太阳能发电系统设计

本科生毕业设计 论文 I 摘 要 进入二十一世纪 人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战 而 能源问题日益严重 太阳能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源 因此 光伏发电系统对解决能源问题起到非常积极的作用 近年来发展迅速 本设计重点针对 光伏发电装置 中蓄电池充放电控制模块和逆变器模块进 行了细致科学的 设计 此外 论文内容对 CPU最小系统设计 DCDC及DCAC 转换电路设计 指示电路部分的设计也进行了详细说明 并针对目前市场上传 统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理 同时保护也不够充分 使得蓄电 池的寿命缩短这种情况 研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方 案 逆变环节采用 SPWM调制方式 简化了驱动电路设计 软件设计中 采 用瞬时电压反馈 增加了电路保护等功能 论文阐述了软件设计总体思想构架 给出了程序代码 和系统各部分控制流程图 最后 经过仿真软件进行整体系统 仿真 基本达到性能要求 具有实际应用意义 本设计着重 在太阳能对蓄电池的充放电方式 控制器的功能要求和实际 应用方面做了一定分析 完成了硬件电路设计和软件编制 实现了对蓄电池的 高效率管理 具有创新意义 关关键键词词 太阳能 光伏发电 蓄电池 控制 逆变器 本科生毕业设计 论文 II Abstract Entering the 21st century human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society and energy problem becomes more and more serious And solar power are considered the most representative of new and renewable energy The power technology of solar energy and wind attack world s attention Therefore the photovoltaic power generation system plays a very positive role in solving the energy problem and has developed rapidly in recent years The paper of the key for photovoltaic power generation device battery charging and discharging control module and the inverter module of scientific and meticulous design in addition the content of minimum CPU system design DCAC and DC DC conversion circuit design indicating the part of the circuit design were also described in detail And in view of the present market conventional charge controller of battery charge and discharge control unreasonable and protection is also inadequate making the life of the battery relationship that the study identified a scheme based on MCU solar charge controller inverter using SPWM modulation method simplifying the drive circuit design Software design Meter the instantaneous voltage feedback circuit protection function has been added thesis describes the overall framework of software design given the various parts of the program code and the system control flow chart Finally through the software simulation of the whole system simulation can satisfy the basic performance requirements has the practical application significance This paper mainly in the solar battery charge and discharge mode the functional requirements of the controller and the practical application aspects do analysis completed the hardware circuit design and software development