畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

1、目 錄1 緒論21.1 家用太陽(yáng)能供電的意義與背景21.2 太陽(yáng)能發(fā)電研究現(xiàn)狀與前景31.3 本文主要工作52 太陽(yáng)能發(fā)電原理62.1 太陽(yáng)能電池板的發(fā)電原理62.2 太陽(yáng)能蓄電池的原理82.3 逆變器的工作原理113 太陽(yáng)能家用供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)123.1 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成123.2 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成原件介紹123.3 需求分析173.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)184 軟硬件的選擇204.1 硬件的選擇204.2 軟件的設(shè)計(jì)265 結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝351 緒論1.1 家用太陽(yáng)能供電的意義與背景隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及傳統(tǒng)能源的日益枯竭，人們迫切的需要尋找一種新型的清潔

2、的能源以代替由煤炭，石油，天然氣組成的傳統(tǒng)能源。太陽(yáng)能就是一種可再生的新型能源，太陽(yáng)能發(fā)電，不會(huì)產(chǎn)生任何廢料，也不會(huì)排放任何氣體，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何影響，是一種完完全全清潔的能源，如果太陽(yáng)能能夠取代傳統(tǒng)能源，那么對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展是有很深遠(yuǎn)的意義的。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1367kw/m2。太陽(yáng)是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無(wú)盡的能源。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3.751026w）的22億分之一，但已高達(dá)173,000tw，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐

3、富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。但太陽(yáng)能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響不能維持常量。這兩大缺點(diǎn)大大限制了太陽(yáng)能的有效利用。太陽(yáng)能的能源是來(lái)自地球外部天體的能源（主要是太陽(yáng)能），是太陽(yáng)中的氫原子核在超高溫時(shí)聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來(lái)自太陽(yáng)。隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，人類對(duì)電的需求每年以很大幅度增加，進(jìn)而對(duì)能源的需求也迅速增長(zhǎng)。全世界對(duì)能源的消耗在 1970 年約為 83 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在 1995 年，這種消耗達(dá)到了 140噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即 25 年間增長(zhǎng)了 69.7%，并預(yù)計(jì)，到 2020 年全世界對(duì)

4、能源的消耗會(huì)達(dá)到 195 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 1。因此，采用既清潔，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我過(guò)是世界上的能源消耗大國(guó)，更應(yīng)該為可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)工作盡一份力，太陽(yáng)能就是我們想要的新型能源，它不僅可以解決能源枯竭的問(wèn)題，也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，對(duì)環(huán)境零污染。我國(guó)蘊(yùn)藏著豐富的太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能利用前景廣闊。目前，中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國(guó)家和重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)比較成熟太陽(yáng)能產(chǎn)品有兩項(xiàng)：太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。太陽(yáng)能供電進(jìn)入家庭是一種趨勢(shì)。目前，太陽(yáng)能家用供電不能普及的原因除造價(jià)高外，還沒(méi)有較為合適的控制器為用戶提供便

5、捷的使用服務(wù)，這是制約其發(fā)展的因素之一。故本課題設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能家用系統(tǒng)，為太陽(yáng)能供電進(jìn)入千家萬(wàn)戶奠定基礎(chǔ)。利用太陽(yáng)能發(fā)電有兩大類型，一類是太陽(yáng)光發(fā)電（亦稱太陽(yáng)能光發(fā)電），另一類是太陽(yáng)熱發(fā)電（亦稱太陽(yáng)能熱發(fā)電）。太陽(yáng)能光發(fā)電是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式，在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池、光電解電池和光催化電池。太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式。一種是將太陽(yáng)熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。另一種方式是將太陽(yáng)

6、熱能通過(guò)熱機(jī)（如汽輪機(jī)）帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過(guò)是其熱能不是來(lái)自燃料，而是來(lái)自太陽(yáng)能。1.2 太陽(yáng)能發(fā)電研究現(xiàn)狀與前景由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣背景下，1992年聯(lián)合國(guó)在巴西召開(kāi)“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，會(huì)議通過(guò)了里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言， 21世紀(jì)議程和聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了 可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會(huì)議之后，世界各國(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將利用太陽(yáng)能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在 一起，使太陽(yáng)能利用工作走出低谷，逐漸得到加強(qiáng)。世界環(huán)發(fā)大會(huì)之后，中國(guó)政府對(duì)環(huán)境與發(fā)展十分重視

7、，提出10條對(duì)策和措施，明確要“因地制宜地開(kāi)發(fā)和推廣太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒊毕?、生物質(zhì)能等清潔能源”，制定了中國(guó)21世紀(jì)議程，進(jìn)一步明確了太陽(yáng)能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目2。世界上越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)識(shí)到一個(gè)能夠持續(xù)發(fā)展的社會(huì)應(yīng)該是一個(gè)既能滿足社會(huì)需要，而又不危及后代人前途的社會(huì)。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價(jià)格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭約占商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的76%，已成為中國(guó)大氣污染的主要來(lái)源。大力開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施。

