币安——比特币、以太币以及竞争币等加密货币的交易平台(访问: hash.cyou 领取999USDT）
1、光伏应用技术2016-4-9光伏应用技术光伏应用技术第1章 光伏发电概述第2章 太阳能电池原理与特性第3章 太阳能电池的种类及其特点第4章 太阳能发电系统的结构第5章 光伏系统的控制第6章 光伏发电系统设计第7章 太阳能光伏发电系统的应用人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在地下的石化能源，按照目前的开发速度，几十年或许几百年后，地球所存储的这些能源就将枯竭。节约能源和开发可再生能源可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中，水能已经得到了广泛的利用，且水能资源终究是有限的；太阳能和风能则是取之不尽，用之不竭的清洁能源。太阳能的应用主要有两种形式：一是把太阳能转换为热能，二是把太阳能转换为电能。后者称为太阳能光伏发电技术，简称PV技术。前言前言第第1 1章章 光伏发电概述光伏发电概述1.1 1.1 太阳能电池和太阳能发电太阳能电池和太阳能发电1.2 1.2 太阳能发电发展历程太阳能发电发展历程1.3 1.3 太阳能发电的过去、现在和未来太阳能发电的过去、现在和未来1.4 1.4 国内外光伏发电的现状与趋势国内外光伏发电的现状与趋势第第1章章 光伏发电概述光伏发电概述1.1 太
2、阳能电池和太阳能发电太阳能电池和太阳能发电一、太阳能与环保1、3E的概念经济、资源、环保是困扰现代社会发展的三大问题，简称3E（EconomyEnvironmentEnergy）。随着工业化的推进和人口的增长，资源的消耗量越来越多，从而可以预见若干年后会出现资源危机。据2001年相关数据，各种资源可开采的年数为：石油39年；天然气57年；煤炭223年；铀67年。除了资源枯竭问题，在石化燃料的使用过程中，环境问题不容忽视，如气候变暖、酸雨等问题。1997年第三届控制排放物的京都国际环保会议成员国研究20022012年10年间排放量需逐年减少6（与1990年相比）。若要做到这些，除了改善现有常规发电设备的排放条件以外，重要的是开发新能源，如太阳能发电和风能发电。一、太阳能与环保一、太阳能与环保 2、太阳能的特点、太阳能的特点太阳能的热能和光能利用是两个重要的应用领域。太阳能具有如下优点：储量巨大；不会枯竭；清洁能源；不受地域限制。到达地球的太阳能，在大气圈外为1.38kW/m2，其中30向宇宙反射，其余的70到达地球。太阳的寿命可达几十亿年。太阳能不会产生CO2等有害物质，是一种清洁能源。
3、太阳能的缺点是能量密度低、容易受气象条件的影响，不具备蓄电功能等。此外，虽然太阳能本身对环境无污染，但也应该看到，太阳能电池、电力电子变换装置的制造和使用过程中仍会产生环境污染，应考虑综合效益。二、太阳能转换电能的基本原理二、太阳能转换电能的基本原理太阳能电池，太阳能电池，完成将太阳能转换为电能的任务。太阳能电池主要由半导体硅硅制成，在半导体上有光线照射时，吸收光能激发出电子和空穴，在半导体中产生电压（流），称为“光生伏特效应”或简称“光伏效应”（Photovoltaiceffect）。以硅晶体做成的半导体，掺有磷杂质的硅晶体中自由电子是多数载流子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅晶体中空穴是多数载流子，称为P型半导体。若将P型半导体与N型半导体结合，形成PN结。太阳能电池利用了PN结的光伏效应。当有光照射太阳能电池时，则激发电子自由运动流向N型半导体，正电荷集结于P型半导体，从而产生电位势。若外接负荷，则有电流流动。太阳光N型半导体P型半导体正极负极电流负荷1.2 太阳能发电发展历程太阳能发电发展历程年代成就1800发现光伏效应1876硒的光伏效应研究1904Cu、Cu2O对光的敏感性
4、研究1940PN结理论的研究1954单晶硅太阳能电池发明（美国贝尔实验室）1955CdS太阳能电池发明1956GaAs太阳能电池发明1958在先驱者1号通信卫星上应用太阳能电池1972美国制订新能源开发计划1974日本制订太阳能发电发展的“阳光计划”1976非晶硅太阳能电池的发明1984美国7MW太阳能发电站建成1985日本1MW太阳能发电站建成1991制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（德国）1992制定逆潮流供电与公共网并网法规（日本）1994住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）2003RPS法（新能源法案）（日本）1.3 太阳能发电的过去、现在和未来太阳能发电的过去、现在和未来一、20世纪70年代：开发初期太阳能电池发电技术开发初期的20世纪70年代，太阳能电池的价格昂贵（1500美元/瓦），只能用于人造卫星、差转电台、海岛灯塔等场所。二、20世纪80年代20世纪90年代：小容量太阳能电池的广泛应用太阳能电池主要应用在手表、计数器、照明（路灯、庭院灯）、交通标志和防灾电源上。虽然太阳能电池的价格不断降低，但仍然比较贵，还不能应用于民用电器。三、太阳能发电的高速发展和大容量应用
5、阶段随着世界各国制订光伏发展计划、大量研究经费的投入、财政补贴、免税等优惠政策鼓励下，20多年来，太阳能光伏发电技术得到了迅猛发展。太阳能电池价格已降低至56美元/瓦，大容量的应用成为可能。比较典型的太阳能发电系统如西藏双湖25KW光伏电站、丽江光伏电站。将太阳能电池板作为屋顶或贴于朝南的墙面上，使建筑与太阳能发电一体化，为大楼的照明、空调、电梯供电，并与市电并网。四、太阳能发电系统的未来：建在太空的超级太阳能发电站在太空建立巨大的太阳能发电站，把产生的电力变换成微波后传输到地面。1.4 国内外光伏发电的现状与趋势国内外光伏发电的现状与趋势国际上在光伏领域具有领先地位的国家主要有日本、德国、美国、澳大利亚等。生产厂排名产量（MW）比例（）Sharp（日本）夏普1（1）324.025.8Kyocera（日本）京瓷2（2）105.08.3BPSolar（英国）3（3）84.96.8MitsubishiElectric（日本）4（6）75.06.0Q-Cells（德国）4（9）75.06.0ShellSolar（荷兰）壳牌6（4）72.05.7Sanyo（日本）三洋7（8）65.05.4RW
6、ESchottSolar（德国）8（5）63.05.0Isofoton（西班牙）9（7）53.04.2台湾茂迪（中国）10（10）35.02.8无锡尚德（中国）10（16）35.02.8世界十大太阳能电池生产厂世界十大太阳能电池生产厂2004年排名与产量年排名与产量注：括号内为2003年排名美国美国“百万屋顶计划百万屋顶计划”美国在1997年6月宣布了太阳能“百万屋顶计划”（MillionSolarRoofsInitiative），准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统。如果“百万屋顶计划”顺利实现，到2010年CO2年排放量可减少300万吨。美国太阳能光伏发电与热利用技术比较成熟，开始进入大规模生产阶段。两大太阳能电池公司年生产能力分别达到5MW和10MW，整个美国光伏发电产品的年销售量达到100MW以上。美国政府极为重视对太阳能的开发和利用。投入巨额资金用于该领域的科研开发，同时在政策上给予倾斜。目前“百万屋顶计划”已经在美国某些地区大力发展起来。在夏威夷，由于自然条件优越，太阳能已经成为当地能源供给的主要形式和经济发展
7、的重要组成部分。日本日本“阳光计划阳光计划”日本的光伏发电发展阶段1.第一次石油危机后，日本通产省于1974年制订了以发展太阳能为主的可再生能源代替石油的技术研究开发中长期规划，即“阳光计划”。初期，太阳能电池用于家用计算器、灯标和孤岛柴油发电的补充能源。之后成立了新能源生产技术综合管理机构，加大资金投入，加速了光伏发电的产业化发展步伐。2.19881994年，随着社会环保意识的提高，以及电力公司独立电源示范工程成功的基础上，太阳能光伏项目扩大到公园、学校、医院、展览馆等公共示范工程以及民用示范工程。3.1993年制订的“阳光计划”，仍然把光伏发电作为重点项目，光电技术已达到普遍应用水平。售价过高是影响推广应用的关键因素，降低光电器件成本和高效率材料的开发是重要发展方向。从1994年，日本实施住宅光电系统的优惠政策，对每户居民住宅光电系统提供的政策补贴，极大地促进了住宅用光电项目的推广。日本光伏产业快速发展的主要经验：基本国策，常抓不懈；资金投入，政策优惠。德国德国“10万屋顶发电计划万屋顶发电计划”德国在2003年完成“10万屋顶发电计划”，2000年颁布可再生能源法，2003年又公
8、布了可再生能源促进法，引发了德国光伏发展的新一轮高峰。2004年德国光伏发电总量达到6105GWh，可再生能源发电占9.3。德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力的举措，主要包括银行贷款和上网电价补贴等。在德国，若在自家屋顶上安装了一套光伏发电设备，相当于一个小型发电厂，发出的电能输送到公共电网，国家最高给予57.4cent/kWh的补贴，可以获得较高的经济回报。因此，德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业。2004年，德国光伏安装总量超过日本，走在世界的前列。中国中国“光明工程计划光明工程计划”我国在太阳能光热利用方面处于世界先进行列，是最大的太阳能热水器生产国和消费市场。在太阳能光伏发电研究和产业发展方面奋起直追，取得了较大进展。2004年在该领域的产业规模上超过印度，成为亚洲处于前列的光伏电池生产国家。2005年通过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。我国光伏发电的发展历程：1958年开始研制太阳能电池，1959年第一个有实用价值的太阳能电池诞生。1971年3月，太阳能电池首次应用于我国第二颗人造卫星。1973年，太阳能电池首次应用于天津港的浮标灯
9、上。1979年，用半导体工业积压单晶片生产单晶硅电池。20世纪80年代后期，引进国外关键设备、生产线和技术，太阳能电池生产能力达到4.5MW，太阳能电池制造产业初步形成。我国光伏电池组件发展情况我国光伏电池组件发展情况我国光伏系统累计安装容量我国光伏系统累计安装容量我国晶体硅太阳能电池生产情况（我国晶体硅太阳能电池生产情况（MW）厂家厂家2003年年2004年年2005年年台湾Motech173588无锡无锡Suntech（尚德）（尚德）835100宁波太阳能宁波太阳能51545保定天威英利保定天威英利610昆明云南天达昆明云南天达2310深圳洁净能源公司深圳洁净能源公司3810我国晶体硅太阳能电池生产情况我国晶体硅太阳能电池生产情况我国的我国的“光明项目光明项目”及其它及其它由国家发改委发改委牵头，筹集资金100亿元，用10年时间（到2010年）用风电、光电和其它可再生能源技术解决2300万户无电地区居民的生活以及边防哨所、公路道班、石油管道、铁路信号等用电问题，预计发电容量达到300MW。另外，其它项目包括：（1）GEF项目我国政府与世界银行共同投资推动中国可再生能源市场，主要
10、是光伏和风力发电，计划用5年时间安装10MW光伏系统，以解决无电地区居民生活用电问题。（2）西部7省无电乡村通电工程项目2002年，中央政府和地方政府共同投资18亿元，在西部7省（西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙、陕西、四川）无电地区乡政府所在镇安装光伏电站，规模在2080kW，共计15MW，项目在一年内完成。（3）其它重大建设项目青海敦煌8MW大漠地区光伏发电工程；深圳国际园艺博览会1MW光伏并网电站；上海10万太阳能屋顶计划；北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统；保定电谷锦江国际酒店玻璃幕墙光伏并网发电工程。全球单体最大太阳能建筑并网发电全球单体最大太阳能建筑并网发电全球单体最大太阳能建筑并网发电全球单体最大太阳能建筑并网发电 全球最大的光伏建筑一体化低能耗生态建筑尚德光伏研发中心大楼竣工。这里将成为尚德公司国家级企业（集团）技术中心的研发基地。 尚德光伏研发中心大楼总投资约2亿元，该幢建筑地上7层，幕墙总高度37米，总面积约1.8万平方米，PV幕墙面积6900平米，是全球最大的光电幕墙。整个工程设计容量为1兆瓦，预计全年发电量将达到70万千瓦时，预计将为整体建筑提供80耗电。 以最
11、低使用寿命25年计算，共可产生电量1737.5万千瓦时，预计每年可以替代标准煤240吨，减排432吨，25年共替代标煤6000吨。 无锡尚德太阳能电力有限公司成立于2001年1月，是一家集研发、生产、销售为一体的高新技术光伏企业，主要从事晶体硅太阳电池、组件、光伏系统工程、光伏应用产品的研究、制造、销售和售后服务。经过短短几年跨越式、超常规的大发展，尚德公司的产品技术和质量水平已完全达到国际光伏行业先进水平，位列世界光伏企业前三强，在太阳能组件制造方面已位居世界首位。人民网2009年1月8日 我国光伏应用市场预测我国光伏应用市场预测（1）光伏发电成本预期根据有关研究报告指出：我国光伏产业正以每年2030的速度增长，国内光伏电池生产能力已达到100MW。实验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达到1415，一般商业化电池效率达1013。成本高，在目前和今后一段时间内仍然是制约光伏市场发展的根本瓶颈。我国太阳能电池生产成本已大幅下降，其价格从2000年的40元/W降到目前的25元/W，并随着市场规模的不断扩大价格会不断降低。在法律与政策的拉动下，我国光伏市场和产业将会快速发展，
