太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng),太陽能,發(fā)電,監(jiān)測(cè),系統(tǒng) 太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 西安文理學(xué)院 機(jī)械電子工程系 班 級(jí)：0802 姓 名：朱立 指導(dǎo)老師：成珂2012年畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯太陽能太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位?，F(xiàn)期我們對(duì)太陽能的利用大致可以分為光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，其中，光電利用（光伏發(fā)電）是近些年來發(fā)展最快，也是最具經(jīng)濟(jì)潛力的能源開發(fā)領(lǐng)域。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的定義：光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點(diǎn)是可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、不污染環(huán)境、能獨(dú)立發(fā)電又能并網(wǎng)運(yùn)行。光伏發(fā)電系統(tǒng)示圖應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電原理光生伏特效應(yīng)：光線照射在太陽能電池板上，進(jìn)過電池板內(nèi)部的一系列反應(yīng)，可以產(chǎn)生一個(gè)電流。這個(gè)電流經(jīng)過導(dǎo)出，可以利用于用電設(shè)備。Pn太陽光太陽光淺結(jié)淺結(jié)光生伏特效應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)由實(shí)際負(fù)載，通過公式計(jì)算出系統(tǒng)要求的各組件的大小。蓄電池：太陽能控制器：，逆變器：太陽能電池板：本處的光伏發(fā)電實(shí)物系統(tǒng)，是為了本組同學(xué)的太陽能汽車的驅(qū)動(dòng)所搭建的。圖中包括太陽能電池板一塊，蓄電池2個(gè)，控制器一個(gè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要目的是針對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過測(cè)量并且采集太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電流和發(fā)電電壓，實(shí)現(xiàn)測(cè)量太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。主要過程為監(jiān)測(cè)太陽能電池板發(fā)電到用電器用電過程中的電流電壓等數(shù)值變化。主要意義是因?yàn)槟壳疤柲馨l(fā)電的利用率比較低，希望通過過程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集能夠發(fā)現(xiàn)改進(jìn)環(huán)節(jié)，達(dá)到更高的利用率。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備名稱名稱型號(hào)型號(hào)量程量程數(shù)量數(shù)量輔助電源輔助電源輸出輸出直流電壓變送器JD194-BS4I420mA424V05V交流電壓變送器JD194-BS4U420mA124V05V直流電流變送器HY194-BS5U420mA424V-55V交流電流變送器HY194-BS4I420mA124V05V數(shù)據(jù)采集卡MPS-0106011溫度變送器SWBZ-10+60 105V太陽輻射變送器JZZ1-TBQ-2A02500W/m2105V實(shí)驗(yàn)過程為使用已有設(shè)備，采用收集兩條支路的信息予以驗(yàn)證的方式進(jìn)行。圖中主要設(shè)備包括24V輔助電源一個(gè)，隔離電流變送器器一個(gè)（2入2出），分流器2個(gè)，精密電阻兩個(gè)。實(shí)驗(yàn)接線圖結(jié)論（1）針對(duì)負(fù)載的需求設(shè)計(jì)了一套能正常工作的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。（2）針對(duì)設(shè)計(jì)好的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)能正常監(jiān)測(cè)此系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。（3）利用設(shè)計(jì)好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)到光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算。（4）該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)際用于單戶小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、顯示準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 專業(yè)班級(jí) 08機(jī)械2班 學(xué) 號(hào) 08102080206 學(xué)生姓名 朱 立 指導(dǎo)教師 成 珂 設(shè)計(jì)所在單位 西安文理學(xué)院 2012年 5 月 太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 摘要: 為了監(jiān)測(cè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作現(xiàn)狀，本文在初步設(shè)計(jì)了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并針對(duì)負(fù)載的需求設(shè)計(jì)出了一套具體的實(shí)驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要工作有： （1）發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：以實(shí)驗(yàn)負(fù)載確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的各組成元件； （2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：針對(duì)設(shè)計(jì)好的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用監(jiān)測(cè)設(shè)備； （3）數(shù)據(jù)采集：通過電壓、電流變送器將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，最終將其導(dǎo)入導(dǎo)數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； （4）實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)：將數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連，通過數(shù)采卡自帶顯示模塊，將所得到的數(shù)據(jù)顯示出來，以達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。 經(jīng)過對(duì)太陽能光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)流入流出各個(gè)設(shè)備間的電壓、電流值的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備功率的監(jiān)測(cè)。