10kW太阳能发电系统设计(共52页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要太阳能发电作为一种典型的新能源发电方式具有可持续发展和绿色环保两大优势。本文重点分析研究了三相独立型太阳能光伏发电系统，提出一套可行的硬件选型和电路设计方案。首先本文依次研究了三相独立型太阳能光伏发电系统的光伏阵列模块、储能装置模块、直流变换与逆变模块，以及直流变换电路、指示电路、蓄电池充放保护电路、逆变电路选取。然后选定了三相独立型太阳能光伏发电系统的结构方式，将各个模块选取的硬件整合，并配合外围电路和CPU控制回路的设计，完成了三相独立型太阳能光伏发电系统模型的整体设计。最后进行了软件程序设计，编写系统各部分控制流程图和和具体程序。关键词：太阳能发电；三相独

2、立型；直流变换；逆变电路专心-专注-专业AbstractSolar power as a kind of typical generating new energy way has the sustainable development and green environmental protection two advantages. This article mainly analyzes the three-phase independent model power system, and puts forward a feasible hardware selection and ci

3、rcuit design. First this paper studied in three-phase independent model power system of photovoltaic array module, energy storage device module, dc transform and inverter modules, and dc transform circuit, instructions circuit, storage battery charge protection circuit, put inverter circuits selecti

4、on. Then selected three-phase independent model power system structure, will each module selection of hardware integration, and cooperate with peripheral circuit and CPU control circuit design, the completion of the three-phase independent model power system model of the overall design. The software

5、 program design, coding system in every part of a control flow and and the specific procedures. Key words：Solar power；Three-phase stand-alone；DC transform；Inverter circuits目 录第1章 绪 论1.1 太阳能发电的背景及意义随着科学技术的不断发展，人类进入20世纪后对能源的需求也不断增长。与此同时，人们对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识。由于化石燃料的枯竭环境的破坏所引起了温室效应、全球变暖、农林水产资源的减少等，如果再

6、进一步恶化，人类就会收到大自然的警告，到时后果将不堪设想。现在的世界能源构成中主要的能源还是化石能源，包括石油、煤、天然气，另外还有可再生能源核能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的小部分。传统的化石能源是不可再生的，世界范围内发展可再生能源是解决能源危机的必经之路。根据世界能源协会WE(World Energy Council)的预测，到2050年，世界的可再生能源将会到达8.7TW-15.0TW(1TW1012W)，而到时候全社会能量总需求为26.3 TW-33.0TW。由此可见，可再生能源在21世纪将会变成一种主要的新兴能源。世界上现有的可再生能源主要是水能发电和地热能，太阳能光伏发电

7、和风力发电只占其中小部分，而水电和地热能被继续开发的潜力已经微乎其微，在未来十五年之内发展太阳能光伏发电技术和风力发电技术就迫在眉睫。因此，无论是为了保证能源的供应，还是为了保护生态环境，开发利用取之不尽而又清洁的新能源已是大势所趋。在地球上所能利用能量的98.98%最初都来自太阳能。太阳能光伏发电的能源来源于取之不尽，用之不竭的太阳能，是资源最丰富的可再生能源。太阳能光伏发电是能源的高新技术，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。太阳能发电不会给空气带来污染，不破坏生态环境，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断生成，并能从自然界得到有规律的补充，储量巨大，取之不尽，用之不竭，是可再生的

8、清洁绿色能源。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处，能为中国一直追求的和谐社会作出巨大的能源支持。20世纪70年代，随着能源危机的爆发，世界各国努力发展光伏发电技术，尤其是西方发达国家更是重视研发。20世纪9年代以来一直以30%到40%的速度上升，2004年已经达到60%的增长速度。可以预见，太阳能的开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。太阳能资源开发利用有如下优点：（1）充分的清洁性。无须论证，太阳能是真正的无污染的可持续发展的绿色能源，这是其他任何能源都无法比拟的；（2）绝对的安全性。并网电压一般在220V以下；（3）相