8、能源問(wèn)題是世界性的，向新能源過(guò)渡的時(shí)期遲早要到來(lái)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，太陽(yáng)能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價(jià)格的上漲。目前全世界有136個(gè)國(guó)家正在普及推廣應(yīng)用，其中95個(gè)國(guó)家正在大規(guī)模研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)各種太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和太陽(yáng)電池應(yīng)用產(chǎn)品。世界各主要國(guó)家都在努力提高太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模，因?yàn)樘?yáng)電池從生產(chǎn)量10mw開(kāi)始，每增加一倍，成本將降低20%。應(yīng)用上建立mw級(jí)的大型太陽(yáng)能發(fā)電站，不但可以降 低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問(wèn)題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動(dòng)力，改善生態(tài)環(huán)境。現(xiàn)在世界上mw級(jí)太陽(yáng)能發(fā)電站已超過(guò)10 座，其中最大的一個(gè)容量達(dá)到6.45m

9、w。太陽(yáng)能的使用主要分為幾個(gè)方面：家庭用小型太陽(yáng)能電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽(yáng)能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等，現(xiàn)在主要的應(yīng)用方式為建筑一體化和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。太陽(yáng)能發(fā)電有更加激動(dòng)人心的計(jì)劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃。準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過(guò)超導(dǎo)電纜將全球太陽(yáng)能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。據(jù)測(cè)算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽(yáng)能發(fā)電供給全球能源，占地也不過(guò)為65.11萬(wàn)平方公里、186.79萬(wàn)平方公里、829.19萬(wàn)平方公里。829.19萬(wàn)平方公里才占全部海洋面積2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5

10、%。因此這一方案是有可能實(shí)現(xiàn)的。另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國(guó)宇航局和能源部就提出在空間建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站設(shè)想，準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長(zhǎng)10公里、寬5公里的大平板，上面布滿太陽(yáng)電池，這樣便可提供500萬(wàn)千瓦電力。但這需要解決向地面無(wú)線輸電問(wèn)題?，F(xiàn)已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了短距離、短時(shí)間、小功率的微波無(wú)線輸電，但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程。隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，在2006年，中國(guó)有三家企業(yè)進(jìn)入了全球前十名，標(biāo)志著中國(guó)將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽(yáng)能光伏的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供應(yīng)和價(jià)格的上漲，我們需要將技術(shù)推廣的同時(shí)，必須采用新的技術(shù)，

11、以便大幅度降低成本，為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供原動(dòng)力。世界目前已有近200家公司生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，但生產(chǎn)設(shè)備廠主要在日企之手。日本的生產(chǎn)水平處于世界領(lǐng)先水平。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)位居世界前列的德國(guó)，在巴伐利亞州法蘭哥尼亞地區(qū)的阿恩施泰因建成大型的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，其發(fā)電功率為12.4兆瓦，可以同時(shí)滿足3500戶家庭的用電需要。這座太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)占地77公頃，將擁有1500套太陽(yáng)能發(fā)電裝置。它由兩家私人企業(yè)聯(lián)合策劃，建成后發(fā)電功率是目前世界上最大的5兆瓦風(fēng)力發(fā)電站的兩倍多。這兩家企業(yè)計(jì)劃完全通過(guò)私人購(gòu)買(mǎi)的方式，籌集建場(chǎng)所需的7500萬(wàn)歐元。個(gè)人購(gòu)買(mǎi)套太陽(yáng)能發(fā)電裝置的需要先投資1.44萬(wàn)歐元。據(jù)調(diào)查，這種集資建

12、太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的全新途徑在德國(guó)有著廣闊的發(fā)展前景。1973年第一次石油危機(jī)的爆發(fā)對(duì)日本產(chǎn)生了重大影響，石油危機(jī)終結(jié)了日本經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的時(shí)代。此后，日本政府提倡節(jié)省能源，加強(qiáng)新能源開(kāi)發(fā)，放寬能源限制，大力開(kāi)發(fā)新能源，采用太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池、氫能、超導(dǎo)能等。日本正在極力謀求多角度、全方位的能源安全措施，通過(guò)這些努力來(lái)保護(hù)環(huán)境，構(gòu)筑新層次的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。在替代能源和節(jié)能技術(shù)的研發(fā)上，日本舍得投入，力圖確保未來(lái)能源科技的制高點(diǎn)，推出新陽(yáng)光計(jì)劃，每年撥款570多億日元研究再生能源技術(shù)、能源輸送與儲(chǔ)存技術(shù)等。經(jīng)過(guò)多年的苦心經(jīng)營(yíng)，日本成為世界上能源利用效率最高的國(guó)家之一（為美國(guó)的2.75倍）。日本的太

13、陽(yáng)能技術(shù)全球獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，2002年日本的太陽(yáng)能發(fā)電量占全球總量的46%。以色列在太陽(yáng)能的利用和研究方面，不但受到政府，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視，還與歐美等國(guó)家和地區(qū)有著廣泛的合作關(guān)系，使以色列在此領(lǐng)域一直保持了世界先進(jìn)水平。美國(guó)在太陽(yáng)嫩光電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程中，政府和民間重視研究，開(kāi)發(fā)和推廣新技術(shù)以降低經(jīng)濟(jì)成本。除了政府支助研發(fā)，還建立了數(shù)目可觀的技術(shù)商品化示范項(xiàng)目2 。依靠強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，美國(guó)的太陽(yáng)能技術(shù)逐年提高。中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，取得了許多顯著的進(jìn)步。但由于基礎(chǔ)薄弱，在太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展的過(guò)程中，面臨了許多問(wèn)題，例如，并網(wǎng)發(fā)電成本高，技術(shù)落后，政府激勵(lì)措施不足，科研力度不夠等諸多