找到可以提高發(fā)電效率的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)際用于單戶小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、顯示準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:太陽能；光伏發(fā)電；監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集 Solar Photovoltaic Power Generation System Abstract: This paper expounds the solar photovoltaic power generation system principle, components, and in the light of the load demand design out a detailed experimental power generation systems and monitoring system, the main work is: (1)power generation system design: use the experiment load to ensure the various components for photovoltaic system; (2)monitoring system design: use monitoring equipment according to the designed photovoltaic system; (3)data collection: through the voltage transducer and electricity transducer,monitoring signals will be converted to 0-5V standard voltage signal, which will be put into the Data Acquisition Card for collectting datas; (4)experiments monitoring:connected to the Data acquisition Card and computers,through Data acquisition Card carrying display module itself,to show the data which received and achieve the purpose of monitoring. After the solar photovoltaic energy monitoring system design,through the change of the inflow and outflow each equipments' voltage and current,and to realized the monitoring of each equipment.Find the link which can be improved for power efficiency, then realizad of the expected goal.Through the experiments we can found that,the monitoring system can be uesd for single door and small solar power generation system,whick has the characteristics of strong anti-interference,operation simple, showed accurate，and so on. Key words:Solar energy;Photovoltaic power;Monitoring;Data acquisition 目錄 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1研究背景 1 1.2太陽能的介紹 2 1.2.1太陽能的含義 2 1.2.2太陽能的發(fā)展歷史 2 1.2.3我國(guó)太陽能資源 2 1.2.4太陽能的應(yīng)用 2 1.2.5太陽能發(fā)電 3 1.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹 4 第二章 太陽能電池發(fā)電原理 6 2.1光電效應(yīng)概述 6 2.2光生伏特效應(yīng)概述及應(yīng)用 6 2.2.1光生伏特效應(yīng) 6 2.2.2光生伏特效應(yīng)應(yīng)用 8 2.3太陽能電池及其太陽能組件 8 2.3.1太陽能電池的工作原理 8 2.3.2太陽能電池的生產(chǎn)流程 8 2.3.3 太陽能電池的制造技術(shù) 8 2.3.4 太陽電池組裝工藝簡(jiǎn)介 9 2.3.5 太陽能電池陣列設(shè)計(jì)步驟 11 第三章 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 3.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 13 3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)地點(diǎn)概況 13 3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 13 3.3.1負(fù)載需求 13 3.3.2參數(shù)要求 13 3.4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 13 3.2.1蓄電池 13 3.2.2太陽能控制器 15 3.2.3逆變器 16 3.4.4太陽能電池板 17 3.5系統(tǒng)組裝 19 3.6太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式 20 3.7太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求 20 第四章 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 4.1電壓變送器 22 4.1.1工作原理 22 4.1.2性能優(yōu)點(diǎn) 22 4.1.3電壓變送器的選擇 23 4.2電流變送器 23 4.2.1工作原理 23 4.2.2性能優(yōu)點(diǎn) 24 4.2.3電流變送器選擇 24 4.3數(shù)據(jù)采集卡 25 4.3.1工作原理 25 4.3.2技術(shù)參數(shù) 25 4.3.3數(shù)據(jù)采集卡的選擇 26 4.4溫度變送器 27 4.4.1溫度變送器原理 27 4.4.2溫度變送器的選擇 28 4.5太陽輻射變送器 30 4.6實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想 31 4.6.1實(shí)驗(yàn)步驟 31 4.6.2實(shí)驗(yàn)方法 32 4.6.3數(shù)據(jù)的對(duì)比 32 第五章 總結(jié)與展望 33 5.1總結(jié) 33 5.2展望 33 小 結(jié) 35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 37 附 錄 38 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒 論 1.1研究背景 能源是現(xiàn)代社會(huì)存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，能源消費(fèi)也相應(yīng)的持續(xù)增長(zhǎng)。隨著時(shí)間的推移，化石能源的稀缺性越來越突顯，且這種稀缺性也逐漸在能源商品的價(jià)格上反應(yīng)出來。在化石能源供應(yīng)日趨緊張的背景下，大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源已成為未來各國(guó)能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。而太陽能作為其中一種清潔的可再生能源，是新能源開發(fā)和利用的主要對(duì)象。 太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。 我們對(duì)太陽能的利用大致可以分為光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，其中，光電利用（光伏發(fā)電）是近些年來發(fā)展最快，也是最具經(jīng)濟(jì)潛力的能源開發(fā)領(lǐng)域。太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，包括硅系太陽電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅電池）和非硅系太陽能電池等。