W无线基站太阳能供电电源设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 光伏发电技术光伏发电技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 60W60W无线基站太阳能供电电源设计无线基站太阳能供电电源设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2015.12.14-2015.12.252015.12.14-2015.12.25 本科生课程设计（论文） II 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：新能源学院 教研室： 电气教研室 学 号121806003学生姓名王星文专业班级 电气（光伏） 121 课程设计 （论文） 题目 60W60W无线基站太阳能供电电源设计无线基站太阳能供电电源设计 课程设计（论文）任务 无线基站工作时需要 24V 电源，其全部设备平均电流大约 3A，在野外无 市电的情况下，可通过太能发电提供电源，要求在连续阴天的情况下，可连续 工作 72 小时，设计此供电系统。 主要设计内容：主要设计内容： 1. 太阳能电池板设计及选择 2. 储能蓄电池设计及选择 3. 充放电控制电路设计 4. 工作状态指示电路设计 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 4 天 太阳能电池板设计及选择 第 5 天储能蓄电池设计及选择 第 6、7 天充放电控制电路设计 第 8 天 工作状态指示电路设计 第 9、10 天 设计说明书完成 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 注：成绩：平时40% 论文质量60% 以百分制计算 摘 要 随着人类社会的不断发展，传统能源被不断的消耗，同时也带来了严重的环 境问题。为了减少环境的污染，保证能源的可持续利用，就必须改变现有的能源 结构，重视新能源的开发和利用。从长远发展的角度看，可再生资源是人类未来 的主要能源来源，因此，世界上很多国家都开始重视太阳能等新能源的开发利用。 在这些可再生资源中，光伏发电的发展速度最快，而太阳能光伏发电已经成为可 再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。 世界各国都非常重视太阳能光伏产业的发展，我国拥有丰富的太阳能资源， 对太阳能的开采具有很大的优势，因此，太阳能光伏发电成为我国开发新能源的 重要内容。太阳能作为一种新型的可再生能源近年来得到了广泛的应用，光伏并 网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。本文分析光伏发电在普通家庭的 应用要求，提出了一种基于家庭用户需求的光伏发电解决方案，并进行实验测试 和验证。并以传统的独立太阳能光伏发电技术为基础，研究和设计了并网型太阳 光伏发电控制系统。 关键词：关键词：太阳能；光伏发电；并网；逆变器太阳能；光伏发电；并网；逆变器 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 光伏发电系统概况 1 1.2 本文研究内容 2 第 2 章 光伏发电装置总体结构设计 4 第 3 章 发电装置功能电路设计 7 3.1 太阳能电池板的选择 7 3.2 蓄电池参数计算及选择 9 3.3 充放电电路设计 .10 第 4 章 总结 .11 参考文献 12 附录 系统图 .13 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 1.1 光伏发电系统概况 太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力。人类赖 以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯 到人类起源时代。太阳能是人类得以生存和发展的最基础的能源形式，从现代科 技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。 太阳能光伏发电技术的开发始于 20 世纪 50 年代。随着全球能源形势趋紧，太阳 能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，于近年得到迅速发展，并首先在太 阳能资源丰富的国家，如德国和日本，得到了大面积的推广和应用。在国际市场 和国内政策的拉动下，中国的光伏产业逐渐兴起，并迅速成为后起之秀，涌现了 一大批优秀的光伏企业，带动了光伏发电产业的发展，中国光伏发电产业链正在 形成。 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。 