realize the efficient management of the battery having the meaning of innovation Keyword pv power photovoltaic power generation battery control inverter 本科生毕业设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 太阳能的应用及特点 1 1 2 研究背景及意义 2 1 3 光伏发电系统概述 4 1 3 1 离网型光伏发电系统 6 第 2 章 光伏发电系统整体结构 8 2 1 光伏发电系统整体结构 8 2 2 太阳能电池板 9 2 3 功率变换器 10 2 3 1 变换器的种类 10 2 3 2 光伏发电系统中变换器及其作用 10 2 4 储能元件单元 11 2 4 1 储能元件的分类 11 2 4 2 储能元件的作用 12 第 3 章 电池板及蓄电池的参数计算与选择 14 3 1 太阳能电池板参数计算及选择 14 3 2 蓄电池参数计算及选择 16 3 2 1 铅酸蓄电池的充电特性 16 3 2 2 铅酸蓄电池的放电特性 18 3 2 3 铅酸蓄电池充电方式 19 第 4 章 蓄电池充电控制器的设计 23 4 1 系统层次原理图 23 4 2 单片机最小系统 24 4 2 1 数据存储器扩展 26 4 2 2 复位电路设计 27 4 2 3 时钟电路设计 27 4 2 4 CPU 最小系统图 28 4 3 充放电电路 28 4 4 光耦驱动电路 29 4 5 AC DC 转换电路 30 4 5 1 ADC0804 的简介 30 4 6 LCD 显示电路 33 本科生毕业设计 论文 IV 4 7 串口通信电路 34 4 8 太阳能充电控制器的软件设计 36 第 5 章 变换器主电路设计 37 5 1 几种变换器的特点 37 5 2 MPPT 控制电路 39 5 3 升压变换器 40 5 3 1 DC DC 升压变换器的选择 40 5 3 2 推挽电路的基本原理 41 5 4 逆变电路 41 5 4 1 逆变器的选择 41 5 4 2 全桥逆变模块 42 5 4 3 全桥逆变器控制技术 42 5 5 控制芯片 43 5 5 1 PIC16F73 供电电源 43 5 5 2 时序和死区电路 44 5 5 3 光耦隔离电路 44 5 5 4 电压反馈检测电路 45 5 6 PWM 控制电路系统图 46 参考文献 47 致 谢 48 附 录 49 本科生毕业设计 论文 0 第 1 章 绪 论 1 1 太阳能的应用及特点 世界经济的快速发展 与化石能源息息相关 能源是人类社会存在和发展的 重要物质基础 能量遵循守衡定律 它不会产生也不会消失 只能从一种形式转 化为另一种形式 在经济快速发展的 21 世纪 能源却在迅速枯竭 工业生产对 化石能源需求量的日益增加与其储存的逐渐减少所引起的结构性矛盾日益成为能 源安全所面临的最大难题 根据社会经济学家和科学家们对形势的估计 全球石 油储量约有一千亿吨到一千五百亿吨 以 1995 年的年开采量 33 2 亿吨估算 石 油将在 21 世纪中叶全部用完 天然气储备大约在十三万至十五万兆立方米范围 内 如果假设年开采量恒定在 2300Mcm3 也将在六十年左右内全部用完 煤炭 是传统化石能源里存储量较多的 全球总共约有 5600 亿吨 若煤炭的年开采量 按照 1995 年统计的 33 亿吨计算 大约可以还维持 169 年 如果那个时候新的能 源体系尚未建立 能源危机将席卷全球 而且越是依赖于化石资源的国家 受害 就越严重 能源的供应不足 必然引起经济上的大幅衰退和各国之间的冲突 近 10 年来 因为化石能源而频繁引发战争就是证明 每一次战争都牵扯到能源的重 新分配 如果不从根本解决能源问题 这种全球性质的战略冲突 今后还会发生 总而言之 能源危机一触即发 我国技术可开发能源蕴藏量见表 1 1 由表 1 1 可以看出 即使将太阳能以外 的所有可再生能源加在一起 也不能满足我国未来对太阳能的需求 太阳能作为 清洁的可再生能源即将代替常规能源 成为拯救经济发展的 救星 表 1 1 我国可开发资源蕴藏量 目前我国正在工业化和城市化的加速阶段 经济发展带来的一系列的能源问 技术可开发资源种类蕴藏量 生物质能 年产量 10 0 亿吨标准煤 水能5 4 亿千瓦 风能陆上和近海总计 7 12 亿千瓦 太阳能960 万平方公里接收太阳能辐射能 17000 亿吨标准煤 本科生毕业设计 论文 1 题和环境问题 正严重威胁着我国经济的可持续发展 资源有效利用与经济发展 环境污染与国民生活质量之间的协调发展是我国现阶段需要合理处理的事情 这 些都在提醒着我国政府 加大改革力度 在合理利用已有资源的基础上 政府 支持 尽快开发新能源 实现 绿色循环体系 太阳能具有以下明显的优点 能源清洁 不会对环境产生负面影响 不会像燃烧化石能源那样 向大气排 放量废气和颗粒物 造成雾霾天气和燃料废渣的大量堆积 影响环境质量 能量 之不竭 太阳光是个源源不断的可再生能量 在人类出现之前就在 发光发热 给地球带来光明 据科学家的推断 太阳至少还有四十多亿年的寿命 能源 随处可得 基本上不受地域限制 有光照的地方就有太阳能 可就 近供电 不必长距离输送 避免了输电线路上的电能损失 而且能提高整个能源系统 的安全性和可靠性 发展前景好 随着能源危机的越演愈烈 世界各国都在着力开发新能源 随 着研究的深入和科学技术的进步 光伏发电装置的转换效率会越来越高 而且太 阳能的开发和利用只需要装置和技术的支持 不需要能源成本 因此具有很好的 经济性 这些优势使得光伏产业具有巨大的发展潜力 但是能量密度低 容易受气象 