太阳能光伏电源毕业设计.pdf

1、学 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 太 阳 能 光 伏 电 源 毕 业 设 计学 院 兰 州 职 业 技 术 学 院专 业 光 伏 材 料 加 工 与 应 用班 级 2012 级 光 伏 （ 2） 班姓 名 康 国 鹏学 号 20120058指 导 教 师 王 英完 成 日 期 2015 年 月2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计目 录摘 要 .ABSTRACT.1 绪 论 .12太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 原 理 及 组 成 22.1太 阳 能 电 池 方 阵 .22.1.1太 阳 能 电 池 的 工 作 原 理 32.1.2 太 阳 能 电 池

2、 的 种 类 及 区 别 .32.1.3太 阳 能 电 池 组 件.32.2 充 放 电 控 制 器 42.2.1充 放 电 控 制 器 的 功 能 52.2.2 充 放 电 控 制 器 的 分 类 .52.2.3 充 放 电 控 制 器 的 工 作 原 理 .62.3蓄 电 池 组 .72.3.1太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 对 蓄 电 池 组 的 要 求 72.3.2铅 酸 蓄 电 池 组 的 结 构 82.3.3铅 酸 蓄 电 池 组 的 工 作 原 理 82.4直 流 -交 流 逆 变 器 .92.4.1逆 变 器 的 分 类 92.4.2太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 对

3、逆 变 器 的 要 求 102.4.3逆 变 器 的 主 要 性 能 指 标 .102.4.4逆 变 器 的 功 率 转 换 电 路 的 比 较 .123太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 设 计 原 理 及 其 影 响 因 素 153.1太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 设 计 原 理 .153.1.1太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 软 件 设 计 153.1.2太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 硬 件 设 计 163.2太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 影 响 因 素 .184 太 阳 能 应 用 及 在 我 国 的 分 布 状 况 .195 总 结 .21致

4、 谢 .参 考 文 献 .2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计摘 要光 伏 发 电 是 利 用 半 导 体 界 面 的 光 生 伏 特 效 应 而 将 光 能 直 接 转 变 为 电 能 的 一 种技 术 。 这 种 技 术 的 关 键 元 件 是 太 阳 能 电 池 。 太 阳 能 电 池 经 过 串 联 后 进 行 封 装 保 护可 形 成 大 面 积 的 太 阳 电 池 组 件 ， 再 配 合 上 蓄 电 池 组 ， 充 放 电 控 制 器 ， 逆 变 器 等 部件 就 形 成 了 光 伏 发 电 装 置 。 本 文 首 先 介 绍 了 太 阳 能 光 伏 电 源

5、 系 统 的 原 理 及 其 组 成 ，初 步 了 解 了 光 生 伏 打 效 应 原 理 及 其 模 块 组 成 ， 然 后 进 一 步 研 究 各 功 能 模 块 的 工 作 原 理 及其 在 系 统 中 的 作 用 ， 最 后 根 据 理 论 研 究 成 果 ， 利 用 硬 件 和 软 件 相 结 合 的 方 法 设 计 出 太 阳能 光 伏 电 源 系 统 ， 以 及 研 究 系 统 的 影 响 因 素 。关 键 词 ： 光 生 伏 特 效 应 ； 太 阳 能 电 池 组 件 ； 蓄 电 池 组 ； 充 放 电 控 制 器 ； 逆 变 器Topic： The Design of Pho

6、tovoltaic Power2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计AbstractPhotovoltaic power generation is a technology of being energy directly into electrical energy onsemiconductor photo-voltaic effect .The key components of this technology is the solar cell. Solar cellsin series can be formed after the package to pr

7、otect a large area of solar cells, together with the battery,charge and discharge controller, inverter and other components to form a photovoltaic device. Thispaper introduces the principle of solar photovoltaic power system and its components, a preliminaryunderstanding of the principle of photovol

8、taic effect and its modules, and then further study the workingprinciple of each functional module and its role in the system, the final results of theoretical studiesbased the use of hardware and software combination designed a solar photovoltaic power systems,and study the impact of system factors

