小功率太阳能控制器的设计

山西农业大学工程技术学院毕业设计说明书前言随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求，在过去的20世纪中，社会的高度发展是以对自然资源的无限制开采利用为基础的，其中尤以石油、煤炭、天然气等燃料为代表。根据国际能源机构的统计，假如按目前的势发展下去，不加节制，那么地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。这一统计结果，引起了全球对能源问题的关注，所以寻找新能源成为当前人类面师的迫切课题，各国竞相投入大量人力、物力，进行新能源的研究与开发。新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富、不会枯喝，二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。核能、太阳能、风能等各种新能源的研究被赋予了战略意义。另一方面，现代化工业的快速发展，造成了环境的严重污染，并由此引发了气候、健康、生态等一系列问题。保护环境，寻求可持续的发展道路成为当今世界的一大主题。能源与环境已成为世界发展所面临的两大问题。符合这些条件的新能源主要有两种：一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源，但是受到地理和季节条件的限制。照射在地球上的太阳能非常巨大，据佑计，每三天太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和大约分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。太阳电池可将太阳能直接转化成电能供人类使用，是利用太阳能资源的有效方式。而且，它在使用中不会产生任何有害物质，因此是一种无污染的产品,另外还具有系统运行可靠，长寿命，安装使用方便等优点。所以，太阳电池在解决能源与环境问题方面倍受青睐，是一种有着极好币场前景的产品，被誉为是理想的能源。目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划，日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMAT、光伏组件以及系统性能和工程、光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。美国还推出了太阳能路灯计划,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电800度。日本也正在实施太阳能“7万套工程计划”，日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了“10万套工程计划”。这些以普及应用光电池为主要内容的“太阳能工程”计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2007年开始，花4年时间完成。目前,美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂,其功率为7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest solar panels发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资1998年达570亿美元；1999年646亿美元；2006年700亿美元；2007年将达820亿美元；2008年有望突破2000亿美元。我国太阳能电池产业现状我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题；八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2006年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2007年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。 2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有10条太阳能电池生产线,年生产能力约为4.5MW,其中8条生产线是从国外引进的,在这8条生产线当中,有6条单晶硅太阳能电池生产线,2条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测,目前我国光伏市场需求量为每年5MW,20012010年,年需求量将达10MW,从2011年开始,我国光伏市场年需求量将大于20MW。目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的25左右。在太阳能电池材料下游市场，目前国内生产太阳能电池的企业主要有保定英利新能源、无锡尚德、开封太阳能电池厂、云南半导体器件厂、秦皇岛华美光伏电子、浙江中意太阳能、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在120MW以上。太阳能电池及太阳能发电前景简析目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着太阳能电池板制造技术的改进以及新的光-电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。