14、困難。隨著可再生能源法的正式實(shí)施，與以往相比，具有可持續(xù)發(fā)展的太陽(yáng)能發(fā)電正面臨著更大的發(fā)展機(jī)遇。太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)抓住這一契機(jī)，制定一個(gè)系統(tǒng)可行的規(guī)劃，逐步解決現(xiàn)有困難，早日使其在全國(guó)乃至全球廣泛的施行，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。1.3 本文主要工作本文主要研究利用太陽(yáng)能，為家庭供電，不僅要在理論上行得通，而且當(dāng)此系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的生活，也是要完全勝任的，無(wú)論是軟件方面，還是硬件方面，都能滿足絕大多數(shù)家庭的需要。包含了原件的選擇與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到了連續(xù)陰雨天太陽(yáng)能電池板無(wú)法正常工作，利用市電備用來(lái)解決這個(gè)主要問(wèn)題，同時(shí)選用了一些免維護(hù)的原件，大大的減少了采用獨(dú)立的供電系統(tǒng)

15、為家居生活帶來(lái)的不便于麻煩。也考慮了蓄電池的容量問(wèn)題，在容量上提供了200%的預(yù)留空間。本文亦介紹了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部件的工作原理，主要是交直流逆變以及控制器的工作模式，工作程序等。2 太陽(yáng)能發(fā)電原理2.1 太陽(yáng)能電池板的發(fā)電原理太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。太陽(yáng)能發(fā)電方式太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。光熱電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成過(guò)熱蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電

16、。前一個(gè)過(guò)程是光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一個(gè)過(guò)程是熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程，與普通的火力發(fā)電一樣.太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴510倍.一座1000mw的太陽(yáng)能熱電站需要投資2025億美元，平均1kw的投資為20002500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)3 。光電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能

17、變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽(yáng)能電池可以大中小并舉，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽(yáng)能電池組，這是其它電源無(wú)法比擬的，目前利用太陽(yáng)能電池板發(fā)電還是得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，完全利用太陽(yáng)能為一個(gè)家庭供電，早就可以實(shí)現(xiàn)了14 。太陽(yáng)電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅，非?/p>

18、硅，砷化鎵，硒銦銅等。當(dāng)光線照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在p-n結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程3 。太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：圖2-1 硅原子圖如圖2-1中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼，磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在一個(gè)空穴。如圖2-2中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子，而黃色的表

19、示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車(chē)挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生如圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成p（positive）型半導(dǎo)體。圖2-2 p型半導(dǎo)體同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成n（negative）型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而n型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是pn結(jié)。圖2-3 p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合如圖2-3所示，當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的p型一側(cè)帶負(fù)電，n型一側(cè)帶正

20、電。這是由于p型半導(dǎo)體多空穴，n型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。n區(qū)的電子匯擴(kuò)散到p區(qū)，p區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到n區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)有n指向p的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，從而形成p-n結(jié)。當(dāng)晶片受光后，p-n結(jié)中，n型半導(dǎo)體的空穴往p型區(qū)移動(dòng)，而p型區(qū)中的電子往n型區(qū)移動(dòng)，從而形成從n型區(qū)到p型區(qū)的電流。然后在p-n結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)p-n結(jié)后，如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)，以增加入

21、射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。2.2 太陽(yáng)能蓄電池的原理蓄電池的五個(gè)主要參數(shù)為：電池的容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電池的容量通常用ah(安時(shí))表示，1ah就是能在1a的電流下放電1小時(shí)。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量則由電池使用的材料和體

22、積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關(guān)的一個(gè)參數(shù)是蓄電池的充電電流。蓄電池的充電電流通常用充電速率c表示，c為蓄電池的額定容量。例如，用2a電流對(duì)1ah電池充電，充電速率就是2c；同樣地，用2a電流對(duì)500mah電池充電，充電速率就是4c。電池剛出廠時(shí)，正負(fù)極之間的電勢(shì)差稱為電池的標(biāo)稱電壓。標(biāo)稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當(dāng)環(huán)境溫度、使用時(shí)間和工作狀態(tài)變化時(shí)，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩余電量也有一定關(guān)系。單元鎳鎘電池的標(biāo)稱電壓約為1.3v（但一般認(rèn)為是1.25v），單元鎳氫電池的標(biāo)稱電壓為1.25v。電池的內(nèi)阻決定于極板的電

23、阻和離子流的阻抗。在充放電的過(guò)程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化4 。蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為1.751.8v，鎳氫電池的充電終止電壓為1.5v。例如，鎳鎘蓄電池的工作原理如下。鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負(fù)極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，使用密度為1.171.19（15時(shí)）的氫氧化鈉溶液。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，使用密度為1.191.21（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。

24、在-15以下時(shí)，使用密度為1.251.27（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。為兼顧低溫性能和電荷保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為1.40（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加1520g）。鎳鎘蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸噉iooh，負(fù)極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k；鎳鎘電池放電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘嚕?fù)極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。充足電后，立即斷開(kāi)充電電路，鎳鎘蓄電池的電動(dòng)勢(shì)可達(dá)1.5v左右，但很快就下降到1.31-1.36v。鎳鎘蓄電池的端電壓隨著充放電過(guò)程而變化，可用以下式表示：u=e+ir (2.

