畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-光伏獨(dú)立系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

PAGEPAGEII題目：光伏獨(dú)立系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：光伏材料應(yīng)用技術(shù)姓名：準(zhǔn)考證號(hào)：指導(dǎo)教師：【摘要】太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)萬(wàn)噸石油燃燒的能量。開(kāi)發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽(yáng)能，可以大量減少對(duì)環(huán)境的污染，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)碳生態(tài)，太陽(yáng)能既是近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。但是由于傳統(tǒng)不太重視光伏組件的搭配問(wèn)題，造成很多的浪費(fèi)，本文針對(duì)以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的種種缺陷和細(xì)節(jié)，提出了一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和組合。本文概括介紹了光伏系統(tǒng)的組成、運(yùn)行方式及其計(jì)算，著重討論了對(duì)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的建立。主要包括太陽(yáng)能輻射資源模型、太陽(yáng)能電池方陣最佳傾角模型、太陽(yáng)能電池方陣發(fā)電量模型、蓄電池狀態(tài)模型、負(fù)載模型。在此基礎(chǔ)上，本文以光伏系統(tǒng)能量損失最小利用最大化為原則，著重研究了最大功率點(diǎn)跟蹤的問(wèn)題和逆變電路的選擇、電池板的選用等，做到因地制宜。這些方案具有一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：BUCK斬波電路綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)自做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋺?yīng)用理論【Abstract】Solarenergyasamassiveamountofrenewableenergy,dailyradiationreachingtheearth'ssurfaceenergyequivalenttotensofthousandsoftonsofoilburningenergy.Developmentandutilizationofrich,broadsolar,cangreatlyreducethepollutiontotheenvironment,tofurthertherealizationofnocarbon,solarenergyistherecentmuch-neededenergysupplement,alsowillbethefutureenergystructurefoundation.ButduetothetraditionallessemphasisonPVmoduletie-inproblem,causealotofwaste,accordingtotheprevioussystemdesignmethodinexistenceallsortsofflawsanddetails,putsforwardanewmethodofoptimumdesignandcombination.Onthebasisofthis,thisarticletoPVsystemenergylossminimizationusingthemaximumprinciple,focusesonthestudyofmaximumpowerpointtrackingproblemsandtheselectionofinvertercircuit,batteryplateselection,tosuitone'smeasurestolocalconditions.TheseprogramshaveacertaintheoreticalbasisandpracticalKeywords：BUCKchoppercircuit,integratedoptimizationdesign,sincetheexperimentalmodelanditsapplicationtotheory目錄緒論v一太陽(yáng)能光伏的發(fā)展現(xiàn)狀及綜合評(píng)價(jià)11.1全球能源與我國(guó)太陽(yáng)能資源的比較11.2獨(dú)立光伏發(fā)電的研究及其發(fā)展3二獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作原理42.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成42.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理5三獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中各模型的研究及其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用53.1傾斜面上的直接輻射分量和散射輻射分量63.2太陽(yáng)能電池方陣最佳傾角度的選擇73.3太陽(yáng)能電池方陣發(fā)電量模型的設(shè)計(jì)思路和原則73.4負(fù)載與儲(chǔ)存元件模型8四太陽(yáng)能電池MPPT控制器94.1提高系統(tǒng)效率的途徑94.2最大功率點(diǎn)跟蹤的控制9五自做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋺?yīng)用理論125.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)125.2在現(xiàn)實(shí)中的具體應(yīng)用135.3應(yīng)用實(shí)例14結(jié)論15參考文獻(xiàn)16致謝17緒論回顧歷史：20世紀(jì)70年代后，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題日益突出，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球約有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟?lèi)的能源結(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展，這之中太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)。豐富的太陽(yáng)輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無(wú)污染、廉價(jià)、人類(lèi)能夠自由利用的能源。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于世界上能耗的40倍。正是由于太陽(yáng)能的這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，20世紀(jì)80年代后，太陽(yáng)能電池的種類(lèi)不斷增多、應(yīng)用范圍日益廣闊、市場(chǎng)規(guī)模也逐步擴(kuò)大。展望未來(lái)：20世紀(jì)90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到2006年，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個(gè)兆瓦級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國(guó)是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國(guó)家。