（机械设计及理论专业论文）太阳能光伏充电系统的匹配特性研究与设计.pdf

太阳能光伏充电系统的匹配特一l 生研究与设计 摘要 本文以全年断电小时数为零，损失电量最小为目标，设计了一套太阳 能光伏充电系统匹配分析软件，并运用该软件为广州某地提出了一套太阳 能光伏充电系统设计方案。 主要工作内容如下： 一、建立太阳能光伏充电系统各部分的数学模型：倾斜面上的小时太 阳能辐射值数学模型、手动调节倾斜角的最佳倾角计算模型、方阵发电量 模型、蓄电池状态模型和负载小时用电量模型。 二、以全年断电小时数为零、全年损失电量最小为目标，对太阳能光 伏充电系统进行匹配分析，并编写了太阳能光伏充电系统匹配分析软件。 三、通过对所设计软件的运用和计算机辅助设计，为广州某地提出一 套完整的太阳能光伏充电系统设计方案并对其投资情况进行了初步分析。 取得的成果如下： 一、按照本文匹配分析软件进行系统容量设计比传统的按照太阳能年 辐射量计算更加准确，误差更小。 二、所设计的匹配分析软件能根据输入的当地地理气象资料及太阳能 电池组件、储能用蓄电池和待充电蓄电池的参数等，进行匹配分析，给出 系统所需太阳能电池组件及储能用蓄电池的串并联方式和所用数量，以及 全年各月方阵倾斜角，便于快速准确的进行太阳能光伏充电系统的设计。 三、为广州某地，按照本文的最佳倾斜角计算模型，计算得到的年! 射量比最佳固定倾斜角模型增幅为3 1 8 ，表明本文的最佳倾斜角计算： 型，对于提高整体光伏系统的发电效率有一定作用。 关键词：光伏充电匹配分析倾斜角度方阵支架 t h es o l a rp h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e m m a t c hc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ha n dt h ed e s i g n a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k et h ew h o l ey e a rp o w e rf a i l u r eh o u r a g ea st h ez e r o ，t h e s m a l l e s ta n n u a ll o s so fe l e c t r i cq u a n t i t ya st h eg o a l ，c o m p i l e das e to fs o l a r p h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e mm a t c h i n ga n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dp r o p o s e das e t o fs o l a rp h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e md e s i g np l a nf o rg u a n g z h o ub yu s i n gt h i s s o f t w a r e t h em a i nw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fe a c hp a r to fs o l a rp h o t o v o l t a i cc h a r g i n g s y s t e mw e r ec o n s t r u c t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n c l i n e dp l a n eh o u rs o l a r e n e r g yr a d i a t i o nv a l u e ，t h eo p t i m u ma n g l ec o m p u t a t i o nm o d e lo f m a n u a la d j u s t t i l ta n g l ea r r a ys t e n t ，t h eg e n e r a t e de n e r g ym o d e lo fa r r a y , t h ea c c u m u l a t o rc e l l c o n d i t i o nm o d e la n dt h el o a dh o u r e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nm o d e lw e r e e s t a b l i s h e d s e c o n d ，t a k et h ew h o l ey e a rp o w e rf a i l u r eh o u r a g ea st h ez e r o ，t h es m a l l e s t a n n u a ll o s so fe l e c t r i cq u a n t i t ya st h eg o a l ，c a r r yo nt h ec a t c ha n a l y s i so f