25、1) u=eir (2.2)從上式可以看出，充電時(shí)，電池的端電壓比放電時(shí)高，而且充電電流越大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。當(dāng)鎳鎘蓄電池以標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)，平均工作電壓為1.2v。采用8h率放電時(shí)，蓄電池的端電壓下降到1.1v后，電池即放完電。蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時(shí)，電池放出的總?cè)萘糠Q為電池的額定容量，容量q用放電電流與放電時(shí)間的乘積來(lái)表示,表示式如下：q=it(ah) (2.3) 鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)：1) 活性物質(zhì)的數(shù)量；2) 放電率；3) 電解液。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。使用不

26、同成分的電解液，對(duì)蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實(shí)驗(yàn)證明：每升電解液中加入1520g含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可提高4%5%，在40時(shí)，容量可提高20%。然而，電解液中鋰離子的含量過(guò)多，不僅使電解液的電阻增大，還會(huì)使殘留在正極板上的鋰離子（li+）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對(duì)正極的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。電解液的溫度對(duì)蓄電池的容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時(shí)容易結(jié)晶，

27、堵塞極板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負(fù)極板作用，生成碳酸鎘附著在負(fù)極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降 5 。鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻與電解液的導(dǎo)電率、極板結(jié)構(gòu)及其面積有關(guān)，而電解液的導(dǎo)電率又與密度和溫度有關(guān)。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。氫氧化鉀和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)隨密度而變。18時(shí)氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。通常鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻可用下式計(jì)算： r=() (2.4)在正常使用的條件下，鎳鎘電池的容量效率ah為67%-75%，電能效率wh為55%65%，循環(huán)壽命約為2000次。另外，鎳鎘電池使用過(guò)程中，如果電量沒(méi)有全部放完就開(kāi)始充電，下次

28、再放電時(shí)，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量后就開(kāi)始充電，充足電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)5 。2.3 逆變器的工作原理逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220v 50hz正弦或方波）。應(yīng)急電源，一般是把直流電逆變成220v交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（dc）轉(zhuǎn)化為交流電（ac）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時(shí)間使上橋、下橋的功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在輸出端u、v、w三相上得到相位互差120電角度的三相交流電壓6 。 圖2-4 逆變器工作過(guò)程各部分電路的主要

29、功能如下：1) 輸入電路： 為主逆變電路提供可確保其正常工作的直流電壓。2) 輸出電路： 對(duì)主逆變電路輸出的交流電的質(zhì)量（包括波形、頻率、電壓電流幅值相位等）進(jìn)行修正、補(bǔ)償、調(diào)理，使之能滿足用戶要求。3) 控制電路： 為主逆變電路提供一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，配合主逆變電路完成逆變功能。在逆變電路中，控制電路與主逆變電路同樣重要。4) 輔路電路： 將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。包括多種檢測(cè)電路5) 保護(hù)電路： 輸入過(guò)電壓、欠壓保護(hù)；輸出過(guò)電壓、欠壓保護(hù)；過(guò)載保護(hù)；過(guò)流和短路保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)等。6) 主逆變電路： 由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組成的變換電路，分為隔離式和非隔離

30、式兩大類。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的；ups、通信基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)電流等是隔離式逆變電路。隔離式逆變電路還應(yīng)包括逆變電壓器。無(wú)論是隔離式或非隔離式主逆變電路，基本上都是由升壓電路buck和降壓電路boost兩種電路不同拓?fù)湫问浇M合而成。這些組合在隔離式逆變器主電路中就構(gòu)成了單端式（正激式和反激式兩種）、推挽式、半橋式和全橋式等。這些電路既可以組成單項(xiàng)逆變器，也可組合成三相逆變器 6 。3 太陽(yáng)能家用供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，是由光伏電池組件（太陽(yáng)能電池板），蓄電池，控制器，負(fù)載與逆變器（輸出電源為交流220v或110v）所組成的電路。 圖3-1 系統(tǒng)概況圖3

31、.2 家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成原件介紹3.2.1 光伏電池組（太陽(yáng)能電池板）光伏電池組件，將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，送往蓄電池中儲(chǔ)存起來(lái)，或者推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽(yáng)能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過(guò)程。p型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜磷可得n型硅，形成pn結(jié)。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池

32、表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在pn結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。實(shí)質(zhì)就是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。當(dāng)芯片受光后，pn結(jié)中n型半導(dǎo)體的空穴往p型區(qū)移動(dòng)，而p型區(qū)中的電子往n型區(qū)移動(dòng)，從而形成從 n 型區(qū)到p型區(qū)的電流。然后在 pn 結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)pn結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)，以增加入射光的面積 7 。

