GH5A控制器。图32GH5A控制器面板表32GH5A控制器参数项目参数及相关信息总额定工作电流5A总额定负载电流5A系统电压24V过载、短路保护125倍额定电流60S,15倍额定电流5S时过载保护动作,3倍额定电流短路保护动作空载损耗5MA工作温度3565充电回路压降026V放电回路压降015V西安文理学院本科毕业设计(论文)第16页323逆变器在很多场合,都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DCAC逆变器。在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DCDC逆变器,如将24VDC的电能转换成5VDC的电能(注意,不是简单的降压)。根据负载实况,要求计算出负载总功率为(式35)WP3015负由于负载的总功率大于逆变器总功率的80时,逆变器会发热过度,从而减少逆变器的使用寿命,所以选择逆变器时需要考虑其损耗率,则逆变器的功率计算如下(式36)P53780逆所以选用50W逆变器合适,型号源太尔TEH50W。表33源太尔TEH50逆变器参数项目参数及相关信息型号TEH50输出电压波形正弦波输入电压范围915V输出电压范围180240V输出功率50W西安文理学院本科毕业设计(论文)第17页图33太阳能逆变器344太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。图34太阳能电池板太阳能电池方阵的计算太阳能电池组件是太阳能供电系统工作的基础,它的功能是将太阳能辐射西安文理学院本科毕业设计(论文)第18页转化为电能,其光电转换效率决定了供电系统的工作效率,所以光电转换效率是选择太阳能电池组件需要考虑的一个重要参数。目前,太阳能电池主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅3种。其中单晶硅电池板的光电转换率为1520以上,最高可以达到24,使用寿命一般为15年左右,最高可达到25年。多晶硅电池板的光电转换率为12,非晶硅约为10,综合考虑,本系统的太阳能电池组件采用单晶硅太阳能电池。计算得到太阳能电池板的功率为50W,本研究可以选择总功率为50W的太阳能组件,为此选择用长沙光合太阳能有限公司生产的50W单晶硅太阳能电池标准组件,单晶硅的转换效率为16。安装倾斜角与场地纬度一致是理想的,或者根据公式(式37)(倾129018Q其中表示正午十二时太阳高度,需要知道具体的实验时间才能确定。12Q表3450W单晶硅太阳能电池标准组件参数项目参数及相关信息工作电压176V工作电流28A开路电压216V短路电压334V外形尺寸65054030MM图35太阳能电池板西安文理学院本科毕业设计(论文)第19页35系统组装经过数据的计算处理,可以得出实验需要的太阳能光伏发电系统组件的具体参数,再经过参数可以选定符合系统要求的实物器件。将各种器件按照搭配循序组合起来便成了我们实验所需的太阳能光伏发电系统。图36太阳能光伏发电系统图37光伏发电与汽车的结合西安文理学院本科毕业设计(论文)第20页36太阳能光伏发电系统的发电方式太阳能发电方式太阳能发电有两种方式,一种是光热电转换方式,另一种是光电直接转换方式。(1)光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程;后一个过程是热电转换过程,与普通的火力发电一样太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元,平均1KW的投资为20002500美元。因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。(2)光电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的太阳能光伏发电方式有两种方式,一种是光热电转换方式,另一种是光电直接转换方式。本文研究的是光电直接转换方式。西安文理学院本科毕业设计(论文)第21页37太阳能光伏发电系统对逆变电源的要求采用交流电力输出的光伏发电系统,由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器电源四部分组成(并网发电系统一般可省去蓄电池),而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高(1)要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高,为了最大限度地利用太阳电池,提高系统效率,必须设法提高逆变电源的效率。(2)要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区,许多电站无人值守和维护,这就要求逆变电源具有合理的电路结构,严格的元器件筛选,并要求逆变电源具备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热,过载保护等。(3)要求直流输入电压有较宽的适应范围,由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化,蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用,但由于蓄电西安文理学院本科毕业设计(论文)第22页池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动,特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大,如蓄电池,其端电压可在之间变化,这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作,并保证交流输出电压的稳定。