9、.Keywords ： photo-voltaic effect； Solar cells； batteries; charge and discharge controller; inverte2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计11 绪 论人 类 社 会 进 入 21世 纪 ， 正 面 临 着 化 石 燃 料 短 缺 和 生 态 环 境 污 染 的 严 重 局 面 。 廉 价的 石 油 时 代 已 经 结 束 ， 逐 步 改 变 能 源 消 费 结 ， 大 力 发 展 可 再 生 能 源 ， 走 可 持 续 发 展 的 道路 ， 已 逐 渐 成 为 人 们 的 共

10、识 。太 阳 能 光 伏 发 电 具 有 独 特 的 优 点 ， 近 年 来 正 在 飞 速 发 展 。 太 阳 能 电 池 的 产 量 年 增 长率 在 40%以 上 ， 已 成 为 发 展 最 迅 速 的 高 新 技 术 产 业 之 一 ， 其 应 用 规 模 和 领 域 也 在 不 断 扩大 ， 从 原 来 只 在 偏 远 无 电 地 区 和 特 殊 用 电 场 合 使 用 ， 发 展 到 城 市 并 网 系 统 和 大 型 光 伏 电站 。 尽 管 目 前 太 阳 能 光 伏 发 电 在 能 源 结 构 中 所 占 比 例 还 微 不 足 道 ， 但 是 随 着 社 会 的 发展 和

11、技 术 的 进 步 ， 其 份 额 将 会 逐 步 增 加 ， 可 以 预 期 ， 到 21世 纪 末 ， 太 阳 能 发 电 将 成 为世 界 能 源 供 应 的 主 体 ， 一 个 光 辉 的 太 阳 能 时 代 将 到 来 。我 国 的 光 伏 产 业 发 展 极 不 平 衡 ， 2007年 太 阳 能 电 池 的 产 量 已 经 超 过 日 本 和 欧 洲 而 居世 界 第 一 ， 然 而 光 伏 应 用 市 场 的 发 展 却 非 常 缓 慢 ， 光 伏 累 计 安 装 量 大 约 只 占 世 界 的 1%，应 用 技 术 水 平 与 国 外 相 比 还 有 相 当 大 的 差 距

12、。 光 伏 产 品 与 一 般 机 电 产 品 不 同 ， 必 须 很 据负 载 的 要 求 和 当 地 的 气 象 、 地 理 条 件 来 决 定 系 统 的 配 置 ， 由 于 目 前 光 伏 发 电 成 本 较 高 ，所 以 应 进 行 优 化 设 计 ， 以 达 到 可 靠 性 和 经 济 性 的 最 佳 结 合 ， 最 大 限 度 的 发 挥 光 伏 电 源 的作 用 。为 了 提 高 太 阳 能 的 转 换 效 率 ， 获 取 更 多 的 有 效 能 源 ， 满 足 人 类 的 能 源 供 应 ， 世 界 各国 在 研 究 太 阳 能 光 伏 系 统 中 都 投 入 了 大 量 的

13、 人 力 与 物 力 。 我 国 对 太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的研 究 还 处 于 世 界 低 等 水 平 ， 产 品 的 性 能 还 有 待 提 高 ， 为 迎 接 未 来 能 源 短 缺 带 来 的 严 峻 挑战 ， 我 们 应 该 加 大 对 太 阳 能 光 伏 系 统 的 研 究 ， 以 满 足 人 类 未 来 对 能 源 的 需 求 。本 文 从 理 论 出 发 ， 阐 述 了 太 阳 能 光 伏 电 源 的 原 理 及 其 组 成 结 构 ； 结 合 科 研 实 际 ， 应用 硬 件 和 软 件 结 合 的 方 法 ， 设 计 了 简 易 的 太 阳 能 光 伏 电 源

14、 模 拟 系 统 。 根 据 这 个 简 易 系 统研 究 分 析 了 太 阳 能 光 伏 电 源 的 影 响 因 素 ， 合 理 优 化 了 系 统 的 配 置 ， 以 提 高 系 统 的 性 能 ，最 终 提 高 了 太 阳 能 的 转 换 效 率 。系 统 设 计 背 景所 谓 光 伏 电 源 系 统 ， 就 是 利 用 太 阳 电 池 半 导 体 材 料 的 光 生 伏 特 效 应 ， 将 太 阳 光 辐 射能 直 接 转 换 为 电 能 的 一 种 新 型 发 电 系 统 。“ 光 生 伏 特 效 应 ” ， 简 称 “ 光 伏 效 应 ” 。 指 光 照 使 不 均 匀 半 导 体

