并网型光伏发电系统

1、 江西工程学院环境与能源工程学院毕业设计 （ 2016 届）题 目 并网型光伏发电系统 专 业 光伏发电及技术应用 班 级 13级光伏5班 学 号 2013204152 学生姓名 施宇航 指导教师 张忠山 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

2、、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关键词：太阳能；光伏发电；并网；逆变器  目录第1章  绪论.41.1 课题背景与选题意义.41.1.1 全球能源危机与环

3、境问题.4 1.1.2 太阳能的开发与利用.61.2 国内外研究综述.81.2.1 光伏发电的历史.81.2.2 国内研究综述.91.2.3 国外研究综述.121.3 本文主要工作.16第2章  太阳能光伏发电系统简介2.1太阳能光伏发电系统的组成.162.2 太阳能光伏系统的分类.172.3 太阳能光伏发电系统的应用.182.4 光伏发电尚存在的问题.182.5光伏组件方阵.20 3、 并网型太阳能光伏发电控制系统简介 1 太阳能电池板的应用.202 模

4、拟光源跟踪控制系统.213 并网逆变器.33   绪论 1.1 课题背景与选题意义  1.1.1 全球能源危机与环境问题 能源是维持整个人类社会运营和发展的动力，对人类社会起着至关重要的作用。在本世纪初进行的关于世界化石能源储量的调查研究数据显示：以当前人类的能源消耗速度，石油还可以开采约40年，煤炭为22年，天然气为61年。而我国化石能源的储量情况更加严峻，严重制约了经济的发展。 此外，由于化石能源的大量使用，对环境造成了严重的污染，对生态造成了巨大的破坏。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化流浓度增

5、高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，使人体质量恶化，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害。例如，温室效应、酸雨和臭氧层的破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。 如何在使用能源的同时，保护好整个地球的生态环境已经成为全球各个国家面临的重要问题。改善现阶段的能源结构，大规模开发利用一些可再生的清洁能源已成为了解决能

6、源问题的主要方向。 1.1.2 太阳能的开发与利用 一.太阳能的优势     太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。因为它具有以下的特点：     (1)数量巨大：每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射相当于一颗原子弹爆炸时所发出的能量；     (2)时间长久：用之不竭，太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续100亿年；    &#

7、160;(3)普照大地：取之不尽，不需要开采和运输； (4)清洁无污染：无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。  1.1.2 太阳能的开发与利用    太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。目前，以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，因为光伏发电具有以下明显优点：     (1)结构简单，体积小且轻。能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单，输出50W的晶体硅太阳能电池组件，体积约为450mm&

8、#215;985mm×45mm，质量为7kg。     (2)容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源；一个6.SMW的太阳能电池发电站，占地约802)(km，不足10个月便可建成发电。     (3)维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳电池表面是否被粘污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。大型光伏电站使用计算机控制运行，运行费用很低。     (4)清洁、安全、无噪声。光伏发

9、电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。     (5)可靠性高，寿命长，并且应用范围广。晶体硅太阳能电池的寿命可以长达20至35年，在光伏系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命可以达到10多年；太阳能几乎无处不在，太阳能电池在中国大部分范围内都能作为独立的电源。 3太阳能开发潜力     在中国，太阳能资源较好的地区占国土面积2/3以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日照在2200小时以上，中国陆地每年接收的太阳辐射量约合24000亿吨标准煤。

10、 太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散的进行，所以它适于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。分布式光伏发电并网系统将可能是今后住宅和办公用电的主要模式。 太阳能发电有更加激动人心的计划。一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便向全球供电。据测算，到2050年和2100年，即使全用太阳能发电供给全球用电，占地也不过为186.79万平方公里和829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积的2.3%或全部沙漠的51.2%，

11、甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。另一方案是天上发电。早在1980年美国宇航员和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可提供5×610KW电力。但这一方案需解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束传输等方案。1.2 国内外研究综述1.2.1 光伏发电的历史光伏发电技术的发展时间不长，迄今仅有100多年的历史。1839年，法国著名物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel)在实验中意外地发现，当阳光照射伏打电