(4)在中、大容量的光伏发电系统中,逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中,若采用方波供电,则输出将含有较多的谐波分量,高次谐波将产生附加损耗,许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备,这些设备对电网品质有较高的外,当中、大容量的光伏发电系统并网运行时,为避免铎公共电网的电力污染,也要求逆变电源输出正弦波电流。西安文理学院本科毕业设计(论文)第23页第四章监测系统设计针对太阳能发电系统的数据可知,整个系统中寻在的可监测量只有电流和电压信号(其中太阳能电池发电电流为直流电,经过了逆变器的电流为交流电)。另外考虑到系统外的影响因素主要为温度、太阳辐射量等。因此此监测系统主要设计理念为监测全电路电流电压的变化,监测影响系统的环境因素的变化。在实验时看理论计算值是否能带起实际设备。如果实验成功的话看是否还有改进的空间,如果不成功的话从各监测电路看问题具体出现在哪里。考虑到系统的简易性和方便性,实验设备主要采用电流变送器、电压变送器、数据采集卡等。由于蓄电池组是采用的两个12V串联成的24V电源,故其他元器件因以此为标准来选择。输出信号统一采取05V的标准输出信号,但是直流电流因其充放电过程具有正负性,所以采用55V的输出信号。41电压变送器411工作原理电压变送器是一种将被测交流电压、直流电压、脉冲电压转换成接线性比例输出直流电压或直流电流并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。采用普遍传感器电压电流信号,输入电压信号05V/010V/15V3、输出电流信号010MA、020MA、420MA4、输出电压信号05VDC、010VDC、15VDC。分直流电压变送器和交流电压变送器,能将被测交流电流(交流电压)转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器,广泛应用于电力、邮电、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等部门的电气装置、自动控制以及调度系统。412性能优点(1)不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响,传输线可用非常便宜的更细的双绞线导线;(2)在电流源输出电阻足够大时,经磁场耦合感应到导线环路内的电压,不会产生显著影响,因为干扰源引起的电流极小,一般利用双绞线就能抵抗降低干扰;(3)电容性干扰会导致接收器电阻有关误差,对于420MA两线制环路,接收器电阻通常为250取样UOUT15V这个电阻小到不足以产生显著误差,因此,可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远;(4)各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行西安文理学院本科毕业设计(论文)第24页换接,不因电线长度的不等造成精度的差异;(5)将4MA用于零电平,使判断开路或传感器损坏0MA状态十分方便;(6)在两线输出口容易增设防浪涌和防雷器件,有利于安全防雷防爆。413电压变送器的选择(1)直流电压变送器根据要求选用上海鸿引JD194BS4I型交流电压变送器。被测的电压信号转换成隔离的直流电压信号输出,输出信号与测量信号成线性关系;变送输出信号有05V;辅助电源为DC24V;可选RS485通信接口;釆用标准MODBUSRTU协议,提供上位机软件;可选显示模块,用于测显参数的显示;变送器釆用标准35MM导轨安装方式。(2)交流电压变送器根据要求选用上海鸿引JD194BS4U型交流电压变送器。被测的电压信号转换成隔离的直流电压信号输出,输出信号与测量信号成线性关系;变送输出信号有05V;辅助电源为DC24V;可选RS485通信接口;釆用标准MODBUSRTU协议,提供上位机软件;可选显示模块,用于测显参数的显示;变送器釆用标准35MM导轨安装方式。图41电压变送器西安文理学院本科毕业设计(论文)第25页42电流变送器421工作原理电流变送器可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420MA(通过250电阻转换DC15V或通过500电阻转换DC210V)恒流环标准信号,连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。电流变送器原副边高度绝缘隔离,两线制输出接线,辅助工作电源24V与输出信号线DC420MA共用,具有精度高,体积小、功耗小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能,两线端口防感应雷能力强,具有雷击波和突波的保护能力等优点。特别适用发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、路灯等负载电流的智能监控系统;电流变送器超低功耗,单只静态时0096W,满量程功耗为048W,输出电流内部限制功耗为06W。