1 太阳能电池概述1.1 太阳能概况太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。70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。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992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。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993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”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。1.2 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板。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；solar panels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。1.3 太阳能电池的原理及伏安特性太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N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，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，这种现象称为光生伏打效应。该效应在液态和固态物质中都会发生。但只有在固体中，尤其是在半导体中，才会有较高的转换效率。太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N结两边产生电压，使P-N结短路。从而产生电流这个电流随着光强度的加大而增大。当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。太阳能电池的等效电路如图1.1所示。 图1.1 太阳能电池的等效电路对于太阳能电池方阵而言，应按照用户的要求、负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定。应考虑蓄电池的均浮充电压、线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流，该数值再结合负载电流，可决定太阳能电池并联数。太阳能电池的输出特性图如图1.2所示，太阳能电池的输出伏安特性曲线是进行系统分析的最重要的技术数据之一。从图中可以看出，太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。图1.2 太阳能电池的输出特性图在光伏系统中，负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率。要想在太阳电池供电系统中得到最大功率，必须跟踪日照强度和环境温度条件，不断改变其负载阻抗的大小，从而达到阵列与负载的最佳匹配，以提高系统的效率。常用的控制方式有CVT(恒定电压跟踪)和MPPT(最大功率点跟踪)。2 太阳能光伏系统的应用2.1 太阳能光伏发电系统太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4到100。工作电压为0.45V一0.5V，工作电流为20-25mA/，一般不能单独作为电源使用，将太阳能电池单体进行串连、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串连、并联并装在支架上,就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率。太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组加上直流一交流逆变器等部分的组合，便组成了一个太阳能光伏发电系统。2.2 应用太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口连接，像一个小型的发电厂另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，不和外部电网产生关系。前者以光伏建筑为代表，通常被称之为屋顶并网发电系统，而后者则以太阳能路灯为典型。（1）太阳能光伏发电系统和建筑相结合的应用美国Solar Today杂志发表题为“ 和建筑物相结合的光伏系统一一通向未来的窗口”文章。该文认为，把光伏系统和建筑物相结合可使成干上万平方公里的建筑物表面包括屋顶和向阳的墙面为光伏系统所覆盖，将极大地扩大光伏币场，并能为这些建筑物提供电能。设在德国苏特瓦勒斯的福特车用发动机公司的照明设备全部采用太阳能，取代了传统火力发电照明。该设备由福特公司、欧盟和英国贸工部联合投资建成，是世界上最大的太阳能照明设备。这套功率为千瓦的太阳能照明设备价值万马克，由日尸国际太阳能设备公司提供。全部太阳能电池板共采用了260块大小为3平方米的电池板，每块板由154块太阳能电池构成。如此规模的太阳能照明设备在世界上尚属首例。