12、光伏系统的技术经济指标将大幅提高。按照以往光伏发电市场发展的经验分析，到2030年，光伏系统价格有望达到$2.6/W；光伏系统的可靠性和寿命将从现在的1520年增加到3035年；系统效率从现在的1015增加到1820；发电成本可以降到68美分/kWh，达到或接近煤电价格。如果加大技术投入、政策拉动，市场规模扩大且健康发展，这个时间可能提前。我国光伏主要应用领域预测我国光伏主要应用领域预测（2）我国光伏主要应用领域预测农村离网供电由于历史、地理的原因，我国边远地区仍有约3000万人口没有解决用电问题；西部绝大部分边疆少数民族地区，距离电网较远，居住分散，难以靠延伸电网解决用电问题。光伏发电系统结构简单、运行维护方便、清洁安全、无噪声、寿命长等优势，对解决边远农村地区供电具有不可替代的作用。城市并网光伏发电目前日本、德国、美国以及欧洲国家实施的“屋顶计划”、“建筑一体化光伏工程”都属于城市并网光伏发电的应用。可以逐步解决能源电力问题，减少排放，提高供电安全性。采用光伏发电技术用于城市道路、小区照明有着巨大的市场潜力，而且技术成熟、可靠，便于操作和管理。根据中国国情，可以将光伏街道和小区照明
13、作为近期政府组织的光伏推广应用的切入领域。我国建筑屋顶面积总计约100亿平方米，1的屋顶用光伏组件覆盖，每年可以提高1500亿千瓦时的电能。大规模沙漠电站我国有108万平方公里的荒漠资源，主要发布在光照资源丰富的西部地区。随着电力输送技术和储能技术的发展，大规模荒漠电站将成为未来的电力基地。其它商业应用在技术进步、市场开发推动下，新的领域、产品将会迅猛发展。第第 2 章章 太阳能电池原理与特性太阳能电池原理与特性太阳光的性质太阳光的性质光伏电池原理和变换效率光伏电池原理和变换效率光伏电池特性测量光伏电池特性测量2.1 太阳光的性质太阳光的性质1、与太阳光相关的物理量(1) 日照强度日照强度在单位面积、单位时间内接收到的太阳光能量。单位：卡/厘米2分、毫瓦/厘米2或焦耳/厘米2分、千瓦/米2。 (2) 日照量日照量单位面积接收到的太阳光能量。单位：卡/厘米2、千卡/米2、焦耳/米2或千瓦时/米2. (3) 日照时间日照时间根据世界气象组织（WMO）1981年规定，日照时间是指日照强度阀值超过0.12kW/m2的总时间，根据此阀值测定日照量并计算出日和月的日照时间。太阳能有关参数太阳能有关
14、参数太阳辐射总能量的22亿分之一辐射到地球，这部分能量经过大气层的反射、散射和吸收，约有70的能量到达地球表面。尽管太阳能只有很少的一部分辐射到地面，但数量仍然巨大。每年辐射到地球表面的太阳能能量约为1.81018KWh，等于1.3106亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍。我国2/3的地区太阳能辐射总量大于5024MJ/m2，年日照时数在2000h以上，太阳能资源十分丰富。其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古的辐射总量和日照时数在我国位居前列。除了四川盆地和毗邻地区以外，我国绝大部分地区的太阳能资源超过或相当于国外同纬度地区，优于欧洲和日本。由于南面是海拔70008850m的喜马拉雅山脉，阻挡着印度洋的水蒸气，因此青藏高原的太阳能年辐射总量达66708850MJ/m2，年日照时数达32003300h，是我国太阳能资源最好的地区。而四川盆地云雨天气多，是太阳能资源相对较差的地区。 2、直射光和散射光、直射光和散射光把直接到达地面的太阳光称为直接日射直接日射，把散射或反射的日射成分称为散乱日射散乱日射。直接日射和散乱日射叠加称为全天日射。由于空气分子的散乱作用在波长较短时作用强，所以在
15、全天日射中，短波长时散射所含的比例较高008001000全天日射直接成分散乱成分分光发射强度(Wm-2um-1)波长(nm)到达地表面的全天日射分光分布图到达地表面的全天日射分光分布图 直射光和散射光直射光和散射光128416200.40.81.2全天日射强度散乱日射强度晴天晴天128416200.40.81.2全天日射强度散乱日射强度多云多云128416200.40.81.2全天日射强度=散乱日射强度阴天阴天 3、太阳光强度与波长的关系、太阳光强度与波长的关系光伏电池的转换效率与太阳光线的波长相关。过分长的长波将不能进行能量变换；太短的波长只能转换为热能。太阳能的光伏变换与波长之间存在一个感度特性，称为光感度特性。IEC(国际电气标准会议)对多晶硅制定出分光感度标准特性曲线波长（um）日射强度（W/m2/nm）多晶硅的分光感度特性基准光频分布多晶硅的分光感度特性分布 太阳光强度与波长的关系太阳光强度与波长的关系00.40.81.21.62.02.42.83.20.51.01.52.02.5发射强度（
16、W/cm2.um）波长（um）可见光紫外红外地面太阳光光谱分布图地面太阳光光谱分布图2.2 太阳能电池原理和变换效率太阳能电池原理和变换效率1、太阳能电池的结构、太阳能电池的结构太阳能电池，也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件，其基本结构如下图所示。以硅半导体材料制成大面积pn结，p型硅片（厚度约500m）上用扩散法制作出一层很薄（厚度0.3m）的经过重掺杂的n型层。然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极。这样就形成了晶体硅太阳能电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。N区P区内电场PN结 2、光伏效应、光伏效应在p区与n区交界面的两侧也即pn结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区，光子被吸收同时会产生电子空穴对。那些在结附近n区中产生的少数载流子（空穴）由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离
17、小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区。同样，在结附近p区中产生的少数载流子（电子）如果扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区。结区内产生的电子空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势，这一现象称为光伏效应（PhotovoltaicEffect,缩写为PV）。 3、光伏器件的伏安特性、光伏器件的伏安特性当太阳电池接上负载R，将恒定强度的光照射到电池表面，测量得到太阳能电池的伏安特性曲线如下图所示。其中Isc为短路电流，Voc为开路电压。UI0Isc太阳能电池伏安特性曲线Voc 光伏器件的伏安特性光伏器件的伏安特性当光照射太阳电池时，在其内部PN结将产生一个由n区到p区的光生电流Iph同时，由于pn结本身的二极管特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I 为：Iph光生电流；A0与PN结材料有关的系数；q电子电量=1.6
18、0210-19C；VD结电压；k玻尔兹曼常数=1.3810-23J/K；T温度K。如果忽略太阳能电池的内电阻，则VD即为太阳能电池的端电压，上式可写为：(1)式(2)式 光伏器件的伏安特性光伏器件的伏安特性 短路特性：短路特性：当太阳能电池的输出端短路时，V0（结电压VD0），由（2）式可得到短路电流 Isc ： I Iscsc= I= Iphph(3) 式即太阳能电池的短路电流 Isc 等于光生电流Iph，此值与入射光的强度成正比。 开路特性：开路特性： 当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由(2) 和 (3) 式可得到开路电压 Voc：(4) 式 4、短路电流与开路电压、短路电流与开路电压短路电流（Isc）：当太阳能电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。该电流随光强度（照度）按比例增加。IscE0短路电流与光强度E的关系VocE0开路电压与光强度E的关系开路电压（Voc）：太阳能电池电路负荷断开时两端电压，称为开路电压。该值随光强度按指数函数增加，在较低光强度时，仍保持一定的开路电压。 5、输出功率特性、输出功率特性太阳能电池的工作电流I I和电压U是由负载电阻值决定。如
19、图所示，不同负载电阻R1、R2、R3与伏安特性曲线的交点确定了不同的工作电流和电压，也即不同的输出功率。图中的矩形面积就表示功率的大小。UI I0I Isc太阳能电池伏安特性与功率输出太阳能电池伏安特性与功率输出R1R2R3Voc（U U1 1,I,I1 1）（U U2 2,I,I2 2）（U U3 3,I,I3 3） 最大功率输出最大功率输出在实际应用中，要求输出功率最大，即保证上图中的矩形面积最大。右图是功率P与电压U的关系曲线。在一定光强度下，最大功率最大功率Pmax.对应最佳工作电流Ipmax和最佳工作电压Upmax。UP0Pmax(=IpmaxUpmax)UpmaxFF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高填充因子填充因子FF：将最大功率最大功率 Pmax与Uoc和Isc的乘积之比定义为填充因子填充因子FF，则 6、太阳能电池光伏变换效率、太阳能电池光伏变换效率太阳能电池的变换效率为输入太阳能与输出电功率之比，即为了确定太阳能电池的效率，需附加若干测试条件，国际电工标准化委员会（IEC）规定：地面用太阳能电池的额定效率需在使用温度25、光照强度为1000W/m2及
20、符合IEC规定的空气质量标准的基准光基准光下进行测定，统称为测试的基本状态。世界上各厂家对生产的太阳能光伏组件，出厂标准均是按上述规定进行测试并在产品铭牌上标注。 基准光基准光123012波长（um）日射强度（W/m2/nm）基准光的光谱分布图由于太阳能电池对各种颜色光的光伏感度不同，故IEC规定如下的基准光光谱分布图。 7、影响太阳能电池性能的因素、影响太阳能电池性能的因素（1）日照强度只要太阳光谱、组件温度不变，效率 几乎不受日照强度E的影响，只有当E0.2W/m2时， 值略有下降。0Tc=251.0kW/m20.4kW/m2电压（V）（a）I-U曲线电压（V）（b）P-U曲线）工作温度一般情况下，由于温度升高，将使电流、电压略有变化，即开路电压和效率下降，短路电流升高（在25标准温度左右变化不大）。输出相对值0.80.91.0温度（）短路电流开路电压变换效率 8、太阳能电池的等值电路、太阳能电池的等值电路太阳能电池的构造如下图所示。由于光电池电极表面层有
21、横向电流流过，所以在等值电路中应串联一个电阻Rs。（等值电路见下页）P层N层背面电极表面电极光光光伏电池器件的构造（截面） 太阳能电池的等值电路太阳能电池的等值电路IphIDIshPN结合部RshPN结UJ=UL+ILRsIL=Iph-ID-IshRs负荷(RL)ILUL=UJILRs太阳能电池的等值电路太阳能电池的等值电路PN结由PN结合部和串联电阻Rs组成，Rs为考虑横向电流的等效电阻。图中为太阳能电池电势，由它产生光电流Iph。Ish为PN结缺陷造成的漏电流，与Iph相反。负载RL上流过电流为IL。 等值电路方程等值电路方程太阳能电池发电状态的电流方程式： ILIph- ID Ish（1）式 式中 Iph 为光电流；ID为 PN 结的正向电流；Ish为 PN 结的漏电流。 太阳能电池等值电路电压方程式： UJULILRs 式中，UJ为PN结合部端电压；UL为负荷 RL两端电压；IL为负荷电流。 将以下各式代入电流方程（1）式 等值电路方程等值电路方程 A0与 PN 结材料有关的系数； q电子电量=1.60210-19C； k玻尔兹曼常数=1.3810-23J/K；T温度K；UL负
22、荷两端电压；IL负荷电流；RS考虑横向电流的等效电阻；Rsh并联漏电阻。 等值电路与伏安特性等值电路与伏安特性 1、串联电阻、串联电阻 Rs 对伏安对伏安特性的影响特性的影响 当Rs增大时，会使电池的变换效率降低，短路电流下降，但对开路电压影响不大。02040200电压（V）电流（A）Rs=0，13.10.27,12.00.77,10.01.27,8.25.27,2.6400 等值电路与伏安特性等值电路与伏安特性02040200电压（V）电流（A）4000.27,12.05.2,11.710.2,8.950.2,5.90,12.3 2 2、并联电阻、并联电阻 R Rsh sh 对伏安对伏安特性的影响特性的影响 R Rsh sh 是由PN结生产制造过程中产生的，与外部参数无关。当 Rsh 增大时会使电池的变换效率降低，短路电流下降，但对开路电压有影响，但不大。2.3 太阳能电池特性的测量太阳能电池特性的测量1、太阳能电池组件由单片单晶硅制成的太阳能电池称为单体。多个单体用串、并联方法组成并用铝合金框架将其固定，表面再覆盖高强度透光玻璃，构成太阳能电池模块。2、室外测量注意事项太阳能电池模