9、对的广泛性。太阳能的分布范围广，对于绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用；（4）使用寿命长，易维护。光伏电池按目前的研发技术可使用20年以上，并且易于维护，不用二次投资第1章 TC0；（5）利用灵活。既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行。1.2国内外太阳能发电应用的现状随着科技的进步和环保意识的增强，清洁的绿色能源己逐渐受到了人类的重视。其中，太阳能无疑成为最受青睐的绿色能源。太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能可以转换成多种其它形式的能量，比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等，由于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此由太阳能直接转化成电

10、能是太阳能利用中最具有前景的方式。1.2.1世界太阳能光伏发电的发展现状随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。目前太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模逐步扩大。世界光伏组件在过去15年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%13%提高到13%15%，生产规模从15兆瓦/年发展到525兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。近几年，全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%，2004年全世界生产

11、总量更达1000兆瓦。发展中国家印度处于领先地位，目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业，其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂，年生产组件11兆瓦，累计装机容量约40兆瓦。本世纪以来，一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池在内的可再生能源计划。太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。美国和日本为争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开发计划，如到2010年，美国计划累积安装4600兆瓦(含百万屋顶计划);日本计划累计安装5000兆瓦(NEDO日本新阳光计划)。一、 德国太阳能光伏发电产业德国政府自推出百万太阳能屋顶计划与新能源和可再生能源法案保证太阳

12、能发电的较高并网电价(德国马克0.99/kwh)的结合以来,随着贷款安装太阳能装置的申请的不断增加,这种结合更日益显示出其综合潜力。根据资料报道,仅仅是在四月份的最后两日,所收到的安装光伏发电的申请已累计达到20 兆瓦-约占欧洲全年预计安装总量的1/5,比几个月前预计的德国2000 年全年需求高出二倍。 这些鼓励政策所期望的效果都很明显,希望建立起对太阳能发电的需求,而后进一步刺激其工业的发展,最终导致光伏发电价格的下调。当然,短期内生产商们都掌握着厚厚的订单本,一时无法同时回应如此多的需求。正如一知名生产商所评价:“生产光伏发电,并非如拧开水龙头般简单,拥有生产能力并不意味着具有实际发电能力

13、。”额外设备或原材料的供货需花几周或数月的时间。 直至德国新能源和可再生能源法案于四月一日正式生效为止,德国百万屋顶计划都可获得德国复兴银行提供的10 年期涵盖部分成本的贷款,利率最低可至0%。这个五年期计划始于1999 年1 月,提供总共约一百万德国马克的低息贷款。现在正在修订一些贷款细则,因为担心这些资金会提前被花光。一个比较可行的办法就是只接受安装功率超过5kwp 的家庭用户的申请,另一机构负责更大功率的商业用户的申请。估计在五月中旬可做出决定。 同时,德国的组织也提供充足的证据,证明成千上万的家庭可以负担使用绿色电力,以及德国政府的鼓励政策可以改变发电的形式。 二、日本太阳能光伏发电产

14、业日本光伏产业的基本情况是,生产成本持续降低,产量不断扩大,产业迅速发展,并涌现出一大批龙头企业,正在和开始形成完备的生产、销售和使用体系,逐步向商业化阶段发展。在应用方面,2005 年,日本累计装机容量达到1422 兆瓦,位居世界第二,其中并网光伏系统的装机容量达到 1335 兆瓦,占93.88%。2006 年,累计装机容量 1760 兆瓦,居世界第一。 在生产方面,2005 年和2006 年日本的光伏产量均居世界第一,分别为819.2 兆瓦和920 兆瓦。2005 年,日本生产光伏产品的 35.5%用于国内,47.2%、11.5%和5.8%分别出口到欧洲、美国以及其他国家。日本光伏产业在国

15、际市场上也具有强大的竞争力。 2006 年全球光伏产量为2500 兆瓦,其中日本为920 兆瓦占全球总产量的36.8%。在光伏产业中夏普、京瓷、三洋、三菱电器等知名企业起着重要的作用。2008 年,日本光伏新增装机容量约为230 兆瓦,同比增长约为10%。 三、葡萄牙太阳能光伏发电产业 2008 年3 月25 日:葡萄牙既荷兰之后也推出了太阳能电费补贴政策,但是只是针对小功率的太阳能发电站。只要6到7 年就可以收回电站投资。在葡萄牙的南部每年有每平方米1900 千瓦小时,比西班牙还要多。可以获得补贴的太阳能发电站功率不可以超过368千瓦。保证在 5年之内,太阳能电的收购价是7 元人民币,过后1