日前，该公司正在开发新一代产品，即薄层太阳能电池技术。迄今为止，该公司已向近60个国家提供过类似设备。日前，欧洲可再生能源协会成员单位Hespul协会有关技术负责人在北京宣布,该协会与法国第一大屋面瓦生产厂商Imerys Tolture公司共同开发出了这种太阳能光电屋面瓦及相关系统。这种太阳能光电瓦既能产生清洁的能源，又保持了房屋的美观。这一方法的创新之处在于该系统的“ 屋面系列” 用光电池做成的屋面瓦，由光电模块组成，光电模块的形状、尺寸、铺装时的压接方式都与宽平板式的大片屋面瓦一样（每平方米10片）。光电屋面瓦每套为20块电池板，可以铺设10平方米的屋面。每套组件每年平均可以产生1000度的电力。当屋面的朝向和日照时间符合规定的条件时，两到三套光电屋面瓦便可以满足一个家庭的平均用电量。每片光电瓦包括一个保证机械强度和密封性能的支架，一个光电池元件和一片起保护作用的钢化玻漓。此外，整个系统还包括一些用于网络连接的元件和附件（逆变器和联接元器件）。该系统不用在屋顶上安装支架，也不用在屋顶上凿洞安装太阳能电池板。新的系统不要求设置其它的密封装置，通过像瓦一样地叠置式安放，就能起到密封的作用。瓦片上有一个内置式的透气缝，保证光电池的通风散热。这种屋面瓦能够保证25年时间里的发电效率为95%左右。（2）独立式太阳能光伏供电照明系统独立式光伏供电系统由于它对环境的适用性和科技示范作用，也倍受关注。悉尼奥运会的独立式太阳能灯塔就给众人以耳目一新的感觉,2008年北京的奥运会场馆照明采用太阳能电池供电，其中独立式太阳能光伏供电系统将提供大型体育场馆周围的广场和道路的“绿色照明”。同时，太阳能路灯作为科技、环保的示范性设施，在科技开发区和发达城市也十分受欢迎。但是传统的太阳能灯采用节能灯光源，可以作为庭园灯使用,但是达不到道路照明的标准。日前，拥有自主知识产权的新型太阳能光伏供电照明系统由清华大学材料科学与工程系和深圳市想真科技开发有限公司联合研发成功，该系统可以直接点燃高压钠灯、金卤灯，这在国内尚属首次，在国际上也较有竞争实力，已有不少国外用户洽谈咨询。该照明系统采用太阳能组件电力供应，免维护环保蓄电池，具有节能环保无污染、可靠性能好、工作寿命长等特点，是真正的绿色照明模式。它还采用了蓄电池、灯杆控制器一体化设计，外形更加美观。它的输出功率可根据时间实现分级调节,以便更合理的使用。太阳能光伏供电技术是解决21世纪能源和环境问题的有效途径。常规能源面临枯喝，可再生能源将成为能源消费的主流，据国际能联等权威组织的预测，到2050年左右，太阳能将占到总能源消耗的15%成为基础能源之一随着我国对可再生能源的重视和投入，屋顶发电系统和独立式路灯系统会在不远的将来进入我们的生活。3 P87LPC769简介3.1 P87LPC769概述P87LPC769是20脚封装的单片机，基本结构与51系列兼容，适合于许多要求高密度、低成本的场合。其内含4KB的OTP程序存储器和128B的RAM并且内置4路8位AD转换器，可以在宽范围的性能要求下实现高集成度、低成本的解决方案。作为Philips小型封装系列中的一员，P87LPC769提供可编程选择的高速、低速晶振和RC振荡方式。具有较宽的操作电压范围。并提供可编程I/O口输出模式选择，可选择施密特触发输入，LED驱动输出和内部看门狗定时器。P87LPC769基于80C51的加速处理器结构使指令执行速度为标准80C51 MCU的两倍。3.2 P87LPC769特性（1）操作频率为20MHz时，除乘法和除法指令外，加速80C51指令执行时间为300600ns。VDD=4.55.5V时，时钟频率可达20MHz（2）4通道多路8位A/D转换器。在振荡器频率=20MHz时，转换时间为9.3。（3）两路数模转换器（DAC）输出。（其中一路与A/D转换复用）。（4）4K字节OTP程序存储器，128字节的RAM。32Byte用户代码区可用来存放序列码及设置参数。（5）2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出。 内含2个模拟比较器。（6）全双工通用异步接收/发送器（UART）及C通信接口。（7）八个键盘中断输入，另加2路外部中断输入。（8）4个中断优先级。（9）看门狗定时器利用片内独立振荡器,无需外接元件,看门狗定时器溢出时间有8种选择。（10）低电平复位，使用片内上电复位时不需要外接元件。（11）低电压复位可在掉电时使系统安全关闭，也可将其设置为一个中断源。（12）振荡器失效检测，看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可用于振荡器的失效检测。（13）可配置的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项(用户通过对EPROM位编程选择)。选择RC振荡器时不需外接振荡器件。（14）可编程I/O口输出模式：准双向口,开漏输出,上拉和只有输入功能。可选择施密特触发输入（15）所有口线均有20mA的驱动能力。（16）可控制口线输出转换速度以降低EMI,输出最小上升时间约为10ns。（17）最少15个I/O口,选择片内振荡和片内复位时可多达18个I/O口。（18）如果选择片内振荡及复位时,P87LPC769仅需要连接电源线和地线。（19）串行EPROM编程允许对芯片进行板上编程。2位EPROM保密位可防止程序被读出。（20）空闲和掉电两种省电模式。提供从掉电模式中唤醒功能（低电平中断输入启动运行）。典型的掉电电流为1A。（21）20脚SO封装。