s o l a r p h o t o v o l t a i c c h a r g i n gs y s t e m t h em a t c h i n ga n a l y s i s s o f t w a r eo fs o l a r i i l p h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e mi sa ls oc o m p i l e d t h i r d ，b yu s i n gt h i ss o f t w a r ea n dc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，p r o p o s e das e to f s o l a rp h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e md e s i g np l a nf o rg u a n g z h o u ，a n dc a r r i e do n t h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i st ot h ei n v e s t m e n tc o s t t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h es y s t e mc a p a c i t yc a r r i e do u ti na c c o r d a n c ew i t ht h es o f t w a r ei s m o r ea c c u r a t ea n dl e s se r r o rt h a ni ti na c c o r d a n c ew i t ht h ew h o l ey e a rs o l a r r a d i a t i o n s e c o n d ，b yi n p u t t i n gt h e l o c a lg e o g r a p h ym e t e o r o l o g i c a ld a t aa n dt h e p a r a m e t e ro ft h es o l a rc e l lm o d u l e ，t h es t o r a g e e n e r g ya c c u m u l a t o rc e l la n dt h e l o a da c c u m u l a t o rc e l l ，c a r r i e so nt h em a t c h i n ga n a l y s i s ，t h ec o n n e c t i n gw a ya n d t h eq u a n t i t yo ft h es o l a rc e l lm o d u l ea n dt h es t o r a g e e n e r g y , t h ea r r a ys t e n tt i l t a n g l eo fe a c hm o n t h ，c o u l db ec o m p u t e dq u i c k l y t h es o f t w a r ei sa d v a n t a g e o u s f o rt h ef a s ta c c u r a t ed e s i g nc a r r i e so nt h es o l a rp h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e m t h i r d ，t h ew h o l ey e a rs o l a rr a d i a t i o nc o m p u t e db yt h eb e s t a n g l e c o m p u t a t i o nm o d e lo ft h i sd i s s e r t a t i o ni si n c r e a s e db y3 18 t oi tc o m p u t e db y t h ef i x e db e s ta n g l e ，i ng u a n g z h o u i ti n d i c a t et h a tt h eb e s ta n g l ec o m p u t a t i o n m o d e lo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sh e l p f u li ne n h a n c i n gt h eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e s o l a rp h o t o v o l t a i cc h a r g i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cc h a r g i n g ；m a t c h i n ga n a l y s i s ；t i l ta n g l e ；a r r a ys