在晶體硅太陽能電池的產(chǎn)業(yè)鏈上分布著晶硅制備、硅片生產(chǎn)、電池制造、組件封裝四個(gè)環(huán)節(jié)。 光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)：獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式，典型特征為需要蓄電池來存儲(chǔ)能量，在民用范圍內(nèi)主要用于邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級(jí)太陽能光伏電站；在工業(yè)范圍內(nèi)主要用于電訊、衛(wèi)星廣播電視、太陽能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區(qū)還可以組成混合發(fā)電系統(tǒng)等。并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電連接到國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)電的方式，成為電網(wǎng)的補(bǔ)充。 在各國(guó)政府的扶持下，世界太陽能電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，1995-2005年間，全球太陽能電池產(chǎn)量增長(zhǎng)了17倍。我們預(yù)計(jì)，2010年全球太陽能電池的年產(chǎn)量有望較2005年的年產(chǎn)量增長(zhǎng)6.3倍，整個(gè)行業(yè)的銷售收入有望增長(zhǎng)3.5倍。 我國(guó)太陽能資源非常豐富，開發(fā)利用的潛力非常大。我國(guó)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用空間也非常廣闊，可以應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電、與建材結(jié)合、解決邊遠(yuǎn)地區(qū)用電困難問題等。我國(guó)政府對(duì)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)也給予了充分的扶持，先后出臺(tái)了一系列法律、政策，有力的支持了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 所以，研究太陽能這種可再生資源是非常必要的，并且其具有非常大發(fā)展空間，在將來必定成為能源市場(chǎng)的主力軍。 而本次課題研究太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就是為了檢測(cè)發(fā)電系統(tǒng)的工作效率設(shè)計(jì)的測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。主要目的是針對(duì)太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過測(cè)量并且采集太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電流和發(fā)電電壓，實(shí)現(xiàn)測(cè)量太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。主要過程為監(jiān)測(cè)太陽能發(fā)電到用電器用電過程中的電流電壓等數(shù)值變化。目前太陽能發(fā)電利用率比較低，通過過程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集以期能發(fā)現(xiàn)改進(jìn)環(huán)節(jié)，達(dá)到更高的利用效率。 1.2太陽能的介紹 太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的 安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位并且得到廣泛的應(yīng)用。 1.2.1太陽能的含義 一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢(shì)能等等。 1.2.2太陽能的發(fā)展歷史 據(jù)記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，只有300多年的歷史。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國(guó)工程師所羅門·德·考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)算起。該發(fā)明是一臺(tái)利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機(jī)器。 真正將太陽能作為“近期急需的補(bǔ)充能源”，“未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”，則是近來的事。20世紀(jì)70年代以來，太陽能科技突飛猛進(jìn)，太陽能利用日新月異。 1.2.3我國(guó)太陽能資源 我國(guó)是太陽能資源相當(dāng)豐富的國(guó)家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 kWh/㎡以上，西藏最高達(dá)7kWh/㎡。 1.2.4太陽能的應(yīng)用 就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級(jí)階段，主要有太陽能集熱、 太陽能熱水系統(tǒng) 、太陽能暖房、太陽能發(fā)電等方式。 （1）太陽能集熱器 太陽能集熱器(solar collector)在太陽能熱系統(tǒng)中，接受太陽輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的裝置。按傳熱工質(zhì)可分為液體集熱器和空氣集熱器。按采光方式可分為聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種。一個(gè)好的太陽能集熱器應(yīng)該能用20～30年。 （2） 太陽能熱水系統(tǒng) 早期最廣泛的太陽能應(yīng)用即用于將水加熱，現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統(tǒng)主要元件包括收集器、儲(chǔ)存裝置及循環(huán)管路三部分。此外，可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應(yīng)無日照時(shí)使用，另外尚可能有強(qiáng)制循環(huán)用的水，以控制水位或控制電動(dòng)部份或溫度的裝置以及接到負(fù)載的管路等。依循環(huán)方式太陽能熱水系統(tǒng)可分兩種：自然循環(huán)式和自然循環(huán)式。 （3）太陽能暖房 太陽能暖房系統(tǒng)是由太陽能收集器、熱儲(chǔ)存裝置、輔助能源系統(tǒng)，及室內(nèi)暖房風(fēng)扇系統(tǒng)所組成，其過程乃太陽輻射熱傳導(dǎo)，經(jīng)收集器內(nèi)的工作流體將熱能儲(chǔ)存，再供熱至房間。至輔助熱源則可裝置在儲(chǔ)熱裝置內(nèi)、直接裝設(shè)在房間內(nèi)或裝設(shè)于儲(chǔ)存裝置及房間之間等不同設(shè)計(jì)。 1.2.5太陽能發(fā)電 即直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，并將電能存儲(chǔ)在電容器中，以備需要時(shí)使用。 （1）太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括1)太陽能控制器 對(duì)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲(chǔ)存，當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。2)太陽能蓄電池 組的任務(wù)是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負(fù)載用電。3)太陽能逆變器 負(fù)責(zé)把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負(fù)荷使用。 （2）太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將光伏陣列產(chǎn)生的可再生能源不經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能，通過并網(wǎng)逆變器直接反向饋入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。 （3）Si太陽電池 硅太陽電池是最常用的衛(wèi)星電源，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種飛行器對(duì)功率的需求越來越大。其中，以發(fā)展背表面場(chǎng)（BSF）、背表面反射器（BSR）、雙層減反射膜技術(shù)為第一代高效硅太陽電池，這種類型的電池典型效率最高可以做到15%左右，目前在軌的許多衛(wèi)星應(yīng)用的是這種類型的電池。 （4）太陽能路燈 太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問題。  1.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如果輸出電源為交流220V或 110V，還需要配置逆變器（轉(zhuǎn)換器）。 太陽能電池方陣 直流負(fù)載 控制器 交流負(fù)載 逆變器 蓄電池組 圖1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 圖1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖 1.4太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn) 與常用的火力發(fā)電系統(tǒng)相比，太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：無枯竭危險(xiǎn)；安全可靠，壽命長(zhǎng)；無噪聲，無污染排放外，絕對(duì)干凈（無公害）；不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍廣；無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電；能源質(zhì)量高；易安裝，易運(yùn)輸，建設(shè)周期短，獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕；使用方便，，維護(hù)簡(jiǎn)單，在-20℃~-65℃ 溫度范圍均可正常工作；可以與蓄電池相配組成獨(dú)立電源，也可以并網(wǎng)發(fā)電；使用者從感情上容易接受； 缺點(diǎn)：照射的能量分布密度小，太陽能能量密度低，即要占用巨大面積；光伏發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性；各個(gè)地區(qū)太陽能資源情況不通，所以光伏發(fā)電區(qū)域性強(qiáng)；太陽能電池與太陽能逆變器轉(zhuǎn)化效率不是很高，還需要技術(shù)上的突破；獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)。 第2章 太陽能電池發(fā)電原理 2.1光電效應(yīng)概述 光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）。光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置。 2.2光生伏特效應(yīng)概述及應(yīng)用 2.2.1光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)是指光子入射到半導(dǎo)體的p-n結(jié)后，從p-n結(jié)的二端電極產(chǎn)生可輸出功率的電壓伏特值。 這一過程包括光子入射到半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子和空穴因半導(dǎo)體p-n結(jié)形成的內(nèi)建電場(chǎng)作用而分離，電子和空穴往相反的方向各自傳輸至二端電極來輸出。所以，光生伏特效應(yīng)一般是和p-n結(jié)的特征有關(guān)。 在光生伏特效應(yīng)中，p-n結(jié)的空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)的作用，就是使入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在復(fù)合前被分開，產(chǎn)生光電流。光電流再經(jīng)由p-n二極管的金屬接觸傳輸至負(fù)載，這就是光生伏特電池的基本工作原理。 如果將光照的p-n二極管二端的金屬接觸用金屬線直接連接，就是所謂的短路，金屬線的短路電流就等于光電流。若光照的p-n二極管二端的金屬不相連，就是所謂的開路，則光電流會(huì)在p-型區(qū)累積額外的空穴，n-型區(qū)累積額外的子，造成p-端金屬接觸較n-端金屬接觸有一較高的電位勢(shì)，也就是開路電壓 ，這個(gè)開路電壓也被稱為光電壓，也是光生伏特這一詞的由來。 圖2.1 太陽電池結(jié)構(gòu)原理 p n 淺結(jié) 太陽光 圖2.2 p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng) 當(dāng)然，入射光并不只有在空間電荷區(qū)內(nèi)被吸收才會(huì)產(chǎn)生光電流。光子在p-n二極管的其它區(qū)域中被吸收，就是所謂的準(zhǔn)電中性區(qū)域，也能貢獻(xiàn)光電流。只是準(zhǔn)電中性區(qū)的光電流是擴(kuò)散電流，而不是漂移電流，這種擴(kuò)散電流是由少數(shù)載流子決定的，多數(shù)載流子并不參與。也就是說，n-型準(zhǔn)電中性區(qū)域的少數(shù)載流子、空穴，其在接近空間電荷區(qū)的地方會(huì)趨向到p-型區(qū)而濃度降低，形成濃度梯度，因此n-型準(zhǔn)電中性區(qū)域內(nèi)的空穴就會(huì)形成往p-型區(qū)方向的擴(kuò)散電流。同理，p-型準(zhǔn)電中性區(qū)域的少數(shù)載流子、電子，其在接近空間電荷區(qū)的地方會(huì)趨向n-型區(qū)而濃度降低，因此p-型準(zhǔn)電中性區(qū)域內(nèi)的電子就會(huì)形成往n-型區(qū)方向的擴(kuò)散電流。所以，p-n二極管的光生伏特效應(yīng)中的光電流，主要來自于三個(gè)物理機(jī)制：空間電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴的漂移電流，n-型準(zhǔn)電中性區(qū)域少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散電流，和p-型準(zhǔn)電中性區(qū)域的少數(shù)載流子電子的擴(kuò)散電流。 通常，光生伏特電池所涉及的物理機(jī)制和過程是相當(dāng)復(fù)雜的，隨著電池的材料和結(jié)構(gòu)的不同而有所差異。但總的來說，任何光生伏特電池的工作需要有三個(gè)必要條件： 1、入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。 2、電子-空穴對(duì)在復(fù)合前被分開。 3、分開的電子和空穴傳輸至負(fù)載。 對(duì)p-n半導(dǎo)體二極管而言，入射光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)取決于導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶間光吸收系數(shù)，而導(dǎo)帶或價(jià)帶自身之內(nèi)的帶內(nèi)光吸收系數(shù)則是不會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的?？臻g電荷區(qū)內(nèi)施主正離子和受主負(fù)離子形成的內(nèi)建電場(chǎng)，是提供電子-空穴對(duì)分開的物理?xiàng)l件。半導(dǎo)體的金屬接觸則將分開的電子和空穴傳輸至負(fù)載。 必須強(qiáng)調(diào)的是，這三個(gè)條件也往往是決定設(shè)計(jì)光生伏特電池效率高低的重要因素。 2.2.2光生伏特效應(yīng)應(yīng)用 光生伏打效應(yīng)主要是應(yīng)用在半導(dǎo)體的PN結(jié)上，把輻射能轉(zhuǎn)換成電能。大量研究集中在太陽能的轉(zhuǎn)換效率上。理論預(yù)期的效率為24％。由于半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，所以通常把這類光伏器件稱為太陽能電池，也稱光電池或太陽電池。 2.3太陽能電池及其太陽能組件 2.3.1太陽能電池的工作原理 太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。 