15、 或 半 导 体 与 金 属 结 合的 不 同 部 位 之 间 产 生 电 位 差 的 现 象 。 它 首 先 是 由 光 子 （ 光 波 ） 转 化 为 电 子 、 光 能 量 转 化2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计2为 电 能 量 的 过 程 ； 其 次 ， 是 形 成 电 压 过 程 。 有 了 电 压 ， 就 像 筑 高 了 大 坝 ， 如 果 两 者 之 间连 通 ， 就 会 形 成 电 流 的 回 路进 入 70年 代 后 ， 二 次 石 油 危 机 的 影 响 ， 使 人 们 认 识 到 ： 现 有 的 能 源 结 构 必 须 彻 底改 变 ， 应 加

16、 速 向 未 来 能 源 结 构 过 渡 。 从 而 使 许 多 国 家 重 新 加 强 了 对 太 阳 能 及 其 它 可 再 生能 源 技 术 发 展 的 支 持 （ 尤 其 是 工 业 发 达 国 家 ） 。我 国 是 一 个 发 展 中 的 大 国 ， 同 时 是 一 个 资 源 消 耗 大 国 ， 而 人 均 资 源 储 量 又 偏 低 。 因此 快 速 的 工 业 化 进 程 和 巨 大 的 消 费 性 需 求 使 我 国 对 资 源 对 外 具 有 很 强 的 依 赖 性 。 环 境 污染 和 能 源 短 缺 已 经 直 接 威 胁 我 国 的 可 持 续 发 展 。 与 此 同

17、 时 ， 我 国 很 多 居 住 在 偏 远 地 区 的人 们 还 没 有 用 上 电 。 这 些 客 观 条 件 迫 使 我 们 更 加 努 力 的 寻 找 和 开 发 新 能 源 ， 而 太 阳 能 光伏 发 电 就 是 其 中 之 一 。 光 伏 电 源 系 统 相 比 其 他 发 电 系 统 有 许 多 优 点 ： （ 1） 它 的 能 源 取 之不 尽 用 之 不 竭 ， 而 且 无 污 染 ； （ 2） 没 有 动 作 部 件 ， 不 会 产 生 噪 声 ， 运 行 可 靠 ； （ 3） 无 论规 模 大 小 ， 其 发 电 效 率 几 乎 是 相 同 的 ； （ 4） 分 布 及

18、 其 广 泛 ， 凡 是 太 阳 能 照 到 的 地 方 就 能发 电 ； （ 5） 轻 便 ， 易 安 装 维 护 ； （ 6） 能 在 用 电 现 场 发 电 。近 年 来 ， 以 太 阳 光 为 能 源 的 太 阳 能 光 伏 电 源 技 术 不 断 发 展 ， 因 其 具 有 环 保 、 节 能 双重 优 势 ， 而 得 到 广 泛 应 用 。 针 对 边 远 地 区 农 牧 民 、 哨 所 和 野 外 作 业 等 ， 设 计 一 种 小 型 的太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 ， 配 置 必 要 的 户 外 用 装 置 ， 具 有 拆 装 移 动 方 便 、 适 于 野 外 的 中

19、 小 功率 电 器 使 用 和 价 格 低 廉 等 特 点 ， 同 时 对 小 型 电 源 系 统 实 时 监 控 ， 显 示 蓄 电 池 的 剩 余 电 能以 方 便 合 理 使 用 。2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计32 太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 的 原 理 及 组 成太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 是 利 用 以 光 生 伏 打 效 应 原 理 制 成 的 太 阳 能 电 池 将 太 阳 辐 射能 直 接 转 换 成 电 能 的 发 电 系 统 。 它 由 太 阳 能 电 池 方 阵 、 充 电 放 电 控 制 器 、 蓄 电 池 组 、 直流

20、/交 流 逆 变 器 等 部 分 组 成 ， 其 系 统 组 成 如 图 2-1所 示 。图 2-1 太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 示 意 图2.1 太 阳 能 电 池 方 阵太 阳 能 电 池 单 体 是 光 电 转 换 的 最 小 单 元 ， 尺 寸 一 般 为 4 2到 100 2不 等 。 太 阳 能电 池 单 体 的 工 作 电 压 约 为 0.5V， 工 作 电 流 约 为 20 25mA/ 2， 一 般 不 能 单 独 作 为 电 源使 用 。 将 太 阳 能 电 池 单 体 进 行 串 并 联 封 装 后 ， 就 成 为 太 阳 能 电 池 组 件 ， 其 功 率 一 般

