家用太阳能发电系统.docx
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家用太阳能发电系统
家用光伏发电系统的研究
摘要
在众多的新能源中，太阳能是最原始的也是无穷无尽的。
它是一种可以再生的能源，同时是没有经过转化的一次能源，太阳以光的形式把能量送到地球。
太阳能对环境也没有污染，也不需要运输，载体只是光线。
所以在众多新能源中，它是最理想的一种新能源之一。
太阳能的利用方式也很多样，其中太阳能光伏发电是主流方式。
今年来所随着科学技术的进步，和人们对太阳能发电的重视，太阳能光伏发电有了空前的发展。
凭借着太阳能这些性质的优势，太阳能发电有足够的潜力成为未来人类社会最终要的能源之一。
本设计把家用太阳能发电系统作为研究中心，首相对整个系统的各个环节做了详细的介绍，然后根据根据家庭的用电调查得到的数据，进行了主电路的选择和设计。
最后设计了基于单片机的控制器，最终以北方地区包头为应用对象确定出一个符合实际的独立太阳能发电系统方案。
关键字:
太阳能发电；光伏发电；独立发电系统；控制器
HouseholdSolarpowergenerationsystem
Abstract
Sincetheindustrialrevolution,therapiddevelopmentoftheindustryhavebroughtgreatconveniencetohumanlife,butatthesametimetheneedofenergyisgettingmore.Itwillletusfacewithaseriousenergycrisis.Infact,theuseofoilandcoalcausedglobalclimategetworse.Sothenewenergyexplorationandresearchhasbecomeatopicofcommonconcernofallcountriesintheworld.Inmanykindsofnewenergy,solarenergyisthemostprimitiveandinexhaustible.Itisakindofrenewableenergy,butalsotheprimaryenergy.Solarenergyiscomingtotheearthmainlyaslightandheat.Solarenergydoesnotpollutetheenvironment,doesnotneedtotransport,carrybylight.Soinanumberofnewenergy,itisthecleanest.Amongmanywaysofusingsolarenergy,thesolarphotovoltaicpowergenerationisthemainlyway.Recently,withtheprogressofscienceandtechnology,peoplepaymoreattentiontosolarpower;solarphotovoltaicpowergenerationhasgotunprecedenteddevelopment.Byvirtueoftheseadvantagesofsolarenergy,solarenergyhaspotentialtobecomeoneofthehumansociety.Inthisthesis,householdsolarpowergenerationsystemastheresearchcenter.Inthisthesis,householdsolarpowergenerationsystemastheresearchcenter,everylinkofthewholesystemisintroducedwiththeanalysisandchoice.InthenorthernareaofBaotouastheapplicationobjectdetermineapracticalindependentphotovoltaicpowergenerationsystem.