23、块朝向太阳，周围的建筑物与树木少，不要有阳光反射和阴影。测量的主要项目是伏安特性、模块温度和日照强度。按照国际标准（或国标）模块温度25和日照强度1kW/m2对特性的参数进行修正。由修正后的伏安特性计算出最大功率和变换效率。 带负荷测量电压、电流带负荷测量电压、电流带逆变器的伏安特性测试带逆变器的伏安特性测试该测量电路的特点是，测试时不影响逆变器的输入电流和电压。(a)为电压在测定范围内的测量电路；(b)为电压在测定范围外的测量电路。(a)电压在测定范围内PVPV+-+-太阳能电池模块专用逆变器负荷电压测定端子电流测定用基准电阻DCAC(b)电压在测定范围外PVPV+-+-太阳能电池模块专用逆变器负荷电压测定用基准电阻电流测定用基准电阻DCAC 四端测量法四端测量法VA光IrIrRL+-(a)二端子接线VA光IrIrRL+-(b)四端子接线rrI为了更准确地测量太阳能电池的伏安特性，应尽可能减少连接线缆的接触电阻对测量结果的影响。图（a）为一般的二端子接法，r为接触电阻（含线缆电阻），由于接触电阻压降，使电压测量值产生较大误差。图（b）为四端接法，流过电压表的电流非常小，接触电阻（含线、缆电阻）所产生的压降可以忽略不计，从而可以正确地测出太阳能电池的电压。第第3 3章章 太阳能电池的种类及其特点太阳能电池的种类及其特点太阳能电池的分类太阳能电池的分类几种常用太阳能电池的特点几种常用太阳能电池的特点晶体硅太阳能电池的基本工艺晶体硅太阳能电池的基本工艺3.1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 1、按不同材料分类、按不同材料分类硅化合物太阳能电池晶体单晶多晶薄膜式多晶非晶体铟硒铜(CuInSe)、碲化镉(CdTe)砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)最初的太阳能电池是利用硅二极管或晶体管的硅片生产。单晶硅的生产采用高纯度硅熔化，用拉伸法拉出单晶硅棒，再通过切割为硅片。单晶硅结晶时间长，成本高。后来发展的多晶硅采用“熔铸法”和“印带法”工艺，生产效率提高，成本下降。熔铸法：将熔化的硅倒入铸型内制成铸块。印带法：将硅熔液形成带状结晶后直接做出太阳能电池。 按构造分类按构造分类太阳能电池块（片）状单晶硅多晶硅其他薄膜状非晶硅化合物其他按照太阳能电池形体（厚度）分类，可分为块（片）状和薄膜状两大类。前者以单晶硅和多晶硅为代表，即以块状结晶材料用机械加工的方法制成板（片）材。薄膜状是
25、以玻璃或金属作基板，让晶体材料黏附其上并起化学反应形成一个晶体薄膜。 3.2 几种常用太阳能电池的特点几种常用太阳能电池的特点目前所用的太阳能电池，大部分是硅系列单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。占全部太阳能电池的89左右。型号技术规格MPS125-90LPS125-135LPS125-180功率（W）90135180最大功率时电压（V）17.826.635.6最大功率时电流（A）5.055.055.05开路电压（V）22.333.544.6短路电流（A）5.685.685.68外形(mmmmmm)MSK系列单晶硅太阳能电池（16.2） 几种常用太阳能电池的特点几种常用太阳能电池的特点型号技术规格MPP125-80LPP125-120LPP125-160功率（W）80120160最大功率时电压（V）17.225.834.5最大功率时电流（A）4.644.644.64开路电压（V）21.532.343.0短路电流（A）5.305.305.30外形(mmmmmm)MSK系列多晶硅太阳能电池（1
26、3.7） 几种常用太阳能电池的特点几种常用太阳能电池的特点技术规格型号工作电压（V）功率（W）外形尺寸（mmmmmm）质量（kg）TDB51-20-P8.644.5390161321.01TDB51-38-P16.21.54TDB60-20-P8.55.56.5459191321.25TDB60-38-P16.322.05TDB75-20-P8.21.75TDB75-38-P16.325.50TDB51系列单晶硅太阳能电池 硅系太阳能电池的特点硅系太阳能电池的特点太阳能电池变换效率（）特点单晶硅1517l特性稳定，效率高l表面有梳齿状电极l外形单一l厚度为300uml质硬、不可卷曲l从圆柱形单晶硅棒切割成圆片后再加工，使硅片呈矩形l生产温度高达1400l黑色多晶硅1214l特性稳定，效率高l表面有梳状电极l外形多样化（对硅晶体再加工）l厚度300uml质硬、不可卷曲l由正立方体硅晶切割，硅片呈正方形l生产时所需温度8001000l深蓝色 硅系太阳能电池的特点硅系太阳能电池的特点太阳能电池变换效率（）
27、特点非晶硅610l容易大批量生产l表面印刷透明电极l厚度为1um以下l可以卷曲l在轻质基板上形成l生产时所需温度低约200l色彩为暗红色薄膜式（含化合物）l适于大批量生产l对于不同太阳光谱照射均可适应l黑色 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，主要用单晶硅片来制造。与其他种类的电池相比，单晶硅电池的转换效率最高。单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，即以p型单晶硅片为基片，通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，厚度一般为200300m。单晶硅的结晶非常完美，所以单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色为黑色或深色。特别适合切割制成小型消费产品。单晶硅电池曾经长时期占领最大的市场份额，只是在1998年后才退居多晶硅电池之后，位于第二位。在以后的若干年内，多晶硅太阳能电池仍会继续发展，并保持较高的市场份额。其未来趋势是向超薄、高效方向发展，不久的将来，可有100m 左右甚至更薄的多晶硅电池问世。 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的原料，是融化后浇铸成正方形的硅锭，然后切成薄片进行加工。从多晶硅电池的表面很容易辨认，硅片是由大量不同大小
28、结晶区域组成，而在晶粒界面（晶界）处光电转换易受到干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低。同时，多晶硅的电学、力学和光学性能一致性不如单晶硅电池。多晶硅太阳电池的基本结构都为n+/p型，电阻率0.52cm，厚度220300m，商业化电池的效率为1315。多晶硅结构在阳光作用下，由于不同晶面散射强度不同，可呈现不同的色彩。此外，制作时主要以氮化硅为减反射膜，通过控制减反射膜的厚度，可使太阳能电池具备各种各样的颜色，如金色、绿色等，具有良好的装饰效果。1975年Spear等利用硅烷的直流辉光放电技术制备出a-Si：H材料，实现了对非晶硅基材料的掺杂，使非晶硅材料开始得到应用。1976年第一个效率为12的非晶硅太阳电池被研制出来，直到1980年非晶硅太阳电池实现商品化。目前世界非晶硅太阳电池生产能力50MW/年，最高转换效率13，应用范围从多种电子消费产品如手表、计算器、玩家到户用电源、光伏电站等。在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大一个数量级，非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。由于非晶硅材料的本征吸收很大，1m厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的1/100
29、，可明显节省昂贵的半导体材料。非晶硅及其合金的光电转换效率在太阳光长期照射下有一定的衰减，经过200退火2h可恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现，称为SW效应。由于SW效应，非晶硅电池不能大规模使用。 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 3.3 晶体硅太阳能电池的基本工艺晶体硅太阳能电池的基本工艺晶体硅太阳电池是典型的pn结型太阳电池，它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太阳电池。它的结构如下图所示：绒面结构减反射层金属栅n型Si背面接触P型Si晶体硅太阳电池的结构在200500m厚的p型硅片上，通过扩散形成0.25m左右的n型半导体，构成pn结；在n型半导体上有呈金字塔形的绒面结构和减反射层，然后是呈梳齿状的金属电极；在p型半导体上直接有背面金属接触，从而构成了典型的单结（pn结）晶体硅太阳电池。 一、绒面结构一、绒面结构制作太阳电池的硅片，在切割时表面会有一层1020m的损伤层，需要利用化学腐蚀将损伤层去除，然后制备表面的绒面结构。这种绒面结构比平整的化学抛光的硅片表面具有更好的减反射效果，能够更好地吸收和利用太阳光线。而光束射在平整的抛光硅片上时，约有
30、30会被反射掉；如果射在呈金字塔形的绒面结构上，反射的光进一步照射在相邻的绒面上，减少了太阳光的反射；同时，光线斜射入晶体硅，增加了在硅片内部的有效运动长度和被吸收的几率。对于单晶硅单晶硅，常用的化学腐蚀剂是NaOH或KOH，在8090左右的温度下，进行化学反应。生成物Na2SiO3溶于水而被去除，从而硅片被化学腐蚀。Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H2由于在硅晶体中不同晶面原子疏密程度的差异，NaOH或KOH腐蚀速度不同，具有各向异性，最终形成金字塔形的绒面结构。对于铸造多晶硅多晶硅，使用酸性腐蚀剂，也可以形成类似的绒面结构。使用最多的是HF和HNO3的混合液，其中HNO3与硅反应，在表面产生致密的不溶于硝酸的SiO2层，使得HNO3和硅隔离，反应停止；但SiO2可以和HF反应，生成可溶解于水的络合物六氟硅酸，导致SiO2层的破坏，从而硝酸对硅的腐蚀再次进行，最终使得硅表面不断被腐蚀，具体反应式如下：3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NOSiO2+6HF=H2(SiF6)+2H2O 二、二、pn 结制备结制备晶体太阳电池一般利用掺硼的p型硅作为基底材料，在900左
31、右通过扩散五价的磷原子形成n型半导体，组成pn结。磷扩散的工艺，主要有气态磷扩散、固体磷扩散和液态磷扩散等形式。气态磷扩散，是在扩散系统内，引入含磷气体（如P2H2），通过高温分解，磷原子扩散到硅片中去，其反应式为：P2H22PH2固体磷扩散，是利用与硅片相同形状的固体磷源材料如Al(PO3)3，即所谓的磷微晶玻璃片，与硅紧密相贴，一起放置在石英热处理炉内，在一定温度下，磷源材料挥发出磷的化合物P2O5，附着在硅片表面并进行化学反应，其中磷原子将向硅片体内扩散，最终在硅片表面附近的一定深度内，磷原子的浓度超过硼原子的浓度，形成n型半导体，组成pn结。其反应式为：Al(PO3)3=AlPO4+P2O55Si+2P2O5=5SiO2+4P pn 结制备结制备液态磷扩散，可以得到较高的表面浓度，在太阳电池工艺中更为常见。利用的磷源为三氯氧磷（POCl3），通过保护气体，在8001000之间分解，生成P2O5，沉积在硅片表面形成磷硅玻璃，作为硅片磷扩散的磷源，其反应式为：5POCl3=P2O5+3PCl52P2O5+5Si=5SiO2+4P对于晶体硅太阳电池，为使pn结处有尽量多的光线、n结的结深度要尽量浅，一般为250nm或更浅。在磷扩散时，由于在硅片表面具有高浓度的磷，通常会形成磷硅玻璃（掺P2O5的SiO2），会影响太阳电池的正常工作。可以将硅片浸入稀释的HF中溶解而去除，化学反应为：SiO2+6HF=H2(SiF6)+2H2O 三、铝背场三、铝背场为了改善硅太阳电池的效率，在pn结制备完成后，一般在硅片的背面即背光面，沉积一层铝膜，制备P层，称为铝背场，其作用是减少少数载流子在背面复合的概率，也可以作为背面的金属电极。制备铝背场的简便方法，是利用溅射等技术在硅片背面沉积一层铝膜，然后在8001000热处理，使铝膜和硅合金化并内扩散，形成一层高浓度掺杂的P层，构成铝背场。 四、金属电极四、金属电极为了将晶体硅太阳电池产生的电流引导到外部负载，需要在硅片pn结的两面建立金属连接，形成金属电极。过去太阳电池电极一般采用真空蒸镀技术或电镀法，但工艺复杂、成本昂贵；而且，硅片受光面的金属会遮挡光线，减少太阳光的吸收。目前，主要利用丝网印刷技术，在晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极。丝网印刷技术工艺成熟，它是把金属导体浆料按照所设计的图形，印刷在已扩散好杂质的硅片
33、正面和背面。然后，在适当的气氛下，通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触，从而形成太阳电池的上、下电极。金属电极的膜厚为1025m，金属栅线m。在利用光刻技术的情况下，栅线m以下。硅太阳电池的丝网印刷金属浆料是以超细高纯银或铅为主体金属，然后配以一定的辅助剂制成膏状，形成印刷浆料。随着技术的进步和环保要求，应严格控制有害元素铅的含量，因此无铅银浆将成为主要的印刷浆料。 五、减反射层五、减反射层晶体硅太阳电池的绒面结构可以减少硅片表面的太阳光反射，增加电池对光能的吸收。另外，在硅表面增加一层减反射层也是一种有效的减少太阳光反射的方法。减反射膜的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。具有单层减反射膜的硅片，其反射率可以降低到10以下。由理论技术可知，对于用玻璃封装的晶体硅太阳电池，玻璃的折射率n0为1.5，晶体硅的折射率nsi为3.6，最合适的减反射膜的光学折射率为：TiOx(x2)是常用的理想太阳电池减反射膜，具有较高的折射率（