16、0 年,电价有所下降,可能在5 元人民币到6 元人民币之间。估计今年可以安装3000个电站。 1.2.2国内太阳能光伏发电的发展现状一、我国太阳能光伏发电的现状我国太阳电池的研究始于1958年，1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳电池。中国的光伏产业的发展有2次跳跃，第一次是在上世纪80年代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳电池生产线，使我国的太阳电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5兆瓦,引进的太阳电池生产设备和生产线的投

17、资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动。2002年由国家法改委负责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。由于我国西部人口密度小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源。太阳能光伏发电是即廉价又清洁的能源选择。近20年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，表现为：1生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为0.51兆瓦/年，比国外生产规模低一个多数量级2技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一

18、定差距。3专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果，但性能有待进一步改进，部分材料仍采用进口品。4成本高。目前我国电池组件成本约30元/瓦，平均售价38元/瓦，成本和售价都高于国外产品。5市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。目前国内的主要太阳电池生产厂家主要有：（1）无锡尚德太阳能电力有限公司，生产电池、组件，年生产量为50兆瓦；（2）云南半导体器件厂，生产单晶硅电池，年生产量为2兆瓦；（3）保定应利太阳能组件厂，生产多晶电池、组件，年生产量为6兆瓦；（4）上海交大国飞太阳能电池厂，生产组件，年生产量为1兆瓦；（5）上海光伏科技有限公司，生产组件，年生产量5兆瓦。二、光

19、伏发电的前景展望在可再生能源中，太阳能取之不尽，清洁安全，是理想的可再生能源。我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。此外，目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展的可再生能源技术之一。截止2004年，太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、通讯、公共设施（如照明）、家庭生活用电等。尤其是在边远地区，太阳能光伏发电更加显示它的优势。我国目前尚有约30000个村庄，700万户，3000万农村人员还没有用上电，60%的有电县严重缺电，光伏市场潜力巨大。专家预测2006年我国太阳能电池生产能力将超过300兆瓦。在今后的十几年中，太阳电池的市场

20、走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国作为新的世界经济发动机，光伏业也呈现出前所未有的活力，大量系统集成公司伴随者国家的“光明工程”、“奥运工程”、“世博会工程”等项目的启动应运而生，世界一些大财团也瞄准了中国巨大的光伏市场潜力，开始投资中国光伏行业。国内市场，从20世纪90年代，国内光伏市场平稳发展，年增长速度在20%左右；进入21世纪，国内光伏市场呈现加速发展趋势，20012003年平均增长速度都在30%以上。中国政府目前正在制订新

21、能源和可再生能源发展规划，将出台一系列扶持PV发展的优惠政策。按照规划，中国20032009年在农村电网建设中每年安装70兆瓦光伏系统，20102020年普及推广应用，年平均安装100兆瓦。目前中国已经是国际光伏发电应用产品生产基地。 能源是国民经济发展的重要基础之一，随着国民经济的发展，能源的缺口增大，能源安全及能源在国民经济中的地位越显突出。但我国是世界上少数几个能源结构以煤为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国，燃煤造成的环境污染日益突出。目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列。从我国目前能源生产及能源消费的实际状况出发，发展新能源及高效节

22、能的技术及产品是保证我国可持续发展的重要举措。因此，大力发展新能源和可再生能源是我国未来的能源发展战略要求。2005年2月28日，第十届全国人代表大会常务委员会第十四次会议通过了中华人民共和国可再生能源法，于2006年1月1日起正式实施。可再生能源法规定国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。国家鼓励和支持可再生能源并网发电nx789为促进我国可再生能源和新

23、能源技术及相关产业的发展，根据国家可再生能源中长期发展规划，国家发展和改革委员会决定在20052007年期间，实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅片以及高效低成本太阳能电池组件及系统控制部件的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点领域之一。太阳能是洁净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。近年来，由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展，廉价的非晶硅太阳电池的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电，可解决广大中西部无电地区居民的能源问题。专家预测，若光伏电池与城市和农村的建筑相结合，实行光伏并网