1997年又提出“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃。日本1992年啟動(dòng)了新陽(yáng)光計(jì)劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠(chǎng)商有4家在日本。而德國(guó)新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)，大大推動(dòng)了光伏市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。瑞士、法國(guó)、意大利、西班牙、芬蘭等國(guó)，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。但對(duì)于現(xiàn)在的狀況來(lái)看，由于太陽(yáng)能電池的成本價(jià)較高、發(fā)電效率較低、地區(qū)條件限制等因素，所以導(dǎo)致沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模的使用太陽(yáng)能。就地區(qū)因素而論寫(xiě)以此文來(lái)探討優(yōu)化的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的外來(lái)發(fā)展和優(yōu)點(diǎn)。自我覺(jué)得由邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)逐漸走向城市化得并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)比較適合太陽(yáng)能的普及應(yīng)用！PAGE17一太陽(yáng)能光伏的發(fā)展現(xiàn)狀及綜合評(píng)價(jià)1.1全球能源與我國(guó)太陽(yáng)能資源的比較太陽(yáng)是地球永恒的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空發(fā)射約3.8*1020兆瓦能量，其中有22億分之一投射到地球上。達(dá)到地球大氣層外的太陽(yáng)輻射能在132.8-141.8兆瓦/厘米2之間，被大氣反射、散射和吸收之后，約有70%投射到地面。地球上一年中接收到的太陽(yáng)輻射能高達(dá)1.8*1018千瓦時(shí)，是全球能耗的數(shù)萬(wàn)倍。巨大的太陽(yáng)能是地球上萬(wàn)物生長(zhǎng)之源，除了其“永恒”和“巨大”之外，還具有“廣泛性”、“分散性”、“隨機(jī)性”、“間歇性”、“區(qū)域性”和“清潔性”等特點(diǎn)。在石油、天然氣和核礦藏終將枯竭的今天，充分利用太陽(yáng)能顯然具有持續(xù)供能和環(huán)保雙重偉大的意義。在美國(guó)遭遇“9·11”事件后，巨型電網(wǎng)受到挑戰(zhàn)，而利用太陽(yáng)能的分布式能源系統(tǒng)受到重視。“到處陽(yáng)光到處電”的美好理想終將伴隨著人們對(duì)于綠色能源的追求而實(shí)現(xiàn)。我國(guó)幅員廣大，有著豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約為50*1018千焦，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335～837千焦/(厘米2·年)，中值為586千焦/(厘米2·年)。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000米以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱(chēng)為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽(yáng)總輻射為816千焦/(厘米2·年)，比全國(guó)其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。我國(guó)太陽(yáng)能資源分布的主要特點(diǎn)有：1.太陽(yáng)能的高值中心和低值中心都處在北緯220～350這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。2.太陽(yáng)年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部。3.由于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯300～400地區(qū)，太陽(yáng)能的分布情況與一般的太陽(yáng)能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽(yáng)能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增加。一、二、三類(lèi)地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于2200小時(shí)，太陽(yáng)年輻射總量高于502千焦/厘米2，是我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國(guó)總面積的2／3以上，具有利用太陽(yáng)能的良好條件。四、五類(lèi)地區(qū)雖然太陽(yáng)能資源條件較差，但仍有一定的利用價(jià)值。根據(jù)表1.1中國(guó)太陽(yáng)能資源的分布和特點(diǎn)，可以對(duì)我國(guó)的太陽(yáng)能資源作出如下評(píng)價(jià)：除了重慶及其周?chē)氖∈校此拇ê唾F州）外，我國(guó)的所有區(qū)域均為高太陽(yáng)能資源區(qū)域，特別是內(nèi)蒙中西部、青藏高原等地太陽(yáng)能資源更是豐富。所以中國(guó)是太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家，具有一定的優(yōu)勢(shì)。表1.1中國(guó)太陽(yáng)能資源劃分地區(qū)分類(lèi)全年日照時(shí)數(shù)太陽(yáng)輻射年總量[KJ/(cm2·a)]相當(dāng)于燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤（kg）包括地區(qū)與國(guó)外相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)一3200-3300670-840225-285寧夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部、西藏西部印度和巴基斯坦北部二3000-3200586-670200-225河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部、新疆南部印度尼西亞雅加達(dá)一帶三2200-3000502-586170-200山東東南部、河南東南部、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、天津、北京、臺(tái)灣西南部美國(guó)華盛頓地區(qū)四1400-2220419-502140-170湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江、臺(tái)灣東北部、意大利米蘭地區(qū)五1000-1400335-419110-140四川、貴州、重慶歐洲大部分地區(qū)1.2獨(dú)立光伏發(fā)電的研究及其發(fā)展目前在全世界66億人口中，有超過(guò)20億的人口沒(méi)有得到足夠的電力供應(yīng)，大約占總?cè)丝诘?/3。而在有些地區(qū)建設(shè)和維護(hù)大面積電網(wǎng)的費(fèi)用太高，比如中國(guó)的西北偏遠(yuǎn)地區(qū)，地廣人稀，將電網(wǎng)引入到每一個(gè)牧民家庭從經(jīng)濟(jì)角度考慮是不合理的。