12、池时，能够产生额外的伏打电势，这就是“光生伏打效应”(photovoltaic effect)，通常简称为“光伏效应”。英国科学家威廉·史密斯(Wilough B.Smith)早在1873年就发现了对光敏感的材料一一硒，并进行了大胆预测，在阳光照射下，随着光通量的增加硒材料的导电能力也会随之增加。1980年，美国科学家查尔斯·弗里茨(Charles Fritts)开发出第一块以硒材料为基础的太阳能电池。由于太阳能电池是利用光伏效应的原理来工作的，因而，自此以后，人们将能产生“光伏效应”的器件统称为“光伏器件”。20世纪中期，超薄单晶硅光伏电池又

13、被陆续开发出来；1961年至1971年间，光伏电池的研究侧重于提高电池的抗辐射能力与降低电池的开发升本上，其技术上没有得到显著的改变与进步；在1972年至1976年间，空间用光伏电池被成功研发出来并得到了初步的应用。从此，光伏发电技术不断得到提高与完善，并逐步降低开发成本，光伏发电技术进一步规范化、产业化，并成为当前全世界主要的绿色可持续资源之一。1.2.2 国内研究综述迄今为止，太阳能光伏发电还存在一些有待攻克的弱点，例如光电转化率低，所需光照要求复杂，成本高，最大功率跟踪技术不完善等。 中国光伏电池的主要产品是单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。商品单 晶硅电

14、池组件的转换效率为11%15%。商品多晶硅光伏电池组件的转换效率为10%14%。商品非晶硅光伏电池组件的转换效率为4%6%。单晶硅和多晶硅光伏电池组件的售价为3540元/Wp。目前，太阳能电池市场85%的市场份额由晶体硅太阳能电池占据，其高昂的晶体硅价格制约了光伏产业的应用发展。薄膜太阳能电池结构简单、制备成本低廉，尤其钙钛矿型太阳能电池由现成材料制成，具有广泛的应用前景，但该类电池的产业化瓶颈是光电转化效率偏低，现阶段的研究重点是提高其光电转换效率。中国科学院重点实验室在无空穴传输材料的钙钛矿型薄膜太阳能电池方面研究取得了重要进展，制备的电池光电转换效率率先突破10%，达到了10.47%，是

15、现有国内外公开报道中的最高值。邹学毅提出将变结构参数模糊控制应用在光伏发电系统MPPT控制中，能够快速响应外界条件的变化，在最大功率点无明显的震荡，具有较好的动态和稳态性能；汪义旺针对常规模糊控制器在光伏发电最大功率点跟踪(MPPT)控制中存在的功率波动、控制精度低和自适应性较差等问题，提出了一种基于变论域自适应模糊控制器的光伏发电MPPT控制，该控制器能根据光伏发电输出功率偏差的变化自动调整变量的论域，从而快速准确地跟踪光伏发电系统的最大功率点，提高了系统的效率和稳定性；白慧杰针对导纳增量法在低光照情况下不易进行最大功率跟踪的缺点，结合线性比例电流法提出了一种线性比例电流法结合导纳增量法的控

16、制策略；为了寻找更好的实现光伏发电系统最大功率点追踪控制方法，在分析已有最大功率追踪方法的基础上，赵立永提出了一种新型的MPPT跟踪方法改进的电压增f法，使最大功率跟踪更快更准，并通过对后级并网逆变器的控制实现了低谐波含f、高功率因数的并网要求；郭明明针对传统光伏发电DC/DC变换器工作在硬开关状态时，因开关损耗大、开关管所承受的电压电流大等缺点导致的系统效率下降问题，采用了一种软开关Boost变换器，其结构简单，易于控制，大大减少了变换器工作中的开关损耗，并且降低了开关管所承受的压降，从而提高了光伏发电传输效率；陈进美针对传统MPPT控制算法的缺点，提出了固定参数法与扰动观察法相结合、固定参

