本科毕业论文家用太阳能供电系统设计33413.doc

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1、目 录1 绪论21.1 家用太阳能供电的意义与背景21.2 太阳能发电研究现状与前景31.3 本文主要工作52 太阳能发电原理62.1 太阳能电池板的发电原理62.2 太阳能蓄电池的原理82.3 逆变器的工作原理113 太阳能家用供电系统的设计123.1 家用太阳能供电系统组成123.2 家用太阳能供电系统组成原件介绍123.3 需求分析173.4 系统设计184 软硬件的选择204.1 硬件的选择204.2 软件的设计265 结论33参考文献34致谢351 绪论1.1 家用太阳能供电的意义与背景随着全球经济的发展，人类环境保护意识的增强以及传统能源的日益枯竭，人们迫切的需要寻找一种新型的清洁

2、的能源以代替由煤炭，石油，天然气组成的传统能源。太阳能就是一种可再生的新型能源，太阳能发电，不会产生任何废料，也不会排放任何气体，对环境没有任何影响，是一种完完全全清洁的能源，如果太阳能能够取代传统能源，那么对人类的可持续发展是有很深远的意义的。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰

3、富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能的能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能），是太阳中的氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995 年，这种消耗达到了 140吨标准煤，即 25 年间增长了 69.7%，并预计，到 2020 年全世界对

4、能源的消耗会达到 195 亿吨标准煤 1。因此，采用既清洁，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我过是世界上的能源消耗大国，更应该为可持续发展和环境保护工作尽一份力，太阳能就是我们想要的新型能源，它不仅可以解决能源枯竭的问题，也不会产生温室气体，对环境零污染。我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便

5、捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。故本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。利用太阳能发电有两大类型，一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳

6、热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。1.2 太阳能发电研究现状与前景由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言， 21世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，中国政府对环境与发展十分重视

7、，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国21世纪议程，进一步明确了太阳能重点发展项目2。世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费结构的76%，已成为中国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。

8、能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。目前全世界有136个国家正在普及推广应用，其中95个国家正在大规模研究开发和生产各种太阳能发电设备和太阳电池应用产品。世界各主要国家都在努力提高太阳能发电设备的生产规模和应用规模，因为太阳电池从生产量10MW开始，每增加一倍，成本将降低20%。应用上建立MW级的大型太阳能发电站，不但可以降 低成本，还可以缓解荒漠和海岛地区的供电和环境问题，为荒漠地区打井抽水和海岛淡化海水提供动力，改善生态环境。现在世界上MW级太阳能发电站已超过10 座，其中最大的一个容量达到6.45M

9、W。太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，现在主要的应用方式为建筑一体化和风光互补系统。太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5

10、%。因此这一方案是有可能实现的。另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。随着我国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，

11、以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力。世界目前已有近200家公司生产太阳能电池，但生产设备厂主要在日企之手。日本的生产水平处于世界领先水平。太阳能发电技术位居世界前列的德国，在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿恩施泰因建成大型的太阳能发电场，其发电功率为12.4兆瓦，可以同时满足3500户家庭的用电需要。这座太阳能发电场占地77公顷，将拥有1500套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划，建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式，筹集建场所需的7500万欧元。个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1.44万欧元。据调查，这种集资建

12、太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。1973年第一次石油危机的爆发对日本产生了重大影响，石油危机终结了日本经济高速增长的时代。此后，日本政府提倡节省能源，加强新能源开发，放宽能源限制，大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导能等。日本正在极力谋求多角度、全方位的能源安全措施，通过这些努力来保护环境，构筑新层次的可持续发展的社会。在替代能源和节能技术的研发上，日本舍得投入，力图确保未来能源科技的制高点，推出新阳光计划，每年拨款570多亿日元研究再生能源技术、能源输送与储存技术等。经过多年的苦心经营，日本成为世界上能源利用效率最高的国家之一（为美国的2.75倍）。日本的太