在一些建立了主要的高壓輸電網(wǎng)的地方，供電經(jīng)常不穩(wěn)定，而升級(jí)和改造需要龐大的財(cái)政預(yù)算。幸運(yùn)的是許多發(fā)展中國(guó)家擁有豐富的太陽(yáng)能或者風(fēng)力等可再生能源，在邊遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模使用這些可再生能源的供電系統(tǒng)，比使用大面積的高壓輸電網(wǎng)更劃算。邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)可以應(yīng)用在那些已經(jīng)存在電網(wǎng)，但是單獨(dú)的供電比擴(kuò)容高壓輸電網(wǎng)更劃算的場(chǎng)合，如在高速公路沿線(xiàn)使用獨(dú)立的供電系統(tǒng)用于信號(hào)指示、通信和照明，可以避免鋪設(shè)和維護(hù)地下電纜的昂貴工程。全球太陽(yáng)能資源豐富的區(qū)域包括非洲、南亞、東南亞、澳洲、中美洲和我國(guó)的青藏高原等地區(qū)，在這些地區(qū)使用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)供電是經(jīng)濟(jì)的選擇。

并且在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響發(fā)電效率的因素有很多，其中包括太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和最大功率點(diǎn)的控制問(wèn)題，目前來(lái)說(shuō)在最大功率點(diǎn)跟蹤方面主要發(fā)展出了以下幾種算法。（1）恒電壓控制光伏陣列是一種非線(xiàn)性的電源。其輸出特性可以視為由恒電流區(qū)域與恒電壓區(qū)域組成，這兩塊區(qū)域的交接點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。因而在不同的光照強(qiáng)度下，光伏陣列都會(huì)存在著這樣的一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，從功率角度上可以將它們視為當(dāng)前工況下的最優(yōu)點(diǎn)。由于光照強(qiáng)度與溫度的變化將會(huì)分別改變這些恒電流和恒電壓區(qū)域，所以最大功率點(diǎn)也是隨之變化的。（2）改進(jìn)的恒電壓算法為克服使用場(chǎng)合季節(jié)、早晚時(shí)間以及天氣情況和環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響，在恒電壓算法的基礎(chǔ)上可以采取以下幾種折中解決方法：1.手動(dòng)調(diào)節(jié)：通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器按季節(jié)給定不同的，這種方法使用較少，需要人工維護(hù)。2.根據(jù)溫度表調(diào)節(jié)：事先將特定光伏陣列在不同溫度下測(cè)得的最大功率點(diǎn)電壓值儲(chǔ)存在控制器中，實(shí)際運(yùn)行中，控制器根據(jù)檢測(cè)光伏陣列的溫度，通過(guò)查表選取合適的值。3.參考電池方法：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中增加一塊與光伏陣列相同特性的較小的光伏電池模塊，檢測(cè)其開(kāi)路電壓，按照固定系數(shù)計(jì)算得到當(dāng)前最大功率點(diǎn)電壓，這種方法可以在近似恒電壓的控制成本下得到接近MPPT的控制效果。（3）干擾觀(guān)測(cè)法干擾觀(guān)測(cè)法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少電壓，并觀(guān)測(cè)其后功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。這種控制算法一般也采用功率反饋，即使用兩個(gè)傳感器對(duì)直流母線(xiàn)電流及其兩端的電壓分別采樣。這種控制方法雖然算法簡(jiǎn)單，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)速度很慢，只適用于那些光照強(qiáng)度變化非常緩慢的場(chǎng)合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅震蕩，因此會(huì)造成一定的功率損失；而光照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。（4）電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬時(shí)電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。這種控制算法同樣需要對(duì)光伏陣列的電壓和電流進(jìn)行采樣。