21、 为 几瓦 至 几 十 瓦 ， 是 可 以 单 独 作 为 电 源 使 用 的 最 小 单 元 。 太 阳 能 电 池 组 件 再 经 过 串 并 组 合 安装 在 支 架 上 ， 就 构 成 了 太 阳 能 电 池 方 阵 ， 可 以 满 足 负 载 所 要 求 的 输 出 功 率 （ 见 图 2-2） 。图 2-2 太 阳 能 电 池 单 体 、 组 件 和 方 阵2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计42.1.1太 阳 能 电 池 的 工 作 原 理光 是 由 光 子 组 成 ， 而 光 子 是 包 含 有 一 定 能 量 的 微 粒 ， 能 量 的 大 小 由 光

22、 的 波 长 决 定 ，光 被 晶 体 硅 吸 收 后 ， 在 PN结 中 产 生 一 对 对 正 负 电 荷 ， 由 于 在 PN结 区 域 的 正 负 电 荷 被 分离 ， 因 而 可 以 产 生 一 个 外 电 流 场 ， 电 流 从 晶 体 硅 片 电 池 的 低 端 经 过 负 载 流 到 电 池 的 顶 端 。这 就 是 “ 光 生 伏 打 效 应 ” 。将 一 个 负 载 连 接 在 太 阳 能 电 池 的 上 下 两 表 面 间 时 ， 将 有 电 流 流 过 该 负 载 ， 于 是 太 阳能 电 池 就 产 生 了 电 流 ； 太 阳 能 电 池 吸 收 的 光 子 越 多

23、， 产 生 的 电 流 也 就 越 大 。 光 子 的 能 量由 波 长 决 定 ， 低 于 基 能 能 量 的 光 子 不 能 产 生 自 由 电 子 ， 一 个 高 于 基 能 能 量 的 光 子 将 仅 产生 一 个 自 由 电 子 ， 多 余 的 能 量 将 使 电 池 发 热 ， 伴 随 电 能 损 失 的 影 响 将 使 太 阳 能 电 池 的 效率 下 降 。2.1.2太 阳 能 电 池 的 种 类 及 其 区 别目 前 世 界 上 有 3种 已 经 商 品 化 的 硅 太 阳 能 电 池 ： 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 、 多 晶 硅 太 阳 能电 池 、 非 晶 硅 太

24、阳 能 电 池 。 对 于 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 ， 由 于 所 使 用 的 单 晶 硅 材 料 与 半 导 体工 业 所 使 用 的 材 料 具 有 相 同 的 品 质 ， 使 单 晶 硅 的 使 用 成 本 比 较 昂 贵 。 多 晶 硅 太 阳 能 电 池的 晶 体 方 向 的 无 规 则 性 ， 意 味 着 正 负 电 荷 对 并 不 能 全 部 被 PN 结 电 场 所 分 离 ， 因 为 电 荷对 在 晶 体 与 晶 体 之 间 的 边 界 上 可 能 由 于 晶 体 的 不 规 则 而 损 失 ， 所 以 多 晶 体 硅 太 阳 能 电 池的 效 率 一 般 比 单 晶

25、 体 硅 太 阳 能 电 池 低 ， 多 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 用 铸 造 的 方 法 生 产 ， 所 以 它的 成 本 比 单 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 低 。 非 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 属 于 薄 膜 电 池 ， 造 价 低 廉 ， 但光 电 转 换 效 率 比 较 低 ， 稳 定 性 也 不 如 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 ， 目 前 多 数 用 于 弱 光 性 电 源 ， 如手 表 、 计 算 器 等 。一 般 产 品 化 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 换 效 率 为 13%-15%； 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 光电 转 换

26、 效 率 为 11%-13%； 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 换 效 率 为 5%-8%。2.1.3太 阳 能 电 池 组 件一 个 太 阳 能 电 池 只 能 产 生 大 约 0.5V 电 压 ， 远 低 于 实 际 应 用 所 需 要 的 电 压 ， 为 了 满足 实 际 应 用 的 需 要 ， 需 把 太 阳 能 电 池 连 接 成 组 件 。 太 阳 能 电 池 组 件 包 含 一 定 数 量 的 太 阳能 电 池 ， 这 些 太 阳 能 电 池 通 过 导 线 连 接 。 一 个 组 件 上 ， 太 阳 能 电 池 的 标 准 数 量 是 36片 ，能 提 供 大

