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电源技术便携式太阳能多功能电源箱 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 原创优秀论文 题 目：电源技术便携式太阳能多功能电源箱 学习中心：奥鹏远程教育青岛学习中心（直属）层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 蔡 克 卫 完成日期： 2010 年 9 月 7 日 独创性声明本人声明所成交的毕业论文是本人在工作中取得的研究成果，没有经过本人同意，任何人不得转载和使用该设计。 于现旺 2010-9-7电源技术便携式太阳能多功能电源箱内容摘要随着人类社会的发展和进步，全球对环境的保护越来越重视。不管是国际上G20国峰会宣言还是国内减排目标的发布，都意味着人类开始重新定位和审视自己的生存环境，因此开发新能源和使用新能源已经成为当今全世界的一个新热点。太阳能作为一种取之不尽用之不竭且绿色的能源，已经成为国际能源开发利用领域中的新宠。家用太阳能光伏电源系统是太阳能电池在地面应用最早的领域之一，特别是牧区牧民的家庭中得到了应用。在中国农村电力建设中发挥出重要作用，成为解决边远无电地区人民通电问题的一项主要的技术手段。传统的家用太阳能光伏电源系统在使用过程中往往携带不便、体积较大、不方便拆卸、连接麻烦、功能单一等问题。因此，开发一种便携式、多功能的太阳能电源系统具有很重要的现实意义。不仅有助于节约能源，也有利于人们外出为各种电子产品提供电源，方便人们的生活需要和旅游出行。本文采用一种基于传统太阳能充电电路的基础上，将5V的USB接口、12V的电源电路以及可调电路相结合，同时配上220V的逆变器和电源适配器，大大的增强了该电源系统的功能，同时，将控制器及电路系统、蓄电池、逆变器等配件组装到一个箱体之内，配上拉杆和滑轮，方便了该电源的便携和移动。本文首先介绍了太阳能光伏发电的应用和现状，以及太阳能发电的原理和优缺点，然后结合各种影响太阳能发电的因素、电路的工作原理、现实社会的多样性需求，进一步确定了便携式太阳能移动电源箱的设计思路和方案。文中介绍了便携式太阳能移动电源箱的内部结构、功能，电路的设计、PCB板的焊接、蓄电池的充放电及保护、太阳能组件的发电，箱体的设计和制作，并根据主电路的特点和要求，给出了具体的设计步骤和主要参数的计算。最后，论文分析了便携式太阳能移动电源箱的效益和前景。关键词：太阳能电池板；蓄电池充放电；多功能；移动电源；便携式目 录独创性声明1内容摘要II第一章 引 言11.1 课题概述11.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究的目的和意义11.2 小型太阳能光伏系统应用的历史和现状21.2.1 太阳能电池板的发电原理及主要影响因素21.2.2 太阳能直流发电及其应用31.2.3 太阳能直流发电的现状和特点41.2.4 便携式太阳能移动电源箱的优势和特点4第二章 便携式太阳能移动电源箱主要部件52.1 太阳能电池组件52.1.1 太阳能电池组件的选择52.1.2 太阳能电池组件的连接62.1.3 理想状态下的模型62.1.4 单二极管模型72.1.5 太阳能电池的电性能参数82.2 蓄电池102.2.1 蓄电池的作用102.2.2 蓄电池的选择102.2.3 蓄电池的特殊要求102.2.4 采用免维护蓄电池的优点112.2.5 影响蓄电池正常工作和使用寿命的主要因素122.2.6 铅酸蓄电池的基本工作原理13第三章 便携式太阳能移动电源箱的设计143.1 设计基本思路143.2 容量设计143.2.1 蓄电池的容量确定153.2.2 太阳能电池组件的容量确定163.2.3 逆变器容量的确定173.3 系统配置及部件的设计、选用193.3.1 操作面板的设计和选用193.3.2 系统配线203.3.3 箱体的设计213.4 电路设计213.5 箱体的电气元件安装243.5.1 蓄电池的固定243.5.2 逆变器的固定243.5.3 控制器的固定243.5.4 控制器电路板的导线连接243.5.5 控制面板的电气元件安装243.5.6 电路板的引出导线与控制板的电气元件的连接253.6 便携式移动电源箱箱体组装253.6.1 控制器的调试253.6.2 太阳能电池板的电源引线连接253.6.3 太阳能电池板的性能测试253.6.4 电池板的固定与电池板铝框的固定253.6.5 箱盖太阳能电池板的固定263.6.6 太阳能电池板的导线连接263.6.7 内部杂物的处理263.6.8 下部太阳能电池板的固定263.6.9 铝条的固定273.7 电源箱功能调试273.7.1 各个部分的作用273.7.2 便携式太阳能移动电源箱的操作步骤283.7.3 便携式太阳能移动电源箱的使用要求30第四章 便携式太阳能移动电源箱的效益和市场前景314.1 太阳能电源箱特点314.2 太阳能电源箱的功能及效益314.3 太阳能多功能移动电源箱的市场潜力32参考文献34致 谢35附 录36第一章 引 言1.1 课题概述1.1.1 课题研究背景随着社会的发展，现代社会各方面都离不开电能。