24、发电，不但达到绿色环保的目的，而且会逐步改变我国传统能源结构，对克服我国能源紧张、改善生态环境及人体健康具有重大意义。1.3课题主要研究内容该题目与实际应用相结合，是发电设备的一种，被广泛应用于野外作业和无市电的情况下为小型电气设备提供电源。太阳能发电设备的整个设计过程应以电路节能、高效为指导思想。具体设计内容：1、控制器总体方案：利用结构框图说明系统组成，并概述各个部分的功能作用。2、太阳能和蓄电池的参数计算和选择3、太阳能电池板充电接口设计：电能储存在蓄电池中，太阳能电池板的电流相对额定值时大时小，应尽可能多接收、储存外来能量。4、 DCDC及DCAC转换电路设计：逆变功率达到10kW。5

25、、 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6、 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。7、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。8、软件设计：系统各部分控制流程图和具体程序的编写，要求程序模块化，在每部分流程图和程序之前要作简要功能概述。第2章 太阳能发电系统概述2.1 太阳能发电系统结构分类根据负载的电源以及与电力系统的并网情况不同，我们将太阳能光伏系统分成多种多样的形式。2.1.1 基于是否带有储能装置的分类从是否带有储能装置来分，光伏发电系统分为可调度式和不可调度式两种。1、可调度式光伏发电系统如图2.1图2.

26、1 可调度式太阳能并网系统系统带有蓄电池作为储能环节。因为有蓄电池的存在，该类并网系统可控开关切换于多种运行方式，整个系统可起到能量调节器，有源滤波器和不间断电源的作用。正常情况下，DC/DC级不仅向逆变级电路提供直流电源，同时还向蓄电池充电.逆变级将直流电能逆变成交流电能供给负载。在负荷增加时，可调度式光伏发电系统根据运行需要，由光伏电池和蓄电池共同起调峰作用。当负荷减少时，装置按优先级别跳闸断开不重要负载，光伏电池提供的直流电能仍通过逆变器为重要负载供电，起到了不间断电源(UPS)作用。作为系统终端的有源无功补偿器，稳定系统电压，同时亦可抵消有害波分量以提高电网质量。虽然可调度式光伏发电系

27、统配有储能环节蓄电池，在功能和性能方面有若干扩充和提高，但也带来了若干严重的缺点：（1）蓄电池组的寿命较短，目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为57年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2530年左右。（2）蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵，在整个系统中占到40%的投资。（3）蓄电池组需占用较大空间，对于用户是难以接受的。（4）有潜在的污染，若有壳体破裂，则会泄漏出腐蚀性液体，且报废的蓄电池必须进行后处理，否则将会造成铅污染。 2、不可调度式光伏并网系统如图2.2 图2.2 不可调度式光伏并网系统系统通过DC/DC变换器将太阳能电池产生的直流电能斩波成适于光伏逆变的直流电压后，直接经DC/

28、AC变换成与负荷频率一致的交流电能供给负荷。当系统故障或维修时，只要负载失去电压，逆变器立即停止工作，而通过跳闸装置使逆变器、系统和负载三者电气断开，光伏发电系统不再向负载提供电能。出于安全的考虑，这一点是必需的。一方面是出于对系统侧检修人员的安全考虑，在系统失电后，光伏发电系统必须跳闸与电网隔断开。本系统选用不可调度式光伏并网系统，主电路中不含有蓄电池环节。2.1.2 基于是否与电力系统并网的分类从太阳能光伏系统是否与电力系统并网而言，就可将太阳能光伏系统分成独立系统和并网系统。除此之外，还有混合系统以及小规模电源系统。1、独立光伏发电系统独立光伏发电系统很明显就是不与常规电力系统相连接而独

