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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 進(jìn)入二十一世紀(jì)，人類面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，而能源問(wèn)題日益嚴(yán)重。太陽(yáng)能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)解決能源問(wèn)題起到非常積極的作用，近年來(lái)發(fā)展迅速。 本設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對(duì)光伏發(fā)電裝置中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進(jìn)行了細(xì)致科學(xué)的設(shè)計(jì)，此外，論文內(nèi)容對(duì)CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DCDC及DCAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、指示電路部分的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。并針對(duì)目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)充電控制器對(duì)蓄電池的充放電控制不合理，同時(shí)保護(hù)也不夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電控制器的方案。逆變環(huán)節(jié)采用SPWM調(diào)制方式，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中，采用瞬時(shí)電壓反饋，增加了電路保護(hù)等功能，論文闡述了軟件設(shè)計(jì)總體思想構(gòu)架，給出了程序代碼和系統(tǒng)各部分控制流程圖。最后,經(jīng)過(guò)仿真軟件進(jìn)行整體系統(tǒng)仿真，基本達(dá)到性能要求，具有實(shí)際應(yīng)用意義。 本設(shè)計(jì)著重在太陽(yáng)能對(duì)蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實(shí)際應(yīng)用方面做了一定分析，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的高效率管理，具有創(chuàng)新意義。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；蓄電池；控制；逆變器； 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； 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 太陽(yáng)能的應(yīng)用及特點(diǎn) 1 1.2 研究背景及意義 2 1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 4 1.3.1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 6 第2章 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 8 2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 8 2.2 太陽(yáng)能電池板 9 2.3 功率變換器 10 2.3.1 變換器的種類 10 2.3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)中變換器及其作用 10 2.4 儲(chǔ)能元件單元 11 2.4.1 儲(chǔ)能元件的分類 11 2.4.2 儲(chǔ)能元件的作用 12 第3章 電池板及蓄電池的參數(shù)計(jì)算與選擇 14 3.1 太陽(yáng)能電池板參數(shù)計(jì)算及選擇 14 3.2 蓄電池參數(shù)計(jì)算及選擇 16 3.2.1 鉛酸蓄電池的充電特性 16 3.2.2 鉛酸蓄電池的放電特性 18 3.2.3 鉛酸蓄電池充電方式 19 第4章 蓄電池充電控制器的設(shè)計(jì) 23 4.1 系統(tǒng)層次原理圖 23 4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 24 4.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 26 4.2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 27 4.2.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 27 4.2.4 CPU最小系統(tǒng)圖 28 4.3 充放電電路 28 4.4 光耦驅(qū)動(dòng)電路 29 4.5 AC/DC轉(zhuǎn)換電路 30 4.5.1 ADC0804的簡(jiǎn)介 30 4.6 LCD顯示電路 33 4.7 串口通信電路 34 4.8 太陽(yáng)能充電控制器的軟件設(shè)計(jì) 36 第5章 變換器主電路設(shè)計(jì) 37 5.1 幾種變換器的特點(diǎn) 37 5.2 MPPT 控制電路 39 5.3 升壓變換器 40 5.3.1 DC/DC升壓變換器的選擇 40 5.3.2 推挽電路的基本原理 41 5.4 逆變電路 41 5.4.1 逆變器的選擇 41 5.4.2 全橋逆變模塊 42 5.4.3 全橋逆變器控制技術(shù) 42 5.5 控制芯片 43 5.5.1 PIC16F73供電電源 43 5.5.2 時(shí)序和死區(qū)電路 44 5.5.3 光耦隔離電路 44 5.5.4 電壓反饋檢測(cè)電路 45 5.6 PWM控制電路系統(tǒng)圖 46 參考文獻(xiàn) 47 致 謝 48 附 錄 49 63 第1章 緒 論 1.1 太陽(yáng)能的應(yīng)用及特點(diǎn) 世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，與化石能源息息相關(guān)，能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能量遵循守衡定律，它不會(huì)產(chǎn)生也不會(huì)消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的21世紀(jì)，能源卻在迅速枯竭。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)化石能源需求量的日益增加與其儲(chǔ)存的逐漸減少所引起的結(jié)構(gòu)性矛盾日益成為能源安全所面臨的最大難題。根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)家和科學(xué)家們對(duì)形勢(shì)的估計(jì)，全球石油儲(chǔ)量約有一千億噸到一千五百億噸，以1995年的年開采量33.2億噸估算，石油將在21世紀(jì)中葉全部用完。天然氣儲(chǔ)備大約在十三萬(wàn)至十五萬(wàn)兆立方米范圍內(nèi)。如果假設(shè)年開采量恒定在2300Mcm3，也將在六十年左右內(nèi)全部用完。煤炭是傳統(tǒng)化石能源里存儲(chǔ)量較多的，全球總共約有5600億噸。若煤炭的年開采量，按照 1995年統(tǒng)計(jì)的33億噸計(jì)算，大約可以還維持169年。如果那個(gè)時(shí)候新的能源體系尚未建立，能源危機(jī)將席卷全球，而且越是依賴于化石資源的國(guó)家，受害就越嚴(yán)重。能源的供應(yīng)不足，必然引起經(jīng)濟(jì)上的大幅衰退和各國(guó)之間的沖突。近10年來(lái)，因?yàn)榛茉炊l繁引發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)就是證明，每一次戰(zhàn)爭(zhēng)都牽扯到能源的重新分配。如果不從根本解決能源問(wèn)題，這種全球性質(zhì)的戰(zhàn)略沖突，今后還會(huì)發(fā)生?？偠灾茉次C(jī)一觸即發(fā)。 我國(guó)技術(shù)可開發(fā)能源蘊(yùn)藏量見(jiàn)表1.1。由表1.1可以看出，即使將太陽(yáng)能以外的所有可再生能源加在一起，也不能滿足我國(guó)未來(lái)對(duì)太陽(yáng)能的需求。太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源即將代替常規(guī)能源，成為拯救經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“救星”。 