2.3.2太陽能電池的生產(chǎn)流程 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。 圖2.3 太陽能電池生產(chǎn)流程 2.3.3 太陽能電池的制造技術(shù) 晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的主流。 磷擴(kuò)散 擴(kuò)散前清洗 絨面制備 硅片清洗 周邊刻蝕 正反級(jí)印刷 背電極印刷 去除背結(jié) 減反射膜制備 燒結(jié) 測(cè)試分檔 圖2.4 晶體硅太陽能電池的制造流程 具體的制造工藝技術(shù)說明如下： （1）切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。 （2）清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。 （3）制備絨面：用堿溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。 （4）磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散, 制成PN＋結(jié)，結(jié)深一般為0.3－0.5um。 （5）周邊刻蝕：擴(kuò)散時(shí)在硅片周邊表面形成的擴(kuò)散層，會(huì)使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴(kuò)散層。 （6）去除背面PN＋結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN＋結(jié)。 （7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。 （8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。 （9）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。 (10) 測(cè)試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測(cè)試分類。 2.3.4 太陽電池組裝工藝簡(jiǎn)介 組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產(chǎn)不出好的電池組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強(qiáng)了電池的抗擊強(qiáng)度。產(chǎn)品的高質(zhì)量和高壽命是贏得可客戶滿意的關(guān)鍵，所以組件板的封裝質(zhì)量非常重要。在這里只簡(jiǎn)單的介紹一下工藝的作用，給大家一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。 電池測(cè)試：由于電池片制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分類；電池測(cè)試即通過測(cè)試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對(duì)其進(jìn)行分類。以提高電池的利用率，做出質(zhì)量合格的電池組件。 正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機(jī)可以將焊帶以多點(diǎn)的形式點(diǎn)焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個(gè)紅外燈（利用紅外線的熱效應(yīng)）。焊帶的長(zhǎng)度約為電池邊長(zhǎng)的2倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池片的背面電極相連 背面串接：背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個(gè)組件串，我們目前采用的工藝是手動(dòng)的，電池的定位主要靠一個(gè)膜具板，上面有36個(gè)放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負(fù)極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，這樣依次將36片串接在一起并在組件串的正負(fù)極焊接出引線。 層壓敷設(shè)：背面串接好且經(jīng)過檢驗(yàn)合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設(shè)好，準(zhǔn)備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強(qiáng)度。敷設(shè)時(shí)保證電池串與玻璃等材料的相對(duì)位置，調(diào)整好電池間的距離，為層壓打好基礎(chǔ)。（敷設(shè)層次：由下向上：鋼化玻璃、EVA、電池片、EVA、玻璃纖維、背板）。 組件層壓：將敷設(shè)好的電池放入層壓機(jī)內(nèi)，通過抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度層壓時(shí)間根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。我們使用快速固化EVA時(shí)，層壓循環(huán)時(shí)間約為25分鐘。固化溫度為150℃。(電池板原料：玻璃，EVA，電池片、鋁合金殼、包錫銅片、不銹鋼支架、蓄電池等) 如圖。 圖2.5 太陽能電池板 修邊：層壓時(shí)EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。 裝框：類似與給玻璃裝一個(gè)鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強(qiáng)度，進(jìn)一步的密封電池組件，延長(zhǎng)電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充。各邊框間用角鍵連接。 焊接接線盒：在組件背面引線處焊接一個(gè)盒子，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。 高壓測(cè)試：高壓測(cè)試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測(cè)試組件的耐壓性和絕緣強(qiáng)度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。 組件測(cè)試：測(cè)試的目的是對(duì)電池的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試其輸出特性，確定組件的質(zhì)量等級(jí)。目前主要就是模擬太陽光的測(cè)試Standard test condition（STC），一般一塊電池板所需的測(cè)試時(shí)間在7-8秒左右。 2.3.5 太陽能電池陣列設(shè)計(jì)步驟 （1）計(jì)算負(fù)載24h消耗容量P （式2.1） V——負(fù)載額定電源 （2）選定每天日照時(shí)數(shù)T(H) （3）計(jì)算太陽能陣列工作電流 （式2.2） Q——按陰雨期富余系數(shù)，Q=0.21～1.00 （4）確定蓄電池浮充電壓VF 鎘鎳(ＧＮ)和鉛酸(ＣＳ)蓄電池的單體浮充電壓分別為1.4～1.6V和2.2V。 （5）太陽能電池溫度補(bǔ)償電壓VT （式2.3） （6）計(jì)算太陽能電池陣列工作電壓VP （式2.4） 其中VD=0.5～0.7 約等于VF （7）太陽電池陣列輸出功率ＷＰ平板式太陽能電板。 （式2.5） （8）根據(jù)VP、WP在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。 圖2.6 太陽能電池陣列 第3章 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制，因?yàn)殛柟馄照沾蟮?光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點(diǎn)。 3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)地點(diǎn)概況 西安地處中國(guó)西北東部關(guān)中平原中部，位于東經(jīng)107°40′-109°49′和北緯33°39′-34°44′之間。年平均日照1377小時(shí)，平均日照時(shí)間4小時(shí)。