但是在很多情况下，现在的电网还不能辐射全部的区域，尤其是无人地区和偏远地区。太阳能光伏发电的能源来自于太阳的辐射，只要有太阳辐射的地方就能进行光伏发电，因此太阳能电源已经成为世界范围内一个非常重要的研究领域。太阳发出的能量大约只用二十二亿分之一能够到达地球的范围，约为173104 亿千瓦。经过大气的吸收和发射，到达地球表面的约占51%，大约为88104 亿千瓦。而能够到达陆地表面的只有到达地球范围辐射能量的10%左右，约为17104 亿千瓦。尽管如此，把这些能量利用起来，也能够相当目前地球消耗能量的3.5万倍。我国地处北半球，土地辽阔，国土总面积达960104km2。南从北纬4，北到北纬52.5 ，西自西经73 ，东至东经135 ，距离都在5000km以上。在我国广阔的陆地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为9302333kw.h/m2 ,中值为1626 kw.h/m2。太阳能资源分布图1见附录1。尤其是在人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，可以充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光伏发电技术解决人民生活、生产用电问题。1.1.2 课题研究的目的和意义本课题主要是设计一种可移动独立发电系统的便携式多功能移动电源箱，作为一种小型供电电源，它不但不与常规电网连接而且自身可以随时移动。所以选择该课题的目的和意义具有以下特点： 太阳能移动独立发电系统的研究已经成为研究热点，它的作用和重要性已经得到了认可。 便携式多功能移动电源箱可以方便的解决偏远地区的电源问题，同时可以满足人们外出旅游等的需求，也可以作为家用的备用电源。 具有较高的市场价值和使用价值。可以为电视机、DVD、冰箱、笔记本电脑、打印机、传真机、游戏机、摄像机、数码相机、台灯以及车载电子等设备或对其机内电池进行充电；大容量的蓄电池匹配大功率的逆变器，还可以带动电钻、电热水器、微波炉等大功率电器。它主要应用于野外作业，休闲旅游，家庭应急等场合的电源。 节约能源，绿色环保。 应用范围广，使用寿命长。 无机械转动部件，操作维护简单，运行稳定可靠，系统组合容易。 体积小，便于运输和安装。太阳能电源箱使用示意图见附录21.2 小型太阳能光伏系统应用的历史和现状1.2.1 太阳能电池板的发电原理及主要影响因素太阳能电池是一种直接将光能转换成为电能的半导体器件，尽管有多种形式，但其基本原理大体一致。其核心部分是PN结。当入射光照到电池上，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在n区、耗尽区和p区激发出电子-空穴对（光生载流子）。光生电子-空穴对产生后立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴对则被推进p区。当电池接上一个负载后，光电流从p区经负载至n区，负载中即得到功率输出。光伏发电的基本构成图如图1-1所示图1-1 光伏发电系统基本构成图影响光伏发电的因素主要有以下方面：能量密度低尽管太阳投向地球的能量总和及其巨大，但由于地球表面积也很大，致使单位面积上能够直接获得的太阳能量却较小。间歇性 在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上不能发电，除非在太空没有昼夜之分的情况下，太阳能电池连续发电，但这和人们的用电习惯不符。随机性光伏发电系统受气候影响强，雨雪天、阴天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。地域依赖性强地理位置不同，气候不同，使各地区日照资源各异。光伏发电系统只有在太阳能资源丰富的地区应用效果才好。1.2.2 太阳能直流发电及其应用1958年，光伏发电技术首先应用在太空，装备与美国的先锋1号人造地球卫星，随后便很快开始在陆地应用，被推广到军事、民用、工业等各个领域。迄今为止，光伏发电的利用方式多种多样，光伏发电在陆地的应用主要有图1-2所示几种形式。光伏发电地面应用形式并网光伏发电系统独立光伏发电系统微功率光伏发电系统可移动独立发电系统独立光伏电站村落独立光伏发电公共用独立光伏发电站图1-2 光伏发电主要应用形式1.2.3 太阳能直流发电的现状和特点我国的农村牧区光伏产品商品化销售从90年代起开始发展，在国家和一些国际合作项目的引导、扶持、培育下逐渐形成了一定的规模。至2005年底，已大约有75万套家用太阳能光伏电源系统进入用户家庭。在这些用户之中，大多数都是牧区的牧民家庭，这些家庭的通电水平还比较低，户均达到20W左右，一般只能满足基本照明需要。