条件影响的缺点使得太阳能的综合利用受到一定程度的限制 为了更好的利用太 阳能 对光伏发电系统的研究具有深远的意义 1 2 研究背景及意义 电能是社会发展和经济建设的重要保障 它和高科技的紧密结合创造了丰富 多彩的人类生活 同时电能的广泛应用也导致全球范围内的电力供应不足现象频 繁出现 从世界范围内来看 火力发电是目前发电的最主要形式 但是由于石油 天然气 煤炭等化石燃料的大量燃烧 不仅带来了能源枯竭问题 也使环境污染 尤其是大气污染问题日益严重 从 2013 年年初开始 PM2 5 这个词汇不断被人 们所关注 恶劣的雾霾天气已经影响到我国的绝大多数城市 而且在 2014 年又 有加重的趋势 为了缓解经济增长 能源短缺以及环境污染之间的矛盾 我国政 府相关部门出台了很多政策 比如提高能源利用率 搬迁高污染行业 完善各区 域间大气污染联控机制等 但是从实施效果上来看 这些措施都是治标不治本 只有转变目前能源的使用方式 大力发展和普及太阳能 风能等清洁能源 彻底 改变以化石能源为主的能源结构 才能从根源上缓解能源短缺和环境污染问题 本科生毕业设计 论文 2 进而消除电力供应不足和大气雾霾等现象 此外 一些技术落后的电厂设备和年代陈旧的输电网络已经无法满足目前持 续增加的电能需求 供电过程中的安全性和供电质量也达不到较高的水准 在这 种情况下如果以新能源的开发利用为切入点来改变传统的用电模式不失为一种很 好的选择 在目前被人类成功利用的新能源家族中 分布最广且资源最丰富的是 太阳能 大力推广以光伏发电为主的太阳能发电技术是符合可持续发展方针的重 要举措 从 1954 年美国科学家在贝尔实验室中首次成功研发单晶硅片光伏电池 到 后来光伏电池在航天工程中的大范围使用 再到今天的光伏一体化建筑 BIPV 光伏产业的发展已经走过了六十多年的历程 光伏发电凭借其无污染 安全隐患 小 使用时间长和运行维护量少等许多优点 被认为是新时代中最具发展潜能的 发电模式 最近二十年是世界光伏产业的飞速发展期 在美国 日本 德国等国 家推出一系列光伏推广计划后 光伏产业一直保持着年均 30 以上的增长速度 据欧洲光伏行业协会 EPIA 最新公布的全球光伏发电系统情况报告显示 截止 2013 年底的全球累计光伏装机容量已达 136 7GW 据欧委会联合研究中心 JRC 预测 光伏发电量所占世界总发电量的比例到 2030 年可达 10 以上 到 2100 年 可占 68 的份额 从而使能源构成比例产生颠覆性的变化 光伏装机容量的迅猛发展离不开光伏发电技术的发展 现在国际上对光伏发 电技术的研究侧重于高效稳定且成本低廉的光伏直流变换器 光伏并网逆变器以 及分布式光伏发电应用技术等方面 依托于光伏屋顶计划和国家法规的支持 许 多欧美发达国家相继成功研发了针对不同场合的光伏发电装置 与世界光伏产业 的蓬勃发展相比 我国的光伏产业才起步不久 而且相关政策的不健全使得我国 的光伏发电工程存在应用面窄 技术不规范和闲置率高等问题 另外 我国的光 伏板制造产业从 2012 年开始进入冬天 欧美对我国光伏厂商制定的双反政策使 得国内生产的大部分光伏电池都无法出口 而此时国内滞后的光伏发电市场又不 能消化如此高的产能 因此 为了促进我国光伏产业的发展 我国一方面要完善 光伏发电政策来扩大国内市场 另一方面要大力推进光伏应用技术研发来保证光 伏发电项目的顺利开展 目前的光伏发电系统主要有并网和离网两种形式 从长远发展来看光伏并网 发电形式是光伏发电应用的趋势 但是目前光伏并网发电成本过高 而且电网对 光伏电能的收购政策还不完善 使得并网发电无法大规模推广 相比之下 离网 发电形式因具有安装方便 不受电网政策限制 成本相对较低等特点而同样具有 广阔的应用前景 离网光伏发电系统对家庭用户和远离公共电网的无电区以及一些特殊场所有 本科生毕业设计 论文 3 极其特殊的意义 本文将要研究的离网型光伏发电装置首先可以为不在电网供电 范围内的居民解决用电问题 从而改善他们的生活条件 提高生活品质 其次 有电网覆盖的区域也可以采用此系统来缓解用电高峰时的电网压力 做到绿色能 源的良好利用 在产品创新方面 本论文将蓄电池充电技术与正弦波逆变功能相 结合 并引入能量管理策略设计了离网型光伏发电系统 目前市场上同类产品较 少 有一定的市场潜力 1 3 光伏发电系统概述 20 世纪 90 年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期 在这一时期我 国光伏组件生产能力逐年增强 成本不断降低 市场不断扩大 装机容量逐年增 加 2004 年累计容量达 35MW 约占世界份额的 3 10 多年来 我国太阳能光 伏产业长期平均维持了全球市场 1 左右的份额 到 2020 年前 我国太阳能光伏 发电产业将会得到不断的完善和发展 成本将不断下降 太阳能光伏发电市场发 生巨大的变化 2005 2010 年 我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统 发 电成本到 2010 年将约为 1 20 元 kW h 2010 2020 年 太阳能光伏发电将会由 独立光伏发电系统转向并网发电系统 发电成本到 2020 年将约为 0 60 元 kw h 到 2020 年 我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列 目前太阳能利用的方式有 太阳能光伏发电 太阳能热利用 太阳能动力利用 太阳能光化利用 太阳能生物利用和太阳能光 光利用 其中太阳能光伏发电以其 优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展 被认为是当前具有发展前景的 新能源技术 各发达国家均投入巨资竞相研究开发 