27、约 17V电 压 ， 正 好 能 为 额 定 电 压 为 12V的 蓄 电 池 进 行 有 效 的 充 电 。通 过 导 线 连 接 的 太 阳 能 电 池 被 密 封 成 物 理 单 元 被 称 为 太 阳 能 电 池 组 件 ， 具 有 一 定 的防 腐 、 防 风 、 防 雨 等 能 力 ， 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 和 系 统 。 当 应 用 领 域 需 要 较 高 的 电 压 和2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计5电 流 而 单 个 组 件 不 能 满 足 要 求 时 ， 可 把 多 个 组 件 组 成 太 阳 能 电 池 方 阵 ， 以 获 得

28、所 需 要 的电 压 和 电 流 。太 阳 能 电 池 组 件 的 电 气 特 性 主 要 是 指 电 流 -电 压 输 出 特 性 ， 也 称 为 V-I 特 性 曲 线 ，如 图 2-3所 示 。 V-I 特 性 曲 线 显 示 了 通 过 太 阳 能 电 池 组 件 传 送 的 电 流 Im与 电 压 Vm在 特定 的 太 阳 辐 照 度 下 的 关 系 。 如 果 太 阳 能 电 池 组 件 电 路 短 路 即 V=0， 此 时 的 电 流 称 为 短 路电 流 Isc； 如 果 电 路 开 路 即 I=0， 此 时 的 电 路 称 为 开 路 电 压 Voc。 太 阳 能 电 池 组

29、 件 的 输 出功 率 等 于 流 经 该 组 件 的 电 流 与 电 压 的 乘 积 ， 即 P=V*I。图 2-3 太 阳 能 电 池 的 电 流 -电 压 特 性 曲 线I： 电 流 Isc： 短 路 电 流 Im： 最 大 工 作 电 流V： 电 压 Voc： 短 路 电 压 Vm： 最 大 工 作 电 压当 太 阳 能 电 池 组 件 的 电 压 上 升 时 ， 例 如 通 过 增 加 负 载 的 电 阻 值 或 组 件 的 电 压 从 零（ 短 路 条 件 下 ） 开 始 增 加 时 ， 组 件 的 输 出 功 率 亦 从 零 开 始 增 加 ； 当 电 压 达 到 一 定 值 时

30、 ，功 率 可 达 到 最 大 ， 这 时 当 阻 值 继 续 增 加 时 ， 功 率 将 越 过 最 大 点 ， 并 逐 渐 减 少 至 零 ， 即 电压 达 到 开 路 电 压 Voc。 太 阳 能 电 池 的 内 阻 呈 现 出 强 烈 的 非 线 性 ， 在 组 件 的 输 出 功 率 达 到最 大 点 ， 称 为 最 大 功 率 点 ， 该 点 所 对 应 的 电 压 ， 称 为 最 大 功 率 点 电 压 Vm（ 又 称 为 最 大 工作 电 压 ） ； 该 点 所 对 应 的 电 流 ， 称 为 最 大 功 率 点 电 流 Im（ 又 称 为 最 大 工 作 电 流 ） ； 该

31、点 的功 率 称 为 最 大 功 率 Pm。太 阳 能 电 池 组 件 的 输 出 功 率 取 决 于 太 阳 辐 照 度 、 太 阳 能 光 谱 的 分 布 和 太 阳 能 电 池 的温 度 。 太 阳 的 辐 照 度 越 强 ， 输 出 的 功 率 越 大 ； 太 阳 光 谱 分 布 越 密 集 ， 输 出 功 率 越 大 ； 太阳 能 电 池 的 温 度 越 高 ， 开 路 电 压 越 低 ， 输 出 功 率 越 低 。2.2充 电 放 电 控 制 器充 放 电 控 制 器 是 能 自 动 防 止 蓄 电 池 组 过 充 电 和 过 放 电 并 具 有 简 单 测 量 功 能 的 电 子