除此以外，还有林区和农区的农户和养蜂户以及无电的公路道班、学校、商店等小单位也在使用家用太阳能光伏电源系统，还有一些缺点的城镇居民，也成为家用太阳能光伏电源系统的用户。如果这些家用太阳能光伏系统的包用量按80%计算，加上国家光明工程和送电到乡工程的光伏电站，中国目前至少有100万户家庭主要依靠光伏发电系统解决基本的生活照明用电。1.2.4 便携式太阳能移动电源箱的优势和特点便携式太阳能移动电源箱具有充电灵活，使用范围广，节省能源，体积小，重量轻，使用寿命长，携带方便，操作简单，输出电压连续可调，输出电压精度高，功率大，放电时间长，工作安全可靠等特点，同时其具有过流保护，过/欠压保护、过温保护、过载保护、输出短路保护、可靠性强、保护功能完善等功能，并且具有操作简单，节约能源，拉杆拖动等特点，在同类产品中属领先地位。将蓄电池中的直流电通过逆变器转换为家庭里通常使用的220V/110V交流电后，用户可以在野外使用在家庭里才能使用的电器比如电视机、DVD、冰箱、笔记本计算机、打印机、传真机、游戏机、摄像机、数码相机、台灯以及车载电子等设备或对其机内电池进行充电；大容量的蓄电池匹配大功率的逆变器，还可以带动电钻、电热水器、微波炉等大功率电器。它主要应用于野外作业，休闲旅游，家庭应急等场合的电源。它采用太阳能充电，其方便快截的太阳能充电方式，使得它们的应用范围遍布各种场所和地点。该产品还具有市电充电的功能，作为天气情况不理想或者用户应急快速充电的辅助充电方式，使其更加人性化。该系列产品是目前市场上性价比最高的一类可移动的新能源供电设备。第二章 便携式太阳能移动电源箱主要部件2.1 太阳能电池组件光伏发电系统的核心是太阳能电池，它将光能转换为电能。2.1.1 太阳能电池组件的选择便携式太阳能移动电源箱的太阳能电池组件选用转换效率最高的单晶硅太阳能组件，其规格如表2-1太阳能电池组件规格。表2-1 太阳能电池组件规格组件材料效率（%）充电电压（V）充电电流(A)峰值功率(Wp)单晶硅14-1616-18230此外，单晶硅太阳能电池组件适合用于强光条件下，而且太阳能组件的一致性好，具有一定的抗震、抗冲击能力。如图2-1所示：图2-1 单晶硅太阳能电池板实物图太阳能电池发电系统中的太阳能电池组件的期望使用寿命是20年以上。实际的使用寿命决定于太阳能电池组件的结构性能和当地的环境条件。太阳能电池组件的安装和使用中，要轻拿轻放，严禁碰撞、敲击、划痕，以免损坏封装玻璃，影响性能，缩短寿命。太阳能电池组件的采光面应经常保持清洁，若有灰尘或其他污物，应采用清水冲洗，再用干净纱布将水迹轻轻擦干，切勿用硬物或腐蚀性溶剂冲洗，擦拭。太阳能电池组件的输出连接要注意正、负极性，切勿接反。太阳能电池组件的光电参数在使用中应不定期的按照有关方法进行检测，发现问题应及时解决，以确保方阵不间断的正常供电。2.1.2 太阳能电池组件的连接太阳能电池组件串、并联组成太阳能电池阵列。由于每个电池组件的电性能不可能绝对一致，这就使得串、并联后的太阳能电池阵列的输出总功率往往小于太阳能电池组件这和，成为太阳能电池的失配。这是因为：（1）太阳能的生产工艺决定了每一个单体不可能绝对的一致；（2）实际使用中每个单体还将由于遮挡、灰尘、表面损伤等原因造成个体差异。太阳能电池阵列和蓄电池连接的过程中，需要串联防反充二极管（具体型号为FR307）。其作用是避免由于太阳能电池在阴雨天和夜晚不发电时，或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能电池阵列放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通的作用。要求其能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小。连接方式如图2-2所示。图2-2 太阳能电池板连接图2.1.3 理想状态下的模型太阳能电池实际上就是一个大面积p-n结二极管。在没有光照的情况下，太阳能电池具有常规二极管的特性。如果施加从P区到N区的电压时，电流从P区流向N区，可按照肖特基二极管的模型2来表述。 （2-1）式中 二极管工作电流； 二极管饱和电流； q电子电荷（1.610-19C）； V施加的电压； k玻尔兹曼（Boltmzan）常数（1.38 10-23J/K）； T热力学温度，即绝对温度（300K）。 图2-3 理想太阳能电池模型一旦太阳能电池受到光照，太阳能电池则会产生光生电流IL。如图2-3所示为理想太阳能电池模型。这样，太阳能电池可以用下式表示： （2-2）其中，光生电流正比于光照强度，同时与温度有关，即：式中 太阳能电池的有效面积；，依赖于电池材料的常数； T太阳能电池的温度； G光照强度。2.1.4 单二极管模型实际情况下，太阳能电池可以看作由一个能稳定地产生光电流，并与并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻RSH(也称跨接电阻)，剩余的光电流通过一个由太阳能电池电极等因素引起的串联电阻RS流出而进入负载RL。