29、立运行的发电系统。这类系统的结构如图2.3所示，一般由光伏电池电池阵列、直流变换器、储能装置、逆变器等部分构成。通常建设在远离电网的偏远地区或者作为野外移动式便携电源。2、并网光伏发电系统并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统。光伏阵列先将太阳光照转换为直流电，并网光伏发电系统再将这些直流电换为符合入网标准的交流电，并与电网相连接。这类系统结构如图2.4所示，一般由太阳能电池阵列，直流变换器、逆变器以及相位同步控制能部分组成。目前，并网光伏系统主要朝屋顶光伏系统和电站光伏系统两大产业化发展。其中覆盖建筑用于给空调和照明设备供电的光伏系统的一个突出特点是，输出功率与峰值负载吻合得很

30、好。在阳光充足的夏日，并网光伏发电系统会产生更多的电力来配合用电高峰。为了使光图2.3 独立式光伏发电系统伏组件能更好的与建筑相结合，实现光伏建筑一体化(BIPV)，光伏屋顶可以延伸到光伏幕墙，光伏屋檐和光伏窗檐等。并网光伏电站占地面积较大，适合修建在沙漠，海滨等人烟稀少的地方。这种方式需要与高压电网并联，发电量较大，需要较大的前期投入，是大规模太阳能利用的一个重要方向，本文着力探究三相并网光伏发电系统的设计与仿真模拟。图2.4 并网光伏发电系统3、混合系统混合系统是指太阳能光伏系统与其他系统组成的系统。混合系统主要适用于以下情况：即太阳电池的出力不稳定，需使用其他的能源作为补充时；太阳电池的

31、热能作为综合能源加以利用时的情况。混合系统一般可分成现地电源混合系统、柴油机发电混合系统以及太阳光、热混合系统。现地电源混合系统是指由太阳能光伏系统与风力发电、水力发电以及柴油机发电等组成的系统。如图2.5图2.5 风光互补路灯220V发电系统第3章 太阳能发电原理3.1 太阳能电池的发电原理3.1.1 太阳能电池的基本原理太阳能发电技术采用面积通常只有几个平方厘米的半导体电池(晶片)。从物理方面来看，电池基本上可以看成是一个大面积的PN二极管，其结贴近顶面。电池的功能是将太阳光照射转换为直流电，发电就是将大量的电池并成一个组件，将大量的太阳光照射转化成所需的电能。与动态风力机不同，光伏机组是

32、静态的，不需要坚固的高塔，也不会产生震动或噪音，也无需主动冷却。各种不同材料的公共结被光子辐射照射之后，这两种材料之间便产生了电动势，这种现象就是光伏效应。这一现象是法国物理学Becquerel在1839年首次发现的。光伏电池可以将光能转化为的电能直接加以利用。在1954年，贝尔实验室制造了第一块硅电池。光伏电池的物理机理与经典的PN结二极管非常相似。当结吸收光时，吸收的光子转换成材料的电子一质子系统，并产生质子流，分散在结中。电解液中的电子一离子对和固体半导体材料中的电子一空穴对都可能成为载流子，并产生了电动势梯度，经电场加速后与外电路形成环流。电功率即为电流的平方与电路电阻的乘积。剩余的光

33、子功率则转换成电池的热功率，升高电池温度并散发。光伏电动势的来源是两种相互绝缘的材料中电子的化学电势差，称为费米能级。当两种材料结合到一起时，结就会达到一个新的热动态平衡。这种平衡只有在两种材料中费米能级相等的情况下才能实现。电子从一种材料流向另一种材料，直到两者间建立了一定的电压差，具有的电动势与初始的费米能级差相等。这个电动势驱动着光电流在光伏电路中流动。如图2.6图2.7给出了基本的电池构造。结的两面都有金属电极，由于光子碰撞而引起的电流。顶面(被照射)上有一层由银纤制成的薄薄的导电网格，既能手动电流，又能使光穿过。网格中导电纤维的间距是导电性能最大化和光阻挡最小化的折中。导电箔(焊接)