表1.1 我國(guó)可開發(fā)資源蘊(yùn)藏量 技術(shù)可開發(fā)資源種類 蘊(yùn)藏量 生物質(zhì)能（年產(chǎn)量） 10.0億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 水能 5.4億千瓦 風(fēng)能 陸上和近海總計(jì)7~12億千瓦 太陽(yáng)能 960萬(wàn)平方公里接收太陽(yáng)能輻射能17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 目前我國(guó)正在工業(yè)化和城市化的加速階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的一系列的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，正嚴(yán)重威脅著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，資源有效利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境污染與國(guó)民生活質(zhì)量之間的協(xié)調(diào)發(fā)展是我國(guó)現(xiàn)階段需要合理處理的事情。這些都在提醒著我國(guó)政府，加大改革力度，在合理利用已有資源的基礎(chǔ)上，“政府支持”盡快開發(fā)新能源，實(shí)現(xiàn)“綠色循環(huán)體系”。 太陽(yáng)能具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)： 能源清潔：不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，不會(huì)像燃燒化石能源那樣，向大氣排放量廢氣和顆粒物，造成霧霾天氣和燃料廢渣的大量堆積，影響環(huán)境質(zhì)量； 能量“之不竭”：太陽(yáng)光是個(gè)源源不斷的可再生能量，在人類出現(xiàn)之前就在發(fā)光發(fā)熱，給地球帶來(lái)光明，據(jù)科學(xué)家的推斷，太陽(yáng)至少還有四十多億年的壽命； 能源“隨處可得”：基本上不受地域限制，有光照的地方就有太陽(yáng)能；可就近供電,不必長(zhǎng)距離輸送, 避免了輸電線路上的電能損失,而且能提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性和可靠性； 發(fā)展前景好：隨著能源危機(jī)的越演愈烈，世界各國(guó)都在著力開發(fā)新能源，隨著研究的深入和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光伏發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率會(huì)越來(lái)越高，而且太陽(yáng)能的開發(fā)和利用只需要裝置和技術(shù)的支持，不需要能源成本，因此具有很好的經(jīng)濟(jì)性。 這些優(yōu)勢(shì)使得光伏產(chǎn)業(yè)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但是能量密度低，容易受氣象條件影響的缺點(diǎn)使得太陽(yáng)能的綜合利用受到一定程度的限制。為了更好的利用太陽(yáng)能，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究具有深遠(yuǎn)的意義。 1.2 研究背景及意義 電能是社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要保障，它和高科技的緊密結(jié)合創(chuàng)造了豐富多彩的人類生活，同時(shí)電能的廣泛應(yīng)用也導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的電力供應(yīng)不足現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。從世界范圍內(nèi)來(lái)看，火力發(fā)電是目前發(fā)電的最主要形式，但是由于石油、天然氣、煤炭等化石燃料的大量燃燒，不僅帶來(lái)了能源枯竭問(wèn)題，也使環(huán)境污染，尤其是大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。從2013年年初開始，PM2.5這個(gè)詞匯不斷被人們所關(guān)注，惡劣的霧霾天氣已經(jīng)影響到我國(guó)的絕大多數(shù)城市，而且在2014年又有加重的趨勢(shì)。為了緩解經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源短缺以及環(huán)境污染之間的矛盾，我國(guó)政府相關(guān)部門出臺(tái)了很多政策，比如提高能源利用率、搬遷高污染行業(yè)、完善各區(qū)域間大氣污染聯(lián)控機(jī)制等。但是從實(shí)施效果上來(lái)看，這些措施都是治標(biāo)不治本，只有轉(zhuǎn)變目前能源的使用方式，大力發(fā)展和普及太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源，徹底改變以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，才能從根源上緩解能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，進(jìn)而消除電力供應(yīng)不足和大氣霧霾等現(xiàn)象。 此外，一些技術(shù)落后的電廠設(shè)備和年代陳舊的輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足目前持續(xù)增加的電能需求，供電過(guò)程中的安全性和供電質(zhì)量也達(dá)不到較高的水準(zhǔn)。在這種情況下如果以新能源的開發(fā)利用為切入點(diǎn)來(lái)改變傳統(tǒng)的用電模式不失為一種很好的選擇。在目前被人類成功利用的新能源家族中，分布最廣且資源最豐富的是太陽(yáng)能，大力推廣以光伏發(fā)電為主的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是符合可持續(xù)發(fā)展方針的重要舉措。 從1954年美國(guó)科學(xué)家在貝爾實(shí)驗(yàn)室中首次成功研發(fā)單晶硅片光伏電池，到后來(lái)光伏電池在航天工程中的大范圍使用，再到今天的光伏一體化建筑(BIPV)，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)走過(guò)了六十多年的歷程。光伏發(fā)電憑借其無(wú)污染、安全隱患小、使用時(shí)間長(zhǎng)和運(yùn)行維護(hù)量少等許多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新時(shí)代中最具發(fā)展?jié)撃艿陌l(fā)電模式。最近二十年是世界光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展期，在美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家推出一系列光伏推廣計(jì)劃后，光伏產(chǎn)業(yè)一直保持著年均 30%以上的增長(zhǎng)速度，據(jù)歐洲光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（EPIA）最新公布的全球光伏發(fā)電系統(tǒng)情況報(bào)告顯示，截止2013 年底的全球累計(jì)光伏裝機(jī)容量已達(dá)136.7GW。據(jù)歐委會(huì)聯(lián)合研究中心(JRC)預(yù)測(cè)，光伏發(fā)電量所占世界總發(fā)電量的比例到2030年可達(dá)10%以上，到2100年可占 68%的份額，從而使能源構(gòu)成比例產(chǎn)生顛覆性的變化。 光伏裝機(jī)容量的迅猛發(fā)展離不開光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在國(guó)際上對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的研究側(cè)重于高效穩(wěn)定且成本低廉的光伏直流變換器、光伏并網(wǎng)逆變器以及分布式光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)等方面。依托于光伏屋頂計(jì)劃和國(guó)家法規(guī)的支持，許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相繼成功研發(fā)了針對(duì)不同場(chǎng)合的光伏發(fā)電裝置。與世界光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展相比，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)才起步不久，而且相關(guān)政策的不健全使得我國(guó)的光伏發(fā)電工程存在應(yīng)用面窄、技術(shù)不規(guī)范和閑置率高等問(wèn)題。另外，我國(guó)的光伏板制造產(chǎn)業(yè)從2012年開始進(jìn)入冬天，歐美對(duì)我國(guó)光伏廠商制定的雙反政策使得國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大部分光伏電池都無(wú)法出口，而此時(shí)國(guó)內(nèi)滯后的光伏發(fā)電市場(chǎng)又不能消化如此高的產(chǎn)能。