Keywords:
Solarpowergeneration;photovoltaicpowergeneration;independentpowersystems;controller
目录
第一章绪论
1.1课题选题背景及研究意义
1.1.1课题选题背景
从工业革命后，工业迅速发展，为人类的生活带来便利，但是与此同时人们对能源的使用也越来越巨大。
这也导致我们将面临比以往更加严重的能源危机。
石油、天然气和煤炭能源这些石化能源储存量减小，我们面临的将是异常严重的能源危机。
缓解能源紧缺的压力，保护环境免受石化能源的破坏，已经成为国家和世界都共同关注的话题。
再这样的背景下，我们只有紧紧的依靠着科学技术的力量，把中心放在新能源的开发利用上，才能找出一条解决当前严峻能源和环境危机的道路，实现人类的可持续发展。
二十世纪开始对太阳能光伏发电的研究就已经展开，伴随着硅材料在太阳能发电中作用的体现，还有集成电子技术的发展。
太阳能光伏发电的到了前所未有的发张。
当前对太阳能发电的研究主要在两个方面[1]。
第一是如何找到更好电池板，价格更低可以减少投入，实现容易，效率高可以节省数量和占地面积等。
第二是研究效率更高，成本低廉的控制器，和控制方案。
近几年，在技术比较先进的美国、德国、日本等国家在太阳能光伏发电研究的带领下，世界光伏发电系统有了巨大的发展。
保持这每年30%的增长率增长。
尤其到2012年，与2011年比，增长42.9%，2013年全球光伏新增装机量达36GW，超过的风能发电，成为发展第一快的新能源。
1.1.2我国的太阳能产业现状
我国对于太阳能的研究开始于一九五八年，是比一些发达国家晚的。
但是随着国家对太阳能发电的重视和支持，我国太阳能光伏发电技术取得了巨大的进步。
与先进国家的距离在一步步的缩小，光伏电池的转化太阳能的效率也不断提高。
当前，我国批量生产的单晶硅电池板转换效率提高到14%。
到2012年，光伏系统的应用总量达到了约16GW，而最新的2013年数据显示，我国新增装机量达10GW瓦，居全球首位。
因为我国地域辽阔，电网范围不可能覆盖到全部人民活动区域，很多偏远的农村地区还用不到电，生活水平低下，生活极不方便。
在这种背景下，家用太阳能发电系统设计的重要性和实用性也体现了出来。
我国政府对太阳能发电产业也给予了大力扶持，国家在太阳能光伏发电的相关方面先后制定了发展的策略，在党中央的带领下还在法律方面做出了规范，还有对它的一些补贴政策。
这些对我国太阳能发电都能健康快速发展起了很大的推动作用。
所以我国有非常广阔的太阳能发电产业的应用空间。
进入21世纪以来，我国在对新能源的重视程度空前的巨大，一项技术的发展离不开具有专业知识技能的人，为此我国在光伏发电发面开始培养一大批的科研人员，来从事新能源发展和推广，同时对太阳能光伏发电行业的产业进行了规范。
这些对太阳能发电的发展有着巨大的意义。
虽然上述内容来看太阳能发电发发展已经有了好多改善，但是与国外其他国家相比，事实上还是落后于他们的。
在这项技术这方面研究中有很多受着国内一些技术的不成熟而有着一定的局限性。
虽然发展的速度加快很多，但是由于当前市场上的太阳能发电相关产品种类繁多，质量也差距很大，有一些甚至存在设计上的缺陷[2]。
这些都是阻碍光伏发电的重要因素。
1.1.3目前光伏发电在应用时面对的问题
虽然上述内容来看太阳能发电发发展已经有了好多改善，但是与国外其他国家相比，事实上还有落后于他们的。
在这项技术这方面研究中有很多受着国内一些技术的不成熟而有着一定的局限性。
虽然发展的速度加快很多，但是由于当前市场上的太阳能发电相关产品种类繁多，质量也差距很大，有一些甚至存在设计上的缺陷。
