家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計方案

家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計摘要隨著一系列動力技術的發(fā)明，能源技術的革新帶動人類社會日益進步，對社會發(fā)展起著巨大的推動作用。但能源需求消耗的大幅度提高以及隨之而來的環(huán)境污染，形成了巨大的能源缺口，同時給環(huán)境造成了巨大災難。資料表明，太陽能是最清潔、環(huán)保、取之不盡的可再生能源之一。本文以家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，以太陽能電池板的光電轉換原理、蓄電池充放電原理、蓄電池的充放電特性、蓄電池與負載以及控制器的功率匹配為主要研究方向，通過計算及實驗，對如何實現(xiàn)蓄電池與負載及控制器的功率匹配、合理選取蓄電池的容量、合理選用太陽能電池板組件的功率等進行了分析研究。本設計主要對家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)進行了試驗，最終完成了利用太陽能電池板將光能轉化為電能，實現(xiàn)了利用太陽能所產(chǎn)生的電能帶動家用電燈，成功設計出整個家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)。本設計便于家庭、偏遠地區(qū)、電力建設落后的地區(qū)使用，具有廣闊的市場前景。關鍵詞：太陽能發(fā)電；蓄電池；控制器；功率匹配PAGEIHomeSolarPowerSystemDesignAbstractWiththeinventionofaseriesofpowertechnology,energytechnologyinnovationsdrivenbythegrowingprogressofhumansociety,playsatremendousroleinpromotingsocialdevelopment.Butsubstantialincreaseindemandforenergyconsumptionandtheconsequentenvironmentalpollution,theformationofahugeenergygap,causedhugedisastersfortheenvironment.Theinformationshowsthattakefulladvantageofthesunlightisoneofthemostclean,environmentalfriendly,inexhaustiblerenewableenergy.Homesolarpowersystemforthestudy,tochargeanddischargecharacteristicsofthesolarpanels,batterycharginganddischarging,thebatteryandtheloadandthecontrollerpowermatchforthemainresearchdirections,bycalculationandexperimentonhowthebatteryandtheloadandmatchthepowerofthecontroller,reasonableselectionofbatterycapacity,areasonableselectionofthecomponentsofsolarpanelstopowerwereanalyzed.Designedprimarilyforhomesolarpowersystemwiththetest,itfinallycompleteduseofsolarpanelstoconvertlighttoelectricity,theelectricitygeneratedusingsolarenergytodrivehomelights,thesuccessfuldesignoftheentirehomesolarpowersystem.Thisdesignallowsfamiliesinremoteareas,backwardareasofelectricpowerconstruction,andhasbroadmarketprospects.Keywords:solarpower;batteries;controller;powermatching目錄1.引言1.1本設計所做的工作 12.家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)綜述2.1家用太陽能發(fā)電 2.1.1家用太陽能發(fā)展的歷史 22.1.2家用太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點 22.1.3家用太陽能發(fā)電的應用 32.1.4家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理 42.2太陽能電池板系統(tǒng) 52.2.1太陽能電池板的發(fā)電原理 52.2.2太陽能電池板的分類 52.3蓄電池儲能系統(tǒng) 62.3.1蓄電池的充放電原理 62.3.2蓄電池的充放電特性 62.4控制器 72.4.1控制器的原理 72.4.2控制器的作用 82.5逆變器 92.5.1逆變器的工作原理 92.5.2逆變器的分類及特點 103.