13、阳能技术全球独领风骚，2002年日本的太阳能发电量占全球总量的46%。以色列在太阳能的利用和研究方面，不但受到政府，研究机构和企业的高度重视，还与欧美等国家和地区有着广泛的合作关系，使以色列在此领域一直保持了世界先进水平。美国在太阳嫩光电技术发展与应用过程中，政府和民间重视研究，开发和推广新技术以降低经济成本。除了政府支助研发，还建立了数目可观的技术商品化示范项目2 。依靠强有力的技术支撑，美国的太阳能技术逐年提高。中国太阳能发电经过多年的发展，取得了许多显著的进步。但由于基础薄弱，在太阳能发电的发展的过程中，面临了许多问题，例如，并网发电成本高，技术落后，政府激励措施不足，科研力度不够等诸多

14、困难。随着可再生能源法的正式实施，与以往相比，具有可持续发展的太阳能发电正面临着更大的发展机遇。太阳能发电产业和相关科研机构应抓住这一契机，制定一个系统可行的规划，逐步解决现有困难，早日使其在全国乃至全球广泛的施行，为可持续发展战略做出贡献。1.3 本文主要工作本文主要研究利用太阳能，为家庭供电，不仅要在理论上行得通，而且当此系统应用到现实生活中的生活，也是要完全胜任的，无论是软件方面，还是硬件方面，都能满足绝大多数家庭的需要。包含了原件的选择与系统的设计，同时考虑到了连续阴雨天太阳能电池板无法正常工作，利用市电备用来解决这个主要问题，同时选用了一些免维护的原件，大大的减少了采用独立的供电系统

15、为家居生活带来的不便于麻烦。也考虑了蓄电池的容量问题，在容量上提供了200%的预留空间。本文亦介绍了太阳能发电系统各个部件的工作原理，主要是交直流逆变以及控制器的工作模式，工作程序等。2 太阳能发电原理2.1 太阳能电池板的发电原理太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成过热蒸汽，再驱动汽轮机发电

16、。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争3 。光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能

17、变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的，目前利用太阳能电池板发电还是得到了相对广泛的应用，完全利用太阳能为一个家庭供电，早就可以实现了14 。太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶

18、硅，砷化镓，硒铟铜等。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程3 。太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：图2-1 硅原子图如图2-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼，磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。如图2-2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表

19、示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。图2-2 P型半导体同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。图2-3 P型半导体与N型半导体结合如图2-3所示，当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正

20、电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成P-N结。当晶片受光后，P-N结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在P-N结中形成电势差，这就形成了电源。由于半导体不是电的良导体，电子在通过P-N结后，如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P-N结，以增加入

21、射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，实际工业生产基本都是用化学气相沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。2.2 太阳能蓄电池的原理蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah(安时)表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体

22、积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量。例如，用2A电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C；同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是4C。电池刚出厂时，正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定关系。单元镍镉电池的标称电压约为1.3V（但一般认为是1.25V），单元镍氢电池的标称电压为1.25V。电池的内阻决定于极板的电

23、阻和离子流的阻抗。在充放电的过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化4 。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.751.8V，镍氢电池的充电终止电压为1.5V。例如，镍镉蓄电池的工作原理如下。镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。当环境温度较高时，使用密度为1.171.19（15时）的氢氧化钠溶液。当环境温度较低时，使用密度为1.191.21（15时）的氢氧化钾溶液。

24、在-15以下时，使用密度为1.251.27（15时）的氢氧化钾溶液。为兼顾低温性能和电荷保持能力，密封镍镉蓄电池采用密度为1.40（15时）的氢氧化钾溶液。为了增加蓄电池的容量和循环寿命，通常在电解液中加入少量的氢氧化锂（大约每升电解液加1520g）。镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍NiOOH，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达1.5V左右，但很快就下降到1.31-1.36V。镍镉蓄电池的端电压随着充放电过程而变化，可用以下式表示：U=E+IR (2.

25、1) U=EIR (2.2)从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电压越高；放电电流越大，端电压越低。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2V。采用8h率放电时，蓄电池的端电压下降到1.1V后，电池即放完电。蓄电池充足电后，在一定放电条件下，放至规定的终止电压时，电池放出的总容量称为电池的额定容量，容量Q用放电电流与放电时间的乘积来表示,表示式如下：Q=It(Ah) (2.3) 镍镉蓄电池容量与下列因素有关：1) 活性物质的数量；2) 放电率；3) 电解液。放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池的容量越小。使用不

