1、南昌航空大学自 学 考 试 毕 业 论 文题 目 太阳能智能路灯控制系统设计 专 业 光伏材料应用技术 南昌航空大学自考本科毕业论文II摘 要本文介绍了太阳能光伏发电系统的背景和国内以及国外的太阳能发展现状与发展趋势，并介绍了离网型和并网型的太阳能光伏发电系统，分析了太阳能光伏发电的利用原理和发展优势，说明了太阳能电池最大功率跟踪的原理以及一些常用的方法，并比较了他们的优缺点，介绍了太阳能蓄电池的工作原理和一些常用方法；随着全球能源危机和环境污染的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行，太阳能成为了当今世界上最清洁、最具有规模开发前景的可再生能源之一，其中光伏并网发电是太阳能利用的主要趋势
2、。通过所学知识设计了一个太阳能路灯智能控制系统，整个系统运行均为自动控制，工作原理简单，安装方便。关键词：离网光伏发电系统；并网光伏发电系统；变换器；智能路灯。南昌航空大学自考本科毕业论文III目录摘 要 .第一章 绪论 .11.1 太阳能光伏发电的背景 .11.2 太阳能光伏发电系统的现状与发展趋势 .31.2.1 我国太阳能光伏发电的现状与发展趋势 .31.2.2 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势 .3第二章 太阳能光伏发电系统的介绍 .42.1 太阳能光伏发电的优点 .52.2 并网型的光伏发电系统 .62.3 离网型的光伏发电系统 .72.4 太阳能电池最大功率点跟踪 .82.4.1
3、太阳能电池最大功率点跟踪原理及方法 .8第三章 铅酸蓄电池 .113.1 太阳能蓄电池的工作原理 .113.2 太阳能控制器 .133.2.1 太阳能控制器的充电保护模式 .133.3 光伏逆变器 .14第四章 太阳能路灯智能控制系统设计 .16总结 .21参考文献 .22致 谢 .23南昌航空大学自考本科毕业论文1第一章 绪论1.1 太阳能光伏发电的背景全球石油剩余可开采年限仅有 41 年，天然气剩余可采年限 61.9 年，煤炭剩余可采年限 230 随着全球能源消费量不断提高，常规非可再生能源已经不能满足大多数国家的供给需求。根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采
4、速度来计算，年。另一方面，一次性能源的开采和应用也是造成生态破坏和全球环境污染的一个重要原因。因此，可再生新能源的开发使用是人类长久发展的必要条件，也是我们可持续性发展的根本之法。 新能源光伏发电，作为可再生清洁能源，因其具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点，被公认是 21 世纪重要的新能源，已广泛应用在并网发电、民用发电、公共设施以及一体化节能建筑等方面，目前晶体硅光伏发电系统占据新能源光伏发电市场的主要地位。自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各
5、国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP 世界能源统 2005的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产 40 多年，天然气和煤炭则分别可以供应 67 年和 164 年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按 2000 年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的 10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占 58.8%，原油占 3.4%，天然气占 1.3%，水资源占 36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为 129.7 年。自从工业革命以来，约 80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中 CO2 的
6、作用约占 60%，而化石能源的燃烧是 CO2 的主要排放源。 1 大规模使用新能源光伏发电电能，能有效减少二氧化碳的排放，减少温室效应，改善地球气候。2005 年 2 月 16 日，由联合国 141 个成员国家共同签署的京都协议书正式生效，将再生能源的开发与规划推向一个新的阶段。从目前发展状况来说，新能源光伏发电虽然发展整体规模要小于风能，但是增长速度最快。随着多晶硅提纯技术的应用及硅片加工技术进一步成熟，光电转换南昌航空大学自考本科毕业论文2效率的提高以及其他工艺技术的发展，包括新能源光伏发电在内的可再生能源完全有可能完成从补充能源到常规能源的角色转换。 我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供
7、开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于 2005 年 2 月 28 日通过了再生能源法，该法已于 2006 年 1 月 1 日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。 2目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20 世纪 90 年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续 10 年可再生能源发电的年增长速度都在 15%