34、电机覆盖在底层(无光)表面和顶层的边缘。除了基本的元件之外，构造中还有集中增强特性。例如，电池的前面有防反射涂层，从而最大限度地降低反射，吸收经可能多的光线；利用透明粘合剂，添加了一层玻璃表面作为机械保护。与交流发电技术相比，最重要的方面是输送每千瓦时的电力的能源成本。对于光伏发电，能源成本主要依赖于两个参数：光伏能量转换效率和每瓦容量的投资费用。总之，这两个参数标志了光伏电能的经济竞争力。图2.6 光伏效应转换光子能量 图2.7 光伏的基本结构太阳能电池研发的主要目标是提高转换效率和其他性能参数，以减少商业太阳电池和组件的成本。次要目标是显著提高产能，同时减少能源消耗和制造成本，减少杂质和缺

35、陷。要达到这些目标，就要提高对光伏电池的基本物理特性的理解。为了生产出更高效，更低成本的电池，研发在不断地投入，目前市场上已经有各种各样的关于转换效率的组件成本的光伏技术。太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏特效应。太阳能电池实际上是由若干个PN结构成。当太阳光照射到PN结时，一部分光被反射，其余部分被PN结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热能，另一部分以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞，产生电子空穴对，在PN结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消

36、内建电场外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层产生光生电动势，这种现象称为光生伏特效应。若分别在P区和N区焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过，如此形成一个电池元件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换。3.1.2 太阳能电池的分类及特点如图2.4所示，太阳电池根据其使用的材料可分成硅系太阳电池、化合物系太阳电池以及有机半导体系太阳电池等类型。硅系太阳电池可分成结晶硅系太阳电池和非晶硅系太阳电池。而结晶硅系又可分成单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。化合物半导体太阳电池可分为-族化合物(GaAs)太阳电池、-族化合物(CdS/CdTe

37、)太阳电池以及三元(-族)化合物(CulnS受：CIS)太阳电池等。有机半导体太阳能电池可分成色素增感型太阳能电池以及有机薄膜(固体)太阳电池等。根据太阳电池的形式、用途等还可分成民生用、电力用、透明电池、半透明电池、柔软性电池、混合型电池(HIT电池)以及球状电池等。太阳电池的特性一般包括太阳电池的输入输出特性、分光特性、照度特性以及温度特性，本文主要讨论太阳能电池的电学特性即输入输出特性。太阳电池的种类多，大小不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以得知。图2.10为太阳电池的输入输出特性，也称为太阳电池的电压-电流特性。图中的实线为太阳电池被光照射时的电压

38、-电流特性，虚线为太阳电池未被光照射时的电压-电流特性图2.10 太阳能电池的U-I特性 图2.11 U-I特性曲线和U-P特性曲线图2.11显示了在光照强度G=1000W/M2、环境温度T=25时典型多晶硅光伏电池板的输出U-I和U-P曲线。由图2.11可得光伏电池主要参数：(1)开路电压开路电压为太阳能电池组件在负载电路开路情况下的端电压，用符号 表示。当不存在有效电场时，光伏效应只要靠PN结内建静电场提供。而内建静电场使光生非平衡电子和空穴各自向反向漂移，因而内建静电场越强，半导体材料两端形成的光生电动势就越高，开路电压 也就越高。(2)短路电流短路电流为光伏电池在外电路直接短路情况下流

39、经外电路的电流，用符号 表示。光照强度决定了光伏电池激发的电子-空穴对数，即一定的光照强度下，其电子-空穴对数也是一定的，使得光电流人的特性像一个恒流源，不受外电路短路与否的影响。(3)最大功率点光伏电池输出U-I特性曲线上，根据负载变化任何一点可以作为工作点。不同的工作点有不同的输出功率，顾名思义，最大功率点就是在曲线上输出功率的最大值 对应的工作点，最大功率点对应的电压和电流为最大功率点电压 和最大功率点电流 。对最大功率点进行跟踪，保证电池始终工作在最大功率点附近，能大大提高工作效率，进一步提高对太阳能的利用率。3.2 蓄电池的原理蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电

40、终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah(安时)表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定。因此，通常电池体积越大、容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示：C为蓄电池的额定容量。例如：用2A电流对1Ah电池充电充电速率就是2C；同样地用2A电流对500mAh电池充电充电速率就是4C。电池刚出厂时正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变

41、化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定关系。单元镍镉电池的标称电压约为1.3V（但一般认为是1.25V），单元镍氢电池的标称电压为1.25V。电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充放电的过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.751.8V，镍氢电池的充电终止电压为1.5V。例如，镍镉蓄电池的工作原理如下。镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解