这些都是阻碍光伏发电的重要因素。
所以对太阳能发电技术的研究还有很长的路要走，是一个未来人类社会发展中不可避免的重要话题。
1.2家用太阳能发电系统
1.2.1家用太阳能发电系统概述
光伏发电系统是把阳光中的能量经过半导体材料做成的发电电池板转化成电能供人类生产生活使用的能源供应装置。
它有两种形式，一种是独立发电，还有一种并网发电。
本设计为独立光伏发电系统，它主要由光伏阵列，boost升压变换器，逆变器和存储器件构成。
图1.1系统框图
控制器既可以把用不完电量贮存在蓄电池里，又当发电量不够用时，可以使用蓄电池里储存的能量。
控制器的另一个功能是把经过处理后的电能直接供给负载，无论负载是直流型或是交流型的负载[3]。
在蓄电池把电量送向负载时，不能使蓄电池完全没有电。
这对蓄电池起到保护作用。
蓄电池不光可以在白天使用，也可以在晚上或是阴天使用。
（一）太阳能电池板
太阳能电池板的性能直接影响整个系统，它是整个系统的核心。
它的作用是太阳能直接转换成为可用的电能。
它关系着整个系统的运行。
所以在对电池板进行选型时，它的价格和性能影响整个系统。
（二）太阳能控制器
在系统运行时，控制器起着关键的作用。
在蓄电池被过分使用时，起着保护作用。
控制系统运行状态实现最大功率输出。
在气温变化明显的区域，控制器与时控开关一类的元件一起使用时，在一定程度下还能起着对温度补偿的作用。
（三）蓄电池
能量存储，为独立光伏发电系统不间断的供电大容量发电系统通常用的是铅酸类的电池，而锂电池等是小型发电系统的第一选择。
它先贮存电能，后又释放电能。
（四）逆变器
现在生产的逆变器分为220V和110V两种。
但是太阳能送出的电一般都是直流12V或24V，再大点的如48V。
为了能向逆变器安全供电，需要把直流变换为交流。
因此DC-AC逆变器必不可少。
1.2.2家用太阳能发电系统优点
（1）太阳能相比要环保很多，而且可以说是无穷无尽的。
在响应国家号召的同时又能够与大自然完美融合。
（2）光伏电池的配件可以和周围的建筑融合起来，充满了科技感。
在供应电能的同时也可以提升建筑的美观性。
（3）分布式建设，发供电采用就近原则，因而不需要和大电网连接，不需要投入大量的资金和时间来建设输变电工程[5]。
能够给缺少电能供应的地域供电。
1.3本章小结
本章是本设计的开题章节，在进行一项技术的研究时首先要对这项技术的发展历程，当前的发展状况有一定得了解，撰写本章内容时，查阅一些最新的学术论文和期刊，然后还在solarzoom太阳能之家论坛看了一些文章，参考了若干关于太阳能发电行业的新闻。
最终确定下在接下来的设计中要不系统的效率和控制器的设计上要重点投入。
本章后半部分还对太阳能发电系统做了简单论述。
第二章独立光伏发电系统结构
2.1独立光伏发电系统结构
如下图，独立光伏发电系统主要包含如下几个部分：
光伏阵列、控制电路、蓄电池组、升压电路、逆变电路。
光伏阵列
，通过斩波电路实现对功率的控制，蓄电池用来贮存白天产生的多余的电量，到夜间或阳光不充足的白天释放能量供负载使用，而对蓄电池和光伏组件输出的直流电进行处理使之能让负载使用的是逆变器的工作任务[6]。
图2.1系统主回路电路图
2.2光伏阵列
2.2.1光伏阵列的组成
阳光中的能量在光伏发电系统中是通过光生伏打效应转换成电能的。
“光生伏打效应”产生有两种情况，一种是在半导体和金属相接触面上光电子的聚拢，还有就是在半导体不均匀的部分发生聚集。
光电子的聚集产生电位差，这种光电子产生的电能是十分微小的，没有办法直接用的，所以为了使得到电量足够大可以具有使用价值，可以通过把这些单个的光伏电池经过串联或者并联使之电压和电流叠加。