并产业化进程 大力开拓太 阳能光伏发电的市场应用 太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电 池单元是光电转化的最小单位 将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电 池组件 其功率一般为几瓦到几百瓦 这种太阳能电池组件可以单独作为电源使 用的最小单元 可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联 构成太阳能电池方 阵 以满足负载所需要的功率输出 太阳能光伏发电之所以发展如此迅速 是因为其具有以下优点 l 取之不尽 用之不竭 地球表面所接受的太阳能约为 1 07 1014GWh 年 是全球能量年需求的 35000 倍 可以说是一种无限的资源 2 无污染 光伏发电本身不消耗工质 不向外界排放废物 无转动部件 不 产生噪声 是一种理想的清洁能源 3 资源分布广泛 不同于水电受水力资源限制 火电受到煤炭资源及运输成 本科生毕业设计 论文 4 本等影响 光伏发电几乎不受地域的限制 理论上讲在任何可以得到太阳能的地 方都可以利用太阳能进行发电 4 建设周期短 建造灵活方便 运行维护费用低 光伏发电系统可以按照需 要将光伏组件灵活地串并联 达到所需功率 所以其建设周期短 扩容方便 安装 于房顶 沙漠 还可与建筑相结合 从而节约占地面积 节省安装成本 太阳能光 伏发电所消耗的太阳能无需付费 一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节 前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染 接线是否可靠以及蓄电池电压是否 正常等 因而太阳能光伏发电的运行费用很低 5 光伏建筑集成 光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿 这种产品不仅美观大方 还节省发电站使用的土地面积和费用 6 分布式 光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠 性 特别是从抗御自然灾害和战备的角度看 更具有明显的意义 太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立离网光伏发电系统和并网 光伏发电系统 太阳能光伏发电系统结构 该系统中的能量能进行双向传输 在 有太阳能辐射时 由太阳能电池阵列向负载提供能量 当无太阳能辐射或太阳能电 池阵列提供的能量不够时 由蓄电池向系统负载提供能量 该系统可为交流负载 提供能量 也可为直流负载提供能量 当太阳能电池阵列能量过剩时 可以将过 剩能量存储起来或把过剩能量送入电网 该系统功能全面 但是系统过于复杂 成本高 仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构 并具有上述全面的 功能 而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能 虽然我国光伏产业多年来实现了长足的进步 但不可否认的是 我国的光伏 产业也存在不容忽视的技术不高 环境较恶劣和市场风险等缺点和难题 近期在 国内光伏市场额应用方面也面临成本高 上网难 缺乏经验等障碍 我国光伏产 业的缺点如下 1 国内光伏技术总体的技术水平不高 内在竞争力不强 由于我国光伏产 业发展历史短 主要方向放在生产组件方面而基础研究工作薄弱 导致目前我国 光伏技术总体水平仍然不高 太阳能电池及其组件的效率和质量水平仍然普遍落 后于世界先进水平 在新型高效的太阳能电池和高纯硅生产技术的研究开发方面 也落后于欧美等发达国家 许多装备主要依赖国外引进 目前我国太阳能光伏产 业仍主要依靠市场驱动而非技术驱动 缺乏强大的内在竞争力 2 产业和市场发展不平衡 不利于产业的持续稳定发展和节能减排 在过 去的几年内 我国光伏产业界慧眼如炬 抓住了欧美国家光伏市场快速增长这一 机遇 利用了国内资源和人力成本较低的优势 实现了迅速起步与不断的发展壮 大 但由于近年来全球光伏产业的产能过快扩张及金融危机的负面影响 未来两 本科生毕业设计 论文 5 年内世界光伏组件和高纯硅材料市场势必供过于求 这将使得光伏产业面临大规 模洗牌的局面 所以我国光伏企业近期来已普遍停止扩产 削减产量 在这个洗 牌过程中 利润率最高的环节也将逐渐转向下游的光伏发电运营业 使得出售光 伏电力比出售光伏组件和系统具有更长远稳定的回报 这也是传统光伏产业界和 光伏设备制造业日益重视 极力呼吁启动国内光伏市场的根本原因 目前这种产 业和市场格局意味着我国光伏产业面临着日益突出的市场风险 而广受争论的光 伏产业的高能耗问题 其实质问题也在于产业和市场发展不平衡 即取决于国内 光伏产业链建设和国内外市场的选择 3 光伏产业在近期仍缺乏足够经济竞争力 有赖于政府政策扶持最近数十 年全球光伏市场的重心随着各国光伏市场政策的变化而先后从美国 1996 年以前 转移到日本 1996 2002 年 和欧盟 2002 年以来 即充分反映了全球光伏市场的 需求主要是由扶持政策推动的 目前我国还未制定比较系统完善的光伏发电经济 激励政策 电价有待于加快制定必要适度的财政补贴和优惠上网电价扶持政策 当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视 针对其制定规 划 增加投入 大力发展 20 世纪 80 年代以来 即使是在世界经济从总体上处 于衰退和低谷的时期 太阳能光伏发电产业也一直以 10 15 的递增速度在发展 90 年代后期 发展更为迅速 