34、2.02.7）。TiOx的制备可以利用氮气携带含有钛酸异丙酯的水蒸气，喷射到加热后的硅片表面上，发生水解反应，生成非晶TiOx薄膜，其化学反应式为：Ti(OC3H7)4+2H2O=TiO2+4(C3H7)OHSiNx是另一种常用的太阳电池的减反射膜。它具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和极好的光学性能，=632.8nm时，折射率在1.82.5之间；而且在氮化硅制备光程中，还能对硅片产生氢钝化的作用，明显改善硅太阳电池的光电转换效率。制备氮化硅减反射膜的反应温度一般在300400，反应气体为硅烷和高纯氨气，其反应式为：3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2 3.4 太阳能电池组件的封装太阳能电池组件的封装太阳能电池是由许多单个太阳能电池，即单体单体太阳能电池组成。单体单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小。一般输出电压只有0.5V左右，输出功率只有12W，不能满足作为电源应用的要求。为了提高输出功率，需将多个单单体体电池通过串联或并联，合理地连接起来，并封装成组件组件。在需要更大功率的场合，则需要将多个组件组件连接成为方阵方阵，以向负载提供数值更大的电流、电压输出。为了保证组件在室
35、外条件下使用2025年以上，必须要有良好的封装，以满足使用中对防风、防尘、防湿、防腐蚀等条件的要求。 一、组件单体电池的连接方式一、组件单体电池的连接方式将单体电池连接起来主要有串联和并联以及混合连接方式，如下图所示：(a)串联方式(b)并联方式+-+-+-+-+-+-(c)串、并混合方式 二、组件的封装结构二、组件的封装结构 玻璃壳体式玻璃壳体式晶体硅太阳能电池组件的封装结构，常见的有玻璃壳体式、底盒式、平板式、全胶密封式等多种。以下是组件的封装结构之一玻璃壳体式太阳能电池组件：玻璃壳体式太阳能电池组件示意图玻璃壳体式太阳能电池组件示意图1玻璃壳体；2硅太阳能电池；3互连条；4黏结剂；5衬底；6下底板；7边框胶；8电极接线柱 组件的封装结构之二组件的封装结构之二 底盒式底盒式底盒式太阳能电池组件示意图底盒式太阳能电池组件示意图1玻璃盖板；2硅太阳能电池；3盒式下底板；4黏结剂；5衬底；6固定绝缘胶；7电极引线互连条 组件的封装结构之三组件的封装结构之三 平板式平板式平板式太阳能电池组件示意图平板式太阳能电池组件示意图1边框；2边框封装胶；3上玻璃板；4粘结剂；5下底板；6硅太阳能
36、电池；7互连条；8引线电极引线 组件的封装结构之四组件的封装结构之四 全胶密封式全胶密封式全胶密封式太阳能电池组件示意图全胶密封式太阳能电池组件示意图1硅太阳能电池；2黏结剂；3电极引线互连条 三、组件的封装材料三、组件的封装材料1、上盖板上盖板覆盖在太阳电池组件的正面，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固、耐风霜雪雨、沙砾冰雹的冲击，起到长期保护电池的作用。目前，在商品化生产中普遍采用低铁钢化玻璃钢化玻璃为上盖板材料。2、黏结剂它是固定电池和保证上、下盖板密合的关键材料。要求其透光性好、具有一定的弹性、良好的绝缘性和优良的气密性。主要黏结剂有室温固化硅橡胶硅橡胶、聚氟乙聚氟乙烯烯（PVF）、乙烯聚醋酸乙烯酯乙烯聚醋酸乙烯酯（EVA）等。3、底板它对电池既有保护作用又有支撑作用。要求具有良好的耐气候性能、不易变形、与黏结材料结合牢固。一般所用的材料为玻璃、铝合金、有机玻璃以及PVF复合膜等。目前生产上较多应用的是PVF 复合膜复合膜。4、边框平板式组件应有边框，以保护组件和便于组件与方阵的连接固定，边框与黏结剂构成对组件边缘的密封。主要材料有不锈钢、铝合金、
37、橡胶、增强塑料不锈钢、铝合金、橡胶、增强塑料等。 四、组件封装工艺流程四、组件封装工艺流程平平板板式式硅硅太太阳阳能能电电池池组组件件封封装装工工艺艺流流程程第第 4 章章 太阳能发电系统的结构太阳能发电系统的结构太阳能发电系统概述太阳能发电系统概述蓄电池蓄电池逆变器逆变器控制器控制器 4.1 太阳能发电系统概述太阳能发电系统概述太阳能发电系统可以分为两大类型：一是独立光伏系统独立光伏系统，二是并网光伏系统并网光伏系统。独立光伏系统：是太阳能发电系统的最基本形式，广泛应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所，如偏远牧区、海岛、高原、荒漠等地区，提供照明、电器等生活用电。并网光伏系统：与公共电网相连接的太阳能发电系统，它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能发电技术发展的主流趋势。 独立光伏系统独立光伏系统 独立光伏系统独立光伏系统独立光伏系统独立光伏系统是光伏发电的最基本形式，该系统包括：太阳电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等。太阳能电池组件：是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。蓄电池：其
38、作用是储存太阳能电池发出的电能并随时向负载供电。目前，主要使用的是铅酸蓄电池。控制器：是光伏发电系统的核心部件之一。主要完成信号检测、最优化充电控制、蓄电池放电管理、设备保护、故障诊断、运行状态指示等。逆变器：是将直流电变换成交流电的设备。当负载是交流负载时，就需要使用逆变器设备。控制器蓄电池逆变器交流负载直流负载太阳电池组件 并网光伏系统并网光伏系统 并网光伏系统并网光伏系统并网光伏系统，可分为集中式大型光伏系统（或称大型并网光伏电站）和分散式小型光伏系统（或称住宅并网光伏系统）。大型并网光伏电站，发电直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。投资大、建设期长，同时占用土地，发电成本高。住宅并网光伏系统，一般与建筑物结合，容易建设、投资较小，在国家政策鼓励下，未来发展迅速。住宅并网光伏系统的特点，是所发的电能直接分配到住宅的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节。可以分为可逆流可逆流和不可逆流不可逆流并网光伏发电系统两种类型。 可逆流并网光伏系统可逆流并网光伏系统可逆流系统可逆流系统，是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于同电网供电方向相反，所以称为逆流。当光伏系统
39、电力不够时，则由电网供电。负载太阳电池方阵并网逆变器可可逆逆流流并并网网系系统统电网 不可逆流并网光伏系统不可逆流并网光伏系统负载太阳电池方阵并网逆变器不不可可逆逆流流并并网网系系统统电网不可逆并网系统，光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量，本系统电量不够时由电网供电，即光伏系统与电网并联向负载供电。这种系统，如果没有蓄能装置，产生的剩余电量只有通过某种手段加以处理或放弃。 4.2 蓄电池蓄电池蓄电池是独立光伏系统不可缺少的储能设备。其主要功能是当日照量减少或夜间不发电时补充负荷要求的功率。太阳能光伏发电系统对蓄电池的要求是：l自放电率低；l使用寿命长；l深放电能力强；l充电效率高；l少维护或免维护；l工作温度范围宽；l价格低廉。目前，光伏发电系统使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池铅酸蓄电池、特别是阀控式密封铅酸阀控式密封铅酸蓄电池蓄电池。 1、铅酸蓄电池的结构与原理、铅酸蓄电池的结构与原理铅酸蓄电池解剖图铅酸蓄电池解剖图 铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、外壳等组成。铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、外壳等组成。 极板极板极板极板极板极板是蓄电池的核心，在蓄电池充、放
40、电过程中，电能与化学能的转换是通过正、负极板上的活性物质与电解液中的硫酸进行电化学反应来实现的。蓄电池极板分正、负极板，由栅架和活性物质组成。正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质是铅（Pb）。单片极板上的活性物质数量少，所存储的电量少，为了增大电池容量，将正、负极板分别并联，中间插入隔板，组成正、负极板组。 电解液电解液电解液的作用是与极板上的活性物质发生电化学反应，实现电能与化学能的相互转换。由化学纯硫酸（H2SO4）和蒸馏水按一定比例配制而成。蓄电池的电动势大小取决于电解液的密度，密度越大，电动势越高。对于胶体蓄电池，还需要添加胶体，使硫酸液变为胶态。此时硫酸不仅是反应电解液，还是胶体所需的凝胶剂。 蓄电池的工作原理蓄电池的工作原理 （1）铅蓄电池的放电）铅蓄电池的放电在正极板处，由PbO2离解出的Pb4和电子结合变成Pb2，Pb2与电解液中的结合生成PbSO4沉附于极板上，反应如下：蓄电池和负载接通放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb都变成PbSO4，电解液中的H2SO4减少，相对密度下降。充电时按相反的方向变化，正、负极板上的PbSO4分别恢复成原
41、来的PbO2和Pb，电解液中的硫酸增加，相对密度变大。在负极板处，Pb原子失去电子后变成Pb2+,与电解液中的结合也生成PbSO4沉附于负极板上，而极板上的金属继续溶解，生成Pb2和电子。反应式如下：PbPb2+2ePb2+PbSO4 蓄电池的工作原理蓄电池的工作原理（2）铅蓄电池的充电）铅蓄电池的充电充电时，蓄电池的正负极与直流电源的正负极对应相接，当电源电压高于蓄电池的电动势时，电流从蓄电池的正极流入，负极流出。发生的化学反应与放电过程相反。在正极板处，有少量PbSO4进入电解液，离解为Pb2和，Pb2在电源作用下失去电子变为Pb4，与水离解出来的OH结合，生成Pb(OH)4，Pb(OH)4又分解为附于正极板上的PbO2和进入电解液中的H2O。正极板上的反应如下：在负极板处，也有少量的PbSO4进入电解液，离解为Pb2和，Pb2在电位差的作用下获得电子变成金属铅，沉附于负极板上。则与电解液中的H结合生成硫酸。PbSO4Pb2+Pb2+2ePb 2、铅酸蓄电池的电特性、铅酸蓄电池的电特性 静止电动势和内阻静止电动势和内阻1、静止电动势：静止电动势：在蓄电池内部工作物质的运动处于静止状
42、态（不充电也不放电）时，蓄电池的电动势称为静止电动势。静止电动势的大小取决于电解液的密度和温度，在电解液密度为1.0501.300g/cm3的范围内，有如下经验公式：Ej=0.84+252、内阻：内阻：蓄电池的内阻大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同条件下，内阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。在正常使用中的蓄电池，其内阻很小，约为0.01欧姆。 蓄电池的放电特性蓄电池的放电特性 放电特性，是指恒流放电时，蓄电池端电压放电特性，是指恒流放电时，蓄电池端电压 U、静止电动势、静止电动势 Ej 随放电时间而随放电时间而变化的规律。端电压变化的规律。端电压 UEIf R0 ，R0 是蓄电池的内阻，是蓄电池的内阻，If 是放电电流。是放电电流。T/hVoabcdeIf2.12.01.8蓄电池放电特性蓄电池放电特性EU过放电1.75VEj 蓄电池的放电特性蓄电池的放电特性单格蓄电池的放电可分为四个阶段：第一阶段（oa段，2.112.0V），开始放电阶段。充足电的蓄电池，经过2h以上稳定，电池的端电压等于静止电动势。开始放电时，端电压U从2.11V迅速下降到2V。这是由于放电之初极板孔隙内的少量
43、H2SO4参与反应很快被消耗，而远离极板的电解液扩散缓慢，不能及时补充，致使端电压迅速降低。第二阶段（ab段，2.01.85V），相对稳定阶段。极板孔隙外的电解液不断向极板孔隙内渗透，当渗透速度与化学反应速度达到相对平衡时，各处电解液浓度趋于一致，因而电池的端电压将随着电解液密度降低而缓慢下降到1.85V。第三阶段（bc段，1.851.75V），迅速下降阶段。在放电末期，电池极板上的活性物质已大部分变成为硫酸铅，由于硫酸铅的体积较大，在极板表面和微孔中形成的硫酸铅使极板外电解液渗入困难。同时硫酸铅的导电性能较差，致使内阻加大，所以蓄电池的端电压迅速下降。第四阶段（cd段，电压90%1250SOC70%670%SOC90%810%SOC50%4另外，将负载分成不同的等级，控制器根据蓄电池的剩余容量状态调整负载的功率，也可以达到同样的目的。对于负载时间和功率不允许自动调整的负载，可以将蓄电池的剩余容量用不同颜色的LED、数码管等显示出来，以便随时了解蓄电池的荷电状态。 2、控制器的分类、控制器的分类按照电路方式的不同，太阳能光伏系统控制器的充电过程控制可分为旁路型、串联型、旁路型、串联型、
44、脉宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型；脉宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型；按放电过程控制方式的不同，可分为常规放电控制型和剩余容量（常规放电控制型和剩余容量（SOC）放电全过程控制型。）放电全过程控制型。除了基本充放电控制功能外，还有附带自动数据采集、显示和远程通信功能的智能型控制器。1、旁路型控制器利用并联在太阳能电池方阵两端的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，把光伏方阵的输出分流到旁路电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉；当蓄电池电压回落到一定值时，再断开旁路并恢复充电。一般用于小型、低功率系统，结构简单，效率低。2、串联型控制器利用串联在回路中的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，开关器件断开充电回路，蓄电池停止充电；当蓄电池电压回落到一定值时，再接通充电回路。串联在回路中的开关器件还可以在夜间切断光伏方阵，取代防反充二极管。这类控制器，结构简单，价格便宜。3、常规放电过程控制器这种控制方式只设定蓄电池放电控制点，当蓄电池的电压降至这一点时，控制器将负载断开。这种控制方式比较简单，但当连续阴天或系统超负
