多功能太陽(yáng)能停車棚的設(shè)計(jì)

1、摘要：本項(xiàng)目利用太陽(yáng)能光伏陣列發(fā)電，電能可用于給電動(dòng)車輛的充電，也可用于給筆記本電腦、手機(jī)等便攜設(shè)備充電和使用，夜間還可提供節(jié)能照明。系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，減少二氧化碳排放，符合低碳經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保的全球性發(fā)展趨性。本項(xiàng)目需要完成多功能太陽(yáng)能停車棚的設(shè)計(jì)，其中包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電能變換系統(tǒng)、節(jié)能照明及控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能及充放電控制系統(tǒng)和總體設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能、光伏陣列、電動(dòng)車充電、逆變器、蓄電池。Abstract:Weusesolarenergyphotovoltaicarraytogenerateelectricity,theelectricitycanbeusedtochargeforelectrical

2、lydrivenvehicle,laptop,mobilephoneandotherportableequipment.Itcanalsoprovidepowerfor川uminationatnight.Thesystemisenergysavingandenvironmentallyfriendly.Itletsoutlesscarbondioxideandaccordswiththetrendoflowcarbon(LC)economicandtheglobalizationofgreenenvironment.Wewillachievethedesigningofmultifunctio

3、nsolarmotorpoolwhichincludesstructuredesign,electricenergytransformationsystem,energyconservationillumination,controlsystem,energystorationandcharge-dischargecontrolsystemandthetotallydesign.Keywords:Solarenergy,photovoltaicarray,chargingforelectricallydrivenvehicles,iverterandstoragebattery.一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在

4、進(jìn)行光伏陣列設(shè)計(jì)時(shí)，為了能讓光伏陣列更多地獲取太陽(yáng)輻射能量和更多的日照時(shí)間，除了提高光伏陣列材料的能量轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題外，還要考慮放置光伏陣列方位和傾斜角的最佳設(shè)計(jì)方案。這些設(shè)計(jì)都要涉及相關(guān)的各種太陽(yáng)角等變量的計(jì)算問(wèn)題。太陽(yáng)光線與光伏陣列表面法線之間的夾角，稱為太陽(yáng)入射角0。對(duì)于光伏陣列表面來(lái)說(shuō)，從任意角度入射的太陽(yáng)光線均可分解為垂直分量和水平分量?jī)刹糠?，其中只有垂直分量的輻射可以被有效吸收，而平行分量則對(duì)于獲取太陽(yáng)能能量毫無(wú)價(jià)值。所以通常希望太陽(yáng)光入射角0越小越好。下面用三角函數(shù)的計(jì)算形式分別列出各種有關(guān)太陽(yáng)角變量之間的關(guān)系。公式中符號(hào)對(duì)應(yīng)變量如下：太陽(yáng)入射角0、光伏陣列傾斜角B、光伏陣列方位

5、角丫、太陽(yáng)赤緯度S（赤緯度是地心與太陽(yáng)中心的連線與天赤道之間的夾角，反應(yīng)了地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的規(guī)律，春分或秋分時(shí)候，太陽(yáng)直射在赤道，5為0,夏至?xí)r5=2327',冬至?xí)r5=-2327'）、當(dāng)?shù)鼐暥?太陽(yáng)時(shí)角0h、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角1.1高度角任意條件下的太陽(yáng)高度角為sin口=sin華sin%+cos中cos5cos9h(1)在這里我們不考慮時(shí)角9%令其為0（即正午時(shí)候的角度）。這樣就得到sin=sinsin+coScoS=coS（-6）=sin9t>C-6）若平<s,則正午時(shí)分太陽(yáng)在天頂?shù)谋狈?，該地區(qū)sina=sin9C0-(-6)(3)(4)若中>S,則正午

6、時(shí)分太陽(yáng)在天頂?shù)哪戏?，該地區(qū)sin=sin9Co+f-6)(5)(6)1.2 方位角太陽(yáng)電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度）。一般情況下，方陣朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為0°）時(shí)，太陽(yáng)電池發(fā)電量是最大的。在偏離正南（北半球）30°度時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約10%15%;在偏離正南（北半球）600時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約20%30%。但是，在晴朗的夏天，太陽(yáng)輻射能量的最大時(shí)刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時(shí)，在午后時(shí)刻可獲得最大發(fā)電功率。在不同的季節(jié)，太陽(yáng)電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的