家用發(fā)電系統(tǒng)功率匹配設計3.1各項技術參數(shù) 113.2鉛酸蓄電池容量的計算 113.3太陽能電池方陣功率的計算 124.實驗過程的說明 135.實驗結果的展示 146.總結與展望 14參考文獻 16致謝 17引言從蒸汽機到電動機一系列動力技術的發(fā)明,對社會發(fā)展起著巨大的推動作用。但是隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出。豐富的太陽能是最重要的能源，太陽光是最清潔、環(huán)保、廉價、人類能夠自由利用的、取之不盡用之不竭的可再生能源之一。我國太陽能資源豐富，如果將太陽能源充分加以利用，不僅有可能節(jié)省大量常規(guī)能源，而且有可能在某些區(qū)域完全利用太陽能發(fā)電，實現(xiàn)綠色環(huán)保、無污染的清潔能源的良好使用，并可以為電力建設落后的偏遠地區(qū)實現(xiàn)通電。太陽能電池發(fā)電的原理是基于半導體的光電效應，即一些半導體材料受到光照時，載流子數(shù)量會劇增，導電能力隨之增強，半導體的該效應也稱為光生伏特效應。太陽能電池板可以有效地將光能轉換成電能，能夠充分有效的利用太陽光這個取之不盡用之不竭的能源。市場上常見的太陽能電池板雖然發(fā)電效率不高，但價格便宜、結實耐用且便于安裝、使用方便。1.1本設計所做的工作本設計基于太陽能電池板的光電轉換特性，利用太陽能電池板、蓄電池、控制器、逆變器等輔助設備組成家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將太陽能轉化為電能，并儲存在蓄電池中，以供家用電器的使用。該設計的主要研究方向是太陽能電池板的光電轉換原理、蓄電池的充放電原理、蓄電池的充放電特性、蓄電池與負載及控制器的功率匹配，通過對這些問題的研究，設計出家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。實際應用時，將太陽能電池板安裝于光照充足的地方以更充分接受光照將光能轉化為電能，將轉化而成的電能通過控制器向蓄電池充電，晚上再通過控制器使蓄電池放電供家用電器使用。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的實物連接圖如下圖所示：圖1家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)實物連接圖2.家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)綜述2.1家用太陽能發(fā)電2.1.1家用太陽能發(fā)展的歷史1839年，法國科學家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應，簡稱光伏效應。1931年，科學家布魯若利用太陽能第一次啟動了電動機。1954年，美國科學家首次制成了使用的單晶硅太陽能電池，誕生了光伏發(fā)電技術。1959年，第一個多晶硅電池問世，效率達5%。1960年，硅太陽能電池第一次實現(xiàn)并網(wǎng)運行，可向電網(wǎng)供電，以供普通家庭使用。20世紀70年代后，太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。1978年，美國建成100kWp太陽地面光伏站。光伏站的建成，為更多普通家庭使用太陽能這種清潔環(huán)保的能源提供了更多的可能。1983年，美國建成1MWp光伏電站，冶金硅電池的效率達到11.8%。1986年，美國建成6.5MWp光伏電站。隨著光伏電站規(guī)模的不斷擴大，使用太陽光所轉化而成的電能的家庭用戶也在不斷增加，家用光伏電子產(chǎn)品不斷推出，供家庭所使用的小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)得到良好的發(fā)展。20世紀90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到2006年，世界上已建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。一些國家也先后制定了太陽能光伏發(fā)電計劃。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展計劃的國家，1997年又提出了“百萬屋頂”計劃，即在2010年以前為100萬戶，每戶安裝3—5kWp的光伏電池，組成家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，有太陽時光伏屋頂向家庭以及電網(wǎng)供電，無太陽時電網(wǎng)向家庭供電；日本1992年啟動了新陽光計劃，提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池，在住戶的屋頂安裝光伏電池，供給住戶的家庭用電。這些國家所采取的舉措表明，家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已得到大范圍的推廣，人們已經(jīng)認識到光伏發(fā)電的優(yōu)勢。隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少，常規(guī)的發(fā)電方式也面臨著眾多的問題，家用太陽能光伏發(fā)電技術的日益成熟為解決傳統(tǒng)能源問題提供了良好的思路，為家庭用電的清潔環(huán)保綠色提供了途徑。2.1.2家用太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點近年來，太陽能光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展正是由于其獨有的眾多特點。其優(yōu)點主要有以下幾個方面。第一，主要由電子元器件構成，不涉及機械部件，也沒有回轉運動部件，運轉沒有噪聲；第二，沒有燃燒過程，發(fā)電過程不需要燃料；第三，發(fā)電過程沒有廢氣污染，沒有廢水、廢物排放；第四，設備安裝和維護都十分簡便，維修保養(yǎng)簡單，維護費用低，運行可靠穩(wěn)定；第五，環(huán)境條件適應性強，可在不同環(huán)境下工作；第六，能夠在長期無人值守的條件下正常穩(wěn)定工作；第七，根據(jù)需要很容易進行容量擴展，擴大發(fā)電規(guī)模。雖然太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)點眾多，但是到目前為止，仍然有許多未被解決的問題。這些問題主要集中在以下方面：第一，光電轉化效率很低。百分之二十四的轉換效率已是世界最高的且暫時無法超越的高度；第二，光伏發(fā)電需要很大的面積。雖然光伏發(fā)電具有原材料廉價、制作工藝簡單的巨大吸引力，但是電池的效率隨面積的放大而降低，這一點與太陽能發(fā)電需要充足的光照和廣域的面積相矛盾；第三，所需光照要求復雜，選擇地日光輻射情況適當。如果在陽光不太充足的多云天氣或者是雨天和悶熱的天氣里，太陽光伏效應轉換的效率將會大幅度降低；第四，光伏發(fā)電成本太高。成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求。2.1.3家用太陽能發(fā)電的應用我國擁有豐富的太陽能資源，如果將其充分利用，不僅可能節(jié)省大量常規(guī)能源，而且有可能在某些區(qū)域完全利用太陽能采暖。太陽能光伏發(fā)電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大道兆瓦級電站，小到玩具。隨著光伏發(fā)電技術的日益發(fā)展成熟，光伏發(fā)電的應用面逐步擴大，到目前為止，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面:一是為無電場合提供電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各種太陽能充電器、太陽能路燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達國家已經(jīng)大面積推廣實施。在國外，家用太陽能光伏發(fā)電技術日趨成熟，應用日益廣泛。德國的百萬屋頂計劃使許多家庭利用太陽能光伏發(fā)電解決了自家供電問題，而且這些家庭還辦成了一所所私人的小型電站，能夠源源不斷的向公用電網(wǎng)輸送電能。家用太陽能光伏發(fā)電在日本也得到了迅猛良好的發(fā)展，為了實現(xiàn)溫室氣體減排的目的，日本正在大力推廣太陽能的使用，在建筑以及部分住宅小區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應用，使用戶使用自己太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電能，并且實現(xiàn)并網(wǎng)向一些公共設施提供電能。在國內，太陽能光伏發(fā)電技術也得到了良好的發(fā)展。在河北保定，太陽能路燈得到了很好的推廣，大街小巷道路兩邊的路燈、十字路口的紅綠燈都是由安裝在道路兩旁的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)來提供電源，部分小區(qū)的建筑外側也安裝了太陽能電池板，為住戶提供部分家庭用電，將太陽能這個清潔環(huán)保廉價的能源推廣到人們生活的方方面面。在一些偏遠地區(qū)，電力建設落后的地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電也開辟出了一個良好的前景。由于家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝、維護十分簡便，可以安裝在屋頂、建筑外側，因此不便于建設電廠、發(fā)電站的地區(qū)采用太陽能發(fā)電去解決用戶的用電問題是一個行之有效的方法。下圖為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用實例：圖2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用實例2.1.4家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池組件、蓄電池、控制器、逆變器等其他輔助設備將太陽能轉換成電能的系統(tǒng)。