8、以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999 年以来可再生能源年均增长速度均达到 30%以上。西班牙 2003 年风力发电装机占到全机总量的 4%，德国在过去 11 年间，风力发电增长 21 倍，2003 年占全的 3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达 15%以上。 3从我国国内的市场容量来看，截止 2003 年，我国边远地区、山区近期市场潜力高达 1420MWp（Wp 是太阳能电池输出功率），综合考虑到以后用电水平的提高，最终市场容量将超过 3000MWp。各类大型绿色照明示范工程、2010 上海世界博览会场馆建设也是近期国内需求的主要
9、来源之一。此外，根据 2007 年上海市 10 万个太阳能屋顶计划预测，到 2015 年，上海市将有超过 10 万个屋顶有望安装太阳能发电系统，总投资 105 亿元，装机总容量接近 300MWp。 从国家产业政策来看，2006 年 1 月 1 日，可再生能源法正式实施，明确提出“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷、新能源光伏发电系统等太阳能利用系统”，为可再生能源地位确立、价格保障、税收优惠政策等提供了法律保障。十一五期间，很多地方政府都相继发布了比较完备的新能源推广政策和相应的太阳能屋顶计划，例如国家发展改革委办公厅关于开展大型并网光伏示范电站建设有关要求的通知
10、、2005-2007 上海市太阳能开发利用行动计划、江苏省能源产业科技示范工程2005-2007 实施方案等，将发展可再生能源落实到具体的政策以及地方法规中，为整个产业的发展建立了政策法制基础。相比世界发达国家，我国的光伏市场仍然处于起步阶段，目前国内生产的光伏电池/组件主要用于出口。 南昌航空大学自考本科毕业论文31.2 太阳能光伏发电系统的现状与发展趋势当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20 世纪 80 年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以 10%-15%的递增速度在发展。 490 年代后
11、期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1.2.1 我国太阳能光伏发电的现状与发展趋势20 世纪 90 年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004 年累计容量达 35MW，约占世界份额的 3%。10 多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场 1%左右的份额。到 2020 年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010 年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到 2010 年将约为 1.
12、20 元/(kWh);2010-2020 年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到 2020 年将约为0.60 元/(kwh)。到 2020 年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。 51.2.2 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势到 2004 年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到 964.9MW，到 2005 年底，达到 4961.69MW。己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为 3.15 美元/W，并网系统价格为 6 美元/w，发电
13、成本为 0.25 美元/(kwh)。光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到 15%，单晶硅光电池转化率是 23.3%，砷化镓光电池转化率是 25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达 35%-36%。太阳能光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用 30 多年。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的 80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发南昌航空大学自考本科毕业论文4展。专家们预测到 2050 年，太阳能光伏发电在发电总量中将占 13%-15%，到2100 年将约占 64%。第二章 太阳能
14、光伏发电系统的介绍太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每 40秒钟就有相当于 210 亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。 6独 立 太 阳 能 光 伏 发 电 是 指 太 阳
15、 能 光 伏 发 电 不 与 电 网 连 接 的 发 电 方 式 ， 典型 特 征 为 需 要 用 蓄 电 池 来 存 储 夜 晚 用 电 的 能 量 ， 独 立 太 阳 能 光 伏 发 电 在 民 用范 围 内 主 要 用 于 边 远 的 乡 村 ， 如 家 庭 系 统 、 村 级 太 阳 能 光 伏 电 站 ； 在 工 业 范围 内 主 要 用 于 电 讯 、 卫 星 广 播 电 视 、 太 阳 能 水 泵 ， 在 具 备 风 力 发 电 和 小 水 电的 地 区 还 可 以 组 成 混 合 发 电 系 统 ， 如 风 力 发 电 /太 阳 能 发 电 互 补 系 统 等 。并 网 太 阳