其等效电路如图2-4所示。图2-4 太阳能电池等效电路表面复合和耗尽区复合产生的漏电流用等效并联电阻RSH来描述。另外，实际的太阳能电池p-n结的工作特性与理想二极管不同，需引入二极管理想因子来修正。考虑以上这些因素，可以将太阳能电池描述为通常所说的单二极管模型。考虑以上这些因素，可以将太阳能电池电流大小表示为： （2-3）式中 Rs串联电阻； Rsh并联电阻； n二极管理想因子。当流进负载RL的电流为I时，负载的端电压为U时，可得到 U=IRL 2.1.5 太阳能电池的电性能参数根据理想太阳能电池表达式3可以得出： （2-4）式中，A为p-n结面积；Nc、Nv分别为导带和夹带的有效密度；NA、ND分别为受主杂质和施主杂质的密度；Dn、D分别为电子和空穴的少子寿命；Eg为半导体材料的禁带宽度。常用的光照太阳能电池的电流-电压特性曲线4如图2-5所示。图2-5 太阳能电池I-V特性曲线及主要参数当V=0时，电流达到最大，称短路电流ISC(Short-Circuit Current)。当I=0时，电压达到最大，称开路电压VOC（Open Circuit Voltage）。特性曲线上任一点（工作点）可给出功率为P=VI。它的大小沿特性曲线而变化。在I=Isc，V=0处及V=Voc，I=0处，其功率值P=0。按照求最大值的方法，在功率曲线上可以定义最大功率点（Maximum Power Point,简记为MPP），此处V= VM,I=IM,可得最大功率Pm=Vm Im，功率值取值于0Pm之间。当开路时，I=0，由 （2-5）得到开路电压 （2-6）输出功率为 （2-7）由，可得到最大功率的条件为 （2-8） （2-9）而最大输出功率为： （2-10）2.2 蓄电池2.2.1 蓄电池的作用在光伏发电系统中，太阳能电池矩阵将太阳辐射能转换为直流电能，通过蓄电池将其电能转换为化学能储存起来，蓄电池为光伏发电系统的储能装置。对于便携式太阳能移动电源箱来说，要求它能够随时的向负载提供稳定的电能，但是，由于地面太阳光照的间歇性和随机性，发供电任务全都靠太阳能电池则很难实现，必须通过贮能装置来对太阳能电池发出来的电能进行贮存和调节。太阳能电池所输出的功率与照射在其表面的太阳辐射度成正比，当日照不足，无光照或系统需要进行维修时，太阳能电池所输出的电能会减少甚至无电能输出，在便携式太阳能移动电源箱正常工作时，依蓄电池的正常充放电状态的变化分为多种情况：第一种情况是负载关闭，太阳能电池矩阵正常发电，此时全部电能是向蓄电池充电，把这些电能转换成化学能贮存起来，直到蓄电池充满后控制器保护断开为止。第二种情况是在太阳能电池发电的同时，负载也在工作。此时，太阳能电池将直接向负载供电，多余的电能也将同时向蓄电池充电。如果此时负载需要的电流大于太阳能电池矩阵发出的电流，则由蓄电池来进行补充。第三种工作情况是，太阳能电池不再发电，负载需要的电能全部由蓄电池提供。此时，以化学能形式储存在蓄电池中的能量转变为电能，供负载使用。因此，蓄电池既能存储电能，还能对系统起着调节电量，稳定输出的作用2.2.2 蓄电池的选择蓄电池的种类很多，在便携式太阳能移动电源箱中采用的铅酸蓄电池，具体规格如表2-2所示表2-2 蓄电池规格名称种类开路电压V容量AH寿命吉达蓄电池铅酸免维护12323蓄电池组的要求其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并随时向负载提供电能。太阳能光伏发电系统对蓄电池组的要求如下：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。工作温度范围宽。价格低廉。2.2.3 蓄电池的特殊要求由于便携式太阳能移动电源箱运行的特殊性，作为系统贮能的蓄电池，其工作特点是频繁的处于充电-放电的反复循环中，而且会经常发生过充电或深度放电等不利的工作情况。因此，蓄电池的工作性能和循环寿命就成为最关注的问题。在目前的技术水平条件下，光伏系统的各主要部件中，蓄电池是理论寿命最短的。在便携式太阳能移动电源箱中使用的蓄电池应具有以下特点：1、 具有深度放电性能2、 循环寿命长3、 对过冲过放电耐受能力强4、 具有免维护或少维护性能5、 在低温下具有良好的充电、放电特性6、 充放电特性对高温不敏感7、 具有较高的能量效率8、 无需初充电操作9、 具有较高的性价比10、具有高质量和体积比能量2.2.4 采用免维护蓄电池的优点该蓄电池具有很多优点，如不需要专门的维护、即使倾倒电解液也不会溢出、不向空气中排放氢气和酸雾、安全性更好、密封的包装适合长距离运输和流动使用。2.2.5 影响蓄电池正常工作和使用寿命的主要因素温度蓄电池的额定容量是指蓄电池在25时的数值，一般认为，密封式铅酸蓄电池的工作温度在20-30范围内工作较为理想。当电池温度过低时，表现为蓄电池的容量减小，因为在低温条件下电解液不能很好的与极板的活性物质充分反应。