成为全球增长速度最快的高新技术产业之一 1 4 本文研究内容 本文主要对光伏发电装置 中蓄电池充放电控制模块和逆变器模块进行了 细致科学的 设计 此外 论文内容对 CPU 最小系统设计 DCDC 及 DCAC 转换电路设计 指示电路部分的设计也进行了详细说明 具体内容如下 1 控制器总体方案 利用结构框图说明系统组成 2 太阳能电池板充电接口设计 3 DCDC 及 DCAC 转换电路设计 逆变功率达到 2kW 4 蓄电池充放电保护电路设计 防止蓄电池过充 过放影响其使用寿命 5 CPU 最小系统设计 采用单片机 或嵌入式控制器进行充放电管理 6 指示电路 利用液晶屏和少量发光二极管指示蓄电池充 放电的电流电压状 态 7 软件设计 系统各部分控制流程图和具体程序的编写 本科生毕业设计 论文 6 第 2 章 光伏发电系统整体结构 2 1 离网型光伏发电系统整体结构 太阳能光伏电源系统的设计计算主要依据现场实际情况 为满足符合能量的 需求 在系统设置地点的日照条件和环境温度等情况下 优选出合适的太阳能电池 方阵和蓄电池容量 并使系统中所有设备相互匹配 保证系统的合理性和适用性 一个完善的太阳能光伏电源系统需要考虑多种因素进行设计 如电气性能设计 热力设计 机械结构设计等 对地面应用的独立电源系统来说 最主要的是根据 使用要求 决定太阳能电池方阵和蓄电池规模 以满足正常工作的需求 太阳能离网发电系统包括 1 太阳能控制器 光伏控制器和风光互补控制器 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 蓄电池充满电后 控制器要控制蓄电池不被过充 当蓄电池所 储存的电能放完时 太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电 保护蓄电池 控制 器的性能不好时 对蓄电池的使用寿命影响很大 并最终影响系统的可靠性 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 太阳能 逆变器是光伏风力发电系统的核心部件 由于使用地区相对落后 偏僻 维护困 难 为了提高光伏风力发电系统的整体性能 保证电站的长期稳定运行 对逆变 器的可靠性提出了很高的要求 另外由于新能源发电成本较高 太阳能逆变器的 高效运行也显得非常重要 太阳能离网发电系统主要产品分类 A 光伏组件 B 风机 C 控制器 D 蓄电池组 E 逆变器 F 光伏发电控制与逆变器一体化电源 离网光伏蓄电系统是一种常见的太阳能应用方式 一般来说 太阳能离网型 光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列 控制器 蓄电池组和逆变器等部分 太 阳能电池阵列是整个系统能源的来源 它把照射到其表面的太阳能转化为电能 控 制器是整个系统的核心部件之一 其运行状态决定着系统的运行状态 系统在控 制器的管理下运行 蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电 能并在无光照时向负载供电 逆变器是将直流电变换为交流电的设备 由于太阳能 电池阵列和蓄电池发出的是直流电 因此当系统向交流负载供电时 逆变器是不 本科生毕业设计 论文 7 可缺少的 常用的太阳能离网型光伏发电系统如图 2 1 所示 图 2 1 离网光伏发电系统示意图 太阳能光伏电源系统总体设计原则是在保证满足负载用电量需要的前提下 确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量 通过技术经济分析 合理确定太阳能 电池组件数量和蓄电池容量 包括安全性 可靠性等诸多方面的要求 系统配置的设计主要考虑两种因素 1 根据负荷需求 环境参数和太阳能光伏电源系统部件的电气参数 选 择不同的系统部件 2 需要确定的数据主要包括 安装地点的日照辐射 太阳能电池方阵倾 斜面的日照辐射 环境温度参数 系统电压 负荷能量需求 最大和平均的放电 电流 控制器 逆变器调节特性与参数 太阳能电池组件和蓄电池的特征参数和 系统供电可靠性和供电电源可用率 2 1 1 离网型光伏发电系统形式介绍及选择 目前离网光伏发电系统的应用区域主要分布在偏远的山区和农牧区以及一些 特殊场合 应用形式有户用式光伏供电系统 太阳能照明 光伏通信电源等 由 于我国有很多的海岛和偏远村落 因此离网光伏发电系统拥有广阔的应用市场 其灵活的发电方式正为改善偏远地区人民的生活质量发挥着积极有效的作用 离网型光伏发电系统存在多种系统组成结构和控制方式 市面上最早出现的 一种应用形式是先把光伏电池正负端子直接与蓄电池正负端子相连 再将蓄电池 与负载相连 如图 2 2 所示 这种结构的优点是线路简单 易于搭建 它的缺点 很多 负载只能是一种电压等级的直流负载 且要根据负载电压等级选择蓄电池 的串联个数 光伏电池不能实现最大功率输出 同时还要严格匹配蓄电池的充电 电压 使用场合有限 本科生毕业设计 论文 8 图 2 2 离网型光伏发电系统形式一 为了最大化利用光伏电池发电能力 需要在光伏电池和蓄电池之间加入一个 DC DC 变换器 并且利用最大功率跟踪技术 MPPT 来进行控制 于是出现了 离网光伏发电系统的第二种应用形式 如图 2 3 所示 这种结构中 DC DC 变换 器既可以实现蓄电池的充电保护功能 又可以使光伏阵列所发电能最大化地被蓄 电池利用 但是 这种系统结构也只适用于直流负载 使用场合依然有限 图 2 3 离网型光伏发电系统形式二 为了克服以上两种形式的不足 使离网光伏发电系统适用于更多的场合 国 内的研究中出现了图 2 4 中的形式 称为直流母线式离网光伏发电系统 图 2 4 离网型光伏发电系统形式三 在图 2 4 中 光伏电池通过 