42、液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。当环境温度较高时使用密度为1.171.19（15时）的氢氧化钠溶液。当环境温度较低时使用密度为1.191.21（15时）的氢氧化钾溶液。在-15以下时，使用密度为1.251.27（15时）的氢氧化钾溶液。为兼顾低温性能和电荷保持能力密封镍镉蓄电池采用密度为1.40（15时）的氢氧化钾溶液。为了增加蓄电池的容量和循环寿命通常在电解液中加入少量的氢氧化锂（大约每升电解液加1520g）。镍镉蓄电池充电后正极板上的活性物质变为氢氧化镍NiOOH，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。充足电后立即断

43、开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达1.5V左右，但很快就下降到1.311.36V。镍镉蓄电池的端电压随着充放电过程而变化，可用以下式表示： (3-1) (3-2)从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大、端电压越高，放电电流越大，端电压越低。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2V。采用8h率放电时，蓄电池的端电压下降到1.1V后，电池即放完电。蓄电池充足电后，在一定放电条件下，放至规定的终止电压时，电池放出的总容量称为电池的额定容量，容量Q用放电电流与放电时间的乘积来表示,表示式如下： (3-3)镍镉蓄电池容量与下列因素有关：（1） 活性物质的数量；（

44、2） 放电率；（3） 电解液。放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池的容量越小。使用不同成分的电解液，对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。通常，在高温环境下，为了提高电池容量，常在电解液中添加少量氢氧化锂，组成混合溶液。实验证明：每升电解液中加入1520g含水氢氧化锂，在常温下，容量可提高4%5%，在40时，容量可提高20%。然而，电解液中锂离子的含量过多，不仅使电解液的电阻增大，还会使残留在正极板上的锂离子（Li+）慢慢渗入晶格内部，对正极的化学变化产生有害影响。电解液的温度对蓄电池的容量影响较大。这是因为随着电解液温度升高，极板活性物质的化学反应也逐步改善

45、。电解液中的有害杂质越多，蓄电池的容量越小。主要的有害杂质是碳酸盐和硫酸盐。它们能使电解液的电阻增大，并且低温时容易结晶，堵塞极板微孔，使蓄电池容量显著下降。此外，碳酸根离子还能与负极板作用，生成碳酸镉附着在负极板表面上，从而引起导电不良，使蓄电池内阻增大，容量下降。镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率、极板结构及其面积有关，而电解液的导电率又与密度和温度有关。电池的内阻主要由电解液的电阻决定。氢氧化钾和氢氧化钠溶液的电阻系数随密度而变。18时氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系数最小。通常镍镉蓄电池的内阻可用下式计算：R=() (3-4)在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率Ah为67%-75%，

46、电能效率Wh为55%65%，循环寿命约为2000次。另外，镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。第4章 太阳能电池与蓄电池容量计算及选取锦州位于东经1222509至1234824、北纬4111 51至430213。年日照时数为2372.5h，日照百分率为60%，太阳年平均辐射量500kJ/cm(1389 kWh)，年大于零度的活动积温3300，大于10度的有效积温2700。带负载功率P=10kW，平均每日用电时间t=6h，平均每天用电量E=

47、Pt=60kWh。年用电量H=kWh。阴雨天气下供电的天数D=3d。4.1 太阳能电池容量计算及选择4.1.1 太阳能电池容量计算太阳能电池组件总容量的设计公式为：=式中：太阳能组件总容量（kWp）； 年用电同时率。取0.9； H年用电量（kWh）； Q太阳年平均辐射量（kWh）； R太阳能组件表面接受年辐射量与水平面上太阳年辐射量的比值，一般取1.2。； n考虑各种损失后系统总效率。取0.8；将数字带入，求得=0./（13891.20.8）=15kWp4.1.2 太阳能电池的选取与安装太阳能电池组件的设计原则是要满足平均天气条件（太阳辐射量）下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。实用计算公式：电池组件的并联数负载日平均用电量（Ah）组件日平均发电量（Ah）逆变器效率系数电池组件的串联数系统工作电压（V）系数1.