t e n t i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 论文作者签名： 夸建惠、 2o oc 年占月2 , 2 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： | 】时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：牵建忠导师签名夕专渤b ( 年6 月2 2 日 厂西大掌硕士学位论文 太阳冀芝光伏充电系统的匹配特性研究与设雪5 - 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着我国工业化进程的不断向前推进，经济的持续高速发展，能源需求量的高速增 长将成为国家面临的巨大挑战。人类的经济活动与能源消费具有同步作用。能量以电的 形式出现，是现代社会文明的重要标志。一方面是因为电能本身所具有的无比优越性： 适宜于大量生产、远距离运输、便于管理及控制、使用时安全可靠等等。另一方面是电 力拖动技术的发展，使得电能在终端能源中的比例不断提高。所以，人们都是尽可能的 把其他形式的能量转换成电能。但是，随着电能的高利用率，也出现了些问题。一方面 是，用于发电的传统一次能源储量有限，根据目前所探明的储量和消费量计算，石油可 用4 5 年，天然气可用6 4 年，煤可用2 0 0 年左右【。根据1 9 9 9 年政府白皮书估计，目前 我国石油剩余可采储量为3 2 7 3 6 亿吨，可供开采2 0 年；天然气剩余可采储量1 1 7 0 4 亿 立方米，可供开采6 0 年：煤炭剩余可采储量为1 1 4 5 亿吨，可供开采不足百年【2 j 。另一 方面，这些化石能源的开采与利用造成了很严重的污染，如温室效应、酸雨、土壤酸碱 化等，严重影响了人类的生存环境。如何在开发利用新能源的同时，保护好环境已经成 为了一个世界性的问题。 针对以上情况开发利用绿色可再生能源来实现可持续发展是人类必须采取的措施。 目前正在研究的绿色可再生新能源有太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、潮汐 能等，从能源供应的诸多因素考虑，太阳能是最符合可持续发展战略的理想绿色能源之 一，全球能源专家认为，太阳能将成为2 l 世纪最重要的能源之一【3 l 。 1 2 太阳能光伏发电的特点 太阳能发电主要分为光热发电和光伏发电两种，其中太阳能光热发电是指将太阳能 聚集起来，加热工质，驱动汽轮发电机发电。太阳能光伏发电原理是基于半导体的光生 伏特效应将太阳辐射直接转换为由台f j 匕e , 【4 1 。太阳能光伏发电具有以下优点【5 】【6 】： 无任何电、声、机械噪音和废物等排放； 可以认为是无限资源，通过光生伏特原理能输出可供负载直接利用的电流，符合当 广西大学硕士掌位论文太阳鼻皂光伏充电系统的匹首己特性研究与设计 前的可持续发展战略； 不受地域限制，只要是能见到阳光的地方就可以用来发电，当然由于太阳辐射量随 地理条件的不同而不同； 发电系统组装及运输都方便快捷，便于满足边远地区用电需求； 对于小型太阳能发电，由于不需要连接电网，发电和用电都在同一地区，能够节省 大量费用。 正是因为太阳能光伏发电具有上述优势，近年来在世界范围内受到高度重视，发展 很快。 1 3 太阳能光伏发电的应用现状 上世纪7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多 国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮【7 1 。1 9 7 3 年，美国制定了政府级的阳光 发电计划。1 9 9 2 年美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。1 9 9 7 年又提出了“百万屋顶”计划，总光伏安装量已经达到3 0 0 0 m w 以上。日本在7 0 年代制 定了“阳光计划”，1 9 9 3 年将“月光计划”( 节能计划) 、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新 阳光计划”。1 9 9 0 年德国提出1 0 0 0 屋顶发电计划，1 9 9 5 年安装了光伏系统容量5 m w ， 1 9 9 6 年增加了一倍，达到了1 0 m w ，1 9 9 7 年在慕尼黑贸易展览中心安装了当时世界上 最大的屋顶并网光伏发电系统，容量为1 0 1 6 m w 。1 9 9 9 年1 月德国开始实施“1 0 万屋顶 计划”。欧盟在1 9 9 7 年1 1 月2 6 日发表了名为能源的未来：再生能源的欧盟战略与 行动白皮书，提出到2 0 1 0 年在欧盟范围内安装1 0 0 万套光伏发电系统，其中的5 0 万套 为屋顶并网光伏发电系统，需要光伏组件1 0 0 0 m w ，另外的5 0 万套是为农村供电的独 立光伏发电系统。国际光伏发电现在正由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合 供电方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。