白天，在光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉換而來的電能儲存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉換成交流電，以供交流設備使用。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。如果是光伏電站系統(tǒng)還應有限荷保護和防雷裝置，以保護系統(tǒng)設備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統(tǒng)設備的安全使用。從總體來看，家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器等設備。下圖為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖：圖3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖2.2太陽能電池板系統(tǒng)2.2.1太陽能電池板的發(fā)電原理太陽能電池發(fā)電的原理是基于半導體的光電效應，即一些半導體材料受到光照時，載流子數(shù)量會劇增，導電能力隨之增強，這就是半導體的光敏特性。如果將P型或者N型硅放在陽光下照射，外部看不出變化，但內部通過光的能量，電子從化學鍵中被釋放，由此產(chǎn)生電子-空穴對，但在很短的時間內電子又被捕獲，即電子和空穴復合。太陽能電池的基本結構是一個大面積平面的P-N結。當P型和N型半導體結合在一起的時候，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型側帶正電，N型側帶負電。如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子—空穴對。界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區(qū)，空穴向帶負電的P區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將產(chǎn)生一個向外的可測試的電壓。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，在太陽能電池中形成的電流也越大。圖4太陽能電池板發(fā)電原理2.2.2太陽能電池板的分類太陽能電池板的種類繁多，不同的太陽能電池有著不同的特性。常用的太陽能電池主要有以下幾種：（1）單晶硅太陽能電池。目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高的達到24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，但制作成本很大，以至于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年；（2）多晶硅太陽能電池。多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少，其光電轉換效率約12%左右。從制作成本上來講，多晶硅太陽電池比單晶硅太陽電池要便宜一些，材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。從性能價格比來講，單晶硅太陽能電池還略好；（3）非晶硅太陽能電池。非晶硅太陽電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，電耗很低，它的主要優(yōu)點是在弱光條件也能發(fā)電。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低，目前國際先進水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減；（4）多元化合物太陽電池。多元化合物太陽電池指不是用單一元素半導體材料制成的太陽電池?，F(xiàn)在各國研究的品種繁多，大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，主要有以下幾種：a硫化鎘太陽能電池；b砷化鎵太陽能電池；c銅銦硒太陽能電池。2.3蓄電池儲能系統(tǒng)2.3.1蓄電池的充放電原理構成鉛酸蓄電池的主要部分為正極板（過氧化鉛）、負極板（海綿狀鉛）、電解液（稀硫酸）、電池外殼、隔離板以及其他輔助材料。蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產(chǎn)生反應生成新化合物硫酸鉛。經(jīng)由放電硫酸成分從電解液中釋放，放電越久，硫酸濃度越稀薄。所消耗的成分與放電量成正比，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測得比重，即可得知放電量或殘余電量。蓄電池在充電時，陰極板上在放電時所產(chǎn)生的硫酸鉛會被分解還原成硫酸鉛及過氧化鉛，因此電池內電解液的濃度逐漸增加，并逐漸恢復到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時，即等于充電結束。