DC DC 变换器向直流母线提供电能 并且采用 MPPT 技术进行控制 蓄电池通过一个双向 DC DC 变换器与直流母线相连 可以 根据系统的不同状态确定其充放电形式 由于系统中加入了 DC AC 变换器 所 以此种形式既可用于直流负载又可用于交流负载 本文设计的离网型光伏发电系 统就是基于这种形式 本科生毕业设计 论文 9 第 3 章 电池板及蓄电池的参数计算与选择 3 1 太阳能电池板参数计算及选择 太阳能电池技术是太阳能发电技术的主要组成部分 太阳能电池主要有以下 几种类型 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池 碲化镉 电池 铜铟硒电池等 晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件 两种组件最大的差别是 单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件 也就是相同功率的电池组件 单 晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积 单晶硅 多晶硅太阳能电池具有制造技 术成熟 产品性能稳定 使用寿命长 光电转化效率相对较高的特点 非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好 成本相对于硅太阳能电池较低的优 点 而碲化镉 铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性 其规模化生产受 到限制 目前 薄膜电池的转换效率达到 6 8 近两年内可达到 10 12 五年内有望达到 18 其功率衰退问题也已解决 薄膜电池对弱光的转化率十分 高 即使在 5 月天照样能够发电 其技术正在成为太阳能电池主流技术 与晶体 硅太阳能电池技术并驾齐驱 3 2 太阳能电池板性能参数 在太阳能光伏发电系统中 实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体 太 阳能电池单体实际上是一个 PN 结 PN 结在光照下会产生电动势 这种效应称为 光生伏特效应 当 PN 结处于平衡状态时 PN 结处有一个耗尽层 耗尽层中存在 着势垒电场 电场方向由 N 区指向 P 区 当 PN 结受到光照时 硅原子受光激发 而产生电子空穴对 在势垒电场的作用下 空穴向 P 区移动 电子向 N 区移动 从而 P 区就有过剩的空穴 N 区就有过剩的电子 这样便在 PN 结附近形成与势 垒电场方向相反的光生电动势 太阳能电池的光伏特性曲线 即伏安特性曲线 I V 特性曲线 是在一定光 强 一定温度下太阳能电池的负载外特性 直接反映在电池输出功率 可以用其 I V 特性及 P V 特性表示 如图 3 1 a b 所示 本科生毕业设计 论文 10 I Is sc c U Uo oc cU Um m I Im m P Pm m P P U UU Um m 图 3 1 a 太阳能光伏电池I V特性曲线3 1 b 太阳能光伏电池 P V 特性曲线 太阳能电池的性能参数 1 开路电压 Uoc 即将太阳能电池置于 100mW cm2 的光源照射下 在两 端开路时 太阳能电池的输出电压值 2 短路电流 Isc 就是将太阳能电池置于标准光源的照射下 在输出端短 路时 流过太阳能电池两端的电流 3 最大输出功率 即选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大 用符号 Pm 表示 此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流 分别用符号 Um 和 Im 表示 ImUmPm 4 填充因子 它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比 3 1 FF 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标 是代表太阳能电池在带最佳负载 时 能输出的最大功率的特性 其值越大表示太阳能电池的输出功率越大 FF 的 值始终小于 l 5 转换效率 太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻 时的最大能量转换效率 等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的 能量之比 3 2 当光照强度或温度不同时 太阳能光伏电池的输出特性有较大的改变 即对 应不同的光照强度或温度有不同的输出特性曲线 如图 3 2 a b 和图 3 3 a b 所示 UocIsc Um UocIsc Pm FF Im 0 0 100 Pin IscUocFF Pin Pm 本科生毕业设计 论文 11 图 3 2 a 不同光照强度下 P V 特性曲线3 2 b 不同光照强度下 I V 特性曲线 从图中可以看出随着光照强度的增加太阳能电池的短路电流增大 功率也增 大 事实上 开路电压 Uoc 随光照强度的升高呈对数比例增加 短路电流 Isc 和 输出功率均与光照强度成正比 开路电压的下降可由下面的关系式表示 3 3 式中 Vi 表示开路电压的下降 是太阳能电池的温度系数 一般取 0 003 0 005 T 表示太阳能电池的温度 V 表示太阳能电池标称的工作电压 图 3 3 a 不同温度下 I V 特性曲线 3 3 b 不同温度下 P V 特性曲线 从图 3 3 a b 中可以看出一定光照下 温度上升会使太阳能电池开路 电压 Uoc 下降 太阳能电池的输出功率下降 