33、圖3-2 太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能電池板一般分為：晶體硅電池板：多晶硅太陽(yáng)能電池、單晶硅太陽(yáng)能電池。非晶硅電池板：薄膜太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池。 化學(xué)染料電池板：染料敏化太陽(yáng)能電池。 美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員2008年開(kāi)發(fā)出一種新型涂層，將其覆蓋在太陽(yáng)能電池板上能使后者的陽(yáng)光吸收率提高到96.2%，而普通太陽(yáng)能電池板的陽(yáng)光吸收率僅為70%左右。新涂層主要解決了兩個(gè)技術(shù)難題，一是幫助太陽(yáng)能電池板吸收幾乎全部的太陽(yáng)光譜，二是使太陽(yáng)能電池板吸收來(lái)自更大角度的太陽(yáng)光，從而提高了太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光的效率。已經(jīng)得到廣泛的推廣應(yīng)用8。3.2.2 太陽(yáng)能蓄電池 太陽(yáng)能蓄電池是蓄電池在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中的應(yīng)用，

34、目前采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池,膠體蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池四種。 國(guó)內(nèi)目前被廣泛使用的太陽(yáng)能蓄電池主要是：鉛酸免維護(hù)蓄電池和膠體蓄電池。太陽(yáng)能蓄電池需要比較好的深循環(huán)能力，有著很好的過(guò)充電和過(guò)放電的能力。長(zhǎng)壽命，特殊的工藝設(shè)計(jì)和膠體電解質(zhì)保證的長(zhǎng)壽命電池。適用不同的環(huán)境要求，如高海拔，高溫，低溫等不同的條件下都能正常使用的電池18。白天太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能組件上，使太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生一定幅度的直流電壓，把光能轉(zhuǎn)換為電能，再傳送給智慧控制器，經(jīng)過(guò)智慧控制器的過(guò)充保護(hù)，將太陽(yáng)能組件傳來(lái)的電能輸送給蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存；而儲(chǔ)存就需要有蓄電池，所謂蓄電池即是貯存化學(xué)能量，于必要時(shí)放出電能的一種電

35、氣化學(xué)設(shè)備。由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實(shí)用中的太陽(yáng)能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件(數(shù)組)。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽(yáng)光照射到由p型和n型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的pn結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽(yáng)能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度j，短路電流isc，開(kāi)路電壓uoc。 若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講是由p-n結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，就有光生電流流過(guò)，太陽(yáng)能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功

36、率p輸出。 理論研究表明，太陽(yáng)能電池組件的峰值功率pk，由當(dāng)?shù)氐奶?yáng)平均輻射強(qiáng)度與末端的用電負(fù)荷(需電量)決定。太陽(yáng)能蓄電池的使用與維護(hù)：1) 工作適宜溫度1520 。2) 太陽(yáng)能蓄電池聯(lián)接的方法為：將太陽(yáng)能蓄電池的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極聯(lián)接。這樣太陽(yáng)能蓄電池的電量就會(huì)增加一倍，而電壓與一塊太陽(yáng)能蓄電池的電壓一樣。太陽(yáng)能蓄電池兩極柱切不可短路。 3) 對(duì)于新安裝或整修后第一次充電的太陽(yáng)能蓄電池，進(jìn)行一次較長(zhǎng)時(shí)間的充電，為初充電，應(yīng)按額定容量1/10的電流來(lái)進(jìn)行充電。安裝前必須測(cè)量蓄電池是否充足，如電力不足，請(qǐng)?jiān)陉?yáng)光充足的地方對(duì)蓄電池進(jìn)行8到16小時(shí)以上充電或者用交流電先把電池充足，應(yīng)嚴(yán)格避免過(guò)

37、放充電。用交流電正常充電時(shí)，最好采用分級(jí)充電方式，即在充電初期用較大電流的恒流均充，充到均充電壓并恒壓一定時(shí)間后改用常規(guī)的恒壓浮充方式。 4) 保持蓄電池本身的清潔。安裝好的太陽(yáng)能蓄電池極柱上應(yīng)涂上凡士林，防止腐蝕極柱。 5) 為太陽(yáng)能蓄電池配置在線監(jiān)測(cè)管理技術(shù)，對(duì)太陽(yáng)能蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻在線測(cè)量與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的缺陷，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。 6) 冬季預(yù)防太陽(yáng)能蓄電池凍裂，夏季避免陽(yáng)光直曬，應(yīng)將太陽(yáng)能蓄電池放于通風(fēng)陰冷處9 。3.2.3 太陽(yáng)能控制器太陽(yáng)能控制器全稱為太陽(yáng)能充放電控制器，是用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽(yáng)能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給太陽(yáng)能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備。控制器

38、的主要功能是使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即pwm控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開(kāi)路或接反時(shí)切斷開(kāi)關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)pm，又能跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)參數(shù)的向日葵式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右 16 。太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。太陽(yáng)能控制器有三項(xiàng)功能，分別是功率調(diào)節(jié)功能