45、荷运行时，蓄电池将不可避免地过放电，而一旦蓄电池的电压达到过放电点，系统将在蓄电池被充满之前被迫停止工作。 控制器的分类控制器的分类4、多路控制器一般用于5KW以上的大功率系统，太阳能电池方阵分成多个支路接入控制器。当蓄电池充满时，控制器将太阳能电池方阵逐路断开；当蓄电池电压回落到一定值时，控制器再将太阳能电池方阵逐路接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。这种控制方式，属于增量控制法，可以近似达到脉宽调制控制器的效果，路数越多，增幅越小，越接近线、两阶段双电压控制器将蓄电池的充电过程分为均衡充电和浮充充电两个阶段。开始充电时，电压调节器的调节电压点为2.452.5V/单体，这一点的电压又叫均衡充电电压。根据铅酸蓄电池的电化学原理，开始充电阶段，只有尽快达到这个电压值，蓄电池的电解液才能以最高效率完成电化学反应，充电效率最高。之后，充电电压必须立即下降，否则将开始造成电解液析气。系统在充电达到均衡充电电压以后，立即自动改变充电调节的电压保护点，由2.45V/单体改变为浮充电压保护点2.35V/单体，使蓄电池的整个充电过程始终保持在最高效率状态。 控制器的分类控制器的分类6、
46、脉宽调制型控制器以PWM脉冲方式开关控制光伏方阵的输入。这种充电过程其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的荷电状态，能够提高充电效率并延长蓄电池的循环寿命。7、最大功率跟踪型控制器由太阳能电池方阵的电压和电流相乘得到的功率值，判断太阳能电池方阵此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽、调制输出占空比、改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断。通过这样的寻优过程，可保证太阳能电池方阵始终运行在最大功率点。同时，采取PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，减少蓄电池的极化，提高充电效率。8、蓄电池放电全过程控制器根据蓄电池的剩余容量（SOC）对蓄电池的放电进行全过程控制，即除了设定蓄电池的过放电点（SOC0）外，再增加几个控制点（SOC70和SOC50等）。每天系统放电之前，先检测蓄电池的剩余容量，设定当天的负荷功率或工作时间。可以有效地避免蓄电池的过放电和恶性停机。9、智能控制器采用微处理器（51系列、AVR系列单片机、ARM等）对光伏系统的运行参数进行高速实时采集，由软件算法完成状态指示、充电管理、放电控制以及远程通讯等工作。 3、几种光伏控制
47、器的基本电路、几种光伏控制器的基本电路（1）单路旁路型充放电控制器电路原理图，如下所示太阳电池方阵开关器件检测控制电路蓄电池负载T1BxD2开关器件T2D1单路旁路型充放电控制器电路原理图 单路旁路型充放电控制器单路旁路型充放电控制器开关T1并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，太阳电池方阵的输出直接通过T1泄放，不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。D1为“防反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才导通，反之截止，保证夜间或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电，起到“防反向充电保护”的作用。开关器件T2为蓄电池放电开关。当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通，使蓄电池通过D2短路放电，产生很大的电流快速将保险丝Bx烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充
48、满切断电压”时，T1导通，进行过充电保护；当电压小于“过放电压”时，T2关断，进行过放电保护。 单路串联型充放电控制器单路串联型充放电控制器太阳电池方阵开关器件检测控制电路蓄电池负载T1BxD2开关器件T2D1单路旁路型充放电控制器电路原理图单路串联型充放电控制器原理图，如下所示。与并联旁路型充放电控制器电路相似，惟一区别是开关器件T1串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切断电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”的作用。 过欠电压检测控制电路过欠电压检测控制电路控制器的过、欠电压检测控制电路原理图如下所示：A1G1R1W1接蓄电池A2G2R2W2过电压检测控制欠电压检测控制过电压检测控制电路：A1为比较运算放大器，其同相输入端接由W1提供的“过电压”基准电压，反相端接被测蓄电池。当蓄电池电压大于“过电压”基准电压时，输出端G1为低电平，切断充电回路。欠电压检测控制电路：A2的反向输入端接由W2提供的“欠电压”基准电压，同相端接蓄电池电压。当蓄电池电压小于“欠电压”基准电压时，输出端G2为低电平，停止对负载供电。 多路充电控制器多路充电控制器P1至Pn
49、是各个支路太阳能电池列阵，D1至Dn是各个支路的防反充二极管，A1和A2分别是充电电流表和放电电流表，V为蓄电池电压表，L表示负载，B为蓄电池组。当蓄电池充满时，控制电路将开关S1至Sn顺序断开。当第1路P1断开后，如果蓄电池电压低于设定值，则控制电路等待；直到蓄电池电压上升到设定值，再断开第2路P2，再等待；如果蓄电池电压不再上升到设定值，则其它支路保持接通充电状态。当蓄电池电压低于恢复点电压时，被断开的太阳能电池方阵支路依次顺序接通。LA1A2VS1S2Sn-1SnD1D2Dn-1DnP1P2Pn-1PnB 简单实用的太阳能草坪灯电路简单实用的太阳能草坪灯电路PR2P：光伏电池；R2：光敏电阻；K：总开关有光照R2Q1基极电压Q1导通Q2基极与发射极短路Q2截止LED灭 基于单片机的光伏系统基于单片机的光伏系统5V电压测蓄电池电压负载开关光伏电池6V蓄电池LED负载测光伏电池电压 4.4 逆变器逆变器逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过交直流发动机的旋转方式逆变技术，发展到20世纪6070年代的晶闸管逆变技术。而21世
50、纪的逆变技术多数采用了功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、可关断晶闸管（GTO）、MOS控制晶闸管（MCT）等多种先进且易于控制的功率器件。控制电路从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。逆变装置将向着体积更小、效率更高、性能指标更优秀的方向发展。目前国内光伏发电系统主要是以直流DC系统和独立（Stand-alone）型DC-AC系统为主，即将太阳能电池发出的电能给蓄电池充电，再由蓄电池通过充放电控制器直接给负载供电。光伏发电的发展趋势是进入民用电力，而民用电力大多使用交流负载，以直流电力供电的光伏电源系统很难商品化普及推广，因此光伏逆变器成为技术关键。另外，从发展趋势看，光伏发电最终将实现以并网运行为主，必须采用交流供电系统，DC-AC逆变器在光伏系统应用中具有十分重要的作用。 1、光伏系统对逆变器的要求、光伏系统对逆变器的要求逆变器的主要分类按输出电压波形：方波逆变器、正弦波逆变器、阶梯波逆变器。按输出交流电的相数：单相逆变器、三相逆
51、变器、多相逆变器。按电路的拓扑结构：推挽逆变器、半桥逆变器、全桥逆变器。按是否有源：有源逆变器、无源逆变器。按输出交流电的频率：低频、工频、中频、高频逆变器。逆变器有许多技术指标，重要的有：额定容量；额定功率；输出功率因数；逆变效率；额定输入电压、电流；额定输出电压、电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；畸变因数；峰值子数。在太阳能光伏发电系统应用中的逆变器，有其特殊的设计与使用上的要求：对输出功率和瞬时峰值功率的要求；对逆变器输出效率的要求；对逆变器输出波形的要求；对逆变器输入直流电压的要求。 2、逆变器的基本原理、逆变器的基本原理逆变器与正变换正好相反，它使用具有开关特性的功率器件，通过一定的控制逻辑，由主控制电路周期性地对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升（或降）压、整形滤波得到需要的交流电。（1）推挽式逆变电路原理VT1VT2直流电源TRCL1Uo推挽电路拓扑结构U00Ug1Ug2t1t2t3t4TT推挽电路波形 推挽式逆变电路推挽式逆变电路推挽式逆变电路由两只共负极的功率开关器件VT1、VT2和一个初级带有中心抽头的升压变压器T组成。在t1至t2时刻，驱动信号Ug1
52、控制功率开关管VT1导通，VT2截止，变压器T输出端为正电压；而在t3至t4时刻，驱动信号Ug2控制功率开关管VT2导通，VT1截止，变压器T输出端为负电压。若负载为感性负载，则变压器内的电流波形连续，输出电压、电流波形如下。UoIo可以通过调节VT1和VT2的占空比来调节输出电压的平均值。推挽式方波逆变器的电路拓扑结构简单，变换效率低，适应于直流电压较低的场合。 半桥式逆变电路半桥式逆变电路+-C1C2UdUoRLVT1VT2Id半桥式电路拓扑结构两只串联电容的中点作为参考点，当开关元件VT1导通时，电容C1上的电能释放到负载RL上；当VT2导通时，电容C2上的电能释放到负载RL上；VT1和VT2轮流导通，在负载两端获得了交流电能。半桥型逆变电路，适合于高频逆变场合。 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路也称“H桥”电路，由两个半桥电路组成。当Q1与Q3同时导通时，负载电压UOUd；当Q2与Q4同时导通时，负载电压UOUd；Q1、Q3和Q2、Q4轮流导通，负载两端就得到交流电能。+-UdRL单相全桥式电路拓扑结构Q2Q3Q1Q4D2D3LLUoD1D4IL 3、光伏逆变器
53、、光伏逆变器光伏逆变器主电路的拓扑结构，多数采用三级结构（DCACDCAC），也有采用单级（DCAC）或两级（DCDCAC）式结构。中小功率的光伏系统其PV列阵的直流电压都不太高，而且大电流的功率开关管的额定耐压值也都比较低，要得到220V或380V的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其输出都必须加升压变压器，其拓扑结构一般采用二级、三级结构。由于工频升压变压器体积大、效率低、价格贵。近年来，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频开关技术和软开关技术实现逆变，可实现高功率密度逆变。该逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，工作频率在20KHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，体积小、重量轻。高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经过高频整流滤波电路得到高压直流电（300V以上），再通过工频逆变电路实现逆变，得到220V或380V交流。目前商用正弦波逆变器大多采用这种三级结构，首先将PV方阵输出的低压（24V、48V，也有110V以上）的直流通过高频（几千赫兹到几十千赫兹）逆变为方波交流AC，通过升压变压器整流滤波后变为高压（110V以上）直流DC，然后经过三级DCAC逆变
54、为所需的工频交流电（220V或380V）。逆变电源中常用的控制电路主要针对驱动电路提供要求的逻辑与波形，如PWM、SPWM控制信号等。比较常用的芯片有：INTEL公司的8XC196系列，摩托罗拉公司的MP16，MICROCHIP公司生产的PIC16C73，德州仪器的TMS320F206、TMS320F240、SG3525等。 光伏并网系统中的逆变电路光伏并网系统中的逆变电路光伏并网发电系统中逆变电路原理框图如下所示。PV组件列阵充放电控制器DC/DCDC/AC滤波交流电网交流负载蓄电池组（1）DC/DC 电路控制原理电路控制原理控制电路以集成电路芯片SG3525为核心，SG3525是单片高性能PWM控制器，包含精确的电压基准、高频振荡器、误差放大器、比较器、软启动电路及关闭电路。 DC/DC 电路控制原理电路控制原理推挽式高频逆变电路高频变压器整流滤波磁饱和检测电压/电流检测SG3525PWM输出UPVUOUT采用采用 SG3525 实现的实现的 DC/DC 变换控制框图变换控制框图SG3525输出的两路50Hz的驱动信号，驱动推挽电路开关管VT1和VT2（参考推挽电路图）。该控制电路