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 本科生课程设计（论文） 1 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，1995-2005 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 6.3 倍，整个行业的销售收入有望增长 3.5 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。 1.2 本文研究内容 光伏发系统也称为孤立光伏系统。在光照条件比较好且负载需求量相对较大 的无电村镇、海岛，并且在几公里范围内用户相对集中的无电区域适宜建立独立 光伏电站，是解决无电问题的比较有效的途径。目前独立电站容量规模在几千瓦 到几百千瓦。电站由光伏电池板阵列、蓄电池和功率调节器、能量管理器、配电 和输电系统构成。发电系统白天完成对蓄电池的充电，同时也给家用电和工业用 电供电，进行家用工业需电作业；晚间完成对蓄电池的逆变放电控制，实现对负 载的供电。设计独立电站时，考虑蓄电池的合理使用时很重要的一个环节，尤其 本科生课程设计（论文） 2 是对于夜间用电或白天存在用电高比率的电动机类动负荷。 太阳能是指太阳光照所辐射的能量。目前太阳能的利用主要有光热转换、光 电转换和光化转换三种形式。太阳能光电转换又分为光热发电和光伏发电两种， 通常说的太阳能发电主要是指太阳能光伏发电。 太阳能光伏发电系统是利用半导体的光生伏特效应进行光电转换的发电系统， 其应用基本形式主要分为独立发电系统和并网发电系统两大类。应用领域主要集 中在航空航天、通信系统、微波中继站、无电缺电地区用户供电和市政照明工程 等。一般的太阳能光伏发电系统主要是由光伏电池组件，交直流逆变器、蓄电池 和光伏系统电池控制器组成。首先，通过光伏电池组件将太阳能转换为电能，其 次，再利用交直流逆变器将直流电转变成交流电，同时逆变器还可以自动稳定电 压，改善光伏发电系统的供电质量。利用蓄电池将电能存储起来，在需要的时候 在释放出来。充放电控制器则是可以防止太阳能光伏电源系统的储能蓄电池组过 充电和过放电的设备，它是光伏发电系统的核心部分组成。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 光伏发电装置总体结构设计 图 2.1 总体设计方案图 遥测系统测站均采用 12V（标称值）蓄电池供电，对电源的设计要求是: 电压：允许变幅 1020V。 电流：应能瞬间提供 1A 电流； 容量：用太阳能或交流电浮充蓄电池供电，应保证设备能长期可靠工作。 电池类别：采用大于 10Ah 的密封电池或固体电池。 水情自动测报系统的绝大多数站点都处在偏僻、交通不便、供电困难的地区， 有些甚至在高山上。这些地点大多没有交流电源，即使有但电源质量和可靠性都 很差，电压和周波极不稳定，停电频繁。因此，供电问题就成为水情自动测报系 统能否可靠运行的关键之一。 在水情自动测报系统中，常用的供电方式有三种: 蓄电池组供电蓄电池组供电 这种供电方式的优点是可以避免从交流电引入的工业干扰和雷电干扰,缺点是 要定期充电和维护，加大了维护人员的工作量。 蓄电池组供电，交流浮充的供电方式蓄电池组供电，交流浮充的供电方式 这种供电方式只要较小的蓄电池组，就可以使功耗较大的中继站长期运行。 对无交流电的站点，如架设线路的投资太大，一般不采用这种方式.有些站点交流 太阳能 蓄电池 测报终端 本科生课程设计（论文） 4 供电不正常，交流电网辐射面广，遭雷击的概率高，容易损坏系统设备，需要采 取一定的防雷措施。对于耗电比较小的遥测站，相对于其他方式，其投资较大。 所以这种供电方式目前已很少在比较偏僻的遥测站使用。对耗电比较大的卫星遥 测站和中继站，可采用这种方式。 蓄电池组供电、太阳能电池浮充的供电方式蓄电池组供电、太阳能电池浮充的供电方式 这种供电方式只要经过合理的设计，都可以保证站点的不间断运行。它避免 了从电源上引入的各种工业干扰和雷击干扰。目前，水情自动测报系统中的遥测 站大都采用这种供电方式。 采用上述电池浮充供电方式时，蓄电池的性能是关键。在各种蓄电池中，性 能最优者属碱性蓄电池，它的低温特性和过量充电性能较好，自动放电小，但价 格较高，容量不大，一般的非密封酸性蓄电池电解液容易挥发，不宜在水情监测 系统中使用。免维护密封酸性蓄电池具有良好的性能价格比，故目前使用较多。 根据我们长期从事水情监测系统设计的经验，通过经费核算及考虑防雷要求， 遥测站使用太阳能电池和蓄电池组合的浮充供电系统。铅酸全密封酸性蓄电池具 有良好的低温特性和充电特性，而且免维护，因而遥测设备用它供电是理想的， 为保证最长连续无日照期间也能供电，必须选择蓄电池的容量。在本系统中采用 胶状电解质全密封免维护铅酸蓄电池作为系统的直流电源。 太阳能移动电源系统控制电路的设计思想，从负载锂离子二次电池的恒流/ 恒压充电控制出发，同时配有锂离子蓄电池。当在户外无 220V 交流电时采用太 阳能对负载锂离子直接充电同时对锂离子蓄电池充电；当阴雨天天气或夜晚等阳 光不足时，采用配置的锂离子蓄电池对负载锂离子电池充电，以保证任何情况下 不间断。