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適合于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)硬件的要求特別是傳感器的精確要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)也會(huì)比較高。（5）模糊邏輯控制由于太陽(yáng)光照強(qiáng)度的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負(fù)載情況的變化以及光伏陣列輸出特性的非線(xiàn)性特征，要實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確跟蹤需要考慮的因素是很多的。針對(duì)這樣的非線(xiàn)性系統(tǒng)，發(fā)展出了模糊邏輯控制的算法。使用模糊邏輯方法進(jìn)行光伏系統(tǒng)的MPPT控制，具有較好的動(dòng)態(tài)特性和精度，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的發(fā)展，除了以上幾種控制算法，還發(fā)展出了包括滯環(huán)比較法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法、最優(yōu)梯度法等在內(nèi)的多種算法，這些算法實(shí)現(xiàn)MPPT控制的基本原理都是類(lèi)似的，但具體實(shí)現(xiàn)方法各有差別。二獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作原理2.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅僅依靠太陽(yáng)能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)或主要依靠太陽(yáng)能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在必要時(shí)可以由油機(jī)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電網(wǎng)電源或其他電源作為補(bǔ)充。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)。其主要區(qū)別在于系統(tǒng)中是否有逆變器。其系統(tǒng)框圖2-1所示：圖2-1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖2.1.1太陽(yáng)能電池方陣太陽(yáng)能是一種低密度的平面能源，需要用大面積的太陽(yáng)能電池方陣來(lái)采集。而太陽(yáng)能電池組件的輸出電壓不高，需要用一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池組件經(jīng)過(guò)串并聯(lián)構(gòu)成方陣。根據(jù)負(fù)載功率的不同，需要的方陣多少不同，將在下面的章節(jié)講解。2.1.2蓄電池組當(dāng)前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的貯能裝置是蓄電池，常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和堿性鎘鎳蓄電池。由于鉛酸蓄電池的功率價(jià)格比最優(yōu)，因而應(yīng)用最廣、數(shù)量最多。2.1.3控制器在不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能的多少和復(fù)雜程度差別很大，需要根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來(lái)確定?？刂破饕话阌筛鞣N電子元器件、儀表、繼電器、開(kāi)關(guān)等組成。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)也可以不用控制器，有些要求有過(guò)充放、穩(wěn)壓等功能，而一些復(fù)雜的系統(tǒng)，如并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站(并網(wǎng)發(fā)電不在本文的討論范圍內(nèi))，則要求有自動(dòng)檢測(cè)、控制、轉(zhuǎn)換等多種功能。2.1.4逆變器將直流電DC變換成交流電AC稱(chēng)為逆變，完成逆變功能的電路稱(chēng)為逆變電路。實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱(chēng)為逆變器。逆變器主電路由大功率晶體管構(gòu)成，采用正弦脈寬調(diào)制工作制，抗干擾能力強(qiáng)，還有很強(qiáng)的過(guò)載及限流保護(hù)功能。DC/AC逆變器的逆變效率隨負(fù)載多少而變，優(yōu)質(zhì)逆變器在滿(mǎn)負(fù)荷的20%-80%之間都有較高的逆變效率，平均逆變效率可以高達(dá)90%-96%。隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，各種不同功率逆變器的逆變效率都會(huì)不斷提高。