55、还具有限制输出过流过压的保护功能。当检测到DC/DC变换器输出电流过大时，SG3525将减小门极脉冲的宽度，从而降低输出电压和输出电流。由于推挽式电路容易因直流偏磁导致变压器饱和，本电路还设计了磁饱和检测电路磁饱和检测电路，当流经推挽电路的两个支路电流失衡时，启动SG3525的软启动功能，使DC/DC变换器重新启动，变压器复位。 偏磁检测电路偏磁检测电路DSP/MCU1:200C1R1R2RV1C2U1D1T1偏磁检测电路如图所示。图中只画出了磁环的副边，原边两个线圈接在主电路的变压器原边的两个绕组上，流过线圈的电流方向要相反。当变压器发生偏磁时，某一方向的电流异常大，通过电流互感器T1放大、检测，可在互感器的输出电阻R1上产生电压，使稳压二极管D1导通，在电位器RV1上产生压降，经U1运算放大提供给DSP或MCU的检测引脚，进行处理和控制。 DC/AC 控制原理控制原理（2）DC/AC控制原理ADCADCINTSPWMTMS320F240输入直流电压采样开关驱动电路输出交流电压采样电网电压同步跟踪PV组件列阵电压DC/DC变换DC/AC逆变220V/380电网DSP 实现的实现的 D
56、C/AC 控制原理图控制原理图 DC/AC 控制原理控制原理采用美国德州仪器公司生产的高性能DSP芯片TMS320F240作为控制核心，通过对输入直流电压和逆变输出的交流电进行采集及一系列的合成运算，生成SPWM调制信号，将PV组件列阵的直流电压逆变为稳定的正弦波交流电。本系统是一个与市电电网并网的光伏系统，TMS320F240还增加了对市电电网电压信号的同步跟踪采集过程。其目的是为了保证并网逆变输出的交流电压与电网的电压波形严格保持同频、同相，使并网系统的有功功率输出最大，避免造成对公共电网的电力污染，具有好的电磁兼容性。电压同步信号的检测：电压同步信号的检测：为了保持与电网电压的同频同相，必须实时捕获电网的电压过零信号，由DSP检测到过零信号的上升沿时触发同步中断，以此时刻作为时间的基准，作为正弦波信号的起点。要得到电压过零信号，可通过同步变压器降压得到电网电压信号，再滤波整形为同步方波信号，再送DSP的外部中断口进行检测得到。交流电同步信号交流电第第 5 章章 光伏系统的控制光伏系统的控制基本原理基本原理MPPT 控制采用的控制采用的 DC/DC 结构结构MPPT 控制的几种算法
57、控制的几种算法最大功率点跟踪控制最大功率点跟踪控制(MPPT )最大功率点跟踪控制最大功率点跟踪控制太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压将发生变化，输出功率也会产生很大变化，太阳能电池本身是一种极不稳定的电源。如何在不同的条件环境下，提高光伏系统的效率，在理论和实践上提出了太阳能电池的最大功率点跟踪MPPT（MaximumPowerPointTracking）问题。+UiRiRoUoI+-电源简单的线性电路图一般的线性电气系统中，为使负载获得最大功率，要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，负载就可以获得最大功率。设Ui为电源电压，Ri为内阻，Ro为负载电阻，负载消耗的功率P为PI2Ro(Ui/(Ri+Ro)2Ro当RoRi时，P取得最大值。 5.1 基本原理基本原理在光伏系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，还受温度及负载的影响，处于不断变化中，从而不可能用简单的方法来获得最大功率输出。UP0Pmax(=IpmaxUpmax)Upmax太阳能电池列阵的PU曲线由太阳能电池列阵的PU曲线，以Pmax点为界，分为曲线的左、右两侧。当工作电压小于U
58、pmax，即最大功率点的左侧，输出功率将随着输出电压的升高而增大；当工作电压大于Upmax，即最大功率点的右侧，输出功率将随着输出电压的升高而减小。最大功率点的跟踪（MPPT）控制是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池列阵端电压，使列阵能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。 5.2 MPPT 控制采用的控制采用的 DC/DC 结构结构太阳电池列阵UPVC+uiLUbRiOL太阳电池列阵UPVC+uiLUbRiOL太阳电池列阵UPVC+uiLUbRiOLDC/DC 变变换换电电路路拓拓扑扑结结构构图图 5.3 MPPT 控制的几种算法控制的几种算法在太阳能光伏发电系统的开发和应用过程中，由于太阳能电池的转换效率比较低，所以对于最大功率跟踪技术的研究一直是重要的课题内容，现在已取得了多种控制算法。其中主要有：定电压跟踪法定电压跟踪法功率扰动观察法功率扰动观察法增量电导法增量电导法滞环比较法滞环比较法模糊控制法模糊控制法 1、定电压跟踪法、定电压跟踪法从太阳能电池的I-U曲线可以看出，在光照强度较高时，各曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明电池列阵的最大功率点大致
59、对应于某个恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计，即只需从生产商处获得最大功率点输出对应的电压数据，并使太阳能电池列阵的输出电压钳位于Upmax值即可。实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，构成了定电压跟踪（CVT）式的MPPT控制。采用定电压跟踪（CVT）较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可多获得20的电能。0Tc=251.0kW/m20.4kW/m2电压（V）太阳能电池IU特性曲线电流（A）Pmax定电压跟踪法忽略了温度对太阳电池列阵开路电压的影响，以单晶硅太阳电池为例，温度每升高1时，开路电压将下降0.40.5。为了克服温度变化的影响，可采取折中的办法：按季节通过电位器手动调节设定不同的UPmax；微处理器查询数据表格，将不同温度下测得的UPmax存储于EEPROM或FLASH中，实际运行时根据实测温度确定当前的UPmax。采用定电压跟踪法实现MPPT控制，具有良好的可靠性和稳定性，目前仍被较多使用。随着光伏系统控制技术的计算机化和微处理器化，该方法逐渐被新方法所替代。 2、功率扰动观察法、功率扰动观察法（1）功率扰动观察法的原
60、理其原理是先给一个扰动输出电压信号（UPVU），再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向同一（U）方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往反（U）方向扰动。通过不断扰动使太阳电池列阵输出功率趋于最大值。让DC/DC电流通流率（占空比）连续变化，可得到功率的输出控制特性曲线，如右图所示。设DC/DC变换器通流率的变化增量恒定时，扰动观察法寻找最大功率点的过程如下：当增加时，P单调增加，则应让进一步增加；当增加时，P单调减小，则应让减少；当减少时，P单调增加，则应让进一步减少；当减少时，P单调减少，则应让增加。0.000.200.400.600.801.00Pmax10.0020.0030.00输出功率P（W）通流率ABDC 功功率率扰扰动动观观察察法法软软件件流流程程开始0.5PWM输出采集U、I数据，A/D转换计算Pn=UI0.01n+1n+nPWM输出采集U、I数据，A/D转换计算Pn+1=UInn1PnPn+1n+1n-nYN 3、增量电导法、增量电导法扰动观察法通过调整工作点电压，使之逐渐接近最大功率点电压，实现太阳能电池最大功率跟踪，
61、这种方法并不知道最大功率点的大致方向，不能适应日照量的急剧变化。增量电导法，避免了扰动观察法的盲目性，可以判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。设太阳能电池输出功率为：PUI（1）对上式U求导：（2）如果达到最大功率点的条件：当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏电池阵列工作于最大功率点。 增量电导法增量电导法假设最大功率点电压为Umax，由太阳能电池P-U特性曲线可知，当时，UUmax；当时，UUmax。将上述三种情况带入式（2），可得： 首先判断 dU 是否为0，如果dU=0，dI=0，则认为找到了最大功率点，不需要调整； 如果dU=0, dI0，则依据dI的正负来调整参考电压； 如果dU 0，则依据 dI/dU 与 I/U 之间的关系来调整工作点电压，从而实现最大功率点跟踪。 增量电导法流程图增量电导法流程图系统初始化采样U(k),I(k)dI=I(k)-I(k-1)dU=U(k)-U(k-1)G=-I(k)/U(k)dU=0?G=dI/dUG=G?GG?V=V+VV=V-VV=V-VV=V+V返回dI=0?dI0? 4、滞环比较法、滞环比较法滞环比较法，是针对太阳日
62、照量不会快速变化的特点，可有效避免多余的扰动可能带来较多的损失或误判错误。在太阳能电池P-U特性曲线的顶点附近任意取A、B、C三点不同的位置，所得到的结果可分为下列五种情况。设定一个比较运算变量符Tag，C点与B点比较，若C=B，则Tag1，否则Tag=1；B点与A点比较，若B=A，则Tag=1，否则Tag1。当三点比较完之后，各段Tag的值相加。若Tag2，则工作电压扰动量D应往右移动；若Tag2，则工作电压扰动量D应往左移动；若Tag0，则表示到达顶点（最大功率点），D值将不改变。ABCBACABCCBAABCA、B、C三点功率的检测，先读取B点功率为立足点，再增加D读取C点功率，再减少两倍D读取功率值当作A点。连续检测三点功率后再比较大小计算Tag值，由此值来判定立足点应往C点移动、A点移动或是不动。 滞环比较法控制流程滞环比较法控制流程开始输出Db测量Ub、IbDc=Db+D测量Uc、IcDa=DbD测量Ua、Ia计算Pa、Pb、PcPcPbPbPaTag=2Tag=2Tag=Tag+1Tag=Tag+1清除Tag返回Tag=Tag1Tag=Tag1Db=DcDb=DaNNNN
63、YYYY第第 6 章章 光伏发电系统设计光伏发电系统设计光伏系统的容量设计光伏系统的容量设计太阳电池板最佳倾角设计太阳电池板最佳倾角设计并网光伏系统设计并网光伏系统设计太阳能光伏系统性能分析太阳能光伏系统性能分析6.1 光伏系统的容量设计光伏系统的容量设计光伏系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计光伏系统容量设计的主要目的，是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在最大可靠性基础上尽量减少系统成本。 在进行光伏系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置；该地区的气象资料独立光伏系统软件设计独立光伏系统软件设计1、设计的基本原理、设计的基本原理太阳电池组件设计的一个主要原则是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求，同时保证在天气条件有别于平均值的情况下协调工作。设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要，要考虑在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电，全年都能达到全满状态。这样可以延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。2、蓄电池设计方法、蓄电池设计方法蓄电池
64、的设计要保证在太阳光照连续低于平均值的情况下，负载仍可以正常工作。假定开始时蓄电池是充满电的，在光照度低于平均值的情况下，太阳电池组件产生的电能不能填补负载从蓄电池消耗的能量，蓄电池处于未充满状态。如果第二天光照度仍然低于平均值，负载仍然要从蓄电池消耗能量，蓄电池的荷电状态继续下降。为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能够允许持续一定的时间。基本公式为了量化评估太阳光照连续低于平均值的情况，需要引入一个参数：自给天数自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下，负载仍能正常工作的天数。自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。要求不很严格的光伏应用，自给天数为35天；要求很严格的光伏应用系统，自给天数为714天。（1）蓄电池容量）蓄电池容量BC=QLNLCC(Ah)QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数； NL为最长连续阴雨天数； CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用5
65、0%DOD。（2）蓄电池串并联）蓄电池串并联并联蓄电池数目串并联蓄电池总数l选择大容量的蓄电池，减少使用组数。l并联的数目不要超过4组。例1：乡村小屋的光伏供电系统。该小屋只是在周末使用，可以使用低成本的浅循环蓄电池以降低系统成本。该乡村小屋的负载为90Ah/天，系统电压为24V。我们选择自给天数为2天，蓄电池允许的最大放电深度为50，那么：蓄电池容量2天90Ah/0.5360Ah如果选用12V/100Ah的蓄电池，那么需要该蓄电池2串联4并联=8个例例2：一个小型的交流光伏应用系统，负载的耗电量为10kWh/天，选择使用的逆变器的效率为90，输入电压为24V，可得所需的直流负载需求为：10000Wh0.924V462.96Ah假设这是一个负载对电源要求不很严格的系统，可以根据天气调整用电。选择自给天数为5天，使用深循环电池，放电深度为80，则蓄电池容量5天462.96Ah/0.82893.51Ah如果选用2V/(400Ah)的单体蓄电池，那么需要串联的电池数串联蓄电池数24V/2V12（个）需要并联的蓄电池数并联蓄电池数2893.51/400=7.23，取整数为8。该系统需要使用2V