39、，通信功能（簡(jiǎn)單指示功能，協(xié)議通訊功能如rs485以太網(wǎng),無(wú)線等形式的后臺(tái)管理.）與完善的保護(hù)功能（電氣保護(hù)，反接,短路,過(guò)流等）。在選擇太陽(yáng)能控制器的時(shí)候要考慮輸入功率，輸出功率，退出欠壓保護(hù)，散熱與充電模式。常規(guī)的太陽(yáng)能控制器的充電模式是照抄了市電充電器的三段式充電方法，即恒流、恒壓、浮充三個(gè)階段。因?yàn)槭须婋娋W(wǎng)的能量無(wú)限大，如果不進(jìn)行恒流充電，會(huì)直接導(dǎo)致蓄電池充爆而損壞，但是太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的電池板功率有限，所以繼續(xù)延用市電控制器恒流的充電方式是不科學(xué)的，如果電池板產(chǎn)生的電流大于控制器第一段限制的電流，那么就造成了充電效率的下降。mct充電方式就是追蹤電池板的最大電流，不造成浪費(fèi)，通過(guò)檢測(cè)蓄

40、電池的電壓以及計(jì)算溫度補(bǔ)償值，當(dāng)蓄電池的電壓接近峰值的時(shí)候，再采取脈沖式的涓流充電方法，既能讓蓄電池充滿也防止了蓄電池的過(guò)充電 10 。圖3-3太陽(yáng)能控制器3.2.4 逆變器逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。本案中，由太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能，會(huì)經(jīng)過(guò)逆變器dc/ac轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為220v，50hz的交流電，從而為家用電器提供電能。逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵(lì)方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變11 。逆變器主要分為兩類，一類是正弦波逆變器，正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因?yàn)樗淮嬖陔娋W(wǎng)中的電磁污染1

41、7 。方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負(fù)向最大值幾乎在同時(shí)產(chǎn)生，這樣，對(duì)負(fù)載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時(shí)，其負(fù)載能力差，僅為額定負(fù)載的4060%，不能帶感性負(fù)載。如所帶的負(fù)載過(guò)大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負(fù)載中的容性電流增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞負(fù)載的電源濾波電容。針對(duì)上述缺點(diǎn)，近年來(lái)出現(xiàn)了準(zhǔn)正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負(fù)向最大值之間有一個(gè)時(shí)間間隔，使用效果有所改善，但準(zhǔn)正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好。總括來(lái)說(shuō)，正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動(dòng)任何種類的負(fù)載，但技術(shù)要求

42、和成本均高。準(zhǔn)正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價(jià)適中，因而成為市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。另一類是方波逆變器，方波逆變器的制作采用簡(jiǎn)易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場(chǎng)13 。逆變器根據(jù)發(fā)電源的不同，分為煤電逆變器，太陽(yáng)能逆變器，風(fēng)能逆變器，核能逆變器。根據(jù)用途不同，分為獨(dú)立控制逆變器，并網(wǎng)逆變器14 。逆變器的主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過(guò)全橋電路，一般采用spwm處理器經(jīng)過(guò)調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。在光伏/風(fēng)力互補(bǔ)系統(tǒng)選用逆變器時(shí)

43、，首要的是確定逆變器如下幾個(gè)最主要的技術(shù)參數(shù)：輸入直流電壓范圍，額定輸出電壓，輸出電壓波形。逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來(lái)有自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動(dòng)電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能，早晨日出后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽(yáng)電池的輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的輸出，只要

44、太陽(yáng)電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽(yáng)電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)。 最大功率跟蹤控制功能，太陽(yáng)電池組件的輸出是隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽(yáng)電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對(duì)于這些變化，始終讓太陽(yáng)電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)始終從太陽(yáng)電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)

45、跟蹤（mppt）這一功能。圖3-4太陽(yáng)能逆變器3.3 需求分析本案中，用電系統(tǒng)是一個(gè)三口之家，居住在一個(gè)一百平方米左右的的兩居室，太陽(yáng)能電池板鋪設(shè)在房屋的頂棚上?？蛷d內(nèi)配有是液晶電視機(jī)一臺(tái)（功率約為100w），空調(diào)一臺(tái)（功率約為2000w），廚房?jī)?nèi)配有電磁爐一臺(tái)（功率約為2000w），電冰箱一臺(tái)（功率約為300w），電飯煲一個(gè)（功率約為1500w），主臥室內(nèi)放著一臺(tái)臺(tái)式電腦（功率約為300w），次臥室內(nèi)放有一臺(tái)筆記本電腦（功率約為100w），整個(gè)屋子的照明設(shè)施有若干個(gè)（功率約為300w），其它（飲水機(jī)，充電器等）功率約為400w，總計(jì)功率為7000w。具體情況如下表所示。表1家用負(fù)載的計(jì)算電器

46、數(shù)量功率約為每天運(yùn)行時(shí)間每日消耗電量液晶電視機(jī)一臺(tái)100w5個(gè)小時(shí)0.5度電冰箱一臺(tái)300w4個(gè)小時(shí)1.2度空調(diào)一臺(tái)2000w1個(gè)小時(shí)2.0度電磁爐一個(gè)2000w1個(gè)小時(shí)2.0度電飯煲一個(gè)1500w2個(gè)小時(shí)3.0度照明工具若干300w4個(gè)小時(shí)1.2度臺(tái)式計(jì)算機(jī)一臺(tái)300w3個(gè)小時(shí)0.9度筆記本計(jì)算機(jī)一臺(tái)100w4個(gè)小時(shí)0.4度飲水機(jī)，充電器等若干400w2個(gè)小時(shí)0.8度總功率7000w 12 度 為了充分滿足該用戶的需要，決定留出充裕的額度，決定采用正常情況下每日可以發(fā)出十五度到二十度左右的系統(tǒng)，已備日后填充家電，更好的留出了備用容量，已備不時(shí)之需 12 。3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前，國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電