7、時(shí)候。1.3 位置安放陰影對(duì)發(fā)電量的影響一般情況下，我們?cè)谟?jì)算發(fā)電量時(shí)，是在方陣面完全沒(méi)有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽(yáng)電池不能被日光直接照到時(shí)，那么只有散射光用來(lái)發(fā)電，此時(shí)的發(fā)電量比無(wú)陰影的要減少約10%20%。因此選擇一個(gè)無(wú)陰影遮擋的地區(qū)尤其重要?？紤]到十二塊電極板所占地是比較大的，學(xué)校又多有樹(shù)木、樓房等遮擋，故經(jīng)過(guò)多方面考察，選取理學(xué)院樓頂作為地址。1.4 抗風(fēng)性雖然極板放在南側(cè)建筑頂層，周圍的建筑可以起到一定的擋風(fēng)作用，但到了風(fēng)大的冬季，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)是不夠的。電池板的面積較大，受風(fēng)很大，所以應(yīng)將支架在樓頂用水泥澆筑固定。二、電能變換系統(tǒng)光伏陣列產(chǎn)生的電一般需經(jīng)過(guò)一定的變換使用，電能變換系

8、統(tǒng)的主要工作方式包括直流變換為交流和直流變換為直流兩種，利用逆變器直流變換為交流，利用Boost-Buck電路直流變換為直流。逆變器逆變器是把蓄電池輸出的直流電變成交流電的裝置，照明負(fù)載為交流負(fù)載時(shí)須使用，直流時(shí)不必使用，我國(guó)室外照明一般為220V、50Hz交流，因此，逆變器多為DC24V（或12V、36V）/AC220V的電壓形式.逆變器也應(yīng)具有電路短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、反接保護(hù)及雷電保護(hù)等功能。按隔離方式逆變器可分為獨(dú)立光伏逆變器和并網(wǎng)光伏逆變器。在這里我們所采用的是后者通過(guò)光伏組件將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過(guò)高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過(guò)逆變器逆變后轉(zhuǎn)換后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同

9、頻、同相的正弦交流電流。逆變裝置的核心，是逆變開(kāi)關(guān)電路，簡(jiǎn)稱為逆變電路。該電路通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來(lái)完成逆變的功能。J_H_rBoost-Buck變換器直流變換電路是依靠半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作將某一直流電壓變換為另一個(gè)直流電壓的電路。這里的變換電路相當(dāng)于交流電源變壓式的變壓器，它通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，配合電感和電容器件以連續(xù)的改變直流電壓。直流變換電路分為直接變換和間接變換兩類，前者沒(méi)有中間變壓器的介入，直接進(jìn)行直流電壓的變換；后者將先將直流變換為交流電壓，經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后再變?yōu)橹绷麟妷骸Ｖ绷髯儞Q電路可分為兩大類。一類是直流斬波器，具包括：1.Buck變換器、2.Boost變

10、換器、3.Buck-Boost變換器、4.Boost-Buck變換器。另一類是開(kāi)關(guān)電源型DC/D廢換器，具包括：1.單端正激變換器、2.單端反激式變換器、3.推挽變換器、4.橋式變換器。我們分析了各個(gè)電路的有缺點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)際的情況選擇了Boost-Buck電路進(jìn)行升直流降壓變換。下面具體的分析Boost-Buck變換器。Boost-Buck電路是在Boost電路后面串聯(lián)一個(gè)Buck電路構(gòu)成的，其電路圖如圖2.1所示。經(jīng)等效簡(jiǎn)化，其電路由開(kāi)關(guān)管T、二極管D電感器Li和L2和電容器Ci和G等組成，如圖2.2所示。圖2.1Boost-Buck變換器L5圖2.2Boost-Buck變換器簡(jiǎn)化電路工作原

11、理：將Buck-Boost變換器進(jìn)行對(duì)偶變換，可以得出Boost-Buck變換器。Buck-Boost變換器是由電壓源、電流源轉(zhuǎn)換器、電壓負(fù)載組成的一種拓?fù)?，而B(niǎo)oost-Buck變換器是由電流源、電壓源轉(zhuǎn)換器、電流負(fù)載組成的，中間含有一級(jí)電容儲(chǔ)能的電壓轉(zhuǎn)換器。電路能量的存儲(chǔ)和傳遞是同時(shí)存在于開(kāi)關(guān)期周期的ton和toff階段，分別在兩個(gè)環(huán)路中進(jìn)行，如圖2.3所示。（C）圖2.3Boost-Buck變換器中電流和電壓的分配設(shè)開(kāi)關(guān)控制周期為Ts,導(dǎo)通占空比為D,則導(dǎo)通期為ton=DT截止期為toff=(1-D)Ts。當(dāng)經(jīng)過(guò)若干周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后：在ton期間(圖2.2中T導(dǎo)通)，把輸人輸出環(huán)路閉合，二

