太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 - 副本

太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 - 副本 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 题目:太阳能发电系统的蓄电控制系统 专业:电气工程及其自动化 II 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 摘要 本文首先对太阳能发电的优势、国内外太阳能利用现状、光伏发电的工作原理及运行方式做出了简介，提出了本课题研究的目的与任务，对太阳能电池、光伏组件和储能装置的类型、原理及特性进行分析，并对铅酸蓄电池的充放电控制策略、充放电保护进行介绍。 其次，对控制器的工作原理及控制器应具备的功能进行分析，如对蓄电池的充放电控制，对太阳方位和高度的跟踪，对太阳能电池最大功率点的跟踪以及防蓄电池过充电过放电等功能进行分析。 在此基础上本文还对控制器的种类、几种基本电路和工作原理进行分析介绍，并重点对单路串联型充放电控制器电路进行设计。包括检测控制电路驱动电路等。此外，本文还对蓄电池、光伏组件的容量及串并联的设计方法进行分析，最后対我国光伏发展前景和机遇做出展望。 关键词:太阳能;蓄电;光伏;控制器 II II 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 Abstract In this article ,It firstly gives recommendation on the advantages of the power generation with solar energyIntroduces the working principle and operation mode of photovoltaic power generation and promotes the target and task of the subject.In this article,it analysed the solar energy battery.Pv module and energy storage device from their types.principles and characteristics.It aslo recommended the charge and discharge controlling strategy of lead-acid battery and the charge and discharge protection. Secondly,It analysed the controller from its working principle and basic functions.For instance,controlling the charge and discharge of battery,tracking the solar direction and the maximum power of solar energy battery and analysing the over charge and discharge of the battery. Out of the basis above,it gave analysis and recommendation on the types of controller and some basic circuit designed the charge and discharge controller which is in single channel series type. Including the detection control circuit, the driver circuit. In addition,it analysed the capacity of the battery and Pv module and the way of designing the series parallel.Finally it looked the future of the prospect of photovoltaic development in china. Keywords:Solar ;Reserve Power;PV;controller IIIIII 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 目录 摘要 .............................................................. II ABSTRACT ......................................................... III 第一章 绪论 .........................................................1 1.1 人类面临的能源问题 ............................................1 1.2 太阳能主要利用形式及光伏发电的优势 ............................2 1.3 国内外太阳能应用的现状 ........................................3 1.4 光伏发电的工作原理及运行方式 ..................................5 1.4.1 太阳能发电的工作原理 ...................................... 5 1.4.2太阳能光伏发电的运行方式 .................................. 6 1.5本课题目的与任务 ...............................................7 1.6本章小结 .......................................................8 第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 ......................9 2.1概述 ...........................................................9 2.2太阳能电池 ................................................... 11 2.2.1太阳能电池的种类 .......................................... 11 2.2.2太阳能电池工作原理 ........................................ 11 2.2.3太阳能电池的基本特性 ...................................... 12 2.2.4光伏阵列的构成 ............................................ 15 2.2.5光伏阵列的特性 ............................................ 16 2.3储能装置 ..................................................... 19 2.3.1独立光伏系统用的储能装置 ................................. 19 IVIV 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 2.3.2蓄电池工作原理 ............................................ 20 2.3.3.蓄电池的基本特性 ......................................... 21 2.3.4铅酸蓄电池常用的充电方法 ................................. 21 2.3.5影响铅酸蓄电池寿命的因素及充放电保护 ..................... 22 2.3.6铅酸蓄电池放电控制策略 .................................... 22 2.3.7铅酸蓄电池充电控制策略 .................................... 23 2.4光伏系统的系统配置与计算 .................................... 