即系统的设计以太阳能充电为主，在有足够的阳光且蓄电池又有足够供 电能力的情况下，系统能够以太阳能充电为主给负载充电，在无阳光或阳光弱时， 以蓄电池充电为主给负载充电，太阳能为便携式电子设备补电。 为了与负载锂离子二次电池充电电路相匹配，系统的蓄电池也采用锂离子蓄 本科生课程设计（论文） 5 外接市电 充电电路 太阳能板 充电电路 保护电 路 内部蓄电 池 负载充 电电路 电池。锂离子二次电池的容量是一般负载电池的 2-3 倍，这里选择 3.7V、容量 为 5000mA 的锂电池。2由于锂离子二次电池本身不允许过放电，因此系统中设 计了保护电路以避免蓄电池深度过放电造成自身永久性伤害。蓄电池的充放电转 换可通过开关按键切换，这可遵从系统的充放电指示来实行。在系统无放电指示 时，只要按下按键，系统立即切断放电电路启动充电电路，蓄电池充电；若负载 同时也需要充电时，只要接上负载并切换开关，就能切换充电电路给负载充电。 系统又配备了外接稳压电源输入端口，在无阳光而蓄电池又无足够容量时，外接 交流电源能向负载充电，同时为了以防万一，在外出前可利用外接电源通过该端 口给蓄电池充电，这样就保证阴雨天外出携式电子设备也能正常工作。 太阳能移动电源系统的控制电路结构如图 2.2 所示： 图 2.2 太阳能移动电源系统的控制电路 结构 其中，外接市电充电电路可通过适配器和 CN3068 芯片对内部蓄电池进行恒 流和恒压充电；太阳能充电电路主要通过太阳能电池板和 MC34063 对电池充电， 由于太阳能板的电压随光强的变化较大，因此采用 MC34063 芯片，这样可以选用 较大电压的太阳能板，通过 MC34063 降压的同时也起到了稳压的作用；手机充电 本科生课程设计（论文） 6 电路也使用 MC34063，既能升压又能稳压，而且还能防过充；保护电路则使用 UCC3952，对内部蓄电池起到了过电压、过电流、过放电、短路保护等。 第 3 章 发电装置功能电路设计 3.1 太阳能电池板的选择 硅太阳能电池是将光能直接转换成电能的半导体器件。具有体积小、可靠性 高、寿命长、无环境污染、使用维护方便等特点。它可以单独使用,也可以多个连 接起来组成在方阵使用，与蓄电池配合可作为直流电源供昼夜、阴雨天连续使用。 水文遥测系统中使用极为广泛。 硅太阳能电池按制造工艺的不同主要分为单晶硅和非晶硅太阳能电池： 非晶硅太阳能电池组合板是应用克罗拉标准工艺在玻璃基板上沉积制成的非 晶薄膜器件。其外部采用玻璃密封保护。由于其生产技术和工艺特点，成本较低。 深圳宇康太阳能有限公司生产的非晶硅太阳能电池虽然价格低，但结构不牢固， 无安装支架，使用很不方便。而且使用寿命短也比单晶硅太阳能电池短。 单晶硅太阳能电池是利用 P-N 结的光生伏特效应将太阳能直接转换成电能的 一种半导体器件。根据工作电压和工作电流的需要可将单晶硅太阳能电池串联或 并联成组合板并加以封装。这种太阳能电池结构牢固，其使用寿命长达二十年以 上。是一种理想的永久性可再生能源，非常适合在水文遥测系统中使用。 对单晶硅太阳能电池而言，常用的充 12V 电池的太阳能电池的最大功率 （Pm）点的电压 VOC 为 16.8V，因此 1W 的太阳能电池的 ISC 为 60mA。由于 本科生课程设计（论文） 7 12V 蓄电池的工作电压 12.5V，太阳能电池充电电流一般为 70mA 左右。 太阳能供电系统主要由硅太阳能电池方阵、充电控制器、蓄电池组以及防反 充二极管组成。 锂电池可以接受的最大充电电流通常是 1C 甚至更小，所谓 1C 充电率指以容 量的 1 倍率电流来充电，充电时间为 1 小时。 实际上，要想电池寿命长，基本上 是以 0.30.5C 充电 42H。 充电电流： 5000mAh0.5C2.5A 太阳能电池板功率： 2.5A3.7V7013w 所以选用 15w 左右的单晶硅太阳能板， 采用的单晶硅太阳能电池片转换效 率高 采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。 功率公差范围(保证输 出功率在-3+3%的正负公差范围内。 太阳电池方阵由一个或多个太阳能电池组件构成。如果组件不止一个，组件 的电流和电压应基本一致，以减少串、并联组合损失。 依据系统安装地的太阳能辐射参数和负载的特性，确定太阳能电池方阵的总 功率；依据所设计系统电压电流要求，确定太阳能电池方阵串并联的组件数量。 现在以系统安装地每日有效日照时间为 6 小时计算，再考虑到充电效率和充 电过程和逆变过程中的损耗，来计算太阳能电池板的输出功率。 系统每天 24 小时连续工作，功率平均为 90W，则每天消耗的额定电量为 90W*24 小时2160WH 考虑到系统中有充电控制和逆变控制的功率器件的损耗，取 0.9 为逆变效率 参数值计算，则每天需要太阳能电池板提供的总电量应该为 本科生课程设计（论文） 8 2160WH/0.91944WH 太阳能电池在实际充电过程中，会受到各种天气原因的影响，太阳能电池的 实际功率因数一般按 0.7 计算，按每天有效日照时间是 6 小时计算需要太阳能电 池板的总功率是 1944WH/6 小时/0.7462.86W 所以太阳能电池板设计为 500W，采用 12V100W 电池板 5 块并联安装。 