17、数法和电导增t法相结合、高斯法与扰动观察法相结合的复合MPPT控制算法，较深入地探讨了这些算法的优点及详细实现方案；光伏并网逆变器对光伏发电系统的动态特性具有决定性作用，因此获得准确的光伏逆变器控制参数是分析光伏发电系统并网影响的基础，沈欣炜提出了一种针对典型光伏并网逆变器双环控制模型的dq轴参数解福辨识策略，并通过仿真算例比较了解福模型在不同噪声水平下的辨识效果，分析了不同类型的扰动数据对辨识的影响规律，讨论了滤波电感参数有偏差时对辨识结果的影响，最后通过参数适用性检验算例验证了所提出辨识方法的有效性；为提高聚光光伏发电的太阳能利用率，孙环阳提出了一种环形轨道式光伏发电双轴跟踪系统的设计方案

18、，DSP控制伺服电机的方法，利用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术，形成了闭环的位置伺服控制，通过Simulink进行了速度环仿真，结果表明该系统运行稳定，具有较好的静态和动态特性。1.2.3 国外研究综述 1930年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。   1932年，奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。       1941年，奥尔在硅上发现光伏效应。1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻

19、璃上沈积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。      1955年以色列的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。同年，吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计；第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。     1957年硅太阳电池效率达8。 1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋号卫星电源。 1959年，第一个单晶硅太阳能电池问世。     1960年，太阳能

20、首次实现并网运行。     1969年薄膜硫化镉太阳电池，效率达8。      1970年代初期，中东战争引发的能源危机开启了太阳光发电系统地面应用。     1973年，砷化镓太阳电池效率达15。      1974年，COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18。      1975年，非晶硅太阳电池

21、问世，同年，电池效率达6。      1976年，Carlson制作出第一个非晶薄膜太阳电池。  同年，多晶硅太阳电池效率达10。      1978年美国建成100KW光伏电站，随后太阳能效率不断提高，其中1980年单晶硅太阳能电池效率达到20%，多晶硅为14.5%。     1980年，美国科学家查尔斯·弗里茨(Charles Fritts)开发出第一块以硒材料为基础的太阳能电池。1

22、980年消费性薄膜太阳电池的应用。单晶硅太阳电池效率达20，砷化镓电池达22.5，多晶硅电池达14.5，硫化镉电池达9.15。     1983年美国建成MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8。     1986年美国建成6.5MWp光伏电站。     1995年，高效聚光砷化镓太阳电池效率达32。      1997年，单晶硅光伏电池效率达25。  

23、60;  2000年，建材一体型太阳电池应用(BIPV)。      2006年，波音子公司Spectrolab研发出转换率41的砷化镓太阳能      2013年，美国麻省理工学院(MIT)研究人员采用了聚合物涂层来改变其性能，在表面覆盖一层氧化锌纳米线，然后覆盖一层光感材料(铅硫化物量子点)，研发出一种基于涂覆一层纳米线的石墨烯薄片的新型太阳能电池。     自从实用型硅太阳能电池问世以来，太阳能光伏发

24、电很快在全球得到普及。目前，晶体硅光伏电池仍然主导光伏发电市场，薄膜电池是未来太阳能电池发展的方向。当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏器件和光伏建筑集成应用系统等方面，并已取得了可喜的成果。但是，在光伏器件及制造技术方面，自光伏电池问世以来，晶体硅就作为基本的电池材料一直保持着主导地位，是目前国际光伏市场上的主流产品，在2000年时世界光伏电池产量的80%以上均采用晶体硅材料。论实验室效率，单晶硅电池最高可23.7%，多晶硅电池最高可达18.6%，工业化产品效率一般在13%15%。各种晶体硅电池技术发展情况如下：    （1

25、）澳大利亚新南威尔士大学多晶硅电池效率突破19.8%；      （2）旧本京都陶瓷公司多晶硅电池效率达到17.1%；    （3）澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池效率己达23.7%；      （4）德国ASE公司片状晶体硅电池效率为14.5%；   （5）美国Astro Power(AP)公司的带状多晶硅电池效率为10.5%；      （6）旧本三洋公司的H