32、设 备 。 由 于 蓄 电 池 组 的 循 环 充 放 电 次 数 及 充 放 电 深 度 是 决 定 蓄 电 池 使 用 寿 命 的 重 要 因素 ， 因 此 能 控 制 蓄 电 池 组 过 充 电 或 过 放 电 的 充 电 放 电 控 制 器 是 必 不 可 少 的 设 备 。2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计62.2.1充 电 放 电 控 制 器 的 功 能控 制 器 的 功 能 ：（ 1） 高 压 （ HVD） 断 开 和 恢 复 功 能 ： 控 制 器 应 具 有 输 入 高 压 断 开 和 恢 复 连 接 的 功 能 。（ 2） 欠 压 （ LVG） 告

33、 警 和 恢 复 功 能 ： 当 蓄 电 池 电 压 降 到 欠 压 告 警 点 时 ， 控 制 器 应 能 自动 发 出 声 光 告 警 信 号 。（ 3） 低 压 （ LVD） 断 开 和 恢 复 功 能 ： 这 种 功 能 可 防 止 蓄 电 池 过 放 电 。 通 过 一 种 继 电 器或 电 子 开 关 连 结 负 载 ， 可 在 某 给 定 低 压 点 自 动 切 断 负 载 。 当 电 压 升 到 安 全 运 行 范 围 时 ，负 载 将 自 动 重 新 接 入 或 要 求 手 动 重 新 接 入 。 有 时 ， 采 用 低 压 报 警 代 替 自 动 切 断 。（ 4） 保 护

34、 功 能 ： 防 止 任 何 负 载 短 路 的 电 路 保 护 。 防 止 充 电 控 制 器 内 部 短 路 的 电 路 保 护 。 防 止 夜 间 蓄 电 池 通 过 太 阳 电 池 组 件 反 向 放 电 保 护 。 防 止 负 载 、 太 阳 电 池 组 件 或 蓄 电 池 极 性 反 接 的 电 路 保 护 。 在 多 雷 区 防 止 由 于 雷 击 引 起 的 击 穿 保 护 。（ 5） 温 度 补 偿 功 能 ： 当 蓄 电 池 温 度 低 于 时 ， 蓄 电 池 应 要 求 较 高 的 充 电 电 压 ， 以便 完 成 充 电 过 程 。 相 反 ， 高 于 该 温 度 蓄

35、电 池 要 求 充 电 电 压 较 低 。 通 常 铅 酸 蓄 电 池 的 温 度补 赏 系 数 为 5mv/C/CELL 。2.2.2充 放 电 控 制 器 的 分 类光 伏 充 电 控 制 器 基 本 上 可 分 为 五 种 类 型 ： 并 联 型 、 串 联 型 、 脉 宽 调 制 型 、 智 能 型 和最 大 功 率 跟 踪 型 。（ 1） 并 联 型 控 制 器 ： 当 蓄 电 池 充 满 时 ， 利 用 电 子 部 件 把 光 伏 阵 列 的 输 出 分 流 到 内 部 并联 电 阻 器 或 功 率 模 块 上 去 ， 然 后 以 热 的 形 式 消 耗 掉 。 因 为 这 种 方

36、 式 消 耗 热 能 ， 所 以 一 般用 于 小 型 、 低 功 率 系 统 ， 例 如 电 压 在 12伏 、 20安 以 内 的 系 统 。 这 类 控 制 器 很 可 靠 ， 没 有如 继 电 器 之 类 的 机 械 部 件 。（ 2） 串 联 型 控 制 器 ： 利 用 机 械 继 电 器 控 制 充 电 过 程 ， 并 在 夜 间 切 断 光 伏 阵 列 。 它 一 般用 于 较 高 功 率 系 统 ， 继 电 器 的 容 量 决 定 充 电 控 制 器 的 功 率 等 级 。 比 较 容 易 制 造 连 续 通 电电 流 在 45安 以 上 的 串 联 控 制 器 。（ 3） 脉

37、 宽 调 制 型 控 制 器 ： 它 以 PWM脉 冲 方 式 开 关 光 伏 阵 列 的 输 入 。 当 蓄 电 池 趋 向 充 满 时 ，脉 冲 的 频 率 和 时 间 缩 短 。 按 照 美 国 桑 地 亚 国 家 实 验 室 的 研 究 ， 这 种 充 电 过 程 形 成 较 完 整的 充 电 状 态 ， 它 能 增 加 光 伏 系 统 中 蓄 电 池 的 总 循 环 寿 命 。2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计7（ 4） 智 能 型 控 制 器 ： 采 用 带 CPU的 单 片 机 （ 如 Intel公 司 的 MCS51系 列 或 Microchip公 司