因此，為了促進(jìn)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)一方面要完善光伏發(fā)電政策來(lái)擴(kuò)大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，另一方面要大力推進(jìn)光伏應(yīng)用技術(shù)研發(fā)來(lái)保證光伏發(fā)電項(xiàng)目的順利開展。 目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種形式。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看光伏并網(wǎng)發(fā)電形式是光伏發(fā)電應(yīng)用的趨勢(shì)，但是目前光伏并網(wǎng)發(fā)電成本過(guò)高，而且電網(wǎng)對(duì)光伏電能的收購(gòu)政策還不完善，使得并網(wǎng)發(fā)電無(wú)法大規(guī)模推廣。相比之下，離網(wǎng)發(fā)電形式因具有安裝方便、不受電網(wǎng)政策限制、成本相對(duì)較低等特點(diǎn)而同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)家庭用戶和遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無(wú)電區(qū)以及一些特殊場(chǎng)所有極其特殊的意義，本文將要研究的離網(wǎng)型光伏發(fā)電裝置首先可以為不在電網(wǎng)供電范圍內(nèi)的居民解決用電問(wèn)題，從而改善他們的生活條件、提高生活品質(zhì)。其次，有電網(wǎng)覆蓋的區(qū)域也可以采用此系統(tǒng)來(lái)緩解用電高峰時(shí)的電網(wǎng)壓力，做到綠色能源的良好利用。在產(chǎn)品創(chuàng)新方面，本論文將蓄電池充電技術(shù)與正弦波逆變功能相結(jié)合，并引入能量管理策略設(shè)計(jì)了離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品較少，有一定的市場(chǎng)潛力。 1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 20世紀(jì)90年代以來(lái)是我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電快速發(fā)展的時(shí)期，在這一時(shí)期我國(guó)光伏組件生產(chǎn)能力逐年增強(qiáng)，成本不斷降低，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加，2004年累計(jì)容量達(dá)35MW，約占世界份額的3%。10多年來(lái)，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期平均維持了全球市場(chǎng)1%左右的份額。到2020年前，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到不斷的完善和發(fā)展，成本將不斷下降，太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)發(fā)生巨大的變化:2005-2010年，我國(guó)的太陽(yáng)能電池主要用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2010年將約為1.20元/(kWh)；2010-2020年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)由獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2020年將約為0.60元/(kwh)。到2020年，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列。 目前太陽(yáng)能利用的方式有:太陽(yáng)能光伏發(fā)電，太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能動(dòng)力利用，太陽(yáng)能光化利用，太陽(yáng)能生物利用和太陽(yáng)能光-光利用。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來(lái)在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)前具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國(guó)家均投入巨資競(jìng)相研究開發(fā)，并產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓太陽(yáng)能光伏發(fā)電的市場(chǎng)應(yīng)用。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)太陽(yáng)能電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，將太陽(yáng)能電池單元進(jìn)行串并聯(lián)可以做成太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽(yáng)能電池組件可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，可以將太陽(yáng)能電池組件進(jìn)行進(jìn)一步的串并聯(lián)，構(gòu)成太陽(yáng)能電池方陣，以滿足負(fù)載所需要的功率輸出。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電之所以發(fā)展如此迅速，是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn) (l)取之不盡，用之不竭。地球表面所接受的太陽(yáng)能約為1.071014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以說(shuō)是一種無(wú)限的資源。 (2)無(wú)污染。光伏發(fā)電本身不消耗工質(zhì)，不向外界排放廢物，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪聲，是一種理想的清潔能源。 (3)資源分布廣泛。不同于水電受水力資源限制，火電受到煤炭資源及運(yùn)輸成本等影響，光伏發(fā)電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得到太陽(yáng)能的地方都可以利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電。 (4)建設(shè)周期短，建造靈活方便，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照需要將光伏組件靈活地串并聯(lián)，達(dá)到所需功率，所以其建設(shè)周期短，擴(kuò)容方便;安裝于房頂，沙漠，還可與建筑相結(jié)合，從而節(jié)約占地面積，節(jié)省安裝成本;太陽(yáng)能光伏發(fā)電所消耗的太陽(yáng)能無(wú)需付費(fèi)，一年中往往只需在遇到連續(xù)陰雨天最長(zhǎng)的季節(jié)前后去檢查太陽(yáng)能電池組件表面是否被污染，接線是否可靠以及蓄電池電壓是否正常等，因而太陽(yáng)能光伏發(fā)電的運(yùn)行費(fèi)用很低。 (5)光伏建筑集成。光伏產(chǎn)品與建筑材料集成是目前國(guó)際上研究及發(fā)展的前沿，這種產(chǎn)品不僅美觀大方，還節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積和費(fèi)用。 (6)分布式。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點(diǎn)將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)連接可分為獨(dú)立離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中的能量能進(jìn)行雙向傳輸。在有太陽(yáng)能輻射時(shí)，由太陽(yáng)能電池陣列向負(fù)載提供能量;當(dāng)無(wú)太陽(yáng)能輻射或太陽(yáng)能電池陣列提供的能量不夠時(shí)，由蓄電池向系統(tǒng)負(fù)載提供能量。該系統(tǒng)可為交流負(fù)載提供能量，也可為直流負(fù)載提供能量，當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列能量過(guò)剩時(shí)，可以將過(guò)剩能量存儲(chǔ)起來(lái)或把過(guò)剩能量送入電網(wǎng)。該系統(tǒng)功能全面，但是系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，成本高，僅在大型的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中才使用這種結(jié)構(gòu)，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系統(tǒng)僅具有該系統(tǒng)的部分功能。 