4小功率太阳能控制器的设计4.1 小功率太阳能控制器图4.1为小功率太阳能控制器电路结构图，蓄电池和太阳能电池阵列直接耦合，当白天有阳光时，太阳能电池阵列向蓄电池充电，控制电路测量蓄电池端电压，通过调整DC/ DC 中功率管的占空比，使得太阳能电池阵列的输出电压高于铅酸蓄电池的端电压，同时蓄电池通过负载放电。当夜晚或阴天阳光不足时，蓄电池放电，保证负载不停电。对于小功率太阳能控制器而言为节约成本常用的控制方式为恒定电压跟踪(CVT)法。即通过合理选择太阳电池的串并联数，使阵列在最大功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压即可获得蓄电池和太阳电池方阵之间的电压最佳匹配。在充电过程中，蓄电池两端电压从高到低或从低到高地不断变化,其伏安特性可表示为: V= + I （1）V为蓄电池的电动势；为蓄电池的内阻，通常的值很小，可忽略不计，则蓄电池模型可处理为: V =常数 （2）图4.1 小功率太阳能控制器电路结构若设定蓄电池在充放电过程中其端电压的最大值和最小值分别为和则在蓄电池工作期间，其端电压应在和之间变化。蓄电池的输入特性如图4.2 曲线(a)，太阳电池特性曲线如图4.2中曲线(b)。图4.2 中，蓄电池的输入特性曲线接近太阳电池方阵的最大功率线，两者本质上具有良好的匹配特性。因此，在小型的户用系统中要合理选择太阳电池的串并联数，使阵列在最功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压,就可以获得蓄电池和太阳电池方阵之间的电压最佳匹配,从而省去MPPT和CVT控制器，降低系统成本，提高系统的可靠性，有利于小型户用系统的推广应用。图4.2 太阳能电池阵列和蓄电池直接耦合图4.2 电路分析图4.3为24V5A太阳能控制器主回路电路图。该控制器采用单路旁路型充放电控制器形式，即MOSFET管并联在太阳能电池阵列的输出端，当蓄电池端电压充到均充电压值时，进入脉宽调制状态，避免蓄电池过充。图4.3 太阳能控制器主回路电路图图4.3中Vin+和Vin-连接太阳能电池阵列的输出，Vout+和Vout-连接直流负载，和GND连接铅酸蓄电池的正负两端。为“防反充二极管”只有当太阳能电池方阵输出电压高于蓄电池电压时，才能导通反之截止，从而保证夜晚或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“防反向充电保护”作用。为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，导通，使蓄电池通过短路放电，产生很大电流，快速使保险丝烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。MOSFET管为蓄电池放电开关，在铅酸蓄电池放电时，从保护蓄电池的角度出发，当蓄电池电压小于“过放电压”时，截止，切断蓄电池和负载的回路，进行“过放电保护”，避免电池放空损坏蓄电池。当太阳能电池阵列重新供电，只有当蓄电池电压重新升到浮充电压时，才重新导通，接通负载回路。需要指出的是当控制电路切断负载回路后控制电路仍然要消耗蓄电池能量因此控制电路要尽量减少电子元器件以降低功耗。出于此目的该电路采用PHILIPS公司的单片机P87LPC769作为CPU。受体积和成本的限制以单片机为核心的控制电路电源直接通过蓄电池端电压变换得来该电路通过图4.4中的A7805三端稳压器变换出单片机的电源电压，控制电路与主回路共地。A7805为三端稳压器，其输出电压为5V，并联电容以去除干扰。图4.4 单片机电源变换电路图4.5为单片机P87LPC769的管脚连接图。电路中单片机的主要功能就是测量蓄电池端电压，进而控制和的导通状况，保证电路的稳定运行。由于P87LPC769自带8位AD，单片机又与主回路共地因此采用直接电阻分压测量即可。即电路图6中的。图4.5 P87LPC769管脚连接图当该控制器负载为路灯时，应具备光控功能，即有太阳光时，截止；夜晚或阴雨天光线不足时，导通，路灯照明。由于光线不足时，太阳能电池阵列的输出电压下降显著，因此可通过对其输出电压进行分压测量()，判断光线情况，作为导通和截止的一个判断依据。P87LPC769使用P1.7(Fzs)和P1.6(PWM)作为两个MOSFET的栅极控制信号。以的控制为例，当P1.6输出高电平时，MOS管导通，栅极驱动信号被拉低，截止。如图4.6所示。由于MOSFET的栅极驱动电压不能超过20V，因此当P1.6输出为低电平时，截止，蓄电池电压经和分压后产生的驱动信号。和在主回路中的连接方法可解决其驱动共地问题。图4.6 MOSFET的驱动电路控制器还配置了蓄电池放电容量指示灯，如图4.7所示。4个发光二极管分别对应蓄电池容量的100、75、50和25。P87LPC769测量蓄电池端电压后，根据其数值决定4个发光二极管的亮灭情况。需要指出的是，当蓄电池充电时，其端电压与容量没有直接关系，发光二极管的指示没有实际意义，只有当蓄电池放电时，其端电压可以在一定程度上反映电池容量。图4.7 蓄电池容量指示驱动电路4.3 太阳能控制器总电路图见附图。5 温度对太阳能电池的影响国内光伏发电的地面应用自1973 年首次用于天津港的航标灯以来,已经有近30 年之久，从独立户用发电系统,集中式村庄供电系统,混合或互补发电系统,到并网发电系统等,正在迈向较大规模的商业化应用。光伏发电系统在实际应用中,其发电性能受自然环境条件的影响较大,其中系统主要部件太阳电池组件和蓄电池的工作温度是影响光伏发电系统性能的重要因素之一。