2.1.5防反充二極管防反充二極管也稱(chēng)為“阻塞二極管”或“隔離二極管”。其功能是利用二極管的單向?qū)щ娦?，防止無(wú)日照時(shí)蓄電池組通過(guò)太陽(yáng)能電池方陣放電。防反充二極管的最大輸出電流必須大于太陽(yáng)能電池方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的最高電壓。在太陽(yáng)能電池方陣工作時(shí)，防反充二極管兩端的電壓降要盡量低（硅二極管一般為0.6V，鍺二極管為0.3V，大功率肖特基二極管可以在0.3V以下），以便降低系統(tǒng)的功耗。2.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是：太陽(yáng)能電池方陣吸收太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負(fù)載通過(guò)開(kāi)關(guān)與控制器連接?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過(guò)充電或過(guò)放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載；當(dāng)蓄電池達(dá)到過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測(cè)、遙信和遙控的功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿(mǎn)足交流負(fù)載需要的交流電。三獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中各模型的研究及其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用為了能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先需要建立一套完整的數(shù)學(xué)模型，下面的章節(jié)就是對(duì)各模塊創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。3.1傾斜面上的直接輻射分量和散射輻射分量（3-1）式中RB傾斜面上的直接輻射分量與水平面上直接分量的比值。由如下公式可以計(jì)算出RB的數(shù)值（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）式中φ——當(dāng)?shù)鼐暥?；β——方陣δ——太?yáng)赤角；ωS——水平面上日落時(shí)角；ωST——傾斜面上日落時(shí)角。表3.1太陽(yáng)赤角所謂赤角δ是指日地中心的連線(xiàn)與赤道之間的夾角?？捎墒?-6計(jì)算出來(lái)。（3-6）式中，n為一年中的日期序號(hào)，從每年1月1日算起。得出如下所示的δ值。3.2太陽(yáng)能電池方陣最佳傾角度的選擇由前面的敘述可知，在傾角上獲得的太陽(yáng)總輻射量與方陣傾角β有直接的關(guān)系。太陽(yáng)能電池方陣通常面向赤道放置，相對(duì)地平面有一定傾角。傾角不同造成各個(gè)月份方陣面接受的太陽(yáng)輻射量差別很大。對(duì)于全年負(fù)載均勻的固定式光伏方陣，如果設(shè)計(jì)傾角面的輻射量小，意味著需要更多的太陽(yáng)能電池來(lái)保證向用戶(hù)供電；如果傾斜面各月太陽(yáng)輻射量起伏很大，意味著需要大量的蓄電池來(lái)保證太陽(yáng)輻射量低的月份的用電供應(yīng)。這些都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)，因此確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)于方陣傾角的選擇應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行綜合考慮：（1）連續(xù)性。一年中太陽(yáng)輻射總量大體上是連續(xù)變化的，多數(shù)是單調(diào)升降，個(gè)別也有少量起伏。（2）均勻性。傾角的選擇最好滿(mǎn)足使方陣表面上全年接收到的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接收輻射量過(guò)大，造成浪費(fèi)；而冬天接收到的輻射量太小，造成蓄電池過(guò)放以致?lián)p壞，降低系統(tǒng)壽命，影響系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。（3）極大性。選擇傾角時(shí)，不但要使方陣表面上輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時(shí)還要兼顧全年日平均輻射量不能太小。（4）特殊性。對(duì)特定的情況要做具體分析，有時(shí)要針對(duì)連續(xù)陰雨天最長(zhǎng)的時(shí)段獲取最多的太陽(yáng)輻射能；夏天消耗功率多，方陣傾角的取值應(yīng)使方陣夏日接收輻射量相對(duì)于冬天要多才合適；也有時(shí)考慮冬季積雪負(fù)重，故意將β增大；還要考慮到建筑整體的協(xié)同美觀(guān)來(lái)確定方陣的β值等。