47、系統(tǒng)主要是以直流系統(tǒng)為主，但最普遍的電力負(fù)載是交流負(fù)載。對(duì)于家居用電來(lái)說(shuō)，基本全部都是交流負(fù)載，所以本設(shè)計(jì)主要針對(duì)交流負(fù)載。整個(gè)太陽(yáng)能家用照明系統(tǒng)如圖所示：白天，光伏電池接收太陽(yáng)的光能并轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在蓄電池中；夜間，控制器將蓄電池存儲(chǔ)的電能變換成50hz交流電供電器使用，達(dá)到節(jié)能的目的。由于太陽(yáng)光的不連續(xù)性、光伏電池在晚上或者陰雨天沒(méi)有辦法發(fā)電，所以本設(shè)計(jì)將蓄電池通過(guò)一個(gè)正偏二極管和繼電開(kāi)關(guān)與蓄電池連接在一起，最大程度利用太陽(yáng)能。設(shè)計(jì)蓄電池的容量維持連續(xù)陰雨天氣的最長(zhǎng)天數(shù)為 3 天。結(jié)合陰雨天的穩(wěn)定性考慮，該系統(tǒng)日發(fā)電量在15度到二十度之間，完全滿足該三口之家的需求。系統(tǒng)配備市電備用，主要

48、應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)陰雨天氣造成的供電不足。整個(gè)裝置由控制器進(jìn)行控制12 。圖3-5家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)框圖整個(gè)系統(tǒng)的主控制回路如圖所示：圖3-6主控制回路原理圖光伏電池通過(guò)一正偏二極管、繼電開(kāi)關(guān)與蓄電池連接起來(lái)。系統(tǒng)的工作原理是：在控制器的作用下，光伏電池向蓄電池組充電，晚上蓄電池組提供電力給負(fù)載。控制器能夠在任何條件下(陽(yáng)光充足或長(zhǎng)期陰雨天)確保蓄電池組不因過(guò)充電或過(guò)放電而被損壞，最大程度的利用太陽(yáng)能。由于光伏電池輸出電壓不穩(wěn)定，這樣會(huì)對(duì)后端電路產(chǎn)生影響，所以采用 buck 電路實(shí)現(xiàn) dc/dc 變換，得到穩(wěn)定直流輸出 36v，再通過(guò)逆變電路實(shí)現(xiàn) dc/ac，得到所需的交流電?？刂破饔?stc12

49、c5410ad和sg3525組成。在dc/ac輸出電壓通過(guò)變壓、整流、濾波后將反饋電壓ea送sg3525進(jìn)行控制。sg3525根據(jù) ea 的值調(diào)整 pwm_0_o 來(lái)控制 buck 電路，如果無(wú)偏差時(shí)，按照原來(lái)固定脈寬輸出，如有偏差時(shí)，sg3525 改變 pwm_0_o 的輸出脈寬進(jìn)行調(diào)整。stc12c5410ad 則控制 sg3525 的啟動(dòng)與停止。整個(gè)電路形成一個(gè)閉環(huán)控制。本設(shè)計(jì)只針對(duì)照明，所以設(shè)計(jì)輸出為 220v/50hz 的方波，由 stc12c5410ad 產(chǎn)生 50hz 的方波來(lái)控制逆變電路實(shí)現(xiàn) dc/ac 逆變。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了市電備用，stc12c5410ad 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的情況

50、對(duì)繼電開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，繼電器的控制如下表所示。正常工作時(shí)，充電開(kāi)關(guān) ka 開(kāi)啟，切換開(kāi)關(guān) kb 工作在逆變狀態(tài)，市電備用開(kāi)關(guān) kc 關(guān)閉。stc12c5410ad 通過(guò)電阻分壓對(duì)蓄電池的端電壓進(jìn)行 ad 采樣檢測(cè)，當(dāng)白天光照強(qiáng)烈導(dǎo)致電池板輸出電壓過(guò)高，stc12c5410ad 檢測(cè)到蓄電池過(guò)壓時(shí)，控制器斷開(kāi)太陽(yáng)能板的充電開(kāi)關(guān) ka，停止對(duì)蓄電池充電，以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能；如果在夜間出現(xiàn)蓄電池所儲(chǔ)存的電量不足或者遇到連續(xù)陰雨天時(shí)，stc12c5410ad 檢測(cè)蓄電池處于欠壓狀態(tài)，開(kāi)啟市電備用開(kāi)關(guān) kc，切換開(kāi)關(guān) kb 工作在市電備用狀態(tài)。stc12c5410ad 檢測(cè)到蓄電池過(guò)電壓或者欠電壓時(shí)，發(fā)出