38、PIC系 列 ） 对 光 伏 电 源 系 统 的 运 行 参 数 进 行 高 速 实 时 采 集 ， 并 按 照 一 定 的 控 制 规 律 由 软件 程 序 对 单 路 或 多 路 光 伏 阵 列 进 行 切 离 /接 通 控 制 。 对 中 、 大 型 光 伏 电 源 系 统 ， 还 可 通过 单 片 机 的 RS232接 口 配 合 MODEM调 制 解 调 器 进 行 远 距 离 控 制 。（ 5） 最 大 功 率 跟 踪 型 控 制 器 ： 将 太 阳 电 池 的 电 压 U和 电 流 I检 测 后 相 乘 得 到 功 率 P， 然 后判 断 太 阳 电 池 此 时 的 输 出 功

39、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 D， 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 寻 优 过 程 可 保 证 太 阳 电 池 始 终 运 行 在 最 大 功 率 点 ， 以 充 分 利 用 太 阳 电 池 方 阵 的输 出 能 量 。 同 时 采 用 PWM调 制 方 式 ， 使 充 电 电 流 成 为 脉 冲 电 流 ， 以 减 少 蓄 电 池 的 极 化 ，提 高 充 电 效 率 。2.2.3充 放 电 控

40、制 器 的 工 作 原 理（ 1） 单 路 并 联 型 充 放 电 控 制 器 （ 如 图 2-4）图 2-4 单 路 并 联 型 充 放 电 控 制 器并 联 型 充 放 电 控 制 器 充 电 回 路 中 的 开 关 器 件 T1是 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 ， 则 太 阳 电池 方 阵 的 输 出 电 流 直 接 通 过 T1短 路 泄 放 ， 不 再 对 蓄 电 池 进 行 充 电 ， 从 而 保 证 蓄 电 池 不 会出

41、现 过 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才能 导 通 ， 反 之 D1截 止 ， 从 而 保 证 夜 晚 或 阴 雨 天 气 时 不 会 出 现 蓄 电 池 向 太 阳 电 池 方 阵 反 向充 电 ， 起 到 “ 放 反 向 充 电 保 护 ” 作 用 。2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计8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

42、 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 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

43、， 当 电 压 大 于 “ 充 满 切 离 电 压 ” 时 使 T1导 通 进 行 “ 过 充 电 保 护 ” ；当 电 压 小 于 “ 过 放 电 压 ” 时 使 T2关 断 进 行 “ 过 放 电 保 护 ” 。（ 2） 串 联 型 充 放 电 控 制 器 ：串 联 型 充 放 电 控 制 器 和 并 联 型 充 放 电 控 制 器 电 路 结 构 相 似 ， 唯 一 区 别 在 于 开 关 器 件T1的 接 法 不 同 ， 并 联 型 T1并 联 在 太 阳 电 池 方 阵 输 出 端 ， 而 串 联 型 T1是 串 联 在 充 电 回 路 中 。当 蓄 电 池 电 压 大 于 “ 充

44、满 切 离 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 ” 作 用 。其 它 元 件 的 作 用 和 串 联 型 充 放 电 控 制 器 相 同 ， 不 再 赘 述 。2.3蓄 电 池 组蓄 电 池 组 是 光 伏 电 站 的 贮 能 装 置 ， 由 它 将 太 阳 能 电 池 方 阵 从 太 阳 辐 射 能 转 换 来 的 直流 电 转 换 为 化 学 能 贮 存 起 来 ， 以 供 应 用 。2.3.1太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 对 蓄 电 池 组 的 基 本 要 求太 阳 能 光 伏 电 源 系

45、 统 对 所 用 蓄 电 池 组 的 基 本 要 求 是 ：(1) 自 放 电 率 低 ；(2) 使 用 寿 命 长 ；(3) 深 放 电 能 力 强 ；(4) 充 电 效 率 高 ；(5) 少 维 护 或 免 维 护 ；(6) 工 作 温 度 范 围 宽 ；(7) 价 格 低 廉 。光 伏 电 站 中 与 太 阳 能 电 池 方 阵 配 用 的 蓄 电 池 组 通 常 是 在 半 浮 充 电 状 态 下 长 期 工 作 ，它 的 电 能 量 比 用 电 负 荷 所 需 要 的 电 能 量 要 大 ， 因 此 ， 多 数 时 间 是 处 于 浅 放 电 状 态 。 当 冬季 和 连 阴 天 由