3.3太陽(yáng)能電池方陣發(fā)電量模型的設(shè)計(jì)思路和原則如上所述，太陽(yáng)能電池是一種能夠利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?，又叫光伏器件。為一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏陣列，與其他工程設(shè)計(jì)過(guò)程一樣，都要經(jīng)過(guò)了解設(shè)計(jì)要求和限定條件，然后進(jìn)行綜合分析、確定方案、選型研制、試驗(yàn)調(diào)試。設(shè)計(jì)思路原則：在設(shè)計(jì)過(guò)程要注意兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是量化不定因素，另一個(gè)是優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能會(huì)遇到許多涉及環(huán)境、材料和工藝等的不定因素。為了減少不定因素，避免因它們帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)偏差，在設(shè)計(jì)中要盡可能地將這些不定因素進(jìn)行定量化處理，所謂優(yōu)化設(shè)計(jì)是指根據(jù)用戶(hù)的要求、材料的變更、試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和新技術(shù)的涌現(xiàn)，不斷地修改設(shè)計(jì)方案，力求使某些特定的指標(biāo)（如效率最大、成本最低或重量最輕等）達(dá)到最佳，或者是在若干個(gè)相矛盾的設(shè)計(jì)目的之間實(shí)現(xiàn)平衡。但光伏陣列的最優(yōu)化設(shè)計(jì)一定要與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，最終要服從于整個(gè)系統(tǒng)。3.4負(fù)載與儲(chǔ)存元件模型（1）負(fù)載元件：當(dāng)?shù)赜脩?hù)的用電負(fù)載模型是設(shè)計(jì)光伏電站的必要條件，應(yīng)當(dāng)盡量準(zhǔn)確地把預(yù)計(jì)的日負(fù)載變化曲線(xiàn)和月負(fù)載變化曲線(xiàn)設(shè)定下來(lái)。如圖3-1所示為幾種典型的每日用電負(fù)載模型。圖3-1（a）24h用電負(fù)載恒定的情況；（b）在終日恒定負(fù)載中有1h負(fù)載突然增大的情況；（c）每日用電負(fù)載的變化情況。每min曲線(xiàn)涵蓋的面積即為該時(shí)段負(fù)載的耗電量QL（3-7）若以類(lèi)似的方法畫(huà)出各月及全年的用電負(fù)載曲線(xiàn)，并將時(shí)段取為一個(gè)月或全年，則很容易獲得各月負(fù)載耗電量或全年負(fù)載耗電量。（2）儲(chǔ)存元件：本文選用的是鉛酸蓄電池，在地面獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏組件的最重要部件，所以合理配置蓄電池容量十分重要。由蓄電池的知識(shí)可知，如果蓄電池長(zhǎng)期處于過(guò)充狀態(tài)，這個(gè)過(guò)充量將引起水的過(guò)量損失或汽化。而且能夠引起正極板活性物質(zhì)的松動(dòng)和剝落，因而減少蓄電池的容量和預(yù)期的壽命;相反如果蓄電池長(zhǎng)期處于過(guò)放或虧電狀態(tài)，極板上增長(zhǎng)著大晶粒硫酸鉛就會(huì)代替正常情況下的微小的晶粒，產(chǎn)生硫化狀態(tài)，硫化將使蓄電池的重新充電極為困難。本文的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)負(fù)載的用電量來(lái)確定蓄電池的容量。（3-8）在式中，B表示蓄電池容量，d表示最大供電天數(shù)，一般取5-7天，QL表示負(fù)載日耗電量，K表示蓄電池發(fā)電容量修正系數(shù)，SOCmin表示蓄電池深放電限度。四太陽(yáng)能電池MPPT控制器4.1提高系統(tǒng)效率的途徑在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)跟蹤。如圖4-1所示為太陽(yáng)能電池方陣的光照伏安特性曲線(xiàn)的主要參數(shù)即開(kāi)路電壓、短路電流、最佳工作電壓、最佳工作電流、最佳輸入功率。為此找到最佳工作點(diǎn)就需要一種算法，圖4-1太陽(yáng)能電池方陣的光照伏安特性曲線(xiàn)4.2最大功率點(diǎn)跟蹤的控制本文所研究的系統(tǒng)主電路采用Buck變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT，用于負(fù)載端48V鉛酸蓄電池的充電，如圖4-2所示。為便于分析，將太陽(yáng)能電池的輸出電壓-電流特性和功率-電流特性重新簡(jiǎn)單表示為圖4-3所示。圖4-2最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)主電路