51、聲光警報(bào)，綠燈亮表示正常工作，紅燈亮表示欠壓、黃燈亮表示過(guò)壓。當(dāng) stc12c5410ad 檢測(cè)到電路欠壓故障時(shí)，關(guān)閉 sg3525 工作，以實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。表2 繼電器工作組合表繼電器工作狀態(tài)kakbkc備注白天夜晚市電備用onoffoffononoffoffoffonon：開(kāi)啟off：關(guān)閉4 軟硬件的選擇4.1 硬件的選擇4.1.1 太陽(yáng)能電板的選擇選擇太陽(yáng)能電板無(wú)非是選擇他們的功率，本案中，需要一個(gè)日發(fā)電量在十五度左右的系統(tǒng)?？鄢刂破髋c逆變器的損耗，需要大約兩千五百瓦的太陽(yáng)能電池板，而市場(chǎng)上常見(jiàn)的是一百瓦與二百五十瓦的電池板居多，所以本案中選擇了十塊二百五十瓦的單晶硅太陽(yáng)能電池板。并

52、且，十塊電池板采用并聯(lián)的方式連接在一起，這樣不會(huì)因?yàn)槟骋粔K電池板或者某一段線路的故障影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行發(fā)電。本電池板的規(guī)格是1935mm*986mm*50mm。電壓為18v。電流為13.89a。圖4-1 太陽(yáng)能電池板本案中十塊電池板連接起來(lái)之后，面積約為19平方米。面積足夠在本案的一百平方米的房屋頂棚上搭建這些電池板。4.1.2 逆變器的選擇本逆變器就是要把蓄電池中的直流電能，轉(zhuǎn)化為220v，50hz的交流電，本案中選擇機(jī)型為三千瓦的逆變器。圖4-2 逆變器此逆變器凈重：48kg尺寸：長(zhǎng) 470mm 寬 22mm 高555mm。表3逆變器的具體參數(shù)機(jī)型3kw功率(w)3000直流電壓（vd

53、c）電壓可定制輸入電壓160-265vac輸入頻率4565 hz逆變器輸出電壓/頻率220vac5% /50hz1%輸出波形純正弦波切換時(shí)間 125-150%,10秒;150% ,140毫秒;保護(hù)噪音 45db運(yùn)行環(huán)境溫度0-40攝氏度貯存環(huán)境溫度-15 - +50攝氏度運(yùn)行/貯存環(huán)境相對(duì)濕度0-90%無(wú)結(jié)露運(yùn)行環(huán)境海拔高度0-3,000米貯存環(huán)境海拔高度0-15,000米該逆變器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 該逆變器使用cpu控制。高品質(zhì)，智能化正弦波輸出。2) 單鍵智能開(kāi)關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)方便操作。3) 優(yōu)異的輸出短路保護(hù)設(shè)計(jì)，可以抗拒大電流啟動(dòng)負(fù)載沖擊。4) 完善的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)可有效保護(hù)逆變器的安全運(yùn)行，

54、當(dāng)負(fù)載大于100%-200%時(shí)逆變器將于30秒左右自動(dòng)關(guān)機(jī)，當(dāng)負(fù)載大于150%逆變器會(huì)立即自動(dòng)關(guān)機(jī)。5) 直流供電電路下限保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)電流電源小于標(biāo)稱值的15%，逆變器將自動(dòng)關(guān)閉。4.1.3 太陽(yáng)能控制器的選擇本案中選擇的是48v，60a的大功率控制器，本控制器的尺寸為260*170*140mm，重量為3 kg。圖4-3 控制器控制器使用十分簡(jiǎn)單，只有三個(gè)燈，分別是太陽(yáng)能指示燈，蓄電池指示燈與負(fù)載指示燈。如下圖：圖4-4 控制器指示燈接線方式太陽(yáng)能電池板的正極輸出連接到控制器的bol+，蓄電池的正極連接到bay+，太陽(yáng)能電池板的負(fù)極與蓄電池的負(fù)極共同接到day-，控制器的load-屬于輸出負(fù)極

55、，如下圖所示：圖4-5 控制器的連接方式表4控制器的技術(shù)規(guī)格型號(hào)48v-60a額定功率（w）3000w額定充電電流（a）60a額定電壓（v）48v太陽(yáng)能輸入額定電壓（v）48v輸入路數(shù)單路額定功率(wp)s1 1500s2 1500電池過(guò)充保護(hù)電壓（v）57.2v過(guò)充恢復(fù)電壓（v）54.8v恒壓充電電壓（v）54v過(guò)放報(bào)警電壓（v）40v直流負(fù)載額定電壓（v）48 v額定電流（a）60 a電池過(guò)放保護(hù)電壓44v其他太陽(yáng)能電池與蓄電池間壓降(v)0.5v蓄電池與負(fù)載間壓降（v）0.15v排風(fēng)扇啟動(dòng)溫度55環(huán)境溫度0-90%最大，不凝結(jié)保護(hù)功能夜間防反充電；蓄電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)；太陽(yáng)能接反控制方式pwm脈寬調(diào)制外觀尺寸：深*寬*高（mm）260*170*140mm凈重（kg）3 kg表5簡(jiǎn)易故障的處理故障現(xiàn)象可能的原因確決方法面板“battery”指示燈不亮蓄電池連接不