雖然我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)多年來(lái)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但不可否認(rèn)的是，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)也存在不容忽視的技術(shù)不高、環(huán)境較惡劣和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)和難題；近期在國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)額應(yīng)用方面也面臨成本高、上網(wǎng)難、缺乏經(jīng)驗(yàn)等障礙。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的缺點(diǎn)如下： 1、國(guó)內(nèi)光伏技術(shù)總體的技術(shù)水平不高、內(nèi)在競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。由于我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史短，主要方向放在生產(chǎn)組件方面而基礎(chǔ)研究工作薄弱，導(dǎo)致目前我國(guó)光伏技術(shù)總體水平仍然不高，太陽(yáng)能電池及其組件的效率和質(zhì)量水平仍然普遍落后于世界先進(jìn)水平，在新型高效的太陽(yáng)能電池和高純硅生產(chǎn)技術(shù)的研究開發(fā)方面也落后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，許多裝備主要依賴國(guó)外引進(jìn)。目前我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)仍主要依靠市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)而非技術(shù)驅(qū)動(dòng)，缺乏強(qiáng)大的內(nèi)在競(jìng)爭(zhēng)力。 2、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展不平衡，不利于產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和節(jié)能減排。在過(guò)去的幾年內(nèi)，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)界慧眼如炬，抓住了歐美國(guó)家光伏市場(chǎng)快速增長(zhǎng)這一機(jī)遇，利用了國(guó)內(nèi)資源和人力成本較低的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了迅速起步與不斷的發(fā)展壯大。但由于近年來(lái)全球光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能過(guò)快擴(kuò)張及金融危機(jī)的負(fù)面影響，未來(lái)兩年內(nèi)世界光伏組件和高純硅材料市場(chǎng)勢(shì)必供過(guò)于求，這將使得光伏產(chǎn)業(yè)面臨大規(guī)模洗牌的局面。所以我國(guó)光伏企業(yè)近期來(lái)已普遍停止擴(kuò)產(chǎn)、削減產(chǎn)量。在這個(gè)洗牌過(guò)程中，利潤(rùn)率最高的環(huán)節(jié)也將逐漸轉(zhuǎn)向下游的光伏發(fā)電運(yùn)營(yíng)業(yè)，使得出售光伏電力比出售光伏組件和系統(tǒng)具有更長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定的回報(bào)，這也是傳統(tǒng)光伏產(chǎn)業(yè)界和光伏設(shè)備制造業(yè)日益重視、極力呼吁啟動(dòng)國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)的根本原因。目前這種產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)格局意味著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)面臨著日益突出的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。而廣受爭(zhēng)論的光伏產(chǎn)業(yè)的高能耗問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)問(wèn)題也在于產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展不平衡，即取決于國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)和國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的選擇。 3、光伏產(chǎn)業(yè)在近期仍缺乏足夠經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。有賴于政府政策扶持最近數(shù)十年全球光伏市場(chǎng)的重心隨著各國(guó)光伏市場(chǎng)政策的變化而先后從美國(guó)(1996年以前)轉(zhuǎn)移到日本(1996—2002年)和歐盟(2002年以來(lái))，即充分反映了全球光伏市場(chǎng)的需求主要是由扶持政策推動(dòng)的。目前我國(guó)還未制定比較系統(tǒng)完善的光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，電價(jià)有待于加快制定必要適度的財(cái)政補(bǔ)貼和優(yōu)惠上網(wǎng)電價(jià)扶持政策。 當(dāng)今世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電十分重視，針對(duì)其制定規(guī)劃，增加投入，大力發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來(lái)，即使是在世界經(jīng)濟(jì)從總體上處于衰退和低谷的時(shí)期，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也一直以10%-15%的遞增速度在發(fā)展。90年代后期，發(fā)展更為迅速，成為全球增長(zhǎng)速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 1.4 本文研究?jī)?nèi)容 本文主要對(duì)光伏發(fā)電裝置中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進(jìn)行了細(xì)致科學(xué)的設(shè)計(jì)，此外，論文內(nèi)容對(duì)CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DCDC及DCAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、指示電路部分的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。具體內(nèi)容如下： 1) 控制器總體方案：利用結(jié)構(gòu)框圖說(shuō)明系統(tǒng)組成 2) 太陽(yáng)能電池板充電接口設(shè)計(jì) 3) DCDC及DCAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：逆變功率達(dá)到2kW。 4) 蓄電池充放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)：防止蓄電池過(guò)充、過(guò)放影響其使用壽命。 5) CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用單片機(jī)、或嵌入式控制器進(jìn)行充放電管理。 6) 指示電路：利用液晶屏和少量發(fā)光二極管指示蓄電池充、放電的電流電壓狀態(tài)。 7) 軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)各部分控制流程圖和具體程序的編寫。 第2章 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 2.1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為滿足符合能量的需求,在系統(tǒng)設(shè)置地點(diǎn)的日照條件和環(huán)境溫度等情況下，優(yōu)選出合適的太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池容量，并使系統(tǒng)中所有設(shè)備相互匹配，保證系統(tǒng)的合理性和適用性。一個(gè)完善的太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)需要考慮多種因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，如電氣性能設(shè)計(jì)、熱力設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，對(duì)地面應(yīng)用的獨(dú)立電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最主要的是根據(jù)使用要求，決定太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池規(guī)模，以滿足正常工作的需求。 