这样就构成一个太阳能电池片，然后依据负载对电量的要求选择一定数量的电池片连接成为光伏电池方正，作为系统的发电设备使用。
2.2.2光伏电池的参数
光伏电池的参数有：
短路电流
、开路电压
、填充因子
、还有转换效率等。
1）短路电流
：
正常的工作状态下，使u=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流随着光强的变化而变化。
在实际的电路中，影响光伏电池短路电流的因素有电池材料、制作工艺等。
2）开路电压Voc
将太阳能电池的正负极不接负载，测量到的两端电压的值就是开路电压。
单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.7v。
3）光电转换效率η
太阳能电池的光电转换效率这一参数是一块电池好与不好的标志，决定一个系统能不能高效的运行。
它指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值[7]。
计算公式如下:
（2.2）
式中A为太阳电池的面积，
为电池的最大输出功率，
为单位面积的入射光功率。
4）填充因子FF
光伏装置不是线性电路，电路中负载值得大小会对工作电压和电流产生影响，在I-V曲线上，存在这样一点，在这点处电压和电流相乘就可得到最大功率点。
在其工作的各种状态中，只有开路电压和短路电流相乘的数值是最大的。
用实际工作的最大工作点与上述的最大值相比就可以的到填充因子。
如公式：
（2.3）
FF值得确定随并联电阻及串联电阻的数值，反向饱和电流的取值、光照强度变化而变动。
2.2.3太阳能电池特性曲线
对太阳能电池输出特性产生影响的因素有光照情况、温度等。
下图是太阳能电池的等效电路。
图2.2太阳能电池等效电路
太阳能电池的I-V特性：
（2.4）
式中：
T：
太阳能电池内部的绝对温度
Vcell、Icell：
输出电压和输出电流
Isat：
是二极管饱和电流
Iph：
光生电流，它的数值和当时光照强度关系密切
Rpcell：
内部并联电阻，
RScell：
内部串联电阻，
Q：
电子电荷，为1.602×10-19C，
A：
是二极管系数
K是波尔兹曼常数，K=1.38058×10-23J/K。
下图是在不同温度的情况下的特性曲线：
图2.3日照强度恒定时光伏电池V—I、P—I曲线
从上图可以观察光照恒定时，太阳能电池的工作温度改变，它的输出也会跟着改变。
在电压变化的过程中，功率有一个最高点，他就是太阳能电池的最大功率点。
在温度降低的过程中，太阳能电池的功率会有增大。
2.3DC/DC变换器
DCDC变换器在生产生活中的应用很广阔，在光伏发电系统中也有着十分重要的地位。
科学技术的进步，现在的变换器有了很大的改进。
重量变轻，体积也变小，效率也有极大的提升[8]。
DC/DC变换器的工作原理是通过控制电路中可控开关器件的导通和关断，以电容和电感为储能器件，输出直流电压的斩波变换电路。
2.3.1变换器的分类
变换器可以分为两种，一种是带隔离的，另一种是不带隔离的变换器。
具体分类如下图：
图2.4DC/DC变换器的分类
2.3.2常用变换器的特点
随着科技的不断发展，DC/DC变换器在光伏发电系统中越来越多地应用。
直流斩波电路中由续流用的二极管和用来滤波的LC电路构成。
直流斩波变换器的工作原理主要是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种直流电压，或可调或固定，其中二极管起续流作用，用LC电路来滤波。
重量轻、体积小、效率高是相对于传统的DC/DC变换器最大的优点。
Buck电路通过斩波形式，使平均输出电压降低，由开关器件、电压源、电容器、电感器和二极管构成[9]。