我国的太阳能光伏发电技术几 乎与世界同步【引，我国在1 9 5 8 年开始研制光伏电池，1 9 5 9 年第一块有实用价值的光伏 电池诞生了。1 9 7 1 年3 月首次将光伏电池作为科学试验卫星的电源，开始了光伏电池的 空间应用。1 9 8 2 年在甘肃榆中县建成了第一座1 0 k w 光伏电站，成功为2 0 0 多户居民 提供照明用电。1 9 9 8 年建成了中国通信史上难度最大的兰西拉光缆干线工程，其中有 2 6 个光缆通信站采用了光伏电池作电源，其海拔高度多在4 5 0 0 m 以上，光伏组件的总 2 广西大学硕士学位论文 太阳胄乏光伏充电系统的匹配特性研究与设计 功率达到1 0 0 k w 9 1 。目前，西藏自治区已建成近4 0 0 个县级、乡级光伏电站，成为我国 光伏电站、光伏电池总装机容量最大的省区。2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年间，我国已经为8 0 0 多个村 庄配备了太阳能发电设备，总装机容量为1 9 m w t l o 】。深圳国际园林花卉博览园i m w p 并网光伏电站由深圳市政府投资、北京科诺伟业公司承建，于2 0 0 4 年8 月在深圳国际 园林花卉博览园内建成发电，总投资为6 6 0 0 万元人民币。该电站填补了中国在兆瓦级 并网光伏项目设计和建设上的空白，成为了国内首座大型的兆瓦级并网光伏电站，也是 当时亚洲最大的并网太阳能光伏电站。该电站的建成对今后太阳能光伏发电系统在建筑 上的应用，以及设计、建设大型并网光伏电站都具有借鉴和参考意义，成为中国并网太 阳能发电的里程碑。 1 4 太阳能光伏充电系统概述 太阳能光伏充电系统是指利用太阳能电池将太阳辐射能直接转换为电能，在控制器 调控下通过充电器对待充电器件进行充电的系统。太阳能光伏充电系统中的核心部件是 太阳能电池。根据光伏系统与电网的关系，可以分为独立于电网的光伏系统和并网系统 u 1 1 。独立光伏系统的特点是：没有任何辅助电源，光伏发电系统是唯一电力来源，由于 太阳能光伏发电受日照、温度等气象条件的影响较大，而且通常负载的用电规律和太阳 日照时间不一致，所以系统中必须有蓄电池这样的储能元件。当太阳能电池的输出电能 不能满足负载要求时，由储能用蓄电池进行补充，而当太阳能电池的输出功率超过负载 需求时，就将电能储存在储能蓄电池中。并网系统的特点是：将太阳能光伏发电系统与 电网并联，当太阳能发电系统无法满足负载需求时，由电网进行补充，而当太阳能发电 系统的输出功率超过负载需求时，将多余电能送到电网中。 1 4 1 太阳能电池发电原理 太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电 4 , 1 2 , 1 3 1 。由半导体知识可知，硅原子最外层有4 个电子，硅原子外层的每个电子都占 有一定的位置，所以在纯硅晶体中没有任何自由电子。硼原予最外层只有3 个电子，硅 晶体中掺入杂质硼时，此时原来硅原子最外层1 个电子的位置就会变成1 个空穴，因为 没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成p ( p o s i t i v e ) 型半导体。同样， 磷原子最外层有5 个电子，硅晶体中掺入杂质磷时，此时磷原子周围的1 个电子就变得 广西大学硕士掌位论文 太阳冀邑光伏充电系统的匹首己特性研究与设计 异常活跃，容易失去电子，形成n ( n e g a t i v e ) 型半导体。p 型半导体和n 型半导体接 合后，由于载流子的浓度差，通过扩散运动，电子从n 型区向p 型区扩散，空穴从p 型区向n 型区扩散，如图1 1 所示。随着扩散运动的进行，在空间载荷区两侧的正负离 子逐渐增加，在接合面形成电势差，产生由n 型区指向p 型区的“内建电场 即p n 结， 如图1 2 所示。在内建电场的作用下，载流子产生与扩散运动方向相反的漂移运动。最 终，漂移运动和扩散运动达到动态平衡。 太阳光照射p n 结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，从而产生电 子一空穴对。在“内电场”的作用下，电子一空穴对还没来得及重新结合就被分离了，电 子向带正电的n 型区移动，而空穴向带负电的p 型区移动，在p n 结中形成电势差，外 部电路连接好就形成了电源，如图1 3 所示。 n 墅半导体 电子扩敖方向 0000 e9ee 0000 eee 9 p 型半导体n 犁半导 空穴扩敖方向 图1 1 扩散运动 f i g 1 1t h ep r o l i f e r a t i o no f s p o r t s n 型半导体 内建电场，j 向 p 型半导体 图1 - 2 内建电场 f i g 1 2b u i l t i ne l e c t r i cf i e l d p 型半导体 图1 3 光生伏特原理图 f i g 1 3p h o t o v o l t a i cv o l t ss c h e m a t i c 1 4 2 太阳能光伏充电系统的基本组成 1 。太阳能电池【1 4 】 太阳能电池作为该充电系统的核心部件，其工作原理已在前面叙述过。