一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数 当太 阳能电池输出电压比较小时 随着电压的变化 输出电流的变化很小 太阳能电 池近似为一恒流源 当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时 太阳能电池输 出电流急剧下降 太阳能电池可近似为一恒压源 太阳能电池的输出特性是非线 性的 既非恒流源也非恒压源 在最大功率点左侧为近似恒流源段 在最大功率点 右侧为近似恒压源段 且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率 点 VTVi 25 I I A A 3 3 2 2 1 1 5 51 10 01 15 52 20 0 U U V V 太太阳阳能能电电池池温温度度 2 25 5 1 10 00 00 0W W 6 60 00 0W W 4 40 00 0W W 0 0 P P W W 2 20 0 1 10 0 5 51 10 01 15 52 20 0 U U V V 太太阳阳能能电电池池温温度度 2 25 5 1 10 00 00 0W W 6 60 00 0W W 4 40 00 0W W 0 0 4 40 0 5 50 0 6 60 0 3 30 0 I I A A 3 3 2 2 1 1 5 51 10 01 15 52 20 0 U U V V 0 0 1 10 00 00 0W W 0 0 2 25 5 5 50 0 P P W W 2 20 0 1 10 0 5 51 10 01 15 52 20 0 U U V V0 0 4 40 0 5 50 0 6 60 0 3 30 0 1 10 00 00 0W W 0 0 2 25 5 5 50 0 本科生毕业设计 论文 12 3 3 太阳能电池板计算及选型 根据太阳能电池发电原理及其输出特性 简单计算选择依据 太阳电池组件容量计算 参考公式 3 4 式中 P0 太阳电池组件的峰值功率 单位 Wp P 负载的功率 单位 W t 负载每天的用电小时数 单位 H 为系统的效率 一般为 0 85 左右 T 当地的日平均峰值日照时数 单位 H Q 连续阴雨期富余系数 一般为 1 2 2 根据公式计算 2000 10 1 2 0 85 4 7059 Wp 太阳电池组件数量 7059 100 70 块 太阳电池组件串联数量 10 块 太阳电池组串数量 7 串 所以本文选用 70 块宁波北仑天尚太阳能公司生产的 100W 多晶硅光伏板 此类型光伏板的寿命达 25 年以上 其表面层采用高透光绒面钢化玻璃封装 可 以减少光的反射并且有很高的透光率 提高了光伏组件的光电转换效率 使用时 采用 10 块串联模式 串联后组件的开路电压为 220V 最大功率点电压为 180V 3 4 蓄电池参数计算及选择 蓄电池是光伏发电系统的储能单元 其运行特性的好坏关系到整个系统的稳 定性和经济性 因此需要对储能蓄电池的充放电特性及充电策略进行研究 生活 中选择蓄电池的参数时要根据所使用的场合来决定 应用在离网型光伏发电系统 中的蓄电池要求充电效率高 自放电率小 最常用的是免维护铅酸蓄电池 3 4 1 储能元件种类 光生伏特效应只能在光照的条件下才能发生 因而光伏阵列只能在日间才能 发电 而独立型光伏发电系统不与电网相连 而且夜间是用电高峰期 因此 需 先将光伏阵列在白天发出的电能存储起来 在需要的时候向负载供电 蓄电池是 独立光伏发电系统持续供电的保障 对其性能的要求也较高 包括自放电率低 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 T Q t 1 0 PP 0 p 1 本科生毕业设计 论文 13 价格低廉 当蓄电池接入到光伏发电系统中后 光伏阵列输出的直流电经充电控制器进 入蓄电 池 而蓄电池通过放电控制器输出直流电或经过变换器输出交流电 供 给负载使用 常见蓄电池的性能参数见表 3 1 表 3 1 常用蓄电池性能参数比较 蓄电池种类 电压 V 能量密度 Wh kg 价格 元 Wh 自放电 月 能量效率 备注 镍镉蓄电池1 2501 4 1 815 3067 75 有记忆效应 充放电控制电 路简单 镍氢蓄电池1 2602 4 2 625 3555 65 充放电控制电 路简单 锂蓄电池3 61004 0 4 52 595 严格防止过充 电 过放电 在新能源系统中 用得最多的蓄电池是铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池和锂 电池等对于独立光伏发电系统来说 价格太贵而且不方便 铅酸蓄电池造价便宜 使用简单 维修方便 原材料丰富 能够实现大规模生产 目前在大中型光伏发 电系统中应用最多 目前常用的铅酸蓄电池主要分为三类 1 普通蓄电池 普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成 电解液是硫 酸的水溶液 它的主要优点是电压稳定 价格便宜 缺点是比能低 使用寿命短 和日常维护频繁 2 干荷蓄电池 即干式荷电铅酸蓄电池 它的主要特点是负极板有较高的 储电能力 在完全干燥状态下 能在两年内保存所得到的电量 使用时 只需加 入电解液 20 30 分钟之后即可使用 3 免维护蓄电池 免维护蓄电池由于自身结构上的优势 电解液的消耗量 非常小 在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水 它还具有耐震 耐高温 体积小 自放电小等特点 使用寿命一般为普通蓄电池的两倍 3 4 2 储能元件的作用 蓄电池在独立光伏发电系统中的作用主要有三点 1 储存能量 为负载提供可持续供电电源 由于昼夜交替 