46、 于 太 阳 辐 射 能 减 少 ， 而 出 现 太 阳 能 电 池 方 阵 充 电 不 足 的 情 况 时 ， 可 启 动 光伏 电 站 备 用 电 源 柴 油 发 电 机 组 给 蓄 电 池 组 补 充 充 电 ， 以 保 持 蓄 电 池 组 始 终 处 于 浅 放 电2012 级 兰 州 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计9状 态 。 固 定 式 铅 酸 蓄 电 池 性 能 优 良 、 质 量 稳 定 、 容 量 较 大 、 价 格 较 低 ,是 我 国 光 伏 电 站目 前 选 用 的 主 要 贮 能 装 置 。2.3.2铅 酸 蓄 电 池 组 的 结 构铅 酸 蓄 电 池 主 要

47、 由 正 极 板 组 、 负 极 板 组 、 隔 板 、 容 器 、 电 解 液 及 附 件 等 部 分 组 成 。极 板 组 是 由 单 片 极 板 组 合 而 成 ， 单 片 极 板 又 由 基 极 (又 叫 极 栅 )和 活 性 物 质 构 成 。 铅 酸 蓄电 池 的 正 负 极 板 常 用 铅 锑 合 金 制 成 ， 正 极 的 活 性 物 是 二 氧 化 铅 ， 负 极 的 活 性 物 质 是 海 绵状 纯 铅 。极 板 按 其 构 造 和 活 性 物 质 形 成 方 法 分 为 涂 膏 式 和 化 成 式 。 涂 膏 式 极 板 在 同 容 量 时 比化 成 式 极 板 体 积

48、小 、 重 量 轻 、 制 造 简 便 、 价 格 低 廉 ， 因 而 使 用 普 遍 ;缺 点 是 在 充 放 电 时活 性 物 质 容 易 脱 落 ， 因 而 寿 命 较 短 。 化 成 式 极 板 的 优 点 是 结 构 坚 实 ， 在 放 电 过 程 中 活 性物 质 脱 落 较 少 ， 因 此 寿 命 长 ； 缺 点 是 笨 重 ， 制 造 时 间 长 ， 成 本 高 。 隔 板 位 于 两 极 板 之 间 ，防 止 正 负 极 板 接 触 而 造 成 短 路 。 材 料 有 木 质 、 塑 料 、 硬 橡 胶 、 玻 璃 丝 等 ， 现 大 多 采 用 微孔 聚 氯 乙 烯 塑 料

49、 。电 解 液 是 用 蒸 馏 水 稀 释 纯 浓 硫 酸 而 成 。 其 比 重 视 电 池 的 使 用 方 式 和 极 板 种 类 而 定 ，一 般 在 1.200 1.300(25 )之 间 (充 电 后 )。 容 器 通 常 为 玻 璃 容 器 、 衬 铅 木 槽 、 硬 橡 胶 槽或 塑 料 槽 等 。2.3.3铅 酸 蓄 电 池 组 的 工 作 原 理蓄 电 池 是 通 过 充 电 将 电 能 转 换 为 化 学 能 贮 存 起 来 ， 使 用 时 再 将 化 学 能 转 换 为 电 能 释放 出 来 的 化 学 电 源 装 置 。 它 是 用 两 个 分 离 的 电 极 浸 在 电 解 质 中 而 成 。 由 还 原 物 质 构 成 的电 极 为 负 极 。 由 氧 化 态 物 质 构 成 的 电 极 为 正 极 。 当 外 电 路 接 近 两 极 时 ， 氧 化 还 原 反 应 就在 电 极 上 进 行 ， 电 极 上 的 活 性 物 质 就 分 别 被 氧 化 还 原 了 ， 从 而 释 放 出 电 能 ， 这 一 过 程 称为 放 电 过 程 。 放 电 之 后 ， 若 有 反 方 向 电 流 流 入 电 池 时 ， 就 可 以 使 两 极 活 性 物 质 回 复