单体太阳能 电池不能直接进行实际应用，原因是：单体太阳能电池机械强度低，很薄而且容易破碎； 直接暴露在大气中，容易受到潮湿、灰尘、酸碱物质的影响导致电池效率下降；电池的 电极在空气中易被氧化、锈蚀、脱落，甚至造成电池失效；单体太阳能电池的工作电压 4 广西大掌硕士掌位论文 太阳冀乏光伏充电系统的匹配特性研究与设计 一般在0 4 0 5 v ，而且由于硅片尺寸不能做的太大，单体电池的功率都很小，不能满 足需要。将单体太阳能电池进行串、并联并加以封装，这种封装后的太阳能电池称为太 阳能电池组件。在实际应用中，按照负载的功率需求及电压需求，将太阳能电池组件再 进行串、并联，得到的就是太阳能电池阵列。 2 充电控制器【1 5 】 充电控制器是太阳能光伏充电系统中的控制核心，负责对系统各个运行参数进行监 控，并根据预设和测量数据做出判断，发出控制命令，从而使本系统正常运行，并处于 最佳状态对蓄电池进行充电。同时，要保护蓄电池，尽量避免过充电现象的发生，尽量 延长蓄电池的寿命。在复杂的控制系统中，为了提高系统的效率，还带有太阳能电池自 动跟踪系统，这种系统能够根据阳光照射角度的变化，自动调整太阳电池的方向，以取 得最高的太阳光能利用率。在温差变化大的地方还需要进行温度补偿。 3 d c d c 变换1 1 6 】 d c d c 转换电路是在直流电源和负载之间，通过控制电压的方法将不控的直流输 入转换为可控的直流输出的一种变换电路f 1 7 】。由于太阳能电池阵列具有强烈的非线性特 性，为保证太阳电池阵列在任何日照和环境温度下始终可以相应地输出最大功率，通常 都引入了太阳能电池最大功率点跟踪( m p p t o m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 控制技术。 d c d c 环节是本系统的关键组成部分。主要作用是在待充电蓄电池未过压时保证 太阳能电池阵列始终以最大功率向蓄电池组传递能量；当待充电蓄电池组过压时，又可 通过对太阳电池阵列输出能量的控制完成对蓄电池的过压保护【1 8 】。在太阳能光伏充电系 统中，由于待充电蓄电池的电压比较高，而太阳能电池组件的最佳输出电压较低，如果 将太阳能电池组件串联到足够向储能蓄电池充电的电压，向储能蓄电池充电，那么整个 太阳能充电系统很不经济，而且串联后的电压不一定能满足蓄电池充电的需要，用升压 型d c d c 既能满足提高充电电压的需要而且又经济实用。 4 储能用蓄电池【1 9 】 储能用蓄电池的功能是当太阳能电池的输出电能不能满足负载要求时，由储能用蓄 电池进行补充，而当太阳能电池的输出功率超过负载需求时，就将电能储存在储能蓄电 池中。对储能用蓄电池的基本要求是：自放电率低；使用寿命长；深放电能力强；充电 效率高；少维护或免维护；价格低廉。 广西大学硕士学位论文 太阳能光伏充电系统的匹配特性研究与设计 1 5 电动自行车用蓄电池 1 5 1 电动自行车用蓄电池分类 众所周之，最近几年随着燃油汽车、摩托车的大量增加造成的城市拥堵和环境污染 现象的日益严重，以及由于常规能源的日益匮乏导致的燃油价格大幅上涨，使人们对新 型节能、环保、安全的电动自行车越来越青睐。在电动自行车的所有组成部分中，蓄电 池作为能量来源，是影响电动自行车性能的关键部件。 目前电动自行车使用的蓄电池主要有阀控密封铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、胶体铅酸蓄电 池和锂离子蓄电池。电动自行车对蓄电池的要求是容量大、寿命长、重量轻、价格廉【2 0 。 阀控密封铅酸蓄电池的优点是价格便宜，内电阻小，电压稳定，具有良好的防震性 能和较好的密封性。胶体铅酸蓄电池的性能优于阀控密封铅酸蓄电池，胶体铅酸蓄电池 的优点是使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力( 高温、低温) 强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及 过放电自我保护等。镍氢蓄电池的优点有：比能量高( 一次充电后能行驶的距离长) ；比 功率高，在大电流下工作时也能平稳放电( 即加速爬坡能力强) ；低温条件下放电性能 好( 冬天能正常行驶) ；循环寿命长；安全可靠，免维护；可回收再利用，对环境不存 在污染。锂离子蓄电池的优点是比能量高，重量轻，比功率高，自放电小，无记忆效应， 循环特性好，可快速放电且效率高，无环境污染，工作温度范围宽。但锂电池在使用时 要注意安全，防止过充电、过放电、过流、短路【2 1 】 由于阀控密封铅酸蓄电池的材料来源丰富，技术和制造工艺也比较成熟，所以目前 的电动自行车主要采用的是阀控密封铅酸蓄电池。本文将以阀控密封铅酸蓄电池作为光 伏充电系统的充电对象。 1 5 2 阀控密封铅酸蓄电池的基本结构 阀控密封铅酸蓄电池的设计原理田】是将电解液注入极板和隔板中，但没有游离的电 解液，通过负极板潮湿来提高吸收氧的能力，为了防止电解液减少，将蓄电池密封，故 阀控式铅酸蓄电池又称“贫液电池”。阀控密封铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、蓄 电池槽、连接条、接线端子、排气阀和电解液等组成。