12、極管D反偏而截止，構(gòu)成如圖2.3(a)所示的等效電路。這時(shí)輸入電流ii使電感Li儲(chǔ)能；C經(jīng)T放電，放電電流i2使G和匕儲(chǔ)能，并供電給負(fù)載RT中流過(guò)輸人、輸出電流之和為ii+i2。在toff期間(圖2.2中T截止)，二極管D正偏而導(dǎo)通，將輸人、輸出環(huán)路閉合，構(gòu)成如圖2.3(b)所示的等效電路。這時(shí)電源輸入和Li的釋能電流ii向C充電，同時(shí)L2的釋能電流i2以維持負(fù)載。流過(guò)D的電流亦為輸人、輸出電流之和ii+i2。這個(gè)電路無(wú)論在ton及toff期間，都能夠從輸入向輸出傳遞功率，只要輸人、輸出電感Li、L2及電容器C有足夠大容量，則Li和L2中的電流基本上是恒定的。在toff期間，輸入電流ii使C充

13、電儲(chǔ)能；而在ton期間，。向負(fù)載放電釋能，G是個(gè)能量的傳遞元件。電流ii和i2波形如圖2.3c)所示。該電路的輸出、輸入電壓關(guān)系如下:(i)其中D為開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通的占空比顯然，調(diào)整D可以改變輸出電壓U和輸入電壓US的關(guān)系設(shè)輸出電壓U加在純電阻負(fù)載兩端從太陽(yáng)能電池端口看進(jìn)去，虛線后Boost-Buck電路和負(fù)載可視為一個(gè)等效輸入電阻Rq,且它在數(shù)值上等于US與Is的比值。若以理想情況考慮，忽略中間環(huán)節(jié)的能量損耗，設(shè)光電輸出100%轉(zhuǎn)換為負(fù)載消耗，則由功率平衡可得：UsIs=U°Io而純電阻負(fù)載消耗的功率可表示為：Po=U°IoUo2聯(lián)立(1)(2)(3)式得:d2u；(1-D)

14、2R(4)上式稍作變形即得:Req(1-D)2D2由此可見(jiàn)，改變D,就就可以改變變換電路輸入端的等效電阻值，相當(dāng)于改變了負(fù)載特性曲線的斜率，于是負(fù)載曲線與太陽(yáng)能電池I-U曲線的交點(diǎn)也隨著改變，而此交點(diǎn)正是太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)D,就可在限定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的輸出電壓，使其有最大功率輸出。Buck-Boost變換器輸出電壓可高于或低于輸人電壓，提供一個(gè)反極性不隔離的輸出電壓，其輸入和輸出電流都是連續(xù)的，具有較小的紋波分量，可輸出較平穩(wěn)的波形三、光伏照明及控制系統(tǒng)太陽(yáng)能車棚光伏照明及控制系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、智能控制器、蓄電池和照明光源等組成，它們構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的照明系統(tǒng)智能控

15、制器智能控制器的作用是控制太陽(yáng)能燈系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如照明燈的光控或設(shè)置開(kāi)關(guān)、調(diào)光、雷電保護(hù)、電路短路保護(hù)、最大功率點(diǎn)跟蹤等，對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充電保護(hù)、反充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。控制器是光伏照明及控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件.主要由單片機(jī)及邏輯電路組成，有了優(yōu)良性能的控制器，系統(tǒng)才能順利工作，同時(shí)可延長(zhǎng)蓄電池等器件的使用壽命.光伏照明及控制系統(tǒng)的工作原理光伏照明及控制系統(tǒng)的工作原理：在能電池組件白天向蓄電池組件充電，晚上蓄電池則給照明負(fù)載供電。智能控制器的控制下，太陽(yáng)控制系統(tǒng)采用MPPT術(shù)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。在充電控制過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池的電壓和電流實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電池的最大功率輸出

16、，判斷太陽(yáng)能電池此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈寬、調(diào)制輸出占空比、改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并作出是否改變占空比的判斷。通過(guò)這樣的尋優(yōu)過(guò)程，可保證太陽(yáng)能電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，提高光電轉(zhuǎn)換效率。在給照明負(fù)載供電過(guò)程中，控制器需實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)的功能，當(dāng)白天太陽(yáng)能電池的發(fā)電量不足以提供照明負(fù)載供電，需切換到公網(wǎng)供電。通過(guò)對(duì)蓄電池電壓的監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池電壓不足時(shí)，由市電直接向照明負(fù)載供電，避免了蓄電池電壓不足時(shí)照明負(fù)載不亮的情況。光伏照明系統(tǒng)的光源選擇光源的性能指標(biāo)有很多，與人眼感覺(jué)相關(guān)的有色溫、色度及顯色指數(shù)。白熾燈給人以溫暖的感覺(jué)，熒光燈、水銀燈則給人以清