整個充放電過程的化學反應式為：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4(放電反應)PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb(充電反應)2.3.2蓄電池的充放電特性蓄電池的充電特性包括充電電流特性、充電電壓特性、充電容量特性。（1）充電電流特性：在充電開始階段，其電流是一個恒定值，隨著充電時間的推移逐漸下降，最終趨于0。由于在放電過程中，電池內的電荷大量流失，因此，由放電轉變?yōu)槌潆姇r，電荷的增長較快，隨著電池容量的恢復，充電電流將自動下降。電池放電越深，恒流充電的時間越長，反之則較短。（2）充電電壓特性：在電池恒流充電階段，電池的電壓始終是上升的，當恒流充電結束時，電池的電壓基本保持不變，稱為恒壓充電。恒壓充電結束后，為保持電池的儲能，防止電池的自放電，會轉入浮充電。（3）充電容量特性：在恒流充電階段，電池的容量基本呈線性增長，在恒壓充電階段，容量增長的速度減慢。恒流充電是為了恢復電池的電壓，恒壓充電是為了恢復電池的儲能，浮充電是為了抑制電池的自放電或保持儲能。蓄電池的放電特性主要包括以下兩個方面：（1）無論放電電流的大小，在放電的初始階段都會使端電壓下降較多，然后略有回升的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是因為電池從充電狀態(tài)轉變?yōu)榉烹姞顟B(tài)的瞬間，電池極板附近的電荷快速釋放出來，而離極板較遠的電荷需要逐漸運送到極板附近，然后才能釋放出來；（2）無論放電電流的大小，電池端電壓最終將出現(xiàn)急劇下降的拐點，以這些曲線的拐點連接起來得到的曲線就是安全工作時的終止電壓曲線。它表示放電電壓低于此曲線后將造成電池的永久性失效，即電池不能再恢復儲電的能力。圖5電池的充電特性曲線圖6電池的放電特性曲線2.4控制器2.4.1控制器的原理控制器分為方陣投撤型（串聯(lián)、并聯(lián)）和DC-DC變換型（有MPPT和無MPPT）。投撤型的原理是：控制器檢測蓄電池的電壓，當達到設定值時撤出方陣。并聯(lián)型的是將撤出的方陣并聯(lián)到控制器內的假負載上；串聯(lián)型的是直接將方陣開路。DC-DC變換型：將一些參數(shù)固化到控制器內部，將方陣輸出的電壓經(jīng)過變換器固定為設定值給蓄電池充電。太陽能電池組件經(jīng)過光線照射后發(fā)生光電效應產(chǎn)生電流。如果將所產(chǎn)生的電流直接充入蓄電池內或直接給負載供電，則容易造成蓄電池和負載的損壞，嚴重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命。對蓄電池充電時，需把電流先送入光伏控制器，采用一系列專用芯片電路對其進行數(shù)字化調節(jié)，并加入多級充放電保護，同時采用獨有的控制技術“自適應三階段充電模式”，確保電池和負載的運行安全和使用壽命。對負載供電時，也是讓蓄電池的電流先流入太陽能控制器，經(jīng)過它的調節(jié)后，再把電流送入負載。這樣做的目的有三個，一是為了穩(wěn)定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過放電；三是可對負載和蓄電池進行一系列的檢測保護。下圖是控制器的原理圖：圖7控制器原理圖2.4.2控制器的作用家用太陽能控制器是用于家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池、逆變器、直流負載是直接連接到控制器上的，白天控制器控制著蓄電池的充電，到夜晚或者需要用電時控制器控制著蓄電池的放電。當蓄電池中的電能足夠帶動負載的運行時，控制器控制著蓄電池向直流負載直接供電或者通過逆變器向交流設備提供電能，當蓄電池中的電能不足以帶動負載時，控制器會自動將提供電能的任務轉到市電電網(wǎng)上，再對直流負載或者交流負載進行供電。若某家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是離網(wǎng)的，即家庭用電都是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，則當發(fā)電量大于用電量時，控制器將多余的電能儲存在蓄電池中，當發(fā)電量小于用電量時，控制器能將蓄電池中多余的電能釋放供給負載。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器的重要作用還體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）自適應式三階段充電模式。蓄電池性能的劣態(tài)化，除了正常的壽命老化所致外，主要是兩種原因，一是充電電壓過高而造成的內部析氣和失水，二是充電電壓過低或充電不足而造成極板硫酸鹽化。所以蓄電池的充電，必須進行超限保護，智能化的分三個階段即恒流限壓、恒壓減流和涓流來進行，避免蓄電池出現(xiàn)供電故障，達到安全、有效、滿容量的充電效果；（2）充電保護。電池電壓超過了終值充電電壓時，電池就會產(chǎn)生氫氣和氧氣并打開閥門放氣。大量的析氣必將導致電解液的失水損失。而且電池即使達到終值充電電壓，電池也不可能完全充滿，因此充電電流不應被切斷。此時，控制器由內置的傳感器根據(jù)環(huán)境溫度作自動調節(jié)，以控制不超過終值充電電壓為條件，逐步減小充入電流至涓流狀態(tài)，有效的控制蓄電池內部的氧循環(huán)復合和陰極析氫過程，最大程度的防止了蓄電池的容量衰減性老化；（3）放電保護。