现在用的阀控密封铅酸蓄电池都 是由电压为2 v 的单格蓄电池组成的，6 v 的蓄电池由3 块单格蓄电池串联组成，1 2 v 的 蓄电池是由6 块单格蓄电池串联组成。每个单格蓄电池由正极板与负极板间隔重叠而成， 6 广西大学硕士掌位论文太阳能光伏充电系统的匹配特性研舅与设计 中间用超细玻璃前卫隔板隔离。其中的正极板和负极板分别用铅合金焊接在一起组成正 极群和负极群，正、负极群装于蓄电池槽内就组成了单体蓄电池。单体蓄电池之间用连 接条从单格之间的蓄电池槽隔板顶端以串联形式连在一起，就组成了蓄电池。 1 极板 极板是阀控密封铅酸铅酸蓄电池的核心部件，目前电动自行车使用的阀控密封铅酸 蓄电池大多数采用的是涂膏式正、负极板。 2 隔板 隔板的作用是隔离正极板和负极板，防止短路。作为电解液的载体，它能够吸收大 量电解液，促进导电离子的扩散。在阀控密封铅酸蓄电池中，隔板是正极板产生的氧气 到达负极板的通道，从而达到了氧循环，减少了水的损失所以，使用超细玻璃纤维隔 板是阀控密封铅酸蓄电池达到免维护的关键技术。 3 安全阀 安全阀也是阀控密封铅酸蓄电池中的关键部件之一，位于蓄电池顶部。安全阀的类 型很多，主要有帽式、片状、伞状等几种，其中帽式阀技术比较成熟，是现在普遍采用 的一种安全阀。 安全阀的主要作用如下： 安全 在阀控密封铅酸蓄电池的使用过程中，当内部产生的气体压力达到安全阀的开启压 力时，安全阀自动开启将气体释放出去，从而避免发生蓄电池变形、破裂等损坏。 密封 当阀控密封铅酸蓄电池的内部压力低于安全阀的开启压力时，安全阀将自动关闭， 既防止内部气体酸雾向外泄露，也防止外部空气进入蓄电池内部，造成损害。密封使得 蓄电池内部存在一定的压力，能促使蓄电池内部氧复合作用，也减少了水的流失。 防爆 在安全阀上安装防爆片，就可以防止蓄电池由于压力过大而造成的爆炸事故。 4 电解液 电解液主要是由蒸馏水与专用硫酸再配以一些添加剂而成。电解液的主要作用是参 与电化学反应，是阀控密封铅酸蓄电池的活性物质之一。在电解液中加入添加剂，对抑 制硫酸盐化和防止活性物质脱落，减少自放电，延长电池寿命是有效的【2 3 1 。电解液中的离 子迁移起到导电的作用，使电化学反应得以顺利进行。 7 广西大学硕士掌位论文太阳_ 冀芝光伏充电系统的匹百己特性研究与设 i t 1 5 3 阀控密封铅酸蓄电池的特点 阀控密封铅酸蓄电池与普通铅酸蓄电池的最大区别就是极板材料不同，采用的是铅 钙合金制作的栅架，从而避免了铅锑合金栅架具有的水分大量蒸发、容易过充电、易造 成热破坏和自行放电大等缺点。阀控密封铅酸蓄电池的主要特点如下： 1 水分散失少 阀控密封铅酸蓄电池失水很少，一般仅为普通铅酸蓄电池失水量的1 1 0 左右，所以， 使用中一般不需要添加蒸馏水，从而实现免维护。一方面是由于铅钙合金的析氢过电位 比铅锑合金高，故充电过程中析氢量少，使得水分的逸出量大大降低；另一方面是由于 阀控密封铅酸蓄电池中设有集气室，可以将收集到的水蒸气冷却后再次注入电解液中， 从而大大避免了水分的流失。 2 自放电量小 普通铅酸蓄电池的栅架一般用铅锑合金制作，充电时正极栅架上的锑逐渐溶解到了 电解液中，并不断地在负极板表面上沉积，此时与负极板上的活性物质就形成了微蓄电 池，进行自放电。由于阀控密封铅酸蓄电池采用的是铅钙合金制作的栅架，特点是晶粒 较细，耐腐蚀，不易形成蓄电池，自放电很小。 3 电池的启动性能好 阀控密封铅酸蓄电池的启动电流比普通铅酸蓄电池大，一方面是由于铅钙合金的导 电性能比铅锑合金好，故蓄电池内阻小，输出电流就大；另一方面是由于阀控密封铅酸 蓄电池采用内连接的方式连接，缩短了连线长度，功率损失小，放电电压高。 4 使用寿命长 由于阀控密封铅酸蓄电池采用的铅钙合金制成的栅架，既增加了机械强度又提高了 耐充电性能，再者采用了袋装式的隔板结构，有效防止了活性物质的脱落，而且由于内 阻小，自放电小，所以，其使用寿命得到了显著延长，通常为普通铅酸蓄电池的2 3 倍。 1 6 本课题研究的目的及所做的工作 电动自行车是以蓄电池作为辅助能源，具有两个车轮，能实现入力骑行、电动或电 助动功能的特种自行车，因为它具有无污染、低噪声、轻巧省力又经济适用，可以作为 8 太f 日冀皂光伏充电系统的匹配特性研究与设计 2 l 世纪的“绿色”交通工具，有着广阔的发展远景【2 4 】。电动自行车的优越性逐步得到人们 的认可，年产销量在飞速增长，在石油资源日渐枯萎的情况下，电动自行车、电动汽车 在今后会有更加美好的前景。然而，目前电动车普遍使用的阀控铅酸蓄电池，存在容量 小、充电时间长等缺点，导致电动自行车骑行距离短，经常半路断电等问题。可以设想， 在不久的将来，随着太阳能电池发电成本的降低，在道路两旁，每隔一段距离，建一个 电动自行车太阳能充电站，充分利用太阳能对电动自行车蓄电池进行充电，这样就能解 决电动自行车目前存在的问题，而且太阳能充电站还具有无污染，不依赖现有电网，建 造地点不受海拔、地域等影响的优点。 本文作为建立电动自行车太阳能充电站的初步研究，建立了光伏充电系统各部分的 数学模型，对太阳能光伏充电系统中太阳能电池组件及储能用蓄电池之间的匹配关系进 行了分析，并编写了太阳能光伏充电系统匹配分析软件。利用该软件为广州某地设计了 一套电动自行车阀控铅酸蓄电池光伏充电系统。 主要内容如下： 一、建立太阳能光伏充电系统各组成部分的数学模型：倾斜面上的小时太阳能辐射 值数学模型、手动调节倾斜角的最佳倾角计算模型、方阵发电量模型、蓄电池状态模型 和负载小时用电量模型。 