5.1 硅太阳能电池的温度效应太阳能光伏发电核心单元为太阳能电池,目前投入大规模商业化应用的主要是硅系太阳能电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。温度对硅太阳能电池的影响,主要反映在太阳能电池的开路电压、短路电流、峰值功率等参数随温度的变化而变化。5.1.1 温度对单体太阳能电池的影响单体太阳能电池的开路电压随温度的升高而降低,电压温度系数为-(210212)mv/,即温度每升高1,单体太阳能电池开路电压降低210212mv；太阳能电池短路电流随温度的升高而升高；太阳能电池的峰值功率随温度的升高而降低(直接影响到效率)，即温度每升高1,太阳能电池的峰值功率损失率约为0.350.45%。例如:工作在20的硅太阳能电池,其输出功率要比工作在70的高20%。5.1.2 温度对太阳能电池组件的影响单块太阳能电池组件通常由36片单体太阳能电池串联组成，根据在西宁地区实地测量的结果,夏天时太阳能电池组件背表面温度可以达到70,而此时的太阳能电池工作结温可以达到100(额定参数标定均在25条件下)，此时该组件的开路电压与额定值相比将降低约 2.3(100-25)36=6210mv （3）峰值功率损失率约0.4%(100-25)=30% （4）由此可以看出,硅太阳能电池工作在温度较高情况下,开路电压随温度的升高而大幅下降,同时导致充电工作点的严重偏移,易使系统充电不足而损坏；硅太阳能电池的输出功率随温度的升高也大幅下降,致使太阳能电池组件不能充分发挥最大性能。5.2 蓄电池的温度特性在独立运行的太阳能光伏发电系统中,蓄电池是关键部件,其主要作用是存贮和调节电能。目前我国还没有专门用于太阳能光伏发电系统的蓄电池,而是使用常规的铅酸蓄电池,主要类型有:固定式铅酸电池、工业型密封电池、小型密封电池、启动型蓄电池等。温度是影响蓄电池使用寿命的主要因素之一。5.2.1 铅酸蓄电池温度特性的本质铅酸蓄电池属于化学电池,由极群组插入稀硫酸溶液中构成,正极板为二氧化铅,负极板为海绵状铅。放电时两电极的有效物质和硫酸反应,转变为硫酸铅；充电时,又恢复为原来的铅和二氧化铅。所以当电解液温度高时(在允许的温度范围内)，离子运动速度加快、获得的动能增加,因此渗透力增强,从而使蓄电池内阻减小、扩散速度加快、电化反应加强；当电解液温度下降时,渗透力降低,蓄电池内阻增大、扩散速度降低、电化反应滞缓。5.2.2 充电电压与温度的关系蓄电池无论在浮充状态或在循环状态下运行,为了保证蓄电池的性能,都需要随蓄电池的温度变化来改变充电电压,单体电压温度补偿系数为-(37)mv/。通常蓄电池在循环状态使用时,单体电压温度补偿系数可取-4mv/；在浮充状态使用时,单体电压温度补偿系数可取-315mv/；在进行均充时,单体电压温度补偿系数为-5mv/。5.2.3 蓄电池容量与温度的关系蓄电池的运行温度对电池容量的影响较大,在不同的温度范围内,温度对容量的影响系数不一样,在低温时电池的容量随温度的升高而提高,然而过高的温度也会对蓄电池产生不利的影响,从而导致蓄电池容量下降,寿命缩短。下表是某铅酸蓄电池厂提供的在不同温度条件下,蓄电池有效放电容量与额定容量的比率(额定容量是25时,蓄电池放电终止电压1.8V的条件下电池的10小时放电容量)。表5.1 蓄电池容量与温度的关系序号电池温度（）电池容量（%）序号电池温度（）电池容量（%）1-4015820972-30309251003-204510301044-10601135106507512401076108713501077159314另一方面由上表可以看出,铅酸蓄电池不易长时间工作在较低温度,比如-30时放电容量仅达到额定容量的30%，不能发挥蓄电池的最大效能。低温应用时应考虑其它类型的蓄电池。5.3 减小温度对太阳能电池影响的方法5.3.1 安装太阳能电池组件来降低温度影响系统设计(尤其是存在太阳能电池组件串并联组成太阳能方阵) 时,应根据使用环境的不同,适当增加太阳能电池组件数量,以补偿由温度的升高而引起的电压损失和功率损失,保证系统正常使用；同时在太阳电池组件的安装应充分考虑散热问题,尤其是将太阳电池组件与建筑物相结合安装时,应留出足够的散热空间。5.3.2 设计合理的太阳能光伏发电用充放电控制器实现太阳能电池方阵最大功率跟踪(MPPT)功能,来精确跟踪工作电压和功率波动,发挥太阳能电池最大效能。增加温度补偿功能,在不同的温度条件下,自动调整蓄电池充电电压和放电终止电压,如果可能尽量根据蓄电池容量设置过放电控制,合理发挥蓄电池的性能。5.3.3 设计合理的机房,尽量控制室内温度在合适的范围内尤其在高寒地区应采用被动式太阳能采暖房,尽量使蓄电池工作535的环境温度下。在太阳能光伏发电应用中,温度除了影响太阳能电池和蓄电池的电性能外,在独立光伏电站建设中,太阳房的施工、电线电缆的铺设、阵列基础的施工等都应考虑温度的影响。6 结论本文提供了一套简易太阳能控制器电路，其成本低廉且性能稳定，具备广泛推广的价值，以及太阳能光伏发电应用的温度影响,主要表现在太阳能电池和蓄电池的电性能随温度的变化而变化,从而影响整个光伏系统的发电性能,但是这些影响基本可以通过合理的系统设计和充放电控制器的设计来改善。在文章中还介绍了太阳能光伏发电的一些应用，随着我国经济的快速发展，资源环境矛盾日益尖锐，能源紧缺、环境污染已成为社会关注的热点。为实现国民经济持续健康发展，我国目前全面落实科学发展构建和谐社会建立节约型社会，给可再生能源快速发展创造了良好环境。同时京都议定书生效为可再生能源发展提供了广阔国际空间。我国光伏产业已经具备了一定的产