26、IT晶体/非晶硅复合电池效率达18%；（7）美国、日本、德国多晶硅铸锭240kg/炉，已能规模化生产。     从此，光伏发电技术不断得到提高与完善，并逐步降低开发成本，光伏发电技术进一步规范化、产业化，并成为当前全世界主要的绿色可持续资源之一。1.3 本文主要工作1 绪论部分，阐述了课题背景与选题意义，主要包括能源短缺、环境污染及太阳能光伏发电的诸多优点三大方面；其次分别介绍了国内外光伏发电技术的研究。2 太阳能光伏发电系统简介3 并网型太阳能光伏发电控制系统简介 第二章 太阳能光伏发电系统概述2.1 太阳能光伏

27、发电系统的组成太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。     太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。     太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长 蓄电池的使用寿命

28、;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。     逆变器：逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电，供给交流负载使用。蓄电池(组)：蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。2.2 太阳能光伏系统的

29、分类光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成：光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。一般情况下，我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。2.3 太阳能光伏发电系统的应用目前我国光伏发电系统的应用主要在三方面： 1、以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农牧民(即目前我国三分之一的无电人口)提供最基本的生活用电； 2、通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中

30、城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统； 3、建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。2.4 光伏发电尚存在的问题目前，光伏发电仍存在下列几个主要问题: 1光伏阵列发电效率低     光伏阵列是光伏发电的最基本元件。光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。一般来讲，晶体硅光伏电池效率为10%15%左右，非晶体光伏电池效率为5%8%，薄膜光伏电池目前的转化效率仅为2%4&左

31、右。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对光电转化管理不力，真正太阳能的利用率只有50%70%。目前，科学家们正在加紧研究，希望能大幅度提高光伏发电转换率。主要研究工作包括：在硅体里面增加其他元素，提高价能位置，从而形成更大的P-N结的空间电荷区，得到更大的输出电压；增加受光面的折射度，让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射，以最大程度将光子能量转换为电子能量；寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料，以获得更大的转换效率。 2系统造价成本高 由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。2003年单、双晶硅光伏电池组件的价

32、格约为3640元/pW，相比于目前的火力和水力发电，光伏发电的成本约为后者的620倍。成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。3发电运行受气候环境因素影响大     光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面的太阳照射受气候的影响时有时无。另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的投入量，进而减少了光电的转换。 4制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源 硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（2SiO，二氧化硅）。从沙子变成多晶硅

33、和单晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是他们生产成本高的原因。制造非晶硅光伏电池所需的能耗少得多，人们正在为提高它的稳定性和工作寿命，降低它的内阻从而提高它的光电转换效率而不懈努力。5其他因素     由于太阳光存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的特点，因此发电受外界环境的影响较大。2.5光伏组件方阵阳能电池组件方阵，由太阳能电池板按系统需求串、并联而成。它是太阳能发电系统中的核心部件，其作用就是将太阳的辐射能量转换成电能输送到蓄电池中储存或者驱动负载工作。3、 并网型太阳能光伏发电控制系统简介 如图

34、所示，并网型太阳能光伏发电系统最大的特点就是光伏组件方阵产生的直流电（一般为12VDC、24VDC、48VDC）经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后直接接入公共电网。当光照充足时，系统产生的电力除了供给负载外，剩余的电力反馈给公共电网；在白天或夜晚，系统产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。     该系统主要由光伏组件方阵（即太阳能电池板）、光源跟踪控制系统、并网逆变器等组成，与独立光伏发电系统相比，因并网型光伏发电系统直接将电能输入电网，也可直接利用电网电能，所以免除了配置控制器和蓄电池，但是系统中的逆变器必须使用专用的并网逆

35、变器。1 太阳能电池板的应用太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电

36、池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是家用太阳能发电中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。太阳能电池板以多晶太阳能电池板居多。     多晶太阳能电池板是由多晶硅高效太阳能电池片、EVA胶膜低钢化玻璃、轻质电镀率金组成。可应用于太阳路灯、太阳能草坪灯、太阳能发电系统、通讯、航天等途径。多晶硅是含有大量单晶颗粒的集合体，它有多种不同排列方向的单组成。用废次单晶硅料和冶金级硅