太陽(yáng)能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括： （1）太陽(yáng)能控制器(光伏控制器和風(fēng)光互補(bǔ)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(yáng)能控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，太陽(yáng)能控制器要控制蓄電池不被過(guò)放電，保護(hù)蓄電池?？刂破鞯男阅懿缓脮r(shí)，對(duì)蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統(tǒng)的可靠性。 （2）太陽(yáng)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(yáng)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。太陽(yáng)能逆變器是光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。由于使用地區(qū)相對(duì)落后、偏僻，維護(hù)困難，為了提高光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發(fā)電成本較高，太陽(yáng)能逆變器的高效運(yùn)行也顯得非常重要。 太陽(yáng)能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要產(chǎn)品分類 A、光伏組件 B、風(fēng)機(jī) C、控制器 D、蓄電池組 E、逆變器 F、光伏發(fā)電控制與逆變器一體化電源。 離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能應(yīng)用方式，一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池陣列、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。太陽(yáng)能電池陣列是整個(gè)系統(tǒng)能源的來(lái)源，它把照射到其表面的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能;控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運(yùn)行；蓄電池的功能在于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池陣列受光照時(shí)所發(fā)出的電能并在無(wú)光照時(shí)向負(fù)載供電;逆變器是將直流電變換為交流電的設(shè)備，由于太陽(yáng)能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當(dāng)系統(tǒng)向交流負(fù)載供電時(shí)，逆變器是不可缺少的。常用的太陽(yáng)能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.1所示。 圖2.1 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖 太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則是在保證滿足負(fù)載用電量需要的前提下，確定最少的太陽(yáng)能電池組件和蓄電池容量。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，合理確定太陽(yáng)能電池組件數(shù)量和蓄電池容量、包括安全性、可靠性等諸多方面的要求。 系統(tǒng)配置的設(shè)計(jì)主要考慮兩種因素： （1）根據(jù)負(fù)荷需求，環(huán)境參數(shù)和太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)部件的電氣參數(shù)，選擇不同的系統(tǒng)部件。 （2）需要確定的數(shù)據(jù)主要包括：安裝地點(diǎn)的日照輻射、太陽(yáng)能電池方陣傾斜面的日照輻射、環(huán)境溫度參數(shù)。系統(tǒng)電壓、負(fù)荷能量需求，最大和平均的放電電流?？刂破?、逆變器調(diào)節(jié)特性與參數(shù)，太陽(yáng)能電池組件和蓄電池的特征參數(shù)和系統(tǒng)供電可靠性和供電電源可用率。 2.1.1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式介紹及選擇 目前離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用區(qū)域主要分布在偏遠(yuǎn)的山區(qū)和農(nóng)牧區(qū)以及一些特殊場(chǎng)合。應(yīng)用形式有戶用式光伏供電系統(tǒng)、太陽(yáng)能照明、光伏通信電源等。由于我國(guó)有很多的海島和偏遠(yuǎn)村落，因此離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，其靈活的發(fā)電方式正為改善偏遠(yuǎn)地區(qū)人民的生活質(zhì)量發(fā)揮著積極有效的作用。 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)存在多種系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和控制方式。市面上最早出現(xiàn)的 一種應(yīng)用形式是先把光伏電池正負(fù)端子直接與蓄電池正負(fù)端子相連，再將蓄電池 與負(fù)載相連，如圖2.2 所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、易于搭建。它的缺點(diǎn)很多：負(fù)載只能是一種電壓等級(jí)的直流負(fù)載，且要根據(jù)負(fù)載電壓等級(jí)選擇蓄電池的串聯(lián)個(gè)數(shù)；光伏電池不能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，同時(shí)還要嚴(yán)格匹配蓄電池的充電電壓，使用場(chǎng)合有限。 圖2.2 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式一 為了最大化利用光伏電池發(fā)電能力，需要在光伏電池和蓄電池之間加入一個(gè)DC/DC變換器，并且利用最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT）來(lái)進(jìn)行控制，于是出現(xiàn)了離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的第二種應(yīng)用形式，如圖2.3 所示。這種結(jié)構(gòu)中DC/DC變換器既可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電保護(hù)功能，又可以使光伏陣列所發(fā)電能最大化地被蓄電池利用。但是，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也只適用于直流負(fù)載，使用場(chǎng)合依然有限。 圖2.3 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式二 為了克服以上兩種形式的不足，使離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于更多的場(chǎng)合，國(guó)內(nèi)的研究中出現(xiàn)了圖2.4中的形式，稱為直流母線式離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。 圖2.4 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式三 在圖2.4 中，光伏電池通過(guò)DC/DC變換器向直流母線提供電能，并且采用MPPT技術(shù)進(jìn)行控制；蓄電池通過(guò)一個(gè)雙向DC/DC變換器與直流母線相連，可以根據(jù)系統(tǒng)的不同狀態(tài)確定其充放電形式。由于系統(tǒng)中加入了DC/AC變換器，所以此種形式既可用于直流負(fù)載又可用于交流負(fù)載。本文設(shè)計(jì)的離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)就是基于這種形式。 第3章 電池板及蓄電池的參數(shù)計(jì)算與選擇 3.1 太陽(yáng)能電池板參數(shù)計(jì)算及選擇 太陽(yáng)能電池技術(shù)是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的主要組成部分。太陽(yáng)能電池主要有以下幾種類型：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。 