圖4-3太陽(yáng)能電池的輸出電氣特性圖4-3中，和分別為太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和短路電流，和分別為太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)(MPP)的電壓和電流，對(duì)應(yīng)其輸出的最大功率。也即在其輸出電流時(shí)對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)(MPP)，此時(shí)斜率，太陽(yáng)能電池輸出最大功率。為了實(shí)現(xiàn)圖4-3系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，相對(duì)于傳統(tǒng)的Buck電路，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，需要在太陽(yáng)能電池輸出側(cè)并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電容，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，可以保證太陽(yáng)能電池輸出電流連續(xù)，不會(huì)造成其工作時(shí)斷時(shí)續(xù)，始終處于最佳工作狀態(tài)，從而避免功率的損失。通過(guò)控制Buck變換器開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)控制儲(chǔ)能電容的充放電，使太陽(yáng)能電池輸出電壓達(dá)到，也即最終實(shí)現(xiàn)。在圖4-3所示太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)左側(cè)，，如果和同時(shí)減小(且)，或者同時(shí)增大(且)，此時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，電容被放電，則輸出電壓將減小至，輸出電流將增加至；在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，，如果增大而減?。ㄇ遥?，或者減小而增大（且），此時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，電容被充電，則輸出電壓將增加至，輸出電流將減小至。其運(yùn)行原理可歸納為表4.1所示。表4.1MPPT控制原理?xiàng)l件同或門(mén)輸出開(kāi)關(guān)管1開(kāi)通放電減小增加1開(kāi)通放電減小增加0關(guān)斷充電增加減小0關(guān)斷充電增加減小需要指出的是，系統(tǒng)不可能恰好工作在最大功率點(diǎn)。因?yàn)槿绻ǎ_(kāi)關(guān)管關(guān)斷使增加，但隨后控制器又會(huì)使開(kāi)關(guān)管開(kāi)通使減小，因此（）會(huì)在()附近作小幅振蕩而帶來(lái)微功率損失。MPPT控制器可以通過(guò)硬件電路來(lái)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，由一個(gè)模擬乘法器、兩個(gè)微分器、兩個(gè)比較器和一個(gè)“同或”邏輯門(mén)(XNOR)組成，如圖4-5所示。圖4-5最大功率點(diǎn)跟蹤模擬控制器matlab仿真驗(yàn)證圖五自做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋺?yīng)用理論5.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)將入射的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，并且不與公共電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。使用的條件的選取要考慮以下幾點(diǎn)地域的溫度、氣候的適宜、光照的強(qiáng)度、日照時(shí)間的長(zhǎng)短，應(yīng)避免選多雷地區(qū)、有腐蝕性的起氣地區(qū)、有金屬導(dǎo)電粒子的地區(qū)、爆炸性塵埃的地區(qū)。5.1.2太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的要求基本要求：獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的共電率應(yīng)該保持在86%以上，并且能夠保持在連續(xù)1—2星期的陰雨天時(shí)能夠提供用戶(hù)的正常用電。在整個(gè)外觀(guān)要看起來(lái)漂亮但要考慮不影響太陽(yáng)的光照面積等，使用時(shí)的開(kāi)關(guān)和要簡(jiǎn)潔方便、不能有外露的電線(xiàn)，注意核心系統(tǒng)的碰撞、放腐蝕和向外漏電等情況（注：防止外漏點(diǎn)對(duì)人體造成傷害等事故的發(fā)生）太陽(yáng)能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。在目前，光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用更為廣泛。太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組太陽(yáng)能控制器、蓄電池組成。由太陽(yáng)能電池組成。（1）太陽(yáng)能電池板：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)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能、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。（2）太陽(yáng)能控制器：太陽(yáng)能控制器全稱(chēng)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。太陽(yáng)能控制器的作用有：功率調(diào)節(jié)功能、通信功能、簡(jiǎn)單指示功能、議通訊功能、完善的保護(hù)功能。（3）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)的交流電源。（4）逆變器：在很多場(chǎng)合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。逆變器在某些場(chǎng)合，能將發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，逆變器需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器。5.2在現(xiàn)實(shí)中的具體實(shí)用5.2.1邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站供電系統(tǒng)選擇

邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)一般包括發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、能量變換和管理設(shè)備。發(fā)電設(shè)備有柴油發(fā)電機(jī)、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者水力發(fā)電機(jī)。儲(chǔ)能設(shè)備一般有蓄電池組或者儲(chǔ)能水池。能量變換和管理設(shè)備有直流變換器、逆變器等設(shè)備。

柴油發(fā)電機(jī)是許多邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)的能量來(lái)源，為了獲得最大燃料效率和減小維護(hù)，需要負(fù)載率保持在發(fā)電機(jī)額定負(fù)載容量的60％～70％。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可以達(dá)到250W~500kW，但是需要選取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)場(chǎng)，具備穩(wěn)定的風(fēng)速。水輪發(fā)電機(jī)雖然發(fā)電成本相對(duì)較低，但是需要選取建設(shè)在適度和穩(wěn)定的河流上，水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本相對(duì)較低，但是發(fā)電機(jī)的成本較高。

通信網(wǎng)絡(luò)要求基站等設(shè)備提供7×24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，基站設(shè)備除分布在市區(qū)外，還大量分布在沙漠、海島、山頂?shù)雀鞣N環(huán)境中，覆蓋面積寬廣，一般無(wú)人值守，對(duì)電源可靠性和壽命具有高要求。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的光伏電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)光伏組件的串并聯(lián)方式提供基站需要的-48V電壓，實(shí)現(xiàn)能量的靜止變換，與具備機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的發(fā)電機(jī)相比較，維護(hù)工作量很少。對(duì)小于2kW的基站負(fù)載，是合適的邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)方案，尤其在全球原油價(jià)格高企的發(fā)展趨勢(shì)下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)日益明顯。

5.2.2通信基站光伏供電系統(tǒng)

通信基站太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由光伏組件、陣列支架、匯線(xiàn)盒、充放電控制器、蓄電池組、逆變器

組件一般采用單晶硅或多晶硅電池，每個(gè)電池輸出電壓大約為0.5V，一般組件采用72個(gè)太陽(yáng)電池串聯(lián)，所以為了得到43.2~56.4V電壓范圍，需要兩塊組件串聯(lián)使用。功率等級(jí)盡量選取產(chǎn)量較大的規(guī)格，如165W、170W和175W等幾種規(guī)格。太小的組件規(guī)格導(dǎo)致支架設(shè)計(jì)成本增加和占地面積增加，而過(guò)大的組件規(guī)格使用的太陽(yáng)電池成品率較低，電池成本相對(duì)較高。根據(jù)負(fù)載容量和當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源情況選取組件并聯(lián)數(shù)。

多個(gè)光伏組件并聯(lián)構(gòu)成陣列，采用鍍鋅鋼材支架支撐組件，使組件具備一定的傾斜角度，同時(shí)固定組件，抵抗風(fēng)吹。對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，為了降低蓄電池用量和系統(tǒng)成本，需要在冬季獲得最大的太陽(yáng)能輻照，這樣就需要將組件的傾角設(shè)置成比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°~20°。

當(dāng)陰雨天氣或者夜間，無(wú)太陽(yáng)光或者輻照變?nèi)?，無(wú)法提供負(fù)載需要的能量時(shí)，蓄電池組繼續(xù)為負(fù)載提供所需能量。蓄電池組的容量根據(jù)負(fù)載容量、連續(xù)陰雨天時(shí)的自給天數(shù)、放電深度確定。5.3應(yīng)用實(shí)例

圖3是中興通訊在布基納法索農(nóng)村地區(qū)提供的一個(gè)光伏供電系統(tǒng)實(shí)例。

當(dāng)?shù)鼐暥仁潜本?1°59′，連續(xù)陰雨天自給天數(shù)為5天，基站負(fù)載類(lèi)型是BTS和微波，負(fù)載功率為550W。根據(jù)這些信息，系統(tǒng)配置如下：

光伏組件：monocrystalline165W30塊組件；

蓄電池組：2V

1000AhOPzV膠體蓄電池2組；

充放電控制器：-48V150A控制器。

該項(xiàng)目配置了22個(gè)太陽(yáng)能供電的BTS站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的負(fù)載功耗范圍400～900W，容量相對(duì)較小