17、冷的感覺(jué)，這主要是由于它們的色溫不同所致。常用照明中我們選用白熾燈、熒光燈而不選用鈉燈，是因?yàn)殁c燈的顯色指數(shù)小，看到的物體不真實(shí)，人眼也容易疲勞。因此，對(duì)系統(tǒng)光源進(jìn)行選擇需要考慮多方面，包括色度參數(shù)、光度參數(shù)、可靠性、供電方式等。常用光源有很多種，但并不是每種都適合用于光伏照明系統(tǒng)。太陽(yáng)能車棚光伏照明系統(tǒng)可用于普通照明，也可應(yīng)用于路燈、草坪燈、廣告燈等方面。普通照明照明供電方式有交流和直流兩種，光伏系統(tǒng)提供的是直流電，傳統(tǒng)光源要想使用太陽(yáng)能，還要增加逆變電路，中間能量損耗要大于使用LED燈，在這樣的情形下，理想的選擇當(dāng)然是使用LED燈。LED已經(jīng)更加接近普通照明的要求，在過(guò)去幾年中，LED的光

18、色指標(biāo)有了極大的提高。但LED作為太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的光源，還有不足的地方：一是性能不穩(wěn)定；二是壽命短。草坪燈草坪燈功率小，主要以裝飾為目的，對(duì)可移動(dòng)性要求高。如選用傳統(tǒng)的節(jié)能燈，電路鋪設(shè)困難，防水要求高，另外，三基色高效節(jié)能燈啟動(dòng)時(shí)有高達(dá)1020倍常態(tài)電流的啟動(dòng)電流，系統(tǒng)在承受這樣大的電流情況下，電壓可能有大幅度的下降，這樣用于太陽(yáng)能供電的草坪燈則無(wú)法啟動(dòng)或者反復(fù)啟動(dòng)，直至損壞。LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗、頻繁開(kāi)關(guān)都成為可能，并且不會(huì)對(duì)LED的性能產(chǎn)生不良影響，還可以方便地控制顏色，改變光的分布，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)幻景。另外，LED可以閃爍變光，漸亮漸暗也是節(jié)能的好辦法，它一方面可

19、以增加太陽(yáng)能草坪燈的照射效果，另一方面也可以通過(guò)改變閃爍占空比控制蓄電池的平均輸出電流，延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間，或者在同等條件下，可減小太陽(yáng)能電池的功率，成本將大幅度下降。以上提到這些使得由太陽(yáng)能電池供電的草坪燈顯示出許多前所未有的優(yōu)勢(shì)。目前多數(shù)草坪燈選用LED乍為光源，LE誠(chéng)命長(zhǎng)，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽(yáng)能草坪燈上.四儲(chǔ)能控制系統(tǒng)蓄電池是光伏電站中主要部件之一，用于貯能，即將太陽(yáng)能電池提供的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存于其中。一般白天由太陽(yáng)能電池方陣給蓄電池充電，夜間由蓄電池給負(fù)載供電，蓄電池處于半浮充電狀態(tài)。在光伏電站運(yùn)行中，由于蓄電池故障而影響系統(tǒng)正常工作的情況時(shí)有出現(xiàn)。因此，在對(duì)光伏電站進(jìn)行設(shè)

20、計(jì)時(shí)，選擇合適的蓄電池類型，對(duì)于光伏電站的正常運(yùn)行是非常重要的。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池頻繁處于充電一放電的反復(fù)循環(huán)中，過(guò)充電和深放電的不利情況時(shí)有發(fā)生，故對(duì)光伏電站中的蓄電池有如下要求：(1)具有深循環(huán)放電性能(2)充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)。(3)對(duì)過(guò)充電、過(guò)放電耐受能力強(qiáng)。(4)當(dāng)電池不能及時(shí)補(bǔ)充充電時(shí)，能有效抑制小顆粒硫酸鉛的生長(zhǎng)。(5)富液式電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時(shí)，電解液不易層化。(6)具有免維護(hù)或少維護(hù)的性能。(7)低溫下具有良好的充電、放電特性；充放電特性對(duì)高溫不敏感。(8)蓄電池各項(xiàng)性能一致性好，無(wú)需均衡充電。(9)具有較高的能量效率。(10)具有較高的性能價(jià)格比。綜合以上條件，選擇鉛酸蓄

21、電池是比較合適的。太陽(yáng)能蓄電池的工作原理：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，再傳送給智能控制器，經(jīng)過(guò)智能控制器的過(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)放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。構(gòu)成鉛蓄電池的主要成份如下：陽(yáng)極板(過(guò)氧化鉛，PbO)-活性物質(zhì)陰極板(海綿狀鉛，Pb)-活性物質(zhì)電解液(稀硫酸)-硫酸(HSO)+水(HO)五系統(tǒng)參數(shù)分析太陽(yáng)能電池技術(shù)參數(shù)測(cè)試條件：標(biāo)準(zhǔn)條件下（大氣質(zhì)量AM1.5,電池溫度250C,光照強(qiáng)度iKWm2）開(kāi)路電壓V0c=28.58V短路電流Isc=7.94A峰值電壓Vm=22.21V峰值電流Im=7.03A峰值功率Pm=156.22W最大系統(tǒng)電壓：1