晶硅類電池分為單晶硅電池組件和多晶硅電池組件，兩種組件最大的差別是單晶硅組件的光電轉(zhuǎn)化效率略高于多晶硅組件，也就是相同功率的電池組件，單晶硅組件的面積小于多晶硅組件的面積。單晶硅、多晶硅太陽(yáng)能電池具有制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高的特點(diǎn)。 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有弱光效應(yīng)好，成本相對(duì)于硅太陽(yáng)能電池較低的優(yōu)點(diǎn)。而碲化鎘、銅銦硒電池則由于原材料劇毒或原材料稀缺性，其規(guī)?；a(chǎn)受到限制。 目前，薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6％～8％，近兩年內(nèi)可達(dá)到10％～12％，五年內(nèi)有望達(dá)到18%，其功率衰退問(wèn)題也已解決。薄膜電池對(duì)弱光的轉(zhuǎn)化率十分高，即使在5月天照樣能夠發(fā)電。其技術(shù)正在成為太陽(yáng)能電池主流技術(shù)，與晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)并駕齊驅(qū)。 3.2 太陽(yáng)能電池板性能參數(shù) 在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是太陽(yáng)能電池單體。太陽(yáng)能電池單體實(shí)際上是一個(gè)PN結(jié)，PN結(jié)在光照下會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，PN結(jié)處有一個(gè)耗盡層，耗盡層中存在著勢(shì)壘電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)PN結(jié)受到光照時(shí)，硅原子受光激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在勢(shì)壘電場(chǎng)的作用下，空穴向P區(qū)移動(dòng)，電子向N區(qū)移動(dòng)，從而P區(qū)就有過(guò)剩的空穴，N區(qū)就有過(guò)剩的電子，這樣便在PN結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電動(dòng)勢(shì)。 太陽(yáng)能電池的光伏特性曲線，即伏安特性曲線（I-V 特性曲線），是在一定光強(qiáng)、一定溫度下太陽(yáng)能電池的負(fù)載外特性，直接反映在電池輸出功率?？梢杂闷?I-V 特性及 P-V 特性表示，如圖3.1（a)、(b)所示： 圖 3.1 (a) 太陽(yáng)能光伏電池I-V特性曲線 3.1(b) 太陽(yáng)能光伏電池P-V特性曲線 太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)： （1）開路電壓Uoc，即將太陽(yáng)能電池置于100mW/cm2的光源照射下，在兩端開路時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出電壓值。 （2）短路電流Isc，就是將太陽(yáng)能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過(guò)太陽(yáng)能電池兩端的電流。 （3）最大輸出功率，即選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，用符號(hào)Pm表示。此時(shí)的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流，分別用符號(hào)Um和Im表示，。 （4）填充因子，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比： （3-1） FF是衡量太陽(yáng)能電池輸出特性的重要指標(biāo)，是代表太陽(yáng)能電池在帶最佳負(fù)載時(shí)，能輸出的最大功率的特性，其值越大表示太陽(yáng)能電池的輸出功率越大。FF的值始終小于l。 （5）轉(zhuǎn)換效率，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽(yáng)能電池的輸出功率與入射到太陽(yáng)能電池表面的能量之比： （3-2） 當(dāng)光照強(qiáng)度或溫度不同時(shí)，太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性有較大的改變，即對(duì)應(yīng)不同的光照強(qiáng)度或溫度有不同的輸出特性曲線，如圖3.2（a）、（b）和圖3.3（a）、（b）所示： 圖3.2（a）不同光照強(qiáng)度下P-V特性曲線 3.2（b）不同光照強(qiáng)度下I-V 特性曲線 從圖中可以看出隨著光照強(qiáng)度的增加太陽(yáng)能電池的短路電流增大，功率也增大。事實(shí)上，開路電壓Uoc隨光照強(qiáng)度的升高呈對(duì)數(shù)比例增加，短路電流Isc和輸出功率均與光照強(qiáng)度成正比。開路電壓的下降可由下面的關(guān)系式表示： （3-3） 式中，Vi表示開路電壓的下降：α是太陽(yáng)能電池的溫度系數(shù)，一般取0.003~0.005；T表示太陽(yáng)能電池的溫度；Vα表示太陽(yáng)能電池標(biāo)稱的工作電壓。 圖 3.3（a）不同溫度下I-V特性曲線 3.3（b）不同溫度下P-V 特性曲線 從圖3.3（a）、（b）中可以看出一定光照下，溫度上升會(huì)使太陽(yáng)能電池開路電壓Uoc下降，太陽(yáng)能電池的輸出功率下降。 一般的太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)商均提供上述標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的五個(gè)參數(shù)。當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出電壓比較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，太陽(yáng)能電池近似為一恒流源，當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出電壓超過(guò)一定的臨界值時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出電流急劇下降，太陽(yáng)能電池可近似為一恒壓源。太陽(yáng)能電池的輸出特性是非線性的，既非恒流源也非恒壓源(在最大功率點(diǎn)左側(cè)為近似恒流源段，在最大功率點(diǎn)右側(cè)為近似恒壓源段)，且在一定的電池溫度和日照強(qiáng)度下有唯一的最大輸出功率點(diǎn)。 3.3 太陽(yáng)能電池板計(jì)算及選型 根據(jù)太陽(yáng)能電池發(fā)電原理及其輸出特性，簡(jiǎn)單計(jì)算選擇依據(jù)： 太陽(yáng)電池組件容量計(jì)算，參考公式： （3-4） 式中：P0——太陽(yáng)電池組件的峰值功率，單位Wp； P——負(fù)載的功率，單位W； t——負(fù)載每天的用電小時(shí)數(shù)，單位H； ——為系統(tǒng)的效率（一般為0.85左右）； T——當(dāng)?shù)氐娜掌骄逯等照諘r(shí)數(shù)，單位H； Q——連續(xù)陰雨期富余系數(shù)（一般為1.2～2）。 根據(jù)公式計(jì)算： ＝(2000101.2)/(0.854)≈7059（Wp） 太陽(yáng)電池組件數(shù)量：7059/100≈70(塊) 太陽(yáng)電池組件串聯(lián)數(shù)量：10塊 太陽(yáng)電池組串?dāng)?shù)量：7串 所以本文選用70塊寧波北侖天尚太陽(yáng)能公司生產(chǎn)的100W多晶硅光伏板。此類型光伏板的壽命達(dá)25年以上，其表面層采用高透光絨面鋼化玻璃封裝，可以減少光的反射并且有很高的透光率，提高了光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。使用時(shí)采用10塊串聯(lián)模式，串聯(lián)后組件的開路電壓為220V，最大功率點(diǎn)電壓為180V。 3.4 蓄電池參數(shù)計(jì)算及選擇 蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元，其運(yùn)行特性的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，因此需要對(duì)儲(chǔ)能蓄電池的充放電特性及充電策略進(jìn)行研究。生活 中選擇蓄電池的參數(shù)時(shí)要根據(jù)所使用的場(chǎng)合來(lái)決定，應(yīng)用在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 中的蓄電池要求充電效率高、自放電率小，最常用的是免維護(hù)鉛酸蓄電池。 3.4.1 儲(chǔ)能元件種類 光生伏特效應(yīng)只能在光照的條件下才能發(fā)生，因而光伏陣列只能在日間才能發(fā)電，而獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，而且夜間是用電高峰期，因此，需先將光伏陣列在白天發(fā)出的電能存儲(chǔ)起來(lái)，在需要的時(shí)候向負(fù)載供電。