24 2.5本章小结 ..................................................... 25 第三章 太阳能光伏发电供电系统的蓄电控制系统的研究 ................ 26 3.1控制器 ....................................................... 26 3.2控制器基本原理 ............................................... 26 3.3控制器应具备的功能 .......................................... 27 3.3.1对蓄电池充放电的控制 ...................................... 27 3.3.2对太阳方位和高度的跟踪 .................................... 30 3.3.3对太阳能电池最大功率点的跟踪 ............................. 32 3.4本章小结 ..................................................... 34 第四章 蓄电控制系统的设计 ........................................ 35 4.1控制器的分类 ................................................. 35 4.2控制系统的几种基本电路和工作原理 ............................ 37 4.3控制系统的选择 ............................................... 42 4.4蓄电控制系统的设计 .......................................... 43 4.4.1检测控制电路的设计 ........................................ 44 V V 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 4.4.2驱动电路的设计 ............................................ 45 4.5蓄电池及光伏组件的设计 ...................................... 53 4.5.1设计的基本原理 ............................................ 53 4.5.2 蓄电池设计方法 ........................................... 54 4.5.3光伏组件方阵设计 .......................................... 61 4.5.4蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 ........................... 66 4.6本章小结 ..................................................... 67 第五章 我国光伏未来展望、机遇和建议及战略对策 .................... 69 5.1光伏未来展望 ................................................. 69 5.2光伏发展的机遇和建议 ........................................ 70 5.3我国光伏发展的战略对策 ...................................... 71 5.4本章小结 ..................................................... 73 结束语 ............................................................ 74 参考文献 .......................................................... 75 致谢 .............................................................. 77 VIVI 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 第一章 绪论 1.1 人类面临的能源问题 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源，大量消耗终将枯竭，并且在生产和消费的过程中有大量污染物排放，破坏生态与环境。 为保证人类稳定、持久的能源供应，必须优化现存的以资源有限、不可再生的化石能源为主体的能源结构，建立资源无限、可以再生、多样化的新能源结构，走经济社会可持续发展之路。 为保护人类赖以生存的地球生态环境，必须采取措施减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源，走与生态环境和谐的绿色能源之路。 可再生能源，包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能，是广泛存在、用之不竭、可以自由索取、最终可依赖的初级能源。直至近二三百年化石能源得以大规模开发使用之前，它一直是人类赖以生存与发展的能源来源。当前，化石能源与核裂变能已成为最主要的商品能源，可再生能源中只有水能在商品能源中占有明显的份额。自20世纪70年代开始，人们认识到根据当今化石能源的开发使用力度，它将在几十至一百多年间衰竭，对于人类未来能源可持续供应来说，我们又将重新进入可再生能源为主的新时期。 与化石能源相比，可再生能源具有能量密度低,随着季节、昼夜与气候条件的变化而变化，不连续,难于携带和运输等特点。若要取代化石能源则需解决一系列科学技术问题和经济性问题，整个过程需要长时间的持续努力。可喜 1 1 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 的是，近年来，可再生能源的开发利用得到了日益增强的重视与支持，取得了一些重要进展，大大增强了人类在化石能源衰竭后仍能依赖可再生能源可持续发展的信心。 1.2 太阳能主要利用形式及光伏发电的优势 太阳能利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用这三种主要形式。我国低温光热利用已经具有可观的规模，它成本低、使用方便、安全可靠，已经为全国广大人民所接受。 光伏利用近期在世界范围内高速发展，我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞，特别是2002年在“西部大开发”战略的推动下，呈现出了一片繁荣景象。 光伏利用有以下明显的优点: ?无污染:绝对零排放——无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等排放; ?可再生:资源无限，可直接输出高品位电能，具有理想的可持续发展属性; ?资源的普遍性:基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别; ?机动灵活:发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小，扩容方便; ?通用性、可存储性:电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储; ?分布式发电系统:将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度来看，它更具有明显的意义; ?资源、发电、用电同一地域:可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用; 2 2 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 ?光伏建筑集成:节省发电基地使用的土地面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之一。 由于太阳电池的主要原料——硅的储量十分丰富，随着太阳电池研究的快速进展和转换效率的不断提高以及与其相关的系统技术的进展，发电成本已经呈现快速下降趋势。可以预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。 1.3 国内外太阳能应用的现状 上个世纪的70年代，由于两次石油危机的影响，光伏发电在发达国家受到高度重视，发展较快。