電池如果沒有放電保護，同樣也會被損壞。當電壓到達設定的最低放電電壓時，控制器會自動切斷負載來保護電池不被過放電。當太陽能電池板對蓄電池的充電達到控制器設定的再次啟動電壓時，負載才會被再次接通；（4）析氣調節(jié)。蓄電池如果長時間未能出現(xiàn)析氣反應時，電池內部會出現(xiàn)酸液分層，也將造成蓄電池容量衰減。所以，我們可以通過數(shù)字電路定期屏蔽掉充電保護功能，讓蓄電池定期的出現(xiàn)充電電壓超限析氣現(xiàn)象，防止蓄電池出現(xiàn)酸液分層，減少蓄電池的容量衰減和記憶效應，延長蓄電池的壽命；（5）超壓保護。防止因意外情況產(chǎn)生的高壓損壞控制器和蓄電池；（6）過流保護。在蓄電池的回路間可并聯(lián)上保險絲，有效對蓄電池進行過流保護。2.5逆變器2.5.1逆變器的工作原理逆變器的直接功能是將直流電變換成交流電。逆變裝置的核心是逆變開關電路，簡稱逆變電路，該電路通過電力電子開關的導通與關斷來完成逆變的功能。電力電子開關器件的通斷需要一定的驅動脈沖，這些脈沖可以通過改變一個電壓信號來調節(jié)。產(chǎn)生和調節(jié)脈沖的電路通常稱為控制回路。逆變裝置的基本結構除了逆變電路和控制回路外，還有保護電路、輸出電路、輸入電路等。逆變器由升壓電路和逆變橋式回路構成，是一種由半導體器件組成的電力調整裝置，主要用于直流轉換交流。其中，升壓回路把太陽能電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓，逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價的轉換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要是由晶體管等開關元件構成，通過有規(guī)律的讓開關元件重復開關，使直流輸入變成交流輸出。一般還需要采用高頻脈寬調制，使靠近正弦波兩端的電壓寬度變窄，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內始終讓開關元件按一定頻率朝一個方向動作，這樣形成一個脈沖波列，然后讓脈沖波通過濾波器形成正弦波。圖8逆變器原理圖2.5.2逆變器的分類及特點有關逆變器分類原則很多，如根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導體器件類型不同，又可分為晶體管逆變器，晶閘管逆變器等；根據(jù)逆變器線路原理的不同，還可以分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加型逆變器等等。為了方便起見，這里以逆變器輸出交流電壓波形的不同進行分類。（a）方波逆變器。方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波，此類逆變器所使用的逆變線路比較簡單，使用的功率開關管數(shù)量很少。但是由于方波電壓中含有大量高次諧波，在以變壓器為負載的用電器中將產(chǎn)生附加損耗，而且此類逆變器的調壓范圍不夠寬，保護功能不夠完善，噪聲比較大。（b）階梯波逆變器。該種逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波，階梯波逆變器的優(yōu)點是輸出波形比方波有明顯改善，高次諧波含量減少，當階梯數(shù)目足夠多的時候輸出波形可實現(xiàn)準正弦波。缺點是階梯波疊加線路使用的功率開關管較多，其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。（c）正弦波逆變器。正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波，正弦波逆變器的特點是綜合技術性能好，功能完善，但線路復雜。此類逆變器的優(yōu)點是輸出波形好、失真度很低、噪聲也低。但是缺點是線路相對復雜，對維修技術要求高，價格較貴。下圖為不同的逆變器輸出的波形圖。圖9逆變器輸出波形圖3.家用發(fā)電系統(tǒng)功率匹配設計3.1各項技術參數(shù)在實驗過程中，需要對各種環(huán)境條件有所了解，更需要對所用設備的技術參數(shù)掌握，這樣才能更好的得出試驗結果。經(jīng)過網(wǎng)絡搜索及查閱報刊、相關文獻等途徑獲得了試驗所需的數(shù)據(jù)。青島市的日平均日照時間：春季和秋季為十小時；夏季為十四個小時；冬季為八個小時。太陽輻射：全年輻射總量為120千卡/平方厘米；夏季平均日輻射量14千卡/平方厘米；年平均日照時數(shù)為2550.7小時；日照百分率達58%；一月、十一月、十二月的太陽輻射量較低，五月的太陽輻射最高，三、四、六、七、八、九月的太陽輻射較高，二月和十月的太陽輻射為中等。地理位置：青島在東經(jīng)119度30分至121度00分，北緯35度35分至37度09分之間。因為南、北坡接受的太陽能直接輻射量不同，所以在必要的計算中北半坡取系數(shù)0.35，南半坡取系數(shù)0.80。太陽能電池板技術參數(shù)：額定功率15W；短路電流0.95A；開路電壓21.5V；最佳工作電壓17.5V。鉛酸蓄電池的技術參數(shù)：電壓是直流12V；蓄電池容量為12Ah?？