37、材料熔化铸造固化而成。其制造简单而成本较低。通常多晶硅太阳能电池的光电转换效率为16%左右。     多晶太阳能电池板的输出功率严格控制在±3%，以确保每个货柜都为正公差。其组件经由国际知名试验室测试，保证输出公率的准确性。在组件生产过程中，应用了无螺钉内置角键连接的先进技术，紧固密封，抗机械强度高，采用高透光率钢化玻璃封装和密封防水接线盒，确保组件使用安全，保证这些光伏组件在10年使用期间，输出功率在90%以上；25年使用期间，输出功率在80%以上。多晶太阳能电池板选用的封装形式和接线盒等配件满足野外使用的要求，防护等级达到IP65

38、。组件抗风压达到2400帕，能够抵御120Km/h风速，组件强度能抵御一般的风沙、冰雹和雪压。     “家庭电站”是一种家庭太阳能发电系统的简称，主要由太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成。“家庭电站”在我国不仅有较为成熟的技术支撑和现实需求，且随着社会环保意识的增强，其在我国的发展将有着广阔的空间。个人分布式光伏发电并网的条件并不难，即需要一台光伏发电设备（太阳能电池板或组件）、一台逆变器、一个微断开关和一些导线即可。所谓逆变器是用来将发电设备发出的直流电转换为符合并网要求的交流电。微断开关则主要起保护作用，当设备出现故障时会自动跳

39、开。这些“装备”中最重要的是太阳能电池板。目前市场上的太阳能电池板大致分为单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池以及非晶硅薄膜电池。对于太阳能电池而言，最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25%，多晶硅电池效率为20.4%，薄膜电池效率不到20%，非晶硅薄膜电池的效率仅为10.1%。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择各部件。下面以100W输出功率，每天使用6个小时为例，介绍一下计算方法： 1. 首先应计算出每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：若逆变器的转换效率为90%，则当输出功率为100W时，则实际需要输

40、出功率应为100W/90%=111W；若按每天使用5小时，则耗电量为111W*5小时=555Wh。2. 计算太阳能电池板：按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中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。2 模拟光源跟踪控制系统 系统工作原理：     正常情况下：光电池阵列接受光照后，光电传感器输出信号（电压差）经放大处理等（光源跟踪信号前置电路）输入单片机，单片机处理后发出信号给电机驱动电路，进而驱动电机对光电池阵列进行水

41、平和垂直方向的调节，以便保持同太阳光垂直的角度，从而达到对太阳光的最大利用，通过当前时钟可以很方便的在太阳下山后（无光照时）控制光电池阵列回到初始位置，以便开始新的一天的工作。      非正常情况下：如果是阴天，光电传感器检测到的两电压信号相等，所以输出的电压差信号为零，这时可用软件实现时钟优先。单片机会结合当前时钟调节光电池阵列的角度，如果光电传感器仍然检测不到电压差信号，则可判断是阴天，系统停止连续跟踪调节以节能；如果光电传感器能检测到电压差信号，但是经单片机对电机进行调整后，光电传感器再次检测的信号与前一次相比没有变化，则判断

42、光电池阵列是否触到限位开关，若是，单片机将结合当前时钟对光电池阵列的角度进行调节，若不是，则说明系统出现故障，这时将由通信口发出信号通知工作人员进行维护。     因地球自转，对于同一地点而言，不同季节不同时间点，太阳光的照射角度是不一样的，只有让太阳能电池方阵时刻正对着太阳才能保证光照强度最高，因此要设计光源跟踪系统，使太阳能的利用率达到最大化。 本系统的模拟光源跟踪控制系统主要由3盏日光灯（模拟早、中、晚三个时间点的日照）、太阳能模拟追日跟踪传感器、太阳能板水平和俯仰传动机构、直流电动机（配减速箱）、三菱FX2N可编程控制器、按钮