随着全球性的自然资源过度开发与消耗，环境的污染和破坏，1992年联合国召开了环境与发展“世界首脑会议”，通过了《里约宣言》和《21世纪议程》，走可持续发展道路成为各国长期共同的发展战略，发展新能源和可再生能源已成为非常紧迫的任务，特别是光伏发电更受到各国政府的重视。美国政府最早制定光伏发电的发展计划，1997年又提出“百万屋顶”计划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已经达到3000MW以上，美国光伏产业连续3年均以高于3%的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的;瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程，1990年德国提出1000屋顶发电计划，1998年进一步提出10万屋顶计划。1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克，极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场;印度、马来西亚等东南亚国家，也制定了国家的光伏发展计划。澳大利亚一家名为Integral Energy的公司已开始销售适用于家庭和办公楼使用的、可与大电网联接的太阳能成套设备。最小的太阳能成套设备发电出力为150W，包括安装费在内的零售价是290美元，占澳大利亚普通家庭年耗 3 3 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 电量的5%，每年可减少温室气体排放350kg。更大的太阳能发电设备出力为2.5kW，零售价为20000美元，完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。目前，最大的太阳能发电站出力已达到10MW。出于环保和能源持续供应的需要，太阳能光伏发电(即光伏电池)近年来始终保持30,40%的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。1999年世界光伏电池总产量为202MW，2001年增为375MW，随着美国“百万个太阳屋顶计划”、“欧洲可再生能源白皮书”和“日本新阳光计划”的实施，到2010年世界光伏电池容量将达20000MW，全球20亿无电人口将从中受益。 在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决西部辽阔地区几千万人口的用电问题这一伟大构想已经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸，但日照时间长、日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公、生活用电需要是提高用电普及率的有效途径;同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。1996年，我国由国家计委牵头制定了实施“中国光明工程”的计划，计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的用电问题，使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平，相当于届时全国人均拥有发电容量1/3的水平。2001年11月，由国家计委组织实施的“西部省份无电乡通电工程光伏发电站(含风光互补发电站)建设项目”正式启动，该项目是“中国光明工程”计划的重要组成部分，涉及青海省、新疆维吾尔自治区、西藏自治区、内蒙古自治区、甘肃省、四川省、陕西省等七省区780个无电乡，旨在解 4 4 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 决西部地区无电乡的基本生活用电问题。另外，中科院电工所先后建成了西藏双湖25kW、安多100kW、班戈70kW和尼玛40kW光伏电站。在未来20年，我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降。我国光伏市场的潜力很大，目前我国尚有3万多个村庄、100多万个农户没用上电。北京申报2008年奥运成功，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想，要把2008年奥运会办成最成功的一届奥运会，光伏发电应用必然要担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。 1.4 光伏发电的工作原理及运行方式 1.4.1 太阳能发电的工作原理 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏打效应。当太阳光(或其它光)照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子—空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏达效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的就直接变成了可以付诸实用的电能。 可把上述太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括成如下3个主要过程: ?太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子—空穴对，称为“光子载流子”，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电; ?电性相反的光生载流子被半导体P-N节所产生的静电场分离开; ?光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电 5 5 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 路中产生电流，从而获得电能。 1.4.2太阳能光伏发电的运行方式 通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统(又称太阳能光伏发电系统)。太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件晶体硅太阳能电池，生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产，广泛应用于工业、农业、科技、文教、国防和人民生活的各个领域。预计21世纪中叶，太阳能光伏发电将发展为重要的发电方式，在世界可持续能源结构中占有一定的比例。 地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行两大类。未与公共电网联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统，又称为独立太阳能光伏发电系统，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、荒漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统，它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。特别是其中的光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统，是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。 为给农村不通电乡镇及村落广大农牧民解决基本生活用电和为特殊处所提供基本工作电源，经过30多年的努力，离网太阳能光伏发电在我国已有一定的发展，到2004年底光伏电池总装机容量约达65MW左右，并将继续快速发展。但联网太阳能光伏发电系统在我国却尚处于试验示范的起步阶段，远落后 6 6 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 于美、欧、日等发达国家和地区。我们应制订规划，采取措施，积极加以发展。 1.5本课题目的与任务 太阳电池是一种典型的非线性半导体有源器件，其输出特性是一组以太阳光照度为参变数的具有下垂特性的曲线族。为了充分利用太阳电池的输出能量，就必须控制太阳电池的工作点，尽可能提高太阳电池的光电转换效率。 在太阳能光伏发电系统中，必须配备贮能蓄电池，蓄电池起着储存和调节电能的作用。