Buck电路具有结构简单，高效，易控制的优点，在光伏发电系统中广泛使用着。
但是他只能用于降压，不能升压，而且输入端必须并联电容。
Boost变换器组成原件有电感、二极管、开关管、电容。
与Buck电路相比，不同之处是Buck变换器中的电感是在开关的输出端，而Boost变换器中的电感是在开关的输入端。
它在独立广发发电系统中可以用在升高光伏阵列或者蓄电池输出端的电压。
以满足下级电路需要。
但是与Buck电路相比，Boost电路的输入电流更大，因而电路损耗更大，转化效率低
Buck/Boost电路,它同时也可以叫做
，与其它直流变化电路相比，它的电压输出有更宽的范围值，同时具有升高电压或降低电压的作用，不足在于电路中的需要有储能电容，使得电路变得笨重而且效率也不高。
Cuk电路也是有电压升降的作用。
输入它的电压是不间断的，并且输出的负载电流是连续的，波动很小，这样使得输出输入的滤波更容易进行。
但是Cuk变换电路的成本高于其他，因为使用的器件多于boost电路等。
而且电路中电容的值偏大，电路臃肿损耗也高。
2.3.3光伏发电系统中变换器的作用
1）跟踪最大功率工作点。
通过对光伏电池板的输出的电量信息进行采集和计算，确定出调整方向，变换器通过调整电压的升降使输出与输入匹配，使系统工作在最大工作点附近。
2）蓄电池充电控制。
检测到蓄电池的状态之后，再确定了对蓄电池的控制方式。
这时候就应该用DCDC变换器的电压调节作用，改变蓄电池的输入，用来匹配蓄电池的状态。
3）线路中的升/降压作用[10]。
在整个系统的主回路中，光伏电池产生的电能电压最低，到最后供负载使用的220V交流点差距很大，所以，回路中难免要用到DCDC升压电路，另外，在进行最大功率跟踪控制的时候有时候还需要降低电压。
2.4蓄电池
2.4.1蓄电池的分类
下表是对几种常见蓄电池比较:
表2.1各种蓄电池的比较
在当前的太阳能发电系统中,用的最多的是铅酸蓄电池.从表可以看出虽然镍氢电池、镍镉电池和锂电池有各自的优点但是昂贵的价格和复杂的维护和使用使得在实际应用中不够广泛。
在目前市场上用于光伏发电系统的铅酸蓄电池有一下几种:
1）普通蓄电池：
它的内部材料为铅和铅的氧化物.用硫酸水溶液做电解液.他的主要优点是,输出电压稳定,市场上销售价格低于其他电池.但缺点也比较突出,比能低,需要经常维护比较繁琐,而且最重要的是使用寿命相对短。
2）干荷蓄电池：
它对电能储存能力强，能把电量存储两年左右.再使用时加入电解液,稍候20-30分钟之后即可使用。
3）免维护蓄电池：
免维护电池在实际应用中对点电解液的消耗小,不需要时常添加蒸馏水.而且它还有普通电池耐震,在温度高的环境也可以正常工作,自身体积也小于一般电池.他的使用寿命也长于其他电池.
2.4.2蓄电池的作用
在独立家用太阳能发电系统中的作用体现在如下几点：
1）能量存储，为独立光伏发电系统不间断的供电。
太阳能有一个不足之处就是夜晚或者阴雨天没有阳光时候太阳能电池组件不能产生电能，所以蓄电池需要在没有太阳光的时候为系统提供能量。
在有阳光充足的条件下，蓄电池要把太阳能电池产生的电能中用电设备没有使用的那部分电能储存起来,在没有阳光的时候给负载供电.
2）稳压和钳位。
如果把光伏阵列直接与负载连起来,由于阵列受太阳光强度和温度的影响,负载不能稳定在最大功率附近工作,不利于效率的提升.如果用蓄电池隔离开负载与光伏阵列的直接连接,可以减小对负载的影响,使其工作功率接近最大功率,由此提高系统的效率.
3）提供启动电流。
当有的用电设备需要的启动电流很大,超出光伏阵列所能提供的电流值,这时候可以用蓄电池来短暂的提供这个电流让设备启动.增强系统的实用性.