66、/400Ah的蓄电池个数为：12串联8并联96（个）蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度。蓄电池的放电率影响：蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。光伏系统的平均放电率公式如下：平均放电率(小时)=自给天数X负载工作时间/最大放电深度公式设计修正负载工作时间:对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数； 对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下： 加权平均负载工作时间=负载功率X负载工作时间/负载功率 蓄电池温度放电率容量曲线环境温度影响蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（25）下蓄电池参数计算出来的容量要大。低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久损坏。铅酸蓄电池最大放电深度温度曲线)蓄电池容量设计修正公式：BC=AQLNLTOCC(Ah)式中：A为安
67、全系数，取1.11.4之间；TO为温度修正系数，一般在0以上取1，10以上取1.1，10以下取1.2； 3、光伏组件方阵设计、光伏组件方阵设计光伏组件设计的基本原则就是满足年平均日负载的用电需求。基本计算公式如下：Ns=UR/Uoc=（UfUDUc）/Uoc式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取0.7V；UC为其它因数引起的压降。光伏组件设计的修正a.将太阳电池组件输出降低10b.将负载增加10考虑了上述因素，对简单的太阳电池组件设计公式进行修正，得到下面的修正公式1：太阳能电池组件并联数Np修正公式2：将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表1）：H=Ht2.77810000h（3）式中：2.77810000（hm2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。光伏组件设计需要注意的问题（1）季节变化对光伏系统输出的影响。（2）根据气候条件选择合适的太阳电池组件。太阳电池组件的输出与串联太阳电池片的数量有关。
68、另外，太阳电池在光照下的电压会随着温度的升高而降低。根据这一物理现象，太阳电池组件生产商设计、生产了不同的组件：36片串联组件与33片串联组件。36片电池组件适用于高温环境应用。33片电池组件适用于温和气候环境下使用。（3） 光伏组件方阵设计光伏组件方阵设计光伏组件方阵设计光伏组件方阵设计峰值日照时数估算法峰值日照时数估算法该方法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000W/m2照射的小时数小时数，将该小时数小时数乘以太阳电池组件的峰值电流峰值电流就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数安时数。例如，某个地区倾角30的斜面上按月平均每天的辐射量为5.0kWh/m2，可以将其写成5.0h1000W/m2。对于典型的75W太阳电池组件（Ump=17V），Imp为4.4A，可以得出每天发电的安时数为5.04.422.0Ah/天。使用峰值日照时数估算法存在一些缺点，因为在该方法中做了一些简化，导致估算结果和实际情况有一定的偏差。首先，太阳电池组件输出的温度效应被忽略；其次，利用了气象数据中测量的总的太阳辐射，将其转换为峰值小时，估算会有偏差；再次，该方法假设太阳电池组件的
69、输出和光照完全成线性关系，并假设将太阳光辐射全部转化为电能，这样会过高地估算太阳电池组件的输出。 光伏组件方阵设计光伏组件方阵设计示例一个光伏供电系统，采用典型的Wmp=75W太阳电池组件（Ump=17V）。该系统使用直流负载，负载24V，400Ah/天。该地区最低的光照辐射是一月份，如果采用30的倾角，斜面上的平均日太阳辐射为3.0kWh/m2。假设蓄电池的库仑效率为90，太阳电池组件的输出衰减为10。设计过程：（1）平均日太阳辐射3.0kWh/m2，相当于3个标准峰值小时，对于一个75W太阳电池组件（Imp=75/17=4.4A），每天的输出为组件日输出4.4A3.0峰值小时13.2Ah/天（3）串联组件数量系统电压（V）/组件电压（V）24/12=2根据以上计算数据，可以选择并联组件数量为38，串联组件数量为2，所需的太阳电池组件数为：2串38并76块太阳能电池组件日发电量QpQp=IocHKopCzAh(4)式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数（参照表1）；Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。两组最长连续阴雨天之间的
70、最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=AQLNLAh(5)太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：Np=（BcbNwQL）/（QpNw）(6)式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=PoNsNpW（7）式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。例1、以广州某地面卫星接收站为例，负载电压为12V，功率为25W，每天工作24h，最长连续阴雨天为15d，两最长连续阴雨天最短间隔天数为30d，太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的38D975400型组件，组件标准功率为38W，工作电压17.1V，工作电流2.22A，蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，浮充电压为（141）V。其水平面太阳辐射数据参照表1，其水平面的年平均日辐射量为12110（kJ/m2），Kop值为0.885，最佳倾角为16.13，计算太阳能电池方阵功
71、率及蓄电池容量。（1）蓄电池容量BcBc=AQLNLTo/CC=1.2（25/12)24151/0.75=1200Ah（2）太阳能电池方阵功率P因为：Ns=UR/Uoc=（UfUDUC）/Uoc=（140.71）/17.1=0.921Qp=IocHKopCz=2.2212110（2.778/10000）0.8850.85.29AhBcb=AQLNL=1.2(25/12)2415=900AhQL=(25/12)24=50AhNp=（BcbNwQL）/(QpNw）=(9003050)/(5.2930)15故太阳能电池方阵功率为：P=PoNsNp=38115=570W（3）计算结果该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为570W，蓄电池容量为1200Ah。 6.2 太阳电池板最佳倾角设计太阳电池板最佳倾角设计在光伏系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。光伏组件方阵的放置形式有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪装置包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装置。与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：太阳电池组件倾角
72、；太阳电池组件方位角。太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。对于固定式光伏系统，一旦安装完成，太阳电池组件倾角和太阳电池组件方位角就无法改变。而安装了跟踪装置的太阳能光伏系统，光伏组件方阵可以随着太阳的运行而跟踪移动，使太阳电池组件一直朝向太阳，增加了光伏组件方阵接收的太阳辐射量。但目前使用跟踪装置的光伏系统比较少，因为跟踪装置复杂，初始成本和维护成本较高。地面应用的独立光伏系统，组件方阵平面要朝向赤道，相对地面有一定的倾角。倾角不同，各个月份接收到的太阳辐射量差别很大。因此，确定方阵的最佳倾角是光伏系统设计中不可缺少的重要环节。有观点认为方阵倾角等于当地纬度为最佳。这样的结果是，夏天组件发电量往往过盈而浪费，冬天时发电量不足而处于欠充电状态。也有观点认为，方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份得到最大的太阳辐射，推荐方阵倾角在当地的纬度的基础上再增加1520。这样的观点也不一定妥当，往往会使夏季获得的辐射量过少，导致全年得到的太阳辐射量偏小。 1、水平面上的太阳辐射转换成斜面上太阳
73、辐射数据、水平面上的太阳辐射转换成斜面上太阳辐射数据倾斜面上的太阳辐射总量Ht由直接太阳辐射量Hbt、天空散射量Hdt和地面反射量Hrt三部分组成。Ht=Hbt+Hdt+Hrt定义Rb=Hbt/Hb，Rb为倾斜面上直接辐射量Hbt与水平面上直接辐射量Hb之比。上式中，s为太阳电池组件倾角；为太阳赤纬；hs为水平面上日落时角；hs为倾斜面上日落时角；L为当地纬度。太阳赤纬是太阳光线与地球赤道面的交角，变化范围2327。计算公式：23.45sin(360（284n）/365）式中n为一年中的天数。水平面上日落时角hs的表达式如下：hs=cos-1(-tanLtan)倾斜面上日落时角hs的表达式如下：hs=minhs，cos-1(-tanL-s)tan)Isc为太阳常数，可以取Isc=1367W/m2。对于地面反射辐射量Hrt，其公式如下Hrt=0.5H（1coss）式中，H为水平面上总辐射量；为地物表面反射率。这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式为式中，Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量；H0为大气层外水平面上太阳辐射量，其计算公式如下 2、倾斜面上太阳辐射量计算、倾斜面上太阳辐射量计算
74、对于天空散射采用Hay模型。Hay模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表示为： 3、基本计算步骤、基本计算步骤根据以上公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化为斜面上太阳辐射数据，基本的计算步骤如下：确定所需的倾角s和系统所在地的纬度L。找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料H。确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角hs和倾斜面上的日落时间角hs，这两个几何参数只与纬度和日期有关。确定地球外的水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射H0，该参量取决于地球绕太阳运行的轨道。计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb。计算直接太阳辐射量Hbt。计算天空散射辐射量Hdt。确定地物表面反射率，计算地物反射辐射量Hrt。将直接太阳辐射量Hbt、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt相加，得到太阳辐射总量Ht。 4、独立光伏系统最佳倾角的确定、独立光伏系统最佳倾角的确定对于负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统，太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大。为此，引入一个量化参数，即辐射累积偏差，其数学表达式为Ht为倾角斜面上各月平均
75、太阳辐射量；为该斜面上年平均太阳辐射量；M（i）为第i月的天数。的大小直接反映了全年辐射的均匀性，越小辐射均匀性越好。按负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统的要求，理想情况是选择某个倾角使得为最大值、为最小值。但实际情况是，二者所对应的倾角有一定的间隔，因此选择太阳电池组件的倾角时，只考虑最大值或取最小值必然会有片面性，应当在二者所对应的倾角之间进行优选。为此，需要定义一个新的量来描述倾斜面上太阳辐射的综合特性，称其为斜面辐射系数K，其数学表达式为式中，为水平面上的年平均太阳辐射量。由于和都与太阳电池组件的倾角有关，所以当K取极大值时，应当有求解上式，即可求得最佳倾角。 5、我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角、我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角城市纬度/最佳倾角城市纬度/最佳倾角哈尔滨45.683杭州30.233长春43.901南昌28.672沈阳41.771福州26.084北京39.804济南36.686天津39.105郑州34.727呼和浩特40.783武汉30.637太原37.785长沙28.206乌鲁木齐43.7812广州23.137西宁36.751海口20.0312兰州36.