43、和继电器等组成。通过太阳能模拟追日跟踪传感器接收到的光线强度信号，利用PLC内设计程序进行比较，调整太阳能电池板的左右位置及仰角。模拟光源跟踪PLC控制系统I/O分配如表1所示。目前国内外跟踪太阳的主要方法可以分为三种： 视日运动轨迹跟踪光电跟踪视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。 现就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。视日运动轨迹跟踪 视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。视日运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用:倾斜布置东西跟踪; 焦线南北

44、水平布置,东西跟踪；焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪。工作原理基本相似。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能电池板垂直，收集太阳能的效果并不理想 。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角一方位角式全跟踪。在双轴跟踪中极轴式全跟踪采用赤道坐标系，高度角方位角式全跟踪采用地平坐标。光电跟踪 目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中

45、，光电管的安装靠近采光板，调整采光板的位置使采光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时采光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作;视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 光电跟踪方法容易受外界天气、杂光的干扰。视日运动轨迹跟踪在计算太阳角度的过程中会产生误差，从而影响跟踪精度，并且跟踪装置的机械执行机构的精密程度也会

46、影响到装置的跟踪精度。但是，将视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合就能克服两者的缺点。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度传感器初始定位。在运行当中，以过程控制为主，传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十分复杂，高精度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。1.2.1太阳运动规律太阳与地球的位置关系 地球每天围绕通过它本身南极和北极的一个假想轴地轴自西向

47、东自传一周，每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24时，所以地球每小时自转15度。在自转的同时。地球围绕太阳在一个椭圆形轨道上公转，每公转一周为一个太阳年、它等于365天5小时48分。即365241天，因此每四年须闰一日。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)的法线倾斜成23.27度的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极，这也是太阳赤纬角的最大值。在地球围绕太阳公转的一年中有四个特殊的日期，这就是受地球倾斜运动影响最大的冬至和夏至以及不受地球倾斜运动影响的春分和秋分。在北半球，春分大约是3月21日、夏至是6月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。夏至的白天最长而

48、冬至的黑夜最长；春分和秋分的昼夜各12个小时。 在设计太阳能应用系统时，不可避免地都会涉及到地球和太阳的位置关系，如太阳高度角、方位角等问题。a.  地平坐标系以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2.1所示。通过天顶和太阳（任一天体）X作一大圆，叫做地平经圈；地平交地平面于M点；从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为方位角s(地平经度)；弧XM为高度角（地平纬度），向上为正，向下为负。弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。显然Z=90°-。b. 时角坐标系以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交

49、点为原点的坐标系为时角坐标系或第一赤道坐标系，如图2.2所示。通过北天极和太阳X作一个大圆，叫做时圈；时圈交天赤道于T点；从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角，以度、分，秒单位来表示，也可以用时，分，为单位来表示；弧XT为赤纬角，以度、分，秒单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。当天体作周日运动时，天体的赤纬不随周日运动而变化，但天体的时角却从0°均匀地增加到360°秒。1.2.2相关角度的计算在太阳能的地面应用中，绝大部分的采光组件或阵列的安装形式并非水平，而是以与地平面成一定夹角的倾斜形式安装。所以有必要分析倾斜面在特定时间  及地点

50、下的太阳入射计算。a.  有关角的定义假如太阳能采光组件的倾斜角度和方位角已经确定，要计算入射在采光组件表面上的太阳直射辐射的能量，就必须定义一些角度。 太阳光线入射角：太阳光线和采光组件表面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。太阳光线可以分为两个分量，一个垂直于采光面，一个平行与采光面，只有前者的辐射能北采光面所截取。由此可见，实际使用时应该是入射角越小越好，这也就是所说的跟踪。太阳高度角和太阳方位角s:从地面某一观测点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角叫做太阳的高度角。该射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角z.。其中+z=90°。太阳

51、光线在地面上的投影线与正南方的夹角s，为太阳的方位角。并规定，向西为正，向东为负。采光组件的方位角：采光组件表面法线在地面上有个投影，此投影线与正南方的夹角为采光组件的方位角。采光组件的倾斜角：采光组件平面与水平面的夹角称为采光组件的倾斜角度如下图所示. 倾斜度有关几何角度b. 角度之间的关系和有关公式 采光组件所获得的太阳辐射量主要取决于太阳入射角，而是太阳赤纬角、太阳时角、地理纬度、采光组件倾斜角、采光组件方位角和的函数，它们的具体关系是其中太阳赤纬角可由Cooper方程式(2.2)近似计算：n：一年中的天数，如：在春分，n=81，则=0。时角计算公式见式(2.3)，T