在家用光伏发电系统中,我们对蓄电池有以下几点要求:
1）具有深循环放电性能。
；
2）耐过充电能力强；
3）放电深度超过正常值时蓄电池容量容易恢复；
4）良好的充电接受能力；
5）电解液不出现严重的分层现象；
6）有着稳定的输出特性；
7）在不是特别良好的环境下也可以正常工作；
8）蓄电池组中各个单体的性能能保持一致
2.4.3蓄电池充电方式介绍
给蓄电池充电的控制策略有很多，好的充电控制策略对蓄电池有极大的好处，能提高它的使用价值，可以延长它的使用寿命和工作的稳定性[11]。
最基本的是以下几种：
1）恒压充电
充电时给蓄电池输入的是稳定的电压。
恒压充电实现起来是相对容易的，但是容易出现初始充电电流太大，有可能对蓄电池造成损害。
2）恒流充电
恒流充电是指输入给蓄电池的是恒定的电流。
此电流在蓄电池的最大允许电流之内。
使用此充电方法是，电流越大，充电速度越快。
3）阶段充电
阶段式充电是综合了前两者方式上产生的一种充电方式。
有两阶段和三阶段两种方法。
三阶段充电是先用恒流充电到预先设定的电压后转变为恒压充电直到蓄电池达到饱和，然后进行浮充。
充电放电循环次数相对减少，浮充电流除了维持自身放电之外，还能维持蓄电池内部氧的循环，这样可以大大延长了蓄电池的寿命。
两阶段充电没有浮充阶段。
4）脉冲充电
脉冲充电的方式是把一种周期性的电流注入到蓄电池。
电解液在有间断的充电中过程中容易扩散。
从而提高从电能转变效率。
2.5逆变器
2.5.1逆变器作用及原理
整流器是指可以将交流电转化为直流电的设备，逆变器的作用是与之相反，逆变器是一种把直流电能（电池、蓄电池）转变成交流电（一般为220伏50HZ正弦波或方波）的装置。
我们常见的应急电源，一般都是把直流电瓶逆变成220V交流的。
不管是在偏远山村，或是野外需要或是停电应急，逆变器都是一个非常不错的选择。
他通过与蓄电池的配合可以为用电设备提供出稳定的不间断的电能
它主要的工作原理是加在逆变器输入端的直流电压通过控制开关在负载上变成具有正负极性的交流。
其中开关器件的控制使得直流电加在负载上供电时具有两个回路，两个回路交替的周期性进行就在负载形成交流电。
2.5.2逆变器分类
逆变器的分类有很多种，根据逆变原理的不同，可以将逆变器分为脉宽调制
逆变器、
逆变器等。
根据逆变器主回路拓扑的不同，分为全桥拓扑结构、半桥拓扑结构和推挽拓扑结构等。
根据控制输出波形类型不同分为电流跟踪型逆变器和电压跟踪型逆变器。
2.5.3小型离网光伏发电系统逆变器拓扑结构分类
家用光伏发电系统使用的设备一般功率较小，所以大都使用单相逆变器。
单相逆变器从电路结构上可的不同，可以分为三类。
推挽式逆变电路、板桥逆变电路、全桥逆变电路[13]。
图2.5所示的是推挽电路的结构：
电路中的Q1、Q2两个开关器件的基极收到PWM控制信号的控制，交替在导通和关断两个状态。
在Q1导通的时候，电流经过Q1连接在变压器的原边上。
到了Q1基极上的脉冲消失的时候，两个开关管都关断，集电极和发射极的电压都成了直流输入电压。
到PWM下个周期时，轮到Q2导通。
就这样交替导通，不断重复来达到逆变效果。
图2.5推挽电路示意图
全桥逆变电路结构如下图所示：
桥两臂由S1、S2、S3和S4组成，两个桥臂的中间连接到滤波电路最终送给负载。
电路中的四个开关管按照给定PWM信号交替导通。
其工作过程与推挽电路相同。
图2.6全桥电路示意图
2.5.4家用太阳能发电系统逆变器要求
逆变器是独立光伏发电系统中最后的一步，它把来自蓄电池或者光伏阵列的直流电逆变成交流供给负载使用。
对整个系统来言，它决定了之前的设备工作的成败。
是系统的重要环节，所以对它有如下几点要求：
1、逆变器的转换效率要高
转换效率在光伏发电系统中一直是一个十分受重视的问题。
较高的转换效率可以有效的利用太阳能，节省设备的投入资金。
就目前而言，光伏阵列，和蓄电池的效率难以再有大的效率提升，逆变器的效率提升相对比较容易。
2、逆变器性能要可靠、安全
由于本设计适用的范围是相对落
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