蓄電池是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)供電的保障，對(duì)其性能的要求也較高，包括自放電率低、使用壽命長(zhǎng)、深放電能力強(qiáng)、充電效率高、少維護(hù)或免維護(hù)、工作溫度范圍寬、價(jià)格低廉。 當(dāng)蓄電池接入到光伏發(fā)電系統(tǒng)中后，光伏陣列輸出的直流電經(jīng)充電控制器進(jìn)入蓄電 池，而蓄電池通過(guò)放電控制器輸出直流電或經(jīng)過(guò)變換器輸出交流電，供給負(fù)載使用。常見(jiàn)蓄電池的性能參數(shù)見(jiàn)表3.1。 表3.1 常用蓄電池性能參數(shù)比較 蓄電池種類 電壓 （V） 能量密度（Wh/kg） 價(jià)格 (元/Wh) 自放電 (%/月) 能量效率 （%） 備注 鎳鎘蓄電池 1.2 50 1.4-1.8 15-30 67-75 有記憶效應(yīng)，充放電控制電路簡(jiǎn)單 鎳氫蓄電池 1.2 60 2.4-2.6 25-35 55-65 充放電控制電路簡(jiǎn)單 鋰蓄電池 3.6 100 4.0-4.5 2-5 95 嚴(yán)格防止過(guò)充電/過(guò)放電 在新能源系統(tǒng)中，用得最多的蓄電池是鉛酸電池。鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池等對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，價(jià)格太貴而且不方便。鉛酸蓄電池造價(jià)便宜、使用簡(jiǎn)單、維修方便、原材料豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。目前在大中型光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最多。 目前常用的鉛酸蓄電池主要分為三類： 1）普通蓄電池：普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是比能低、使用壽命短和日常維護(hù)頻繁。 2）干荷蓄電池：即干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點(diǎn)是負(fù)極板有較高的儲(chǔ)電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內(nèi)保存所得到的電量，使用時(shí)，只需加入電解液，20-30分鐘之后即可使用。 3）免維護(hù)蓄電池：免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小等特點(diǎn)。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。 3.4.2 儲(chǔ)能元件的作用 蓄電池在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用主要有三點(diǎn)： 1）儲(chǔ)存能量，為負(fù)載提供可持續(xù)供電電源。由于晝夜交替，陽(yáng)光的輻射是不連續(xù)的，而一般獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載都需要能夠持續(xù)供給電能的電源。而且，即使在白天，陽(yáng)光輻射的自然變化也無(wú)法保證供電連續(xù)。所以蓄電池的一個(gè)重要作用就是當(dāng)陽(yáng)光輻射充足時(shí)，即光伏陣列產(chǎn)生的電能大于負(fù)載消耗的要求時(shí)，將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，以備夜晚或光照不足時(shí)使用。 2）穩(wěn)壓和鉗位。當(dāng)光伏陣列直接連接負(fù)載時(shí)，由于光伏電池的工作特性受光照強(qiáng)度、電池溫度等因素影響較大，使負(fù)載常常不能工作在最大功率點(diǎn)附近，系統(tǒng)的效率很低。而如果利用蓄電池作為電源給負(fù)載供電，隔離了光伏電壓陣列輸出電壓對(duì)負(fù)載的影響，使負(fù)載穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近，從而大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。 3）提供啟動(dòng)電流。有些設(shè)備的啟動(dòng)需要很大的啟動(dòng)電流，可能會(huì)達(dá)到設(shè)備額定電流的5~10倍，而受到最大短路電流和光照強(qiáng)度的限制，光伏陣列可能無(wú)法滿足負(fù)載對(duì)于啟動(dòng)電流的需求，這就要求蓄電池在短時(shí)間內(nèi)提供大電流給負(fù)載啟動(dòng)。 3.4.3 鉛酸蓄電池的充電特性 儲(chǔ)能是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，尤其對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成部分。儲(chǔ)能系統(tǒng)的好壞直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能部分又是最易受損、最易消耗的部分。所以獲得最佳的儲(chǔ)能系統(tǒng)成為光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常使用蓄電池實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，常用蓄電池屬于電化學(xué)電池。蓄電池在充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)載使用。一般來(lái)講，光伏發(fā)電系統(tǒng)白天把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)充電器和蓄電池把電能儲(chǔ)存起來(lái)，晚上再通過(guò)放電器把儲(chǔ)存在蓄電池里的電能放出來(lái)使用。 其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。目前中國(guó)用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘蓄電池外，絕大多數(shù)是采用鉛酸蓄電池。 鉛酸蓄電池在制造時(shí)的單格電壓為2V，所以一個(gè)額定電壓為12V的鉛酸蓄電池由6個(gè)單格串聯(lián)組成。如果設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能蓄電池組端口額定電壓為96V，則需要8塊額定電壓為12V的鉛酸蓄電池串聯(lián)。在使用鉛酸蓄電池時(shí)，首先要掌握它在工作時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的充放電特性，然后才能根據(jù)特性表現(xiàn)選擇合適的使用方法，從而延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。鉛酸蓄電池的充放電特性一般體現(xiàn)在其充放電時(shí)端口電壓的變化上，下面將分別從充電過(guò)程 和放電過(guò)程對(duì)蓄電池特性進(jìn)行分析。 1. 充電時(shí)端電壓的變化 在蓄電池充電過(guò)程中，其端電壓會(huì)隨著電池剩余電量的變化而發(fā)生規(guī)律性的 改變。為了便于分析，下面以蓄電池的一個(gè)單格（2V）為例分析其恒流充電時(shí) 端口電壓的變化情況。 圖 3.4 額定充電率充電時(shí)蓄電池端電壓變化曲線 以額定充電率為蓄電池充電時(shí)，其單格端口電壓的變化曲線如圖3.4所示。從圖3.4中可以看出，蓄電池的端口電壓在充電初期上升很快，此過(guò)程對(duì)應(yīng)充電曲線的oa段，出現(xiàn)此現(xiàn)象是因?yàn)闃O板活性物被還原為絨狀鉛和二氧化鉛時(shí)在活性物質(zhì)微孔內(nèi)形成的硫酸迅速集聚造成的。蓄電池的充電中期對(duì)應(yīng)于曲線的ab段，由于此過(guò)程中硫酸在極板活性物微孔中的擴(kuò)散速度和集聚速度趨于平衡，所以ab 段期間的端口電壓變化很小。蓄電池充電后期對(duì)應(yīng)曲線的bc段，在此過(guò)程中當(dāng)大部分極板活性物被還原為絨狀鉛和二氧化鉛時(shí)時(shí)，蓄電池端電壓上升到2.35V 左右。如果繼續(xù)充電，則端電壓上升至曲線的cd段，此過(guò)程中大量水被電解成氫氣和氧氣，其中負(fù)極產(chǎn)生的氫氣吸附在極板表面使電池內(nèi)阻增加，而正極產(chǎn)生的氧氣吸附在極板表面使電池正極的電位升高。在cd段的末期，極板上的活性物逐漸被完全還原，且水的電解也趨于飽和，當(dāng)蓄電池端口電壓到達(dá)點(diǎn)后其幅值不再增加，穩(wěn)定2.7V左右。d點(diǎn)之后如果繼續(xù)充電，則所耗電能都用在了電解水的過(guò)程，如果此時(shí)停止充電，則端口電壓會(huì)因蓄電池內(nèi)阻電壓降為0 而驟降至2.3V左右。de段是停止充電后的端口電壓變化曲線，此過(guò)程中極板上活性物質(zhì)微孔中的硫酸比例逐漸降低，等到極板內(nèi)外的電解液濃度相等時(shí)端口電壓也降至穩(wěn)定狀態(tài)，e點(diǎn)的電壓約為2.06V。 