26、同成分的电解液，对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。通常，在高温环境下，为了提高电池容量，常在电解液中添加少量氢氧化锂，组成混合溶液。实验证明：每升电解液中加入1520g含水氢氧化锂，在常温下，容量可提高4%5%，在40时，容量可提高20%。然而，电解液中锂离子的含量过多，不仅使电解液的电阻增大，还会使残留在正极板上的锂离子（Li+）慢慢渗入晶格内部，对正极的化学变化产生有害影响。电解液的温度对蓄电池的容量影响较大。这是因为随着电解液温度升高，极板活性物质的化学反应也逐步改善。电解液中的有害杂质越多，蓄电池的容量越小。主要的有害杂质是碳酸盐和硫酸盐。它们能使电解液的电阻增大，并且低温时容易结晶，

27、堵塞极板微孔，使蓄电池容量显著下降。此外，碳酸根离子还能与负极板作用，生成碳酸镉附着在负极板表面上，从而引起导电不良，使蓄电池内阻增大，容量下降 5 。镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率、极板结构及其面积有关，而电解液的导电率又与密度和温度有关。电池的内阻主要由电解液的电阻决定。氢氧化钾和氢氧化钠溶液的电阻系数随密度而变。18时氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系数最小。通常镍镉蓄电池的内阻可用下式计算： R=() (2.4)在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率Ah为67%-75%，电能效率Wh为55%65%，循环寿命约为2000次。另外，镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次

28、再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应5 。2.3 逆变器的工作原理逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为220V 50Hz正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压6 。 图2-4 逆变器工作过程各部分电路的主要

29、功能如下：1) 输入电路： 为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流电压。2) 输出电路： 对主逆变电路输出的交流电的质量（包括波形、频率、电压电流幅值相位等）进行修正、补偿、调理，使之能满足用户要求。3) 控制电路： 为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，配合主逆变电路完成逆变功能。在逆变电路中，控制电路与主逆变电路同样重要。4) 辅路电路： 将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。包括多种检测电路5) 保护电路： 输入过电压、欠压保护；输出过电压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。6) 主逆变电路： 由半导体开关器件组成的变换电路，分为隔离式和非隔离

30、式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；UPS、通信基础开关电流等是隔离式逆变电路。隔离式逆变电路还应包括逆变电压器。无论是隔离式或非隔离式主逆变电路，基本上都是由升压电路Buck和降压电路Boost两种电路不同拓扑形式组合而成。这些组合在隔离式逆变器主电路中就构成了单端式（正激式和反激式两种）、推挽式、半桥式和全桥式等。这些电路既可以组成单项逆变器，也可组合成三相逆变器 6 。3 太阳能家用供电系统的设计3.1 家用太阳能供电系统组成家用太阳能供电系统，是由光伏电池组件（太阳能电池板），蓄电池，控制器，负载与逆变器（输出电源为交流220V或110V）所组成的电路。 图3-1 系统概况图3

31、.2 家用太阳能供电系统组成原件介绍3.2.1 光伏电池组（太阳能电池板）光伏电池组件，将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池中储存起来，或者推动负载工作。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳能电池

32、表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。实质就是：光子能量转换成电能的过程。当芯片受光后，PN结中N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从 N 型区到P型区的电流。然后在 PN 结中形成电势差，这就形成了电源。于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积 7 。

33、图3-2 太阳能电池板太阳能电池板一般分为：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。 化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。 美国伦斯勒理工学院研究人员2008年开发出一种新型涂层，将其覆盖在太阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96.2%，而普通太阳能电池板的阳光吸收率仅为70%左右。新涂层主要解决了两个技术难题，一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太阳光谱，二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光，从而提高了太阳能电池板吸收太阳光的效率。已经得到广泛的推广应用8。3.2.2 太阳能蓄电池 太阳能蓄电池是蓄电池在太阳能光伏发电中的应用，

34、目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池。太阳能蓄电池需要比较好的深循环能力，有着很好的过充电和过放电的能力。长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池。适用不同的环境要求，如高海拔，高温，低温等不同的条件下都能正常使用的电池18。白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智慧控制器，经过智慧控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电

35、气化学设备。由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(数组)。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的PN结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于PN结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲是由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有光生电流流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功

36、率P输出。 理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。太阳能蓄电池的使用与维护：1) 工作适宜温度1520 。2) 太阳能蓄电池联接的方法为：将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负极联接。这样太阳能蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块太阳能蓄电池的电压一样。太阳能蓄电池两极柱切不可短路。 3) 对于新安装或整修后第一次充电的太阳能蓄电池，进行一次较长时间的充电，为初充电，应按额定容量1/10的电流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行8到16小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过