根據(jù)實(shí)際狀況設(shè)計(jì)小戶型獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)。 3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 3.3.1負(fù)載需求 21寸100W彩電一臺(tái)，工作時(shí)間3小時(shí)(實(shí)驗(yàn)時(shí)用15W節(jié)能燈代替)；15W節(jié)能燈泡一個(gè)，工作時(shí)間6小時(shí) 3.3.2參數(shù)要求 蓄能天數(shù)為3天，蓄電池放電深度：在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。放電深度的高低和二次電池的充電壽命有很深的關(guān)系，當(dāng)二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，因此在使用時(shí)應(yīng)盡量避免深度放電。一般范圍在50%~80%左右，選取50%。 轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換效率就是電源的輸入功率與輸出功率的比值：即電源轉(zhuǎn)換效率=電源為主機(jī)提供的即時(shí)輸出功率/輸入電源的即時(shí)功率×100%。 要求在85%左右。 線損：線損指的是以熱能形式散發(fā)的能量損失，即為電阻、電導(dǎo)消耗的有功功率，在5%左右。 3.4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或 110V，還需要配置逆變器。 3.2.1蓄電池 一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。 蓄電池組容積計(jì)算： 蓄電池的容積是根據(jù)系統(tǒng)日用電量蓄能的天數(shù)及蓄電池放電的深度來確定的，其計(jì)算公式為: （式3.1） 式中: L—系統(tǒng)日耗電量，單位kW·h； D—估計(jì)最多無風(fēng)無光照的天數(shù)，或要求的蓄能天數(shù)；DOD—蓄電池的最大放電深度，約50% ～ 80%; E1—系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換率，約80% ～ 90%; E2—電力傳輸損失，約5%。 由此計(jì)算出C = 1003W·h，若選擇12 V 的標(biāo)稱電壓鉛酸蓄電池單體，串聯(lián)成24V電池蓄電池組，根據(jù)電池組容量安時(shí)數(shù)等于所需瓦時(shí)除以電池組電壓，得電池組的容量為: （式3.2） 所以采用湯淺LCPA24-12蓄電池，由2塊24A·h /12 V 蓄電池兩兩串聯(lián)成此蓄電池組。 圖3.1 免維護(hù)太陽能蓄電池 表3.1 湯淺LCPA24-12蓄電池參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)及相關(guān)信息 型號(hào) LCPA24-12 額定電壓（V） 12 額定容量10小時(shí)（Ah） 24 外形尺寸（mm） 175*165*126 最大充電電流 ≤0.25C10 充電時(shí)間 >48h 溫度參數(shù) ±5mv/CELL℃ 3.2.2太陽能控制器 太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。 控制器選擇: 由于系統(tǒng)日耗電L為135W·h，根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄照諘r(shí)間為4h，可以得出太陽能電池板需要的時(shí)均總功率為： （式3.3） 根據(jù)太陽能電池對(duì)太陽光的轉(zhuǎn)換效率90%，控制器和逆變器的轉(zhuǎn)換效率為75%，得出太陽能電池板的功率為: （式3.4） 由于蓄電池采用串聯(lián)，又依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，所以選擇24V/5A的GH5A控制器。 圖3.2 GH5A控制器面板 表3.2 GH5A控制器參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)及相關(guān)信息 總額定工作電流 5A 總額定負(fù)載電流 5A 系統(tǒng)電壓 24V 過載、短路保護(hù) 1.25倍額定電流60s，1.5倍額定電流5s時(shí)過載保護(hù)動(dòng)作，≥3倍額定電流短路保護(hù)動(dòng)作 空載損耗 ≤5mA 工作溫度 -35℃~65℃ 充電回路壓降 ≤0.26V 放電回路壓降 ≤0.15V 3.2.3逆變器 在很多場(chǎng)合，都需要提供AC220V、AC110V的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。為能向AC220V的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡(jiǎn)單的降壓）。 根據(jù)負(fù)載實(shí)況，要求計(jì)算出負(fù)載總功率為: （式3.5） 由于負(fù)載的總功率大于逆變器總功率的80%時(shí)，逆變器會(huì)發(fā)熱過度，從而減少逆變器的使用壽命，所以選擇逆變器時(shí)需要考慮其損耗率，則逆變器的功率計(jì)算如下: （式3.6） 所以選用50W逆變器合適，型號(hào)源太爾TEH-50W。 表3.3 源太爾TEH-50逆變器參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)及相關(guān)信息 型號(hào) TEH-50 輸出電壓波形 正弦波 輸入電壓范圍 9~15V 輸出電壓范圍 180~240V 輸出功率 50W 圖3.3 太陽能逆變器 3.4.4太陽能電池板 太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。 圖3.4 太陽能電池板 太陽能電池方陣的計(jì)算： 太陽能電池組件是太陽能供電系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，它的功能是將太陽能輻射轉(zhuǎn)化為電能，其光電轉(zhuǎn)換效率決定了供電系統(tǒng)的工作效率，所以光電轉(zhuǎn)換效率是選擇太陽能電池組件需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。目前，太陽能電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅3種。其中單晶硅電池板的光電轉(zhuǎn)換率為15% ～ 20%以上，最高可以達(dá)到24%，使用壽命一般為15 年左右，最高可達(dá)到25 年。多晶硅電池板的光電轉(zhuǎn)換率為12%，非晶硅約為10%，綜合考慮，本系統(tǒng)的太陽能電池組件采用單晶硅太陽能電池。 計(jì)算得到太陽能電池板的功率為50W，本研究可以選擇總功率為50W 的太陽能組件，為此選擇用長(zhǎng)沙光合太陽能有限公司生產(chǎn)的50W單晶硅太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)組件，單晶硅的轉(zhuǎn)換效率為16%。 安裝傾斜角與場(chǎng)地緯度一致是理想的，或者根據(jù)公式 （式3.7） 其中表示正午十二時(shí)太陽高度，需要知道具體的實(shí)驗(yàn)時(shí)間才能確定。 表3.4 50W單晶硅太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)組件參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)及相關(guān)信息 工作電壓 17.6V 工作電流 2.8A 開路電壓 21.6V 短路電壓 3.34V 外形尺寸 650*540*30mm 圖3.5 太陽能電池板 3.5系統(tǒng)組裝 經(jīng)過數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，可以得出實(shí)驗(yàn)需要的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組件的具體參數(shù)，再經(jīng)過參數(shù)可以選定符合系統(tǒng)要求的實(shí)物器件。將各種器件按照搭配循序組合起來便成了我們實(shí)驗(yàn)所需的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。 圖3.6 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖3.7 光伏發(fā)電與汽車的結(jié)合 3.6太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。 （1）光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣.太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。 （2）光—電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的太陽能光伏發(fā)電方式有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。 本文研究的是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。 3.7太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求 采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器(電源)四部分組成（并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池），而逆變電源是關(guān)鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源要求較高： （1） 要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變電源的效率。 （2） 要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱，過載保護(hù)等。 （3） 要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在１０Ｖ～１６Ｖ之間變化，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。 （4） 在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免鐸公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。 第四章 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 針對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可知，整個(gè)系統(tǒng)中尋在的可監(jiān)測(cè)量只有電流和電壓信號(hào)（其中太陽能電池發(fā)電電流為直流電，經(jīng)過了逆變器的電流為交流電）。另外考慮到系統(tǒng)外的影響因素主要為溫度、太陽輻射量等。 因此此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)理念為監(jiān)測(cè)全電路電流電壓的變化，監(jiān)測(cè)影響系統(tǒng)的環(huán)境因素的變化。在實(shí)驗(yàn)時(shí)看理論計(jì)算值是否能帶起實(shí)際設(shè)備。如果實(shí)驗(yàn)成功的話看是否還有改進(jìn)的空間，如果不成功的話從各監(jiān)測(cè)電路看問題具體出現(xiàn)在哪里。 考慮到系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性和方便性，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要采用電流變送器、電壓變送器、數(shù)據(jù)采集卡等。 由于蓄電池組是采用的兩個(gè)12V串聯(lián)成的24V電源，故其他元器件因以此為標(biāo)準(zhǔn)來選擇。輸出信號(hào)統(tǒng)一采取0-5V的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，但是直流電流因其充放電過程具有正負(fù)性，所以采用-5-5V的輸出信號(hào)。 4.1電壓變送器 4.1.1工作原理 電壓變送器是一種將被測(cè)交流電壓、直流電壓、脈沖電壓轉(zhuǎn)換成接線性比例輸出直流電壓或直流電流并隔離輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的裝置。采用普遍傳感器電壓電流信號(hào)，輸入電壓信號(hào)：0~5V/0~10V/1~5V 3、輸出電流信號(hào)：0~10mA、0~20mA、4~20mA 4、輸出電壓信號(hào)：0~5VDC、0~10VDC、1~5VDC 。分直流電壓變送器和交流電壓變送器，能將被測(cè)交流電流（交流電壓）轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流的儀器，廣泛應(yīng)用于電力、郵電、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門的電氣裝置、自動(dòng)控制以及調(diào)度系統(tǒng)。 4.1.2性能優(yōu)點(diǎn) （1）不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，傳輸線可用非常便宜的更細(xì)的雙絞線導(dǎo)線； （2） 在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能抵抗降低干擾； （3） 電容性干擾會(huì)導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對(duì)于4～20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω(取樣Uout=1～5V)這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長(zhǎng)度比電壓遙測(cè)系統(tǒng)更長(zhǎng)更遠(yuǎn)； （4） 各個(gè)單臺(tái)示讀裝置或記錄裝置可以在電線長(zhǎng)度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長(zhǎng)度的不等造成精度的差異； （5） 將4mA用于零電平，使判斷開路或傳感器損壞(0mA狀態(tài))十分方便； （6） 在兩線輸出口容易增設(shè)防浪涌和防雷器件，有利于安全防雷防爆。 4.1.3電壓變送器的選擇 （1） 直流電壓變送器 根據(jù)要求選用上海鴻引JD194-BS4I型交流電壓變送器。 被測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成隔離的直流電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系；變送輸出信號(hào)有0-5V；輔助電源為DC24V；可選RS485通信接口；釆用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議，提供上位機(jī)軟件；可選顯示模塊，用于測(cè)顯參數(shù)的顯示；變送器釆用標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌安裝方式。 （2） 交流電壓變送器 根據(jù)要求選用上海鴻引JD194-BS4U型交流電壓變送器。 被測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成隔離的直流電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系；變送輸出信號(hào)有0-5V；輔助電源為DC24V；可選RS485通信接口；釆用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議，提供上位機(jī)軟件；可選顯示模塊，用于測(cè)顯參數(shù)的顯示；變送器釆用標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌安裝方式。 圖4.1 電壓變送器 4.2電流變送器 4.2.1工作原理 電流變送器可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4～20mA（通過250Ω 電阻轉(zhuǎn)換DC 1～5V或通過500Ω電阻 轉(zhuǎn)換DC2～10V）恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置（計(jì)算機(jī)或顯示儀表）。 