3.4.4 鉛酸蓄電池的放電特性 與充電過(guò)程類似，在蓄電池的放電過(guò)程中其端電壓也會(huì)隨著電池剩余電量的變化而發(fā)生規(guī)律性的改變。下面同樣以蓄電池的一個(gè)單格（2V）為例分析其恒流放電時(shí)端口電壓的變化情況。 圖3.5 恒定電流放電時(shí)的蓄電池端電壓變化曲線 以恒定電流放電時(shí)，蓄電池的單格端口電壓變化曲線如圖3.5所示。從圖中 可以看出，蓄電池的端口電壓在放電初期下降很快，此過(guò)程對(duì)應(yīng)放電曲線的 oa 段，出現(xiàn)此現(xiàn)象是因?yàn)闃O板微孔內(nèi)的水分迅速集聚使電解液的濃度驟降造成的。 蓄電池的放電中期對(duì)應(yīng)于曲線的ab段，由于此過(guò)程中水的生成速度與極板外電解液的滲入速度趨于平衡，所以ab段期間的端口電壓變化很小。蓄電池的放電后期對(duì)應(yīng)曲線的bc段，此過(guò)程中大部分的極板活性物質(zhì)已變?yōu)榱蛩徙U，由于硫酸鉛的積累使極板外的電解液滲入微孔的速度減慢，致使微孔內(nèi)的電解濃度降低，從而引起了蓄電池端電壓的快速下降，c點(diǎn)的端口電壓為1.8V左右。如果繼續(xù)放電，則極板微孔內(nèi)大量生產(chǎn)成的水會(huì)使電解液濃度變的極低，進(jìn)而導(dǎo)致端口電壓迅速下降，此過(guò)程對(duì)應(yīng)放電曲線的cd段。如果在c點(diǎn)之后停止放電，伴隨著極板外的電解液慢慢滲入微孔內(nèi)的過(guò)程，蓄電池端口電壓將緩慢上升并最終穩(wěn)定在2V左右，此過(guò)程對(duì)應(yīng)放電曲線的ce段。 在實(shí)際使用中，如果蓄電池的放電電壓到達(dá)放電曲線的c點(diǎn)后要立刻停止放電，否則蓄電池會(huì)因過(guò)度放電發(fā)生反極現(xiàn)象或者極板硫酸化。 3.4.5 鉛酸蓄電池充電方式 鉛酸蓄電池充電方法有很多，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法。最基本的是以下幾種： 1）恒流充電 恒流充電是指以恒定的電流給蓄電池充電，在蓄電池允許最大電流情況下，充電電流越大，充電時(shí)間就越短。恒流充電的特性曲線如圖3.6所示。 圖3.6 恒流充電特性曲線 此充電方法適合于串聯(lián)方式組成的蓄電池組，并且在充電過(guò)程中最好采取長(zhǎng)時(shí)間、小電流的模式。這種充電方法的弊端是：（1）剛開始充電時(shí)進(jìn)入蓄電池的 電流由于大小不變，所以不能滿足低電量的蓄電池對(duì)吸收電流大小的要求，充電 速率較低；（2）在充電后期進(jìn)入蓄電池的電流值又超出了接近飽和狀態(tài)的蓄電池 對(duì)電流的接收能力，從而使端口電壓大幅升高，此時(shí)常伴有大量析氣現(xiàn)象出現(xiàn)并且對(duì)極板造成很嚴(yán)重的破壞。因此，閥控式密封鉛酸蓄電池不適合采用此方式充電。 2）恒壓充電 恒壓充電是指以恒定的電壓給蓄電池充電，恒壓充電較容易實(shí)現(xiàn)，但初始電流很大，嚴(yán)重時(shí)可能損壞蓄電池，但隨著蓄電池端電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小。此充電方式的特性曲線如圖3.7所示。 圖3.7 恒壓充電特性曲線 充電電流的計(jì)算公式如式3-5所示： (3-5) 其中： U：被測(cè)電池的端電壓； E：被測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)； R：充電電路的內(nèi)阻。 在恒壓充電的初期，由于蓄電池的電動(dòng)勢(shì)E較小，所以會(huì)產(chǎn)生較大的充電電流；當(dāng)充電到達(dá)中后期時(shí)，由于蓄電池極板的極化作用會(huì)使電動(dòng)勢(shì)E增大，所以充電電流會(huì)逐漸減小。與恒流充電方法相比，恒壓充電在充電后期的充電電流會(huì)自動(dòng)減小，所以在充電后期不會(huì)破壞蓄電池極板。但是恒壓充電模式同樣存在很多弊端： （1） 剛開始充電時(shí)，如果蓄電池的剩余電量很少，則會(huì)產(chǎn)生超出蓄電池接收能力的大電流； （2）如果充電器輸出的恒壓值過(guò)低，則蓄電池進(jìn)入中后期充電時(shí)的電流過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且難以充滿?；诤銐撼潆姷奶匦?，實(shí)際應(yīng)用中一些小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)常采用此模式，由于小功率光伏電池的輸出電流有限，所以即使在系統(tǒng)滿功率工作時(shí)產(chǎn)生的充電電流也不會(huì)使蓄電池在充電過(guò)程中遭到破壞。 3）階段充電 為了克服恒流與恒壓充電各自的缺點(diǎn)，提出了階段充電，階段充電包括兩階段充電和三階段充電，如圖3.8所示。兩階段充電是采用恒流和恒壓相結(jié)合的快速充電方法，先以恒流充電至預(yù)定的電壓值再改為恒壓充電，三階段充電則是在兩階段充電的基礎(chǔ)上，再加上浮充充電階段，蓄電池在浮充工作方式下，充放電循環(huán)次數(shù)減少，浮充電流除了維持自放電外，還維持蓄電池內(nèi)部的氧循環(huán)，這樣就大大延長(zhǎng)了蓄電池的壽命。 圖3.8 階段充電充電特性曲線 4）脈沖充電 脈沖充電是指以周期性脈沖電流給蓄電池充電，這樣在充電期間會(huì)有一段停止充電時(shí)間，使得蓄電池內(nèi)的電解液均勻擴(kuò)散，提高了電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率。作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能部分，對(duì)蓄電池進(jìn)行合理的配置非常重要。對(duì)蓄電池進(jìn)行選型時(shí)要考慮負(fù)載功率、使用時(shí)間、天氣狀況以及工作效率等多方面因素。 3.5 蓄電池容量計(jì)算及選型 蓄電池的容量計(jì)算公示3-6如下： (3-6) 由于在表示蓄電池容量時(shí)習(xí)慣用“安時(shí)（Ah）”作為單位，故蓄電池容量計(jì) 算公式應(yīng)該為3-7： (3-7) 其中： ：蓄電池容量（Wh）； ：蓄電池容量（Ah）； ：負(fù)載的日平均用電量； A ：安全系數(shù)，取值在1.1-1.4之間； ：蓄電池端電壓 ：連續(xù)陰雨天數(shù)； ：溫度修正系數(shù)，一般在-10℃以下取1.2，-10℃以上且0℃以下取1.1，在0℃以上取1； ：充放電效率，一般鉛酸蓄電池取0.85。 ：蓄電池的放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75； 參考普通家庭的用電狀況，設(shè)家用電器的日平均用電量=3000Wh，取連續(xù)陰雨天數(shù)=3，假設(shè)蓄電池的充放電效率為h =0.85，蓄電池放電深度為=0.75，溫度修正系數(shù) =1，安全系數(shù)取A=1.1，則得到蓄電池的容量為: (3-8) 本系統(tǒng)蓄電池端口電壓為96V，為了在容量上留有一定裕量，選用8節(jié)12V180Ah的免維護(hù)鉛酸蓄電池串聯(lián)使用。 第4章 蓄電池充放電控制器的設(shè)計(jì) 在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的常見(jiàn)思路，本論文從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)方法去進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。 硬件電路主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、串口通信電路等。下面先從控制器框圖入手，對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再對(duì)具體電路地進(jìn)行一一介紹。 4.1 控制器部分框圖 系統(tǒng)層次原理圖如圖4.1所示，電路設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)作為主控芯片構(gòu)成控制電路模塊對(duì)整個(gè)電路控制。首先采用并聯(lián)分壓方式對(duì)蓄電池電壓采集后，送到AD模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到一個(gè)數(shù)字信號(hào)的電壓值，再將此信號(hào)送入到控制模塊中單片機(jī)進(jìn)行處理；然后在軟件程序控制下，單片機(jī)輸出控制信號(hào)送到充放電模塊中，經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制MOSFET?？刂芃OSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制(SPWM)，根據(jù)載荷變化來(lái)調(diào)制MOSFET管柵的偏置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。 圖4.1 系統(tǒng)原理圖 最后通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。串口通信模塊采用MAX232芯片進(jìn)行TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)