容量减小将不能够满足预期的后备使用时间和保持在规定的放电深度内，很容易造成蓄电池的过放电。从蓄电池的外部参数来看，电压与温度有很大的关系，温度每升高1，单个电池的电压将下降3mV,也就是说在环境温度为25时，一只理想的充电控制器可以使蓄电池充足电，但当环境温度降低0时，使用同一个控制器给蓄电池充电，结果蓄电池就不能充足电，同样的道理，当环境温度升高时，将容易造成蓄电池过充电，电解液升温，会加快正极板的腐蚀程度，蓄电池的工作温度升高严重时，会产生沸腾。上下翻滚的电解液冲刷着极板，使其铅粉脱落，时间久了，脱落的铅粉越积越高，等高到碰铅板的时候，可产生极板短路，从而使蓄电池报废。高温还会带来蓄电池失水、热失控等现象。所以，温度是影响蓄电池正常工作的一个主要因素。放电速率一般规定10h放电率的容量为蓄电池的额定容量。若使用低于规定小时的放电率，则可得到高于额定值的电池容量；若使用高于规定小时的放电率，所放出的容量要比蓄电池的额定容量小，同时放电速率也影响蓄电池的端电压值。蓄电池在放电时，电化学反应电流优先分布在离主体溶液最近的表面上，导致在电极表面形成硫酸铅而堵住多孔电极内部。在大电流放电时，上述问题更加突出，所以放电电流变大，蓄电池给出的容量也就越小，端电压值下降速度加快，即放电中了电压值随着放电电流的增大而降低。当另一方面，也并非放电速率越低越好，研究表明长期太小的放电速率会因为硫酸铅分子生成量显著地增加，产生应力造成极板弯曲和活性物质脱落，也会降低蓄电池的使用寿命。另外，放电深度、局部放电等也将影响蓄电池的使用寿命。综上所述，蓄电池在光伏发电系统中起着非常重要的作用。蓄电池寿命短的问题都是光伏发电系统中的薄弱环节，由于光伏发电的特殊性，作为贮能单元的蓄电池必须具有良好的循环放电和深度放电性能。在系统配置对蓄电池的设计上，要有重点的综合考虑使用时间、选用蓄电池的允许放电深度、充放电效率、温度补偿系数等多种因素。2.2.6 铅酸蓄电池的基本工作原理铅酸电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是哥来德斯东河和特利浦两人提出的“双硫酸化理论”。该理论的含义为铅蓄电池在放电后，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物硫酸铅；充电时又恢复为原来的铅和二氧化碳。总的化学反应方程式如下： 正极 电解液 负极 正极 水 负极由于铅酸蓄电池技术的发展，进来各大厂商纷纷推出工业阀控或密封蓄电池，其基本原理与上面的化学反应相同，当蓄电池充电后期，在正极板产生氧气，在负极产生氢气，其化学反应方程如下：正极： 负极： 为了解决充电后的水的电解，阀控蓄电池将原来的栅板进行了改进，采用了铅钙合金栅板，这样提高了释放氢气的电位，抑制了氢气的产生，从而减少了气体释放量，同时使自放电率降低。利用负极活性物质海绵状铅的特性，与氧快速的反应，使负极吸收氧气，抑制水的减少。在充电最终阶段或在过充电时，充电能量消耗在分解电解液的水上，使正极板产生氧气，此氧气与负极板的海绵状铅以及硫酸其反应，使氧气再化合为水。同时，一部分负极板变成放电状态，因此也抑制了负极板氢气产生。与氧气反应变成放电状态的负极物质经过充电又恢复到原来的海绵状铅，由此导致电池在浮充过程中产生的气体90%以上消除，少量气体通过可闭的阀控制排放，这就实现了有条件的密封，即阀控蓄电池。第三章 便携式太阳能移动电源箱的设计3.1 设计基本思路太阳能光伏发电系统的设计分软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳电池方阵面辐射量的计算，太阳电池组件、蓄电池用量的计算和两者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵的安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池组件和蓄电池的选型，太阳电池箱体的设计，逆变器的选型和设计，以及控制器的选型和设计。软件设计由于涉及到复杂的计算一般是由计算机完成；在要求不太严格的情况下，也可以采用估算的办法。家用太阳能光伏电源系统主要由太阳能电池组件、控制器、逆变器、蓄电池以及相应的附件组成。没有多少部件，看似简单，但要真正完成较理想的产品设计却非易事。首先，得靠“天”吃饭。由于光伏发电得依靠太阳能辐射，所以要尽可能掌握当地的气象、环境情况。其次，得量体裁衣，即要考虑用户的用电需求情况。然后在这两者的基础上，需要对几十个相关参数做出综合考虑和计算，才能最大限度的发挥系统各部件的性能，做到尽可能的最优设计。所以从理想的状态来讲，对于每一个特点地点的光伏系统，设计就需要根据具体情况进行一次专门的计算，以求设计结果与实用情况能够最大限度的吻合。但是，改课题涉及的便携式多功能移动电源箱在工厂通过了系列化、工业化批量生产。当然，这样设计出的产品可能不能满足每一个用户的要求。