二、以全年断电小时数为零，损失电量最小为目标，对太阳能光伏充电系统进行匹 配分析，并编写了太阳能光伏充电系统匹配分析软件。 三、通过对所设计软件的运用和计算机辅助设计，为广州某地提出一套完整的太阳 能光伏充电系统设计方案并对其投资情况进行了初步分析。 9 太阳冀皂光伏充电系统的匹配特性研究与设计 第二章太阳能光伏充电系统的匹配分析与策略 太阳辐射值的随机性很大，影响光伏系统正常运行的因素很多，所以，光伏系统的 设计方法很复杂。传统的设计中，涉及到的光伏系统计算方法普遍存在大量的不合理简 化计算，导致计算结果与实际情况之间有很大误差，比如一些文献中在计算太阳能电池 方阵容量时，直接将安装地点的太阳日辐射值通过简单计算，转换为在标准光照强度下 的平均日辐射小时数。由于在计算时没有涉及太阳能电池方阵的输出电压和电流随太阳 能辐射度的变化关系，导致对太阳能电池容量计算造成偏差【1 0 , 1 7 , 2 5 】；此外，还有些设计， 采用水平面上的太阳能年总辐射量乘以经验系数来计算太阳能电池容量【l4 1 ，这样得到的 计算结果与实际情况也会造成很大偏差。通常从气象观测站得到的数据是水平面上的太 阳辐射值的月总量数据，通过手工计算，对太阳能光伏充电系统进行设计，非常繁琐。 随着电子计算机运算速度越来越快、功能越来越强大，利用计算机辅助工程和计算机辅 助设计进行光伏系统的优化设计计算将是一种快捷、准确、实用的方式。 目前，国际上比较常用的光伏系统设计软件大约有十多种，如壳牌太阳能的p v d e s i g n e r 、德国g e r h a r dv a l e n t i n 博士开发的p v * s o l 、加拿大的r e t s c r e e n 等，主要 集中在美国、德国、日本几个光伏产业比较发达的国家 2 6 1 。日本的软件普遍可视化程度 很高、界面友好、操作方便。德国的软件则功能齐全，比较注重实用性。美国的设计软 件特点是气象数据库比较丰富。国内光伏系统设计软件比较少，有上海电力学院的杨金 焕，葛亮等编写的太阳能辐射计算程序。本章通过对国内外相关资料及相关数据的 分析，在建立起一套较为完整的数学模型的基础上，编写出针对性较强的光伏充电系统 匹配分析软件。 2 1 建立光伏充电系统各组成部分的数学模型 2 1 1 数据离散 通常在气象观测站得到的太阳辐射数据为各月的总的太阳辐射数据，即各月的太阳 总辐射值、各月的直接辐射值和各月的散射辐射值。采用求均值，计算各月平均每天的 太阳总辐射值、直接辐射值和散射辐射值。 1 0 广西大学硕士掌位论文太阳能光伏充电系统的匹百己特性研究与设计 假设一年1 2 个月中太阳总辐射值的日平均值分别为h ，( i = l ，2 ，1 2 ) 。通过三 次样条插值法【2 刀来拟合太阳总辐射值的年变化曲线，在曲线中选取任意第n 天对应的 值，得到的就是第n 天的太阳总辐射值。同理可对年散射辐射值进行离散。 离散后的年总辐射值变化曲线如图2 1 所示，离散后的年散射辐射值变化曲线如图 2 2 所示。 哪量 1 2 0 j 7 51 0 61 n1 1 7 7 2 5 0 拍口3 2 03 6 5i t 图2 - 1 总辐射值曲线 f i g 2 - 1t h et o t a lr a d i a t i o nv a l u ec u r v e 0457 51 0 61 3 61 6 71 9 72 2 82 5 92 8 93 2 03 6 5 天矗 图2 - 2 散射辐射值曲线 f i g 2 2t h es c a t t e r i n gr a d i a t i o nv a l u ec a r v e 2 1 2 太阳辐射值的计算 在进行太阳能光伏系统的设计过程中，太阳辐射值的计算非常重要，由于目前从气 象观测站得到的太阳辐射数据大多是水平面上的观测值，在设计计算中，需要将水平面 上的太阳辐射值转换为倾斜面上的太阳辐射值。 1 基本参数的计算 ( 1 ) 太阳与地球问的距离 广西大学硕士掌位论文太阳冀皂光伏充电系统的匹配特性研究与设计 地球公转时，绕太阳运行的路线近似为椭圆，地球与太阳间的直线距离处于逐日变 化中。表2 1 列出了日地距离一年中的平均值、最小值和最大值。 表2 - 1 日地正巨离 t a b l e2 1s u n - e a r t hd i s t a n c e 日期距离( 公里)日期距离( 公里) 1 月3 日1 4 7 ，1 0 0 ，0 0 07 月4 日1 5 2 ，1 0 0 ，0 0 0 4 月4 日1 4 9 ，6 0 0 ，0 0 0l o 月5 日1 4 9 ，6 0 0 ，0 0 0 为了方便计算一年中任意一天的日地距离，用下面的公式进行近似计算： 争2 小0 0 3 4 c o s ( 等) ( 2 t ) 其中：，- 某天日地距离的准确值 日地距离的平均值，即1 4 9 ，6 0 0 ，0 0 0 公里 卜一从1 月1 日元旦开始计算，到某天的天数 ( 2 ) 太阳赤纬角万【2 8 2 9 】 太阳赤纬角是指：日地中心之间的连线与地球赤道面间的夹角。太阳赤纬角是随时 间的变化而不断变化的。太阳赤纬角用下面的公式进行计算： 万：2 3 4 5 。s m ( 3 6 0 。