422性能优点(1)不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响,传输线可用非常便宜的更细的双绞线导线;(2)在电流源输出电阻足够大时,经磁场耦合感应到导线环路内的电压,不会产生显著影响,因为干扰源引起的电流极小,一般利用双绞线就能抵抗降低干扰;(3)电容性干扰会导致接收器电阻有关误差,对于420MA两线制环路,接收器电阻通常为250取样UOUT15V这个电阻小到不足以产生显著误差,因此,可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远;(4)各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接,不因电线长度的不等造成精度的差异;(5)将4MA用于零电平,使判断开路或传感器损坏0MA状态十分方便;(6)在两线输出口容易增设防浪涌和防雷器件,有利于安全防雷防爆。423电流变送器选择(1)直流电流变送器根据要求选用上海鸿引HY194BS5U型直流电流变送器。被测的电压信号转换成隔离的直流电压信号输出,输出信号与测量信号成线性关系;变送输出信号有55V;辅助电源为DC24V;可选RS485通信接口;釆用标准MODBUSRTU协议,提供上位机软件;可选显示模块,用于测显参数的显示;变送器釆用标准35MM导轨安装方式。西安文理学院本科毕业设计(论文)第26页(2)交流电流变送器根据要求选用上海鸿引HY194BS4I型交流电流变送器。被测的电压信号转换成隔离的直流电压信号输出,输出信号与测量信号成线性关系;变送输出信号有05V;辅助电源为DC24V;可选RS485通信接口;釆用标准MODBUSRTU协议,提供上位机软件;可选显示模块,用于测显参数的显示;变送器釆用标准35MM导轨安装方式。图42电流变送器43数据采集卡431工作原理数据采集DAQ,是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集卡,即实现数据采集DAQ功能的计算机扩展卡,可以通过USB、PXI、PCI、PCIEXPRESS、火线1394、PCMCIA、ISA、COMPACTFLASH、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。432技术参数(1)通道数就是板卡可以采集几路的信号,分为单端和差分。常用的有单端32路/差分16路、单端16/差分8路;(2)采样频率单位时间采集的数据点数,与AD芯片的转换一个点所需时间有关,例如AD转换一个点需要T10US,则其采样频率F1/T为100K,即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫兹(HZ),常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等;西安文理学院本科毕业设计(论文)第27页(3)缓存的区别及它的作用主要用来存储AD芯片转换后的数据。有缓存可以设置采样频率,没有则不可以。缓存有RAM和FIFO两种FIFO应用在数据采集卡上,主要用来存储AD芯片转换后的数据。做数据缓冲,存储量不大,速度快,RAM是随机存取内存的简称。一般用于高速采集卡,存储量大,速度较慢;(4)分辨率采样数据最低位所代表的模拟量的值,常有12位、14位、16位等,(12位分辨率,电压5000MV)12位所能表示的数据量为4096(2的12次方),即5000MV电压量程内可以表示4096个电压值,单位增量为(5000MV)/4096122MV;(5)精度测量值和真实值之间的误差,标称数据采集卡的测量准确程度,一般用满量程FSR,FULLSCALERANGE的百分比表示,常见的如005FSR、01FSR等,如满量程范围为010V,其精度为01FSR,则代表测量所得到的数值和真实值之间的差距在10MV以内;(6)量程输入信号的幅度,常用有5V、10V、05V、010V,要求输入信号在量程内进行;(7)增益输入信号的放大倍数,分为程控增益和硬件增益,通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大。由两种型号PGA2021、10、100、1000和PGA2031、2、4、8的增益芯片;(8)触发可分为内触发和外触发两种,指定启动AD转换方式。433数据采集卡的选择数据采集,是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。在数据采集系统中,因为采集卡的信号输入范围为05V,所以通过电压变送器和电流变送器,把发电系统的发电电压和发电电流都转换为05V的电压信号。将转换好的05V信号输入数据采集卡,然后采集数据输入计算机,然后进行分析处理。根据要求,选取数据采集卡的信息如下表41MPS010601型数据采集卡参数项目参数及相关信息产品型号MPS010601生产厂家莫非电子模拟输入通道2路差分(同步)、4路差分(多路扫描)、8路差分(多路扫描)输入端口耐压5V西安文理学院本科毕业设计(论文)第28页模拟输入量程75V模拟输入阻抗30K分辨率12BIT最大总误差100传感器腔与接线盒间应用填充材料隔离,防止接线盒温度过高烧坏变送器。在干扰严重的情况下使用传感器,外壳应牢固接地避免干扰,电源及信号输出应采用10屏蔽电缆传输,压线螺母应旋紧以保证气密性。只有RWB型温度变送器有010MA输出,为三线制,在量程
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