另外，同一套便携式多功能移动电源箱在不同地区或不同安装使用条件下可能产生不同的效果。便携式太阳能多功能电源箱的基本工作原理见附录33.2 容量设计对于光伏发电系统的设计，首先要计算、确定系统的容量。其中直流系统的容量由两个参数决定：太阳能电池组件和蓄电池。对于交流系统，还得考虑逆变器。这些参数相互关联、相互依存、相对独立。其中，太阳能电池组件决定了系统的可能的发电量，逆变器的容量依据负荷的总功率以及负载类型来确定，蓄电池的容量由每天的充放电量和最大放电深度等决定。3.2.1 蓄电池的容量确定蓄电池容量选择正确与否是家用太阳能光伏电源系统的关键问题之一。蓄电池是家用太阳能光伏电源系统中维护成本最高的部分。蓄电池的设计、配置不合理会大大加速蓄电池的损坏。蓄电池容量设计得过大会产生三个问题：一是加大了成本，显然不合适；二是过大的蓄电池不仅不能发挥设备容量的能力，而且会增大了自放电，无谓的消耗太阳能电池组件发出的电能；更为严重的是，家用太阳能光伏电源系统太阳能电池组件的容量一般都不大，产生不了大电流，一旦蓄电池大而太阳能电池组件小，是一种典型的小马拉大车的情况，蓄电池会长期处于未充满状态，极板很快盐化，加剧蓄电池损坏。蓄电池容量设计小了一方面会使太阳能电池组件发出的电不能完全贮存，系统功能得不到最大限度的利用。另一方面，蓄电池总是处于深放电状态，也很容易损坏。通常可以按公式（3-1）计算蓄电池容量5。 （3-1）式中 C蓄电池能量，W*h； E0平均每天负荷用电量，W*h； D蓄电池自给天数； D0蓄电池放电深度； D逆变器效率。在这个公式中计算出的蓄电池容量是W*h数，要换成蓄电池的A*h数还应除以系统电压。另外，在容量选择时还应考虑温度对蓄电池容量的影响。由于便携式多功能移动电源箱主要作为临时使用，因此不需要保证自给天数。在考虑绝大多数用户使用条件、经济实用、力求简单、通用性强、蓄电池容量的因素后，该设计确定便携式多功能移动电源箱的蓄电池容量为32AH。该容量能够满足大多数用户类型的需求。蓄电池的最佳充电电流和放电电流，一般按10小时充、放电率计算。32AH的蓄电池，其充电电流最佳为3.2A，最佳放电电流为3.2A。但是，由于便携式多功能移动电源箱选用的专用蓄电池可以小电流充电、大电流放电。因此，蓄电池最大放电电流为30A，此时放电时间为：32AH/30A=3.2H。当蓄电池以标准电流3.2A放电时，放电时间为：32AH/3.2A=10H。3.2.2 太阳能电池组件的容量确定设计太阳能电池组件的容量时，一方面要考虑当地气候环境条件，这个因素决定系统的可发电量；另一方面要考虑用户用电需求量。这是系统需要提供的电量，要求两者相当。对于气候环境条件前面已经论述。对于用电要求，需要说明的是光伏发电系统应用范围广，使用人群不确定，很难确定用户用电需求量，只是通过调查一部分潜在的客户或者根据用户的要求来估计不同用户用电量和负载类型。在设计时得到的太阳能辐射数据一般为水平面上的年辐射总量，在进行计算时应该对其作单位换算，采用Kw*h/m2。为了计算简便，同样用电负荷也取一年用电量为计算值，在实际得到用户用电需求为每日用电量，因为在实际使用过程中用户不可能每日都用，所以取一个同时率系数，一般取0.9。因为家用电源的太阳组件一般功率不大，各种如灰尘和温度对太阳能电池板的发电影响很大。在试验中测得的数据表明，太阳能电池表面的灰尘较多时，可似的太阳能电池组件的发电量下降10%-20%，在设计时一般取影响值10%；对于温度，将使发电量降低10%；对于家用太阳能系统都配有蓄电池，蓄电池在对能量贮存方面显示有能量的损失，在设计时也应考虑。另外，对于交流系统，由于加入逆变器后，有一个逆变效率，好的逆变器一般都能达到90%以上的转换效率。综合考虑以上各种因素，对于一个直流系统设计按式（3-2）方法6计算。 （3-2） 式中年用电同时率，一般取0.9；H年理论总用电量，Kw*h；Wo太阳能电池容量计算值，kWp；Q水平面上太阳能年总辐射能量，Kw*h/m2；R太阳能电池组件表面接收到的太阳能年总辐射量与水平面年总辐射量的比值，一般取值为1.2；系统总效率；F用户使用不当损失的效率，取0.90；蓄电池充放电效率，取0.85 ；2温度损失因子，取0.90；3灰尘遮蔽损失因子，取0.9；4逆变器效率，在直流系统中取值为1，而交流系统则根据所选逆变器取值，在设计时可选取0.92作为设计值。根据以上所计算得到的太阳能电池组件容量后，为了使供电可靠性较高，还应适当的对此值进行修正，通常扩大5%15%。太阳能电池组件参数有：空载电压和短路电流，两者乘积为太阳能电池的功率即P=UI，P为电功率单位为W，U为电压，单位为V，I为电流单位为A，还有工作电压和工作电流，工作电压一般为空载电压的80%90%，工作电流一般为短路电流的80%90%。按照每天充电10小时计算，充电电流3A，充电电压16V，一天将蓄电池充满的设计要求。太阳能电池板的功率：3A/90%*16V/90%=58W。所以选择太阳能电池组件的功率为60W。