76、058南宁22.825银川38.482成都30.672西安34.3014贵阳26.588上海31.173昆明25.028南京32.00529.708合肥31.8596.3并网光伏系统设计光伏并网发电包括如下几种形式：纯并网光伏系统具有UPS功能的并网光伏系统并网光伏混合系统并网光伏系统的最佳倾角 在并网光伏系统中如何选择最佳的倾角使太阳电池组件全年的发电量最大是主要问题。通常该倾角值为当地的纬度值。 最佳倾角的选择都是需要根据实际情况进行考虑。安装地点的限制-（BIPV）工程建筑的美观度纯并网光伏系统，系统中没有使用蓄电池，太阳电池组件产生的电能直接并入电网，系统的直接给电网提供电力。具有UPS 功能的并网光伏系统，这种系统使用了蓄电池，所以在停电的时候，可以利用蓄电池给负载供电，还可以减少停电造成的对电网的冲击。并网光伏混合系统。它不仅使用太阳能光伏发电，还使用其他能源形式。负载负载太阳电池市电蓄电池具有UPS功能的并网光伏系统6.4太阳能光伏系统性能分析目的：了解已建成的光伏系统的工作状况，看系统是否能够正常工作；通过各种参量的分析找出对该系统性能产生影响的主要因素，为将来的光
77、伏系统建设积累经验数据。重要部分：了解太阳电池组件的输出情况，即太阳电池组件的发电发电情况随温度温度、辐射辐射变化而改变的关系。 从理论上讲，对太阳电池组件输出有很大影响的因素就是太阳电池组件的电池片温度和太阳电池组件所接收的太阳辐射。为了分析的需要，还有必要整理出太阳电池组件温度和环境温度的关系，以及太阳电池组件的输出随天气状况变化而改变的关系。在已知太阳电池组件的输出情况以后，对于独立和混合系统，考虑到负载的需要还可以作出系统太阳电池组件输出、负载需求时间的曲线，根据该曲线就可以了解在一年中的每一个月份，太阳电池组件的输出是否能够满足负载的实际需求。第7章太阳能光伏发电系统的应用应用：与电网联系系统-太阳能空调器独立系统-太阳能电动车太阳能照明系统太阳能空调器的开发1、家用太阳能空调器系统的开发背景2、太阳能空调器系统的构成单方向型系统双方向型系统3、实际应用效果抑制夏季尖峰功率的效果减少CO2效果太阳能电动车1、太阳能电动车的工作原理车身表面的太阳能电池镶嵌板把太阳能转化成电能，再通过最大功率跟踪装置给负荷供给能量。2、太阳能电动车的研究方向提高太阳能电池的转换效率最大功率跟踪技
78、术蓄电池充放电技术3、太阳能电动车的系统总体设计六部分组成：太阳能电池阵列；DC/DC变换器；A/D转换回路；控制电路；蓄电池；辅助电源（PFC整流部分）太阳能光伏照明系统太阳能光伏照明系统太阳能光伏照明系统概述太阳能光伏照明系统概述 太阳能照明系统以太阳能为能源，白天充电晚上用，无需外接电源，安全可靠，绿色节能，充电及开关灯，无需人工操作，使用寿命长。是现代生活环境中理想的照明工具。 太阳能照明系统控制模式一般分为光控方式和计时控制方式，一般采用光控或者光控与计时组合工作方式。黄昏时分当电池板没有充电电流超过5分钟时，系统默认为天黑，控制器启动将灯点亮，同时开始计时。当计时到设定时间时光源自动关闭。太阳能照明系统的工作原理 利用“光生伏打”效应原理制成的太阳能电池板在白天接收太阳辐射能并转化为电能输出经过充放电控制器储存在蓄电池中夜晚当照度逐渐降低至设定照度值。太阳能电池板开路电压达到设定电压后充放电控制器检测到这一电压值后立即动作蓄电池便开始对光源放电。蓄电池放电达到设定小时后充放电控制器立即动作蓄电池放电结束。太阳能光伏照明系统特点太阳能光伏照明系统特点清洁、环保长寿命高效率高亮
79、度便捷管理安全可靠施工快捷、方便太阳能光伏照明系统组成部分太阳能光伏照明系统组成部分太阳能电池板控制器蓄电池光源1、太阳能晶体硅电池板太阳能电池板是整套照明系统的核心，它将太阳辐射能直接转换成直流电，储存于蓄电池内，用于夜间照明。太阳能电池板可分为单晶硅板和多晶硅板2、太阳能控制器控制器是对太阳能光伏发电系统进行控制和管理的设备。控制器在整套系统中的功能与作用：定时开关。运行状态指示。对蓄电池进行最优的充电控制。对蓄电池进行放电管理。故障诊断定位。3、蓄电池铅酸蓄电池胶体蓄电池4、照明光源照明光源是夜间照明的发光体，常用的光源类型有：三基色节能灯、高压钠灯、低压钠灯、LED、陶瓷金卤灯、无极灯等。几种常用光源的介绍几种常用光源的介绍预热式电子节能灯，属于低压照明新的专利产品。高压钠灯是一种高强度气体放电灯，属于第三代电光源。低压钠灯是一种低压钠蒸气放电管，内管系用特种抗钠玻璃吹制而成，点然后能辐射出5890A、5896A钠谱线。针对应用最多的太阳能光源分析比较：太阳能照明成本分析 采用太阳能灯光亮化工程，每年可节省大量的资金，既亮化了城市，又生态地发展了城市，并充分地利用了能源，是目前
80、世界上最合理的发展方向。以层高层住宅的太阳能楼梯走道灯为例。以太阳能庭院灯为例。太阳能灯具与普通灯具的对比太阳能灯具与普通灯具的对比普通灯具1、传统的供电方式，需挖沟铺设线、对于农村、山区等地区安装费用高昂。3、需要支付电费，停电则无法使用。太阳能灯具1、无需电缆，不受位置限制，安装简便；2、先期投入大，一次性投资终身受益；3、不需支付电费，不受停电限制；4、节能能源、促进环保，无污染，符合当今社会发展方向；5、充分体现绿色照明的概念，给人以全身心的视觉感受；6、融入了新能源新技术的概念。太阳能照明的应用太阳能照明的应用太阳能灯具太阳能灯具太阳能灯具相对普通照明灯具，增加了太阳能电池板、控制器和蓄电池等配件。独立式太阳能照明系统独立式太阳能照明系统主要指采用太阳能灯具可能受到环境的影响不适合安装的场合，可以将太阳能电池板集中放置，采用统一控制提供供电的方式提供照明。与市电结合的太阳能照明系统与市电结合的太阳能照明系统对于城市内照明可靠性要求高的灯具照明，为了增强系统的可靠性，可以采用与市电相结合的方式。太阳能灯具的种类太阳能灯具的种类太阳能灯具的种类 ：庭院灯、道路
81、灯、装饰灯、草坪灯和杀虫灯等。 灯具以太阳光为能源，白天充电，晚上使用，无需进行复杂昂贵的管线铺设，而且可以任意调整灯具的布局。庭院灯庭院灯主要应用于小区、庭院、公园，起到装饰照明作用道路灯道路灯主要用于公路主次干道照明。太阳能杀虫灯太阳能杀虫灯主要应用于果园、种植园、公园、草坪、等场所，既可以照明又可以杀虫。太阳能装饰灯太阳能装饰灯主要应用于广场、公园、等繁华地段。太阳能照明方案太阳能照明方案城市亮化照明城市亮化照明建筑物楼道照明建筑物楼道照明“光伏光伏-建筑照明一体化建筑照明一体化”技术技术城市亮化照明城市亮化照明 由太阳能电池板作为发电系统，让电池板电源经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电，当蓄电池电源达到一定程度时，控制系统内设的自动保护系统动作，电池板自动切断电源，实行自动保护。到晚上，太阳能电池板又起到了光控作用，给控制系统发出指令，此时控制系统自动开启，输出电压，使各式灯具达到设计的照明效果。建筑物楼道照明建筑物楼道照明太阳能走廊灯由太阳能电池板供电。整栋建筑采用整体布局、分体安装、集中供电方式。太阳能安装在天台或屋面，用专用导线（可预留）传送到每层走道和楼梯口。光伏光
82、伏-建筑照明一体化建筑照明一体化技术技术由多片单晶硅太阳能光电池组合而成的电池板，经过太阳光的照射之后产生光电效应而发出直流电，再由系统中的电源转换器将直流电转换成一般电器所需的交流电，经由配电系统供照明、空调等系统使用，以及蓄电池储存电力，尚可提供防灾紧急用电需求。光伏照明应用问题分析光伏照明应用问题分析 光源问题光源问题蓄电池问题蓄电池问题控制器问题控制器问题 系统配置问题系统配置问题太阳能照明系统的推广太阳能照明系统的推广规范并促进标准化规范并促进标准化 科学合理设计科学合理设计 选择优良配件选择优良配件太阳能路灯太阳能路灯太阳能电池蓄电池控制器光源灯杆及灯具外壳太阳能路灯结构太阳能路灯结构太阳能路灯的工作原理太阳能路灯的工作原理太阳能路灯设计所需的数据太阳电池组件的倾斜角与方位角太阳能标准峰值日照时间太阳能路灯所选用光源的功率（W）太阳能路灯每天晚上工作的时间（H）太阳能路灯需要保持的连续阴雨天数（d）两个连续阴雨天之间的间隔天数（D）太阳能路灯系统设计思路先确定光源的功率，每天的工作时间，保证几个阴雨天然后计算蓄电池的容量和太阳电池组件的功率。太阳能路灯有其特殊性，需要确保系
83、统工作的稳定与可靠，设计时要注意。太阳能路灯工作流程太阳能路灯系统设计的关键部件太阳能电池板太阳能电池板太阳能电池板的选型阳光充足的地区，采用多晶硅太阳能电池阴雨天较多、阳光相对不是很充足的地区，采用单晶硅太阳能电池太阳能电池板功率的选择依据当地的太阳平均辐射强度，考虑灯具功率和灯具每天的工作时间，以及所要求的连续阴雨天数等。太阳能电池板功率的选择可用下式估算。太阳能电池板的安装问题当日发电量达到最大值时，即为最佳倾角。最佳倾角的求取，可在表1中数据范围内再结合当地的实际情况通过实验来确定。在使用多块太阳能电池方阵时，要注意阴影的影响。在下雪较多的地区，还要考虑积雪滑落的倾斜角。蓄电池蓄电池蓄电池的选型太阳能路灯用的蓄电池因要求放电速率慢、放电时间长，一般均采用大容量的铅酸蓄电池，而高能阀控式免维护铅酸蓄电池是较好的选择。高能阀控式免维护铅酸蓄电池高能：蓄电池的使用寿命长；储备容量和容量保持率高；充电接受效率高；密封性能好；使用温度范围宽；铜质接线端子；自放电率低，放电性能好。阀控式：在电池盖上装设单向排气阀。免维护：使用期间无需加水加酸维护。蓄电池容量的选择蓄电池容量过小不能够满足夜
84、晚照明的需要；容量过大，蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命。太阳能路灯的蓄电池容量选择可用下式计算。蓄电池的使用问题蓄电池不可直接并联对外供电在蓄电池电路中要设置熔断丝加以保护电箱结构设计既要照顾维护方便，也要防备蓄电池被窃取。蓄电池能否近地安装，需要了解当地气象情况。 控制器控制器太阳能电池与蓄电池的耦联采取最大功率跟踪技术使太阳电池的负载特性能自动跟踪气候的变化条件，以得到最大的能量采集。主电路一般采用BUCK型降压电路，其控制电路可用单片机或低功耗集成电路。防止反向充电电路为了避免蓄电池向太阳的电池充电，一般是在回路中串联一个二极管用来阻止反向充电。充电电流小，采用肖特基管。充电电流大，采用低导通电阻的场效应管。蓄电池的充放电管理为了保证蓄电池的正常使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池因过充电或深度放电而过早地损坏。防止过度充电过放电保护温度补偿灯的自动开关傍晚自动开启LED灯的电源，拂晓定时自动关闭灯电源。亮度跳跃现象-灯闪烁-延时电路光源光源LEDLEDLED的主要参数电特性LED的电流、电压参数具有典型的PN结伏安特性，正向压降(V )和正向电流的(I )
85、关系曲线如图所示。 LED需采用恒流源驱动光通量 LEDLED向外辐射通量中能引起人感知的那部分当量，是照明用LEDLED的重要指标。 LEDLED光通量随工作电流的增加而增大。 光通量还会随环境温度的升高而下降。当环境温度超过5O时，应降低LED的工作电流，否则容易引起LED老化。散热问题 LED芯片温度的升高，将直接影响到LED的寿命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏。普通方法采用铝制散热器最新方法采用回路热管技术 散热设计： 德国OSRAM公司将LED芯片设置在散热片表面，热量能够以最短距离传导散发。 东芝Lighting公司利用灯具的框体来提高热传导性。 美国Lumileds公司开发的高功率LED芯片容许结温最高达185 。LED阵列计算LED的数量按照实际所需的光通量和单个LED的光通量，即可求出所需LED的数量。计算公式如下：LED阵列设计 用1W 的LED组成路灯光源时，选用光束角120。的LED比较好。用70 mA规格的LED组成路灯光源，有较好的抗雾性能。 路灯组合发光源使用上研制出十字型和矩型组合发光源，在超高亮白光LED 使用上采取平头和圆头LED 合理比例搭配。 LED驱动电路 路灯采用常规集成电路来组成恒流驱动器，与LED连接灵活，成本相对比较低。 LED恒流驱动电路主电路采用单端正激DCDC变换器。电源控制芯片采用电流模式。LED恒流驱动电路驱动电路技术指标：振荡频率欠压锁定斜坡补偿恒流控制恒流控制异常保护LED的驱动电流 例如:设计一个典型的太阳能路灯LED驱动，设计目标是：初始输出为4200lm，采用单层光学器件，采用+12V电池工作。假定所采用的LED技术参数如下： 输出：典型100lm 350mA 结温Tj=25 驱动电流：350mA 电光器件：单层，且耦合良好，光学损耗为12% 最高环境温度：40 驱动器损耗：15%（目标效率85%） 估计LED的数量及总功率，计算出的所需LED数量约为60 ,灯具总功率约为89W 。 拓扑结构需要采用恒流结构来进行驱动。 针对上述设计要求，采用安森美半导体的大功率LED恒流降压稳压器NCP3066。 结构设计采用模块化设计，即采用8只LED光条，每个光条含1个驱动器电路及8只LED。太阳能路灯的安装与调试太阳能路灯的安装与调试