阳光的辐射是 本科生毕业设计 论文 14 不连续的 而一般独立光伏发电系统的负载都需要能够持续供给电能的电源 而 且 即使在白天 阳光辐射的自然变化也无法保证供电连续 所以蓄电池的一个 重要作用就是当阳光辐射充足时 即光伏阵列产生的电能大于负载消耗的要求时 将多余的电能储存在蓄电池中 以备夜晚或光照不足时使用 2 稳压和钳位 当光伏阵列直接连接负载时 由于光伏电池的工作特性受 光照强度 电池温度等因素影响较大 使负载常常不能工作在最大功率点附近 系统的效率很低 而如果利用蓄电池作为电源给负载供电 隔离了光伏电压阵列 输出电压对负载的影响 使负载稳定在最大功率点附近 从而大大提高了整个系 统的效率 3 提供启动电流 有些设备的启动需要很大的启动电流 可能会达到设备 额定电流的 5 10 倍 而受到最大短路电流和光照强度的限制 光伏阵列可能无 法满足负载对于启动电流的需求 这就要求蓄电池在短时间内提供大电流给负载 启动 3 4 3 铅酸蓄电池的充电特性 储能是光伏发电系统的重要组成部分 尤其对于独立光伏发电系统而言 储 能环节更是不可缺少的组成部分 储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性 能在实际的光伏发电系统中 储能部分又是最易受损 最易消耗的部分 所以获 得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分 目前光伏发电系统中通常 使用蓄电池实现储能 常用蓄电池属于电化学电池 蓄电池在充电时把电能转化 为化学能储存起来 放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用 一般来 讲 光伏发电系统白天把太阳能转化为电能 通过充电器和蓄电池把电能储存起 来 晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用 其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池 镍镉蓄电池和镍氢蓄电池 目前中国用于 太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉蓄电池外 绝 大多数是采用铅酸蓄电池 铅酸蓄电池在制造时的单格电压为 2V 所以一个额定电压为 12V 的铅酸蓄 电池由 6 个单格串联组成 如果设计光伏发电系统的储能蓄电池组端口额定电压 为 96V 则需要 8 块额定电压为 12V 的铅酸蓄电池串联 在使用铅酸蓄电池时 首先要掌握它在工作时表现出来的充放电特性 然后才能根据特性表现选择合适 的使用方法 从而延长蓄电池使用寿命 铅酸蓄电池的充放电特性一般体现在其 充放电时端口电压的变化上 下面将分别从充电过程 和放电过程对蓄电池特性进行分析 1 充电时端电压的变化 在蓄电池充电过程中 其端电压会随着电池剩余电量的变化而发生规律性 本科生毕业设计 论文 15 的 改变 为了便于分析 下面以蓄电池的一个单格 2V 为例分析其恒流充电时 端口电压的变化情况 图 3 4 额定充电率充电时蓄电池端电压变化曲线 以额定充电率为蓄电池充电时 其单格端口电压的变化曲线如图 3 4 所示 从图 3 4 中可以看出 蓄电池的端口电压在充电初期上升很快 此过程对应充电 曲线的 oa 段 出现此现象是因为极板活性物被还原为绒状铅和二氧化铅时在活 性物质微孔内形成的硫酸迅速集聚造成的 蓄电池的充电中期对应于曲线的 ab 段 由于此过程中硫酸在极板活性物微孔中的扩散速度和集聚速度趋于平衡 所 以 ab 段期间的端口电压变化很小 蓄电池充电后期对应曲线的 bc 段 在此过程 中当大部分极板活性物被还原为绒状铅和二氧化铅时时 蓄电池端电压上升到 2 35V 左右 如果继续充电 则端电压上升至曲线的 cd 段 此过程中大量水被电 解成氢气和氧气 其中负极产生的氢气吸附在极板表面使电池内阻增加 而正极 产生的氧气吸附在极板表面使电池正极的电位升高 在 cd 段的末期 极板上的 活性物逐渐被完全还原 且水的电解也趋于饱和 当蓄电池端口电压到达点后其 幅值不再增加 稳定 2 7V 左右 d 点之后如果继续充电 则所耗电能都用在了电 解水的过程 如果此时停止充电 则端口电压会因蓄电池内阻电压降为 0 而骤降 至 2 3V 左右 de 段是停止充电后的端口电压变化曲线 此过程中极板上活性物 质微孔中的硫酸比例逐渐降低 等到极板内外的电解液浓度相等时端口电压也降 至稳定状态 e 点的电压约为 2 06V 3 4 4 铅酸蓄电池的放电特性 与充电过程类似 在蓄电池的放电过程中其端电压也会随着电池剩余电量的 变化而发生规律性的改变 下面同样以蓄电池的一个单格 2V 为例分析其恒流 放电时端口电压的变化情况 本科生毕业设计 论文 16 图 3 5 恒定电流放电时的蓄电池端电压变化曲线 以恒定电流放电时 蓄电池的单格端口电压变化曲线如图 3 5 所示 从图中 可以看出 蓄电池的端口电压在放电初期下降很快 此过程对应放电曲线的 oa 段 出现此现象是因为极板微孔内的水分迅速集聚使电解液的浓度骤降造成的 蓄电池的放电中期对应于曲线的 ab 段 由于此过程中水的生成速度与极板外电 解液的渗入速度趋于平衡 所以 ab 段期间的端口电压变化很小 蓄电池的放电 后期对应曲线的 bc 段 此过程中大部分的极板活性物质已变为硫酸铅 由于硫 酸铅的积累使极板外的电解液渗入微孔的速度减慢 致使微孔内的电解浓度降低 从而引起了蓄电池端电压的快速下降 c 点的端口电压为 1 8V 左右 如果继续放 电 则极板微孔内大量生产成的水会使电解液浓度变的极低 进而导致端口电压 迅速下降 此过程对应放电曲线的 cd 段 如果在 c 点之后停止放