3.2.3 逆变器容量的确定（1） 逆变器的简介直流/交流逆变器是将直流电转换成交流电的装置。在我国，通用的各种家用电器和其他用电设备大多采用220V、50Hz的交流电供电，为了方便用户直接使用这些电器和设备，在功率稍大一些的家用太阳能光伏电源系统中都需要配置逆变设备，把蓄电池的直流电变换成交流电。逆变器还具有自动稳压的功能，可改善光伏发电系统的供电质量。另外，相对于蓄电池直接提供的12V低压直流电，220V输出的交流电也可以提供更大的供电半径。（2） 逆变器的原理将直流电能变换成交流电能的过程成为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。逆变器的种类很多，各自的具体工作原理、工作过程不尽相同。以单相逆变电路说明工作原理。如图3-1（a）输入直流电压为E，R为逆变器的纯电阻负载。当开关K1、K3接通后，电流流过K1、R和K3时，负载上的电压极性是左正右负；当K1、K3断开，K2、K4接通后，电流流过K2、R和K4，负载上的电压极性相反。若两组开关K1、K3、K2、K4以频率f交替切换工作时，负载R上便可以得到频率为f的交变电压Ut，其波形如图所示，该波形为方波，其周期T=1/f。图中的电路的开关K1、K2 、K3、K4可以是各种半导体开关器件，如功率晶体管（GTR）、功率场效应管（power mosfet）、可关断晶闸管（GTO）及快速晶闸管（SCR）。其波形如图3-1（b）所示。 （a）单相桥式逆变原理（b）交变电压Ut波形图3-1 单相桥式逆变原理示意图（3） 逆变器的种类根据逆变器的输出波形，可以将逆变器分为方波逆变器、阶梯逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器输出的交流电压波形为方波。虽然这种逆变器所使用的逆变线路不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是线路简单、价格便宜、维修方便；缺点是由于方波电压中含有大量高次谐波，在带有铁芯电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通信设备有干扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，噪声比较大等缺点。正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波，正弦波逆变器的优点是输出波形好、失真度很低，对收音机及通讯设备干扰小，噪声低；此外，保护功能齐全，整机效率高。缺点是线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。输出波形如图3-2所示。 图3-2 正弦波逆变器的输出波形（4） 逆变器容量的计算在交流家用太阳能光伏电源系统中需要加入逆变器，对于逆变器容量的确定有以下的原则。1、逆变器的额定功率应略大于系统中计算出的功率，即应加一个安全系数，通常取1.21.5。2、根据不同类型的负载确定逆变器容量，对于纯电阻负载，逆变器的功率即为系统中负载之和，而对于有感性负载的系统，则要根据感性负载启动时的浪涌电流加大逆变器的容量。根据以上原则，则可得出一个简单的逆变器计算表达式（3-3）： （3-3）式中CN逆变器容量；K安全系数，一般取1.21.5；n感性负载启动时的浪涌电流为额定电流的倍数；PG系统中感性负载的功率；PC系统中纯电阻性负载的功率。逆变器的额定功率应略大于系统计算的功率，即需要加一个安全系数，在此取1.2。所以，逆变器的功率：32AH*12*80%*1.2=374W考虑市场上逆变器的容量，确定逆变器的额定功率为400W根据不同类型的负载确定逆变器的类型。考虑到纯电阻负载和感性负载都能使用便携式多功能移动电源箱，因此该课题选用纯正弦波、额定功率400W的逆变器。3.3 系统配置及部件的设计、选用3.3.1 操作面板的设计和选用便携式多功能移动电源箱的操作面板应该具有配置合理、简单耐用、用户操作简单、各种指示明显等特点。在该系统中，用开关控制一块电压表分别测量蓄电池电压和可调输出电压。通过一个DC/AC逆变器为用户提供交流电，同时带有接通指示LED灯。在箱体的下部有多功能交流输出插座，以满足各种电器的需要。而在另一侧为直流接口，方便用户使用直流用电器。同时，机箱上部还有总开关、保险丝等。操作面板如附录4所示3.3.2 系统配线（1） 直流输入线径的计算太阳能发电系统要尽量减少系统损耗，但同时要兼顾系统的经济性，一般的光伏发电系统中因电压降而产生的损失一般为2%，但由于家用太阳能光伏电源系统中是直流电且电压等级比较低，一般为17V左右（太阳能电池组件与蓄电池匹配得比较非常好），所以家用太阳能光伏电源系统中，取太阳能电池组件到控制器间的损耗为5%，即线损取(P为太阳能电池组件额定功率)如式（3-4）。 （3-4）则 式中功率损失；R导线电阻；电压损失；电阻率；S导线截面积；L导线长度。