刂破鞯募夹g參數(shù)：連接蓄電池的電壓為直流12V；連接市電的電壓為交流220V；額定功率為120W；最大工作電壓為17V。逆變器的技術參數(shù)：輸入為直流12V電壓；輸出為交流220V電壓。由于本設計主要用于家庭用電，所以在進行功率匹配時主要是針對40W的家用電燈，假設電燈每天工作一小時，該地區(qū)的最長連續(xù)陰雨天數(shù)為兩天，在這個大背景下，使得蓄電池的功率與負載、太陽能電池板以及控制器的功率相匹配。3.2鉛酸蓄電池容量的計算蓄電池容量BC=A×QL×NL×TO/CC=1.2×40/12×1×2×1/0.75=10.67≈11AhA為安全系數(shù)，一般取1.1~1.4之間，本設計取1.2；QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)，，其額定電壓為直流12V，日工作小時數(shù)取1；NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，計算中取2天；TO為溫度修正系數(shù)，一般取1；CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸電池取太陽能電池方陣功率的計算電池組件串聯(lián)數(shù)NS=(Uf+UD+Uc)/Uoc=(13.5+0.7+3.3)/17.5=1Uf為蓄電池浮充電壓，12V的鉛酸蓄電池取13.5V；UD為二極管壓降，取0.7V；Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓，該設計所選用的太陽能電池組件，其最佳工作電壓為17.5V；Uc為其他因素引起的壓降。在標準光強下的平均日輻射時數(shù)H=Ht×2.778/10000h≈39hHt為安裝地點的太陽能日輻射量；2.778/10000(h·m2/kJ)為將日輻射量轉換成標準光強下的平均日輻射時數(shù)的系數(shù)，標準光強為1000W/m2。電池組件日發(fā)電量Qp=Ioc×H×Kop×C2=0.86×39×1.06×0.8Ah=28.5AhIoc為太陽能電池組件的最佳工作電流，本設計中所用的太陽能電池組件的最佳工作電流為0.86A；Kop為根據(jù)經(jīng)緯度所確定的斜面修正系數(shù)，此處取1.063；C2為修正系數(shù)。需補充的蓄電池容量Bcb=A×QL×NL=1.2×40/12×2=6.7Ah電池組件的并聯(lián)數(shù)Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)=(8+0.159×6.7)/(28.5×0.15)=2太陽能電池方陣功率P=Po×Ns×Np=15×1×2=30W4.實驗過程的說明實驗之前，在陰暗處，測得的各數(shù)據(jù)如下：蓄電池兩端的電壓為11.1V；電池板兩端的電壓為1.8V；控制器的12V電池端的電壓為0.18V；控制器與電池板連接端的電壓為0.17V；控制器的220V市電轉換端的電壓為0V；控制器的12V光源輸出端的電壓為0.02V。安裝完實驗設備，實驗剛開始時測得的各數(shù)據(jù)如下：蓄電池兩端的電壓為11.3V；電池板兩端的電壓為12V；控制器的12V電池端的電壓為11.33V;控制器與電池板連接端的電壓為12V；控制器的220V市電轉換端的電壓為0V；控制器的12V光源輸出端的電壓為11.46V。在日光下實驗一個小時之后，測得的數(shù)據(jù)如下：蓄電池兩端的電壓為11.85V；電池板兩端的電壓為12.5V；控制器的12V電池端的電壓為12V；控制器與電池板連接端的電壓為12.7V；控制器的220V市電轉換端的電壓為0V；控制器的12V光源輸出端的電壓為12V。在日光下實驗兩個小時之后，測得的數(shù)據(jù)如下所示：蓄電池兩端的電壓為12.1V；電池板兩端的電壓為12.8V；控制器的12V電池端的電壓為12.03V；控制器與電池板連接端的電壓為12.6V；控制器的220V市電轉換端的電壓為0V；控制器的12V光源輸出端的電壓為12.1V。在理論上，將蓄電池充滿電需要6.976個小時，由于本實驗在實驗前電池已經(jīng)被充電至11.1V，因此，由蓄電池的充電特性可知，從11.1V充滿到12V是十分緩慢、需要較長時間的。在實驗中，從11.1V將電池充滿到12V用了兩個小時。電池的容量達到12Ah的時候，并不自動停止充電，蓄電池在控制器的作用下會繼續(xù)充電，此時的電壓為浮充電壓，是為了更好的保持蓄電池的電量，避免由于電池的自放電而引起的電量的損失。在理論上，如果我們使用40W的負載，每天使用一個小時，則可以使用兩天。在實驗中，我們使用的是普通的節(jié)能臺燈，從早上十一點開始用蓄電池供電使其點亮，一直到晚上九點的時候，電壓從12V下降到10V，即使用節(jié)能臺燈十小時，消耗蓄電池容量2Ah。當停止蓄電池帶動負載之后，過一段時間，蓄電池的電壓會升高，這是因為蓄電池本身具有的自恢復能力。控制器的一個端口是12V光源，即可以直接連接12V直流負載。理論上，在設備正常運轉的時候，直接連接的12V直流負載是可以正常工作的，但在實驗中，由于沒有直流負載，因此選擇使用逆變器將直流電變換為交流電供交流臺燈使用，所連接的直流負載并沒有穩(wěn)定的工作，實驗所使用的小臺燈，只是一閃一閃的，沒有穩(wěn)定的發(fā)出亮光。但是如果同時連接上蓄電池，則負載可以正常工作，