3.2 蓄电池参数计算及选择 假设用电设备的平均功耗为 90w，整套系统采用 12V 直流蓄电系统逆变成交 流 220 伏供电，那么系统每天消耗的电量为： 90 瓦/12 伏24 小时=180（AH） 设蓄电池组容量能满足整个系统在阴雨天气连续工作 3 天，则蓄电池组容量 最小为： 180AH3 天=540（AH） 虽然电池的标称容量就是其额定放电容量，太阳能系统用蓄电池最佳选择为 深循环型免维护铅酸蓄电池，一般情况下放电深度在 50-80系统可靠性最好。 我们仅按 50%的放电深度来设计，以便有一定的富裕量，则设计的蓄电池总容量 为： 540AH/0.5 = 1080 AH 这样，蓄电池组的总容量就计算出来了，需要 1200AH 的容量才能达到系统 连续 24 小时运行有 3 天连续阴雨天也能正常运行的供电要求，蓄电池组两端电 压是 DC12V,蓄电池组的最佳组合应该是: 2V1200AH 蓄电池 6 只串联安装。 本科生课程设计（论文） 9 3.3 充放电电路设计 由于光照强度的变化，太阳能电池板的电压是不断变化的，其内阻又比较高， 因此其输出电流也小，这就需要一个直流变换电路变压后为电池充电。为了使太 阳能移动电源能在较长的时间范围内工作，则应选择电压较大的太阳能电池板 （工作范围5-7V）。然而，内部锂电池的充电限制电压为4.2V。因此，为了能够 安全的为内部锂电池充电，选用 MC34063作为太阳能充电电路，通过 MC34063降 压的同时也起到了稳压的作用。 图3.1 太阳能充电电路 该电路的输入电压在 5-7V 之间，要求输出电压为 4.2V，输出电流为 500mA。 本科生课程设计（论文） 10 黄色发光二极管 LED3 用来显示太阳能板是否有电压，并能根据其明暗程度 来判断太阳能板的电压大小，要求发光二极管的电流不超过 30mA,那么限流电阻 R3 的大小为：R3=（57）V/30mA，取 R3=300 欧。 本科生课程设计（论文） 11 第 4 章 总结 随着煤炭、石油和天然气等化石燃料迅速消耗，以及由此带来的能源危机与 环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁、安全可靠 的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，是理想的可 再生能源。20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得 了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认 为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。太阳能光伏发电系统的研究对于 缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。 本文通过对太阳能光伏发电系统原理及应用的研究，让我更加深刻的认识到 发展利用可再生能源是当今世界必须要走的能源之路。只有这样才能最大限度的 降低环境污染，从而保卫我们生存的地球。光是一种清洁、可再生能 源，并且太阳能资源在我国广泛分布。由于我国是一个能源消耗大国，并且 人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持 能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。 同时，在研究这个论题时，也让我更加深刻的理解事物的发展是存在两面性 的。在太阳能开发利用的同时，还存在许多的技术难关，还 有环境是否也会遭 到破坏！这些问题是每个人都要想的。在此同时，也希望开发利用太阳能的技术 越来越完善。 本科生课程设计（论文） 12 参考文献 1 李富生，周逢权，李燕斌.微电网技术及工程应用. 北京:中国电力出版社. 2011. 2 王成山，肖朝霞，王守相. 微电网综合控制与分析J . 电力系统自动化. 2008,32( 7): 98-103. 3 GIRGIS A ，BRAHMA S. Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution systemC/ Large Engineering Systems Conference on Power Engineering. Halifax, Canada, 2001 :115-119. 4 罗玉峰，陈裕先，李 玲.太阳能光伏发电技术.江西:高校出版社.2009. 5 朱小同，赵桂先.蓄电池快速充电的原理与实践.北京:煤炭工业出版社.2010. 6 杨贵恒，强生泽，张颖超，邓勇:太阳能光伏发电系统及其应用.化学工业 出版社.2011. 7 冯垛生，王飞:太阳能光伏发电技术图解指南.人民邮电出版社.2011. 8 张兴，曹仁贤:太阳能并网发电及其逆变控制.机械工业出版社.2011. 9 王长贵，王斯成:太阳能光伏发电实用技术.化学工业