2 8 4 + i ) ( 2 2 ) 3 6 5 。 ( 3 ) 太阳时角彩 2 8 2 9 太阳时角是指：以太阳正午1 2 时与地球的连线为o 度位置，不同时刻日地间连线 与0 度位置间的夹角。计算公式如下： 彩= ( 一1 2 ) 1 5 。 ( 2 3 ) 其中：此刻的小时数 太阳时角上午为负，下午为正。 2 太阳位置的计算 描述太阳位置的参数有太阳高度角和太阳方位角。太阳位置是指，不同日期不同时 刻太阳相对于地球的空间位置。 水平面上太阳位置的计算： ( 1 ) 太阳高度角口，【3 0 1 太阳高度角是指：太阳光的入射方向与地平面之间的夹角。太阳高度角的计算公式 广西大学硕士学位论文太阳能光伏充电系统的匹配特性研究与设计 如f ： s i n 。= s i n g s i n 8 + c o s 缈c o s 万c o s 国 ( 2 4 ) 其中：伊当地的地理纬度 ( 2 ) 太阳方位角儿 3 0 1 太阳方位角：太阳光线在地球表面的投影与正南方向之间的夹角。太阳方位角的计 算公式如下： 儿：sina：,sinp-sin8cos ( 2 5 ) y 。= 一 ( ) c o s 口sc o s 缈 ( 3 ) 日出和日落时角q 国，= + a r e e o s ( - t a n 8 t a n 9 ) ( 2 - 6 ) q 为负时表示日出时角，彩，为正时表示日落时角。 ( 4 ) 一天中的日照时间m m = 吾a r c c o s ( 一t a n s t a n g ) ( 2 - 7 ) 倾斜面上太阳位置的计算： 由于太阳能电池组件在一定倾斜角度的斜面上收到的太阳辐射值大于水平面上收 到的太阳辐射值，所以，太阳能电池组件大都放置在倾斜面上。对于倾斜面上太阳位置 的计算如下： ( 5 ) 斜面上的太阳光入射角田捌 斜面上的太阳光入射角：倾斜面法线和太阳光线间夹角。巳的计算公式如下： c o s = x s i n 8 + y c o s s c o s ( 0 + s i n # s i n y , , c o s s s i n ( 0 ( 2 8 ) 其中：x = s i n p c o s , 8 - c o s 够, s i n 6 c o s y y = e o s g e o s f l + s i n 9 s i n 8 c o s y , , 斜面的倾斜角 儿倾斜面上的太阳方位角 广西大学硕士学位论文太阳冀乏光伏充电系统的匹配特性研究与设计 倾斜面面向正南方时，儿= o 此时入射角计算公式如下： c o s 如= ( s i n f p c o s , f l c o s 伊s i n ) s i n 万+ ( c o s l 9 0 c o s , 6 + s i n 呼o s i n , 8 ) c o s 8 c o s c o ( 2 - 9 ) 可简化为： c o s = s i n ( 孽。一, b ) s i n 8 + c o s ( 缈一d e o s 6 e o s c o ( 2 1 0 ) 由( 2 1 0 ) 可见，在面向正南方向纬度为伊，倾斜角为的斜面上的太阳光入射角 的大小等于面向正南方向，纬度为( 妒一) 的水平面上太阳光的入射角。根据此关系， 可得： ( 6 ) 面向正南方向的任意倾斜面上的日出日落时角 = - t - a r c c o s 一t a n s t a n ( q , 一) 】 ( 2 1 1 ) 再考虑到水平面上的日出时角国，= - - a r c c o s 一t a n6 t a nr p 】 面向正南方向的任意倾斜面上的日出时角的计算公式为： 缈口= 一m i n a r e e o s 一t a n , s t a n ( f p 一) 】，a e c c o s 一t a n s t a n 纠) ( 2 1 2 ) 3 地球大气层外水平面太阳辐射值计算 由于不受地球大气的影响，计算起来更为理想，更为简单，而且这些数据用于计算 地表辐射量。 ( 1 ) 小时辐射量 某天，在垂直于太阳光的平面上，太阳辐射强度： l ：j 。( 鱼) 2 ( 2 1 3 ) ， 其中：l 太阳常数，w m 0 1 9 8 1 年公布的值1 3 6 7 、删肌2 【3 1 水平面上太阳光入射角，太阳辐射强度： l = 厶s i n a 。 ( 2 1 4 ) 将t 在一个小时内进行积分，可以得到水平面上一个小时内的太阳辐射量【3 2 】： = u 等) 2 【s i n 确n 9 + ( 2 4 咖i n ( 2 4 咖。s 艿c 唧c 。s 刚 ( 2 - 1 5 ) 1 4 太阳能光伏充电勇。晓的匹叠己特性研究与设计 其中：q 该小时中间时刻的太阳时角。哆的计算公式为： 缈，= ( j 一1 2 + 0 5 ) x1 5 。 ( 2 1 6 ) ( 2 ) 日辐射量 日辐射量：一天中获得的太阳辐射量。计算方法是：将小时辐射量风从日出到日 落时间内进行积分，得到的就是一天内的太阳辐射量。日辐射量的计算公式为【3 2 】： 马毛弘挑( 2 4 切) i s c ( 等) 2 岳 i n 出血妒+ c o s 乳o s 卿鲫s 】 ( 2 - 1 7 ) 4 地球大气层外倾斜面上太阳辐射量的计算 倾斜面上太阳能电池板的安装方式分为面向正南方的以