16、 能 光 伏 发 电 是 指 太 阳 能 光 伏 发 电 连 接 到 国 家 电 网 的 发 电 的 方 式 ， 成为 电 网 的 补 充 ， 典 型 特 征 为 不 需 要 蓄 电 池 。 民 用 太 阳 能 光 伏 发 电 多 以 家 庭 为单 位 ， 商 业 用 途 主 要 为 企 业 、 政 府 大 楼 、 公 共 设 施 、 安 全 设 施 、 夜 景 美 化 景观 照 明 系 统 等 的 供 电 ， 工 业 用 途 如 太 阳 能 农 场 。南昌航空大学自考本科毕业论文5图 1 光伏发电系统目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能
17、生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。2.1 太阳能光伏发电的优点1、 太 阳 能 取 之 不 尽 ， 用 之 不 竭 ， 地 球 表 面 接 受 的 太 阳 辐 射 能 ， 能 够 满足 全 球 能 源 需 求 的 1 万 倍 。 只 要 在 全 球 4%沙 漠 上 安 装 太 阳 能 光 伏 系 统 ， 所发 电 力 就 可 以 满 足 全 球 的 需 要 ,太 阳 能 发 电 安 全 可 靠 ， 不 会 遭 受 能
18、 源 危 机 或燃 料 市 场 不 稳 定 的 冲 击 ；2、 太 阳 能 随 处 可 处 ， 可 就 近 供 电 ， 不 必 长 距 离 输 送 ， 避 免 了 长 距 离 输电 线 路 的 损 失 ；3、 太 阳 能 不 用 燃 料 ， 运 行 成 本 很 低 ；4、 太 阳 能 发 电 没 有 运 动 部 件 ， 不 易 用 损 坏 ， 维 护 简 单 ， 特 别 适 合 于 无人 值 守 情 况 下 使 用 ；5、 太 阳 能 发 电 不 会 产 生 任 何 废 弃 物 ， 没 有 污 染 、 噪 声 等 公 害 ， 对 环 境无 不 良 影 响 ， 是 理 想 的 清 洁 能 源 ；
19、南昌航空大学自考本科毕业论文66、 太 阳 能 发 电 系 统 建 设 周 期 短 ， 方 便 灵 活 ， 而 且 可 以 根 据 负 荷 的 增 减 ，任 意 添 加 或 减 少 太 阳 能 方 阵 容 量 ， 避 免 浪 费 。太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构如图所示，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或
20、把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。 7图 2 太阳能光伏发电系统2.2 并网型的光伏发电系统并 网 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 是 由 光 伏 电 池 方 阵 、 控 制 器 、 并 网 逆 变 器 组 成 ，不 经 过 蓄 电 池 储 能 ， 通 过 并 网 逆 变 器 直 接 将 电 能 输 入 公 共 电 网 。 与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统，并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频
21、、同相的交流电，太阳能电池阵列控制器 逆变器D C / D C 变换器直流负载蓄电池电网交流负载南昌航空大学自考本科毕业论文7并实现与电网连接，向电网输送电能。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重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并 网 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 相 比 离 网 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 省 掉 了 蓄 电 池 储能 和 释 放 的 过 程 ， 减 少 了 其 中 的 能 量 消 耗 ， 节 约 了 占 地 空 间 ， 还 降 低 了 配 置成 本 。 一般的并网发电系统如下图所示，将太阳能电池控制系统和民
22、用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充。而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。并 网 光 伏 发 电 系 统 有 集 中式 大 型 并 网 光 伏 电 站 一 般 都 是 国 家 级 电 站 ， 主 要 特 点 是 将 所 发 电 能 直 接 输 送到 电 网 ， 由 电 网 统 一 调 配 向 用 户 供 电 。 但 这 种 电 站 投 资 大 、 建 设 周 期 长 、 占地 面 积 大 ， 因 而 没 有 太 大 发 展 。 而 分 散 式 小 型 并 网 光 伏 系 统 ， 特 别 是 光 伏 建筑 一 体 化 发 电 系 统 ， 由 于 投 资 小 、 建 设 快 、 占 地 面 积 小 、 政 策 支 持 力 度 大 等优 点 ， 是 并 网 光 伏 发 电 的 主 流 。图 3 并网光伏发电系统图2.3 离网型的光伏发电系统离网光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。