37、放充电。用交流电正常充电时，最好采用分级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。 4) 保持蓄电池本身的清洁。安装好的太阳能蓄电池极柱上应涂上凡士林，防止腐蚀极柱。 5) 为太阳能蓄电池配置在线监测管理技术，对太阳能蓄电池进行内阻在线测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。 6) 冬季预防太阳能蓄电池冻裂，夏季避免阳光直晒，应将太阳能蓄电池放于通风阴冷处9 。3.2.3 太阳能控制器太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。控制器

38、的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的向日葵式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右 16 。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。太阳能控制器有三项功能，分别是功率调节功能

39、，通信功能（简单指示功能，协议通讯功能如RS485以太网,无线等形式的后台管理.）与完善的保护功能（电气保护，反接,短路,过流等）。在选择太阳能控制器的时候要考虑输入功率，输出功率，退出欠压保护，散热与充电模式。常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄

40、电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充电 10 。图3-3太阳能控制器3.2.4 逆变器逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。本案中，由太阳能电池板产生的电能，会经过逆变器DC/AC转换，转换为220V，50Hz的交流电，从而为家用电器提供电能。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变11 。逆变器主要分为两类，一类是正弦波逆变器，正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染1

41、7 。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的4060%，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求

42、和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。另一类是方波逆变器，方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场13 。逆变器根据发电源的不同，分为煤电逆变器，太阳能逆变器，风能逆变器，核能逆变器。根据用途不同，分为独立控制逆变器，并网逆变器14 。逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。在光伏/风力互补系统选用逆变器时

43、，首要的是确定逆变器如下几个最主要的技术参数：输入直流电压范围，额定输出电压，输出电压波形。逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。自动运行和停机功能，早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要

44、太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。 最大功率跟踪控制功能，太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点

45、跟踪（MPPT）这一功能。图3-4太阳能逆变器3.3 需求分析本案中，用电系统是一个三口之家，居住在一个一百平方米左右的的两居室，太阳能电池板铺设在房屋的顶棚上。客厅内配有是液晶电视机一台（功率约为100W），空调一台（功率约为2000W），厨房内配有电磁炉一台（功率约为2000W），电冰箱一台（功率约为300W），电饭煲一个（功率约为1500W），主卧室内放着一台台式电脑（功率约为300W），次卧室内放有一台笔记本电脑（功率约为100W），整个屋子的照明设施有若干个（功率约为300W），其它（饮水机，充电器等）功率约为400W，总计功率为7000W。具体情况如下表所示。表1家用负载的计算电器

46、数量功率约为每天运行时间每日消耗电量液晶电视机一台100W5个小时0.5度电冰箱一台300W4个小时1.2度空调一台2000W1个小时2.0度电磁炉一个2000W1个小时2.0度电饭煲一个1500W2个小时3.0度照明工具若干300W4个小时1.2度台式计算机一台300W3个小时0.9度笔记本计算机一台100W4个小时0.4度饮水机，充电器等若干400W2个小时0.8度总功率7000W 12 度 为了充分满足该用户的需要，决定留出充裕的额度，决定采用正常情况下每日可以发出十五度到二十度左右的系统，已备日后填充家电，更好的留出了备用容量，已备不时之需 12 。3.4 系统设计目前，国内的光伏发电

47、系统主要是以直流系统为主，但最普遍的电力负载是交流负载。对于家居用电来说，基本全部都是交流负载，所以本设计主要针对交流负载。整个太阳能家用照明系统如图所示：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成50Hz交流电供电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天没有办法发电，所以本设计将蓄电池通过一个正偏二极管和继电开关与蓄电池连接在一起，最大程度利用太阳能。设计蓄电池的容量维持连续阴雨天气的最长天数为 3 天。结合阴雨天的稳定性考虑，该系统日发电量在15度到二十度之间，完全满足该三口之家的需求。系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供电不足。整个装置由控制器进行控制12 。图3-5家用太阳能供电系统框图整个系统的主控制回路如图所示：图3-6主控制回路原理图光伏电池通过一正偏二极管、继电开关与蓄电池连接起来。系统的工作原理是