52、为当地时间，按小时计算。地球自转一周为    360°，相应的时间为24h，每1h地球自转的角度定义为太阳时角，则360°2415°，正午时角为零其它时辰时角的数值等于离正午的时间(h)乘以15。上午时角为负值，下午时角为正值，例如，上午10时和下午2时的时角分别为-30°及+30°。从式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，当，确定后，采光组件倾角和方位角的值决定了直接日射入角，因此只要控制采光组件使其倾角和方位角有合适的值，就可以保证太阳光线入射角为0，从而最大限度地收集太阳能。 

53、60;   故我们可以根据不同地区的情况确定一个合适的太阳能阵列的固定的安装角，从而能最大效率利用太阳能。3 并网逆变器目前我国并网光伏一般应用在较大型的系统上，在小功率并网逆变器的研究上投入较少，技术并不完善，缺少较好的行业标准，很多并网逆变器都需要专业技能才能操作和管理，因此很难使光伏发电得到普及化的推广使用。在光伏发电领域，并网逆变算法、孤岛检测及保护、最大功率跟踪等技术研究较早，也比较成熟。但是对带蓄电池并网系统能量优化管理，系统智能化运行控制，以及光伏发电与新型不间断供电的结合这些方面研究较少，而做为一款家用光伏发电系统，这些技术非常重要。&#

54、160;    家用光伏并网逆变器应定位为一款适合家庭用电的发电设备，因此系统可集成家庭用电网络的智能管理及控制，高性能不间断供电方案，也可以利用多个的发电设备组建分布式发电网络。同时系统应具备智能化自动运行能力，无需专业操作技能，管理方便，性能稳定。1、系统硬件结构     整个光伏发电系统设计结构图如图4，采用FPGA作为核心控制器。系统外设模块包括DC/DC、DC/AC功率变换电路、滤波与并网控制电路、检测与通信电路、人机交互界面、蓄电池充放电控制模块。功率主电路结构如图5所示，由太阳能电池板输出的

55、直流电首先经过DC/DC升压变换。经高频变换器隔离送入工频变换器，工频逆变器由FPGA直接控制，产生与电网一样的交流电压并通过滤波和并网电路并入电网。检测电路，将电网电压经过滤波器整形，通过电压比较器产生与电网电压同频率同相的方波信号，控制FPGA产生SPWM驱动信号。孤岛检测电路的设计采用被动与主动检测相结合的办法，使用多种检测手段，减少检测盲区，提高反应速度，以达到反孤岛效应的目的。电流的采集通过ACS712霍尔传感器将电流转换成电压信号，并使用运算放大器对输出电压变化进行放大，图6是传感器输出信号的滤波和变换电路，传感器检测电网信号通过滤波、变换处理，送入A/D转换芯片。.通信电路，应用

56、电力线载波半双工通信方式，系统运行时可通过电力线对其远程控制，只需要一台控制设备便可对所有连接在同一输电线网络的设备进行统一调度，组成大容量的分布式发电系统；     不间断供电方案，通过分离并网接口与负载接口，应用继电器能够独立控制并网和负载供电，在装置断电时常闭继电器将负载与电网连接，不影响家庭网络用电。系统在检测孤岛效应时控制并网继电器动作断开与电网的连接，同时系统自动过度到50hz逆变工作方式，持续向负载供电，实现对家庭用电网络的不间断供电。在孤岛保护状态，系统检测到电网恢复供电时，应用二次并网策略，使系统在不影响负载供电质量条件（微小相位、频率及幅值调节）下快速恢复与电网并网连接，实现二次过度保护。2、重要算法软件结构     电网电压幅值和相位的准确获得对于并网系统来说显得尤为重要， 因此以电网线电压uab = Uin （t） = Umsin t 为例， 通过软件锁相