（2） 直流输出线径7的计算公式如（3-5）和式（3-6） （3-5） （3-6）式中 P额定功率； R导线电阻； 电阻率； u端电压； S导线截面积； L导线长度。 （3-7）在便携式多功能移动电源箱中，由于系统工作电压很低，使得太阳能电池组件到控制器间的直流输入线以及配电器的输出线的设计显得比较重要。1、导线长度的选择考虑到便携式多功能移动电源箱位一体机，所以导线的长度一般不超过1m2、导线线径的选择为了尽量减小系统损害，但同时要兼顾系统的经济性，输出线采用铜导线，直径为1平方毫米，蓄电池经逆变器接到外部负载的线径为6平方毫米。3.3.3 箱体的设计1、材质的选择为了使外观轻便、美观且易于加工，该箱体选择木板外面包裹拉丝铝板2、箱体的制作箱体的制作由箱子制作厂电源箱的图纸制作箱体及相关附件的尺寸图纸见附录53、箱体的功能箱体具有保护蓄电池、电池板、逆变器、控制器等不受碰撞和雨水的破坏。箱体是金属结构，箱盖通过铰连接与箱体连接。箱体与箱盖间有搭扣做开启闭合的搭接件，可方便打开或密闭电源箱。侧面压制有加强筋，箱体下面有拉杆，侧面有提手，方便携带。蓄电池在箱体的中间位置，竖放。逆变器和控制器分别在箱体内部的两侧。面板上集中安装各种输出、输入插座、显示表头、控制开关等操作元件。具体功能图见附录6。3.4 电路设计便携式多功能移动电源箱的控制器也即是电路部分应该具有智能充放电控制、各种指示明显、经济耐用、方便操作、灵敏可靠等特点。因此控制器应该具有以下一些功能：信号检测。检测光伏系统各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电压、输出电压、输出电流等蓄电池最优充电控制。控制器根据当前的太阳能资源状况和蓄电池荷电状态，确定最佳充电方式，以实现高效、快速的充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。蓄电池放电管理。对蓄电池组放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、防止负载接入蓄电池组端电压突降而导致的错误保护等。设备保护。光伏系统所连接的用电设备在有些情况下需要有控制器来提供保护，如系统中逆变电路故障而出现的过压和负载短路而出现的过流等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用电设备损坏。故障诊断定位。当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，为对系统进行维护提供方便。运行状态指示。通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。光伏系统在控制器的管理下运行。控制器可以采用多种技术方式实现其控制功能。这里采用最常见的逻辑控制方式。即一种以模拟和数字电路为主构成的控制器，通过测量系统有关的电气参数，有电路进行运算、判断，实现特定的控制功能。控制器的电路按功能分为五个模块电路图，具体各个模块的功能及电路见附录7各个电路模块的基本工作原理：一、充电电路的基本工作原理由于太阳能电池板的充电电压为16.8V18V左右。因此为了防止蓄电池过充，导致电解液沸腾，限制蓄电池的充满电压为14.8V。即当蓄电池的电压高于14.8V时，继电器J1处于常闭状态，当蓄电池的电压低于14.8V时，继电器J1处于吸合状态。当蓄电池的电压升高到14.8V时，精确定位器RP2的最大分压为：14.8V/（10K+6.2K）*10K=9.1V5.1V也即是：URP2VRef (VRef为稳压二极管的稳压值5.1V)，此时，电压比较器LM393的3管脚的电压高于2管脚的电压,1管脚输出为高电平。Q2导通，Q3截止。继电器J1恢复到常开状态，太阳能电池板与蓄电池断开，充电过程完毕。通过调节精确定位器RP2的电阻（此时RP2的电阻值大约为3.2K），使蓄电池恰好升高到14.8V时，继电器开始分开。同时，由于Q3截止，Q4导通，LED绿灯发光，显示蓄电池充满状态。否则，蓄电池为充电状态。当电压比较器LM393的3管脚的电压高于2管脚的电压,1管脚输出为高电平，此时相当于R5与R4并联，并联后的电阻为：6.2K*12K/(6.2K+12K)=4K。并联后精确定位器RP2的电压为：14.8V/（3.2K+4K）*3.2K=6.6V5.1V。充满后，继电器J1再次吸合时的电压为：5.1V*(3.2K+4K)/3.2K=11.4V因此，由于R5的正反馈电路作用，杜绝了当蓄电池在14.8V附近时，继电器J1频繁吸合的现象。二、 放电电路的基本工作原理当蓄电池的电压降到10.8V时，为了防止深度放电，造成蓄电池电源枯竭，此时需要将蓄电池与负载分开。此时，VCC为10.8V，精确定位器RP3的最小分压为：0V5.1V也即是：URP2VRef (VRef为稳压二极管的稳压值5.1V)，此时，电压比较器