電流變送器原副邊高度絕緣隔離，兩線制輸出接線，輔助工作電源＋24V與輸出信號(hào)線DC4～20mA共用，具有精度高，體積小、功耗小、頻響寬、抗干擾、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)4種補(bǔ)償措施和6大全面保護(hù)功能，兩線端口防感應(yīng)雷能力強(qiáng)，具有雷擊波和突波的保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)。特別適用發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、智能低壓配電柜、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、路燈等負(fù)載電流的智能監(jiān)控系統(tǒng)； 電流變送器超低功耗，單只靜態(tài)時(shí)0.096W，滿量程功耗為0.48W，輸出電流內(nèi)部限制功耗為0.6W。 4.2.2性能優(yōu)點(diǎn) （1）不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，傳輸線可用非常便宜的更細(xì)的雙絞線導(dǎo)線； （2）在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能抵抗降低干擾； （3） 電容性干擾會(huì)導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對(duì)于4～20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω(取樣Uout=1～5V)這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長(zhǎng)度比電壓遙測(cè)系統(tǒng)更長(zhǎng)更遠(yuǎn)； （4） 各個(gè)單臺(tái)示讀裝置或記錄裝置可以在電線長(zhǎng)度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長(zhǎng)度的不等造成精度的差異； （5） 將4mA用于零電平，使判斷開路或傳感器損壞(0mA狀態(tài))十分方便； （6） 在兩線輸出口容易增設(shè)防浪涌和防雷器件，有利于安全防雷防爆。 4.2.3電流變送器選擇 （1） 直流電流變送器 根據(jù)要求選用上海鴻引HY194-BS5U型直流電流變送器。 被測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成隔離的直流電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系；變送輸出信號(hào)有-5-5V；輔助電源為DC24V；可選RS485通信接口；釆用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議，提供上位機(jī)軟件；可選顯示模塊，用于測(cè)顯參數(shù)的顯示；變送器釆用標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌安裝方式。 （2） 交流電流變送器 根據(jù)要求選用上海鴻引HY194-BS4I型交流電流變送器。 被測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成隔離的直流電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系；變送輸出信號(hào)有0-5V；輔助電源為DC24V；可選RS485通信接口；釆用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議，提供上位機(jī)軟件；可選顯示模塊，用于測(cè)顯參數(shù)的顯示；變送器釆用標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌安裝方式。 圖4.2 電流變送器 4.3數(shù)據(jù)采集卡 4.3.1工作原理 數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。 4.3.2技術(shù)參數(shù) （1） 通道數(shù)：就是板卡可以采集幾路的信號(hào)，分為單端和差分。常用的有單端32路/差分16路、單端16/差分8路； （2） 采樣頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)需要T = 10uS，則其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。它用赫茲（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等； （3） 緩存的區(qū)別及它的作用：主要用來存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。有緩存可以設(shè)置采樣頻率，沒有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集卡上，主要用來存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。做數(shù)據(jù)緩沖，存儲(chǔ)量不大，速度快,RAM是隨機(jī)存取內(nèi)存的簡(jiǎn)稱。一般用于高速采集卡，存儲(chǔ)量大，速度較慢； （4） 分辨率：采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等，（12位分辨率，電壓5000mV）12位所能表示的數(shù)據(jù)量為4096（2的12次方），即±5000 mV電壓量程內(nèi)可以表示4096個(gè)電壓值，單位增量為（5000 mV）/ 4096=1.22 mV； （5） 精度：測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差，標(biāo)稱數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量準(zhǔn)確程度，一般用滿量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常見的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為0~10V，其精度為0.1%FSR，則代表測(cè)量所得到的數(shù)值和真實(shí)值之間的差距在10mv以內(nèi)； （6） 量程：輸入信號(hào)的幅度，常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ，要求輸入信號(hào)在量程內(nèi)進(jìn)行； （7） 增益：輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益，通過數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大。由兩種型號(hào)PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片； （8） 觸發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，指定啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換方式。 4.3.3數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析,處理。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，因?yàn)椴杉ǖ男盘?hào)輸入范圍為0-5V，所以通過電壓變送器和電流變送器，把發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電壓和發(fā)電電流都轉(zhuǎn)換為0-5V的電壓信號(hào)。將轉(zhuǎn)換好的0-5V信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集卡，然后采集數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行分析處理。根據(jù)要求，選取數(shù)據(jù)采集卡的信息如下： 表4.1 MPS-010601型數(shù)據(jù)采集卡參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)及相關(guān)信息 產(chǎn)品型號(hào) MPS-010601 生產(chǎn)廠家 莫非電子 模擬輸入通道 2路差分（同步）、4路差分（多路掃描）、8路差分（多路掃描） 輸入端口耐壓 ±5V 模擬輸入量程 ±7.5V 模擬輸入阻抗 30k 分辨率 12Bit 最大總誤差 <0.5% 可編程增益 1、2、4、8、16 模擬輸出通道 4路單端（同步