当日照充足或风力很大而产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能贮存起来;当系统发电量不足或负载用电量大时，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定。 蓄电池，尤其是铅蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频繁地过充和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池大量出气(电解水)，造成水分散失和活性物质的脱落;过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为蓄电控制系统(充放电控制器)。蓄电控制系统通过检测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。 随着太阳能光伏发电系统容量的不断增加，设计者和用户对系统运行方式合理性的要求越来越高，系统的安全性也更加突出和重要。因此，近年来设计者又赋予控制系统更多的保护和监测功能。使早期的蓄电池充电控制器发展成今天比较复杂的系统控制器。此外，控制器在控制原理和使用的元器件方面也有了很大发展和提高，目前先进的系统控制器已使用了微处理器，实现了软件编程和智能控制。 7 7 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 1.6本章小结 本章主要对人类面临的资源问题、光伏利用形式及优势、国内外光伏利用的发展现状，做了简介。其次介绍了太阳能发电的工作原理及运行方式。最后提出本课题研究的意义和目的。 8 8 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 2.1概述 光伏系统的组成: 太阳能电系统控制及充逆变器 负载 池方阵 放电保护 蓄能电池组 图2.1光伏系统结构图 ?太阳能电池方阵 太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。 ?蓄电池组 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池 9 9 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。 在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵除了供给负载用电外，要给蓄电池充电;冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环:白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电)，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。 如前所述，当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时逆变器自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。 ?控制器 在不同的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少和复杂程度差别很大，需要根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器一般由各种电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。最简单的系统也可以不用控制器，有些要求有过充放、稳压等功能，而一些复杂的系统，如并网发电的光伏电站(并网发电不在本文的讨论范围内)，则要求有自动检测、控制、转换等多种功能。 ?逆变器 逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成负载所需的 1010 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 交流电。逆变器主电路由大功率晶体管构成，采用正弦脉宽调制工作制，抗干扰能力强，还有很强的过载及限流保护功能。 2.2太阳能电池 太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳电池。本章分别对太阳能电池的种类、太阳能电池的原理、光伏组件的类型、光伏组件的特性、太阳能电池的保护等有关内容进行介绍。 2.2.1太阳能电池的种类 太阳电池按电池材料分为硅型光伏电池、非硅半导体光伏电池和有机光伏电池三种。硅型电池包括单晶硅、多晶硅和非晶硅光伏电池。单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换率最高，可达到20%左右，但成本比较贵。多晶硅材料晶体方向无规律性。由于在这种材料中的正、负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失，所以不能全部被P-N结电场所分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低，但成本也较低。非晶硅造价低廉，但光伏转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。 非硅半导体光伏电池主要有硫化钠光伏电池和砷化镓光伏电池。有机光伏电池主要由一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。 2.2.2太阳能电池工作原理 ,38在自然界中，物体电阻率在,Ω左右的称为半导体。大部分半导体1010 的特点在于其导电能力和电阻率对参入的微量杂质的种类和浓度十分敏感，具有对温度和光照等外部条件变化的热敏、光敏等特性。 半导体还具有很强的光伏效应。所谓光伏效应是指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的 1111 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 效应。在气体、液体和固体中均可产生出这种效应，然而半导体光伏效应的效率最高。当太阳光照射到半导体的P-N结上，就会在其两端产生光生电压，若外部将P-N结短路，就会产生光电流。 光伏电池正是利用了半导体材料的这些特征，把光能直接转化成电能。而且在这种发电过程中，光伏电池本身既不发生任何化学变化，也没有机械磨耗;在使用过程中，无噪音，无气无味，对环境无污染。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。 2.2.3太阳能电池的基本特性 ?输出特性 光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P-N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之乘积即为电池的输出功率P，即P=VI。光伏阵列的输出电流不仅与太阳光强有 2关而且还与温度有关。对于参数见表2.1的光伏阵列，当光强从1000W/ 变m 2到300W/ 时的特性曲线如图2.2所示。 m 1212 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 表2.1 某光伏阵列的参数 图2.2 光强变化时光伏阵列的特性曲线 可以看出，I-V曲线具有高度的非线性特征，在P-V特性曲线中，随着端电压由零逐渐增大，输出功率先上升然后下降，说明存在一个电压点，在其附近可获得最大输出功率。最大功率点跟踪控制，将在第三章中研究。 ?转换效率 光伏电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率P与照射到m ,电池上的入射光的功率的比值，用式子表示为 Pm PV,Immm (2-1) ,,,，100%,,PPmm 式中， 、V分别为光伏阵列最大电流(A)和最大电压(V)。 Imm 光伏电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结构特性、材料特性、工作温度和环境温度变化等有关。在温度恒 1313 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径:可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。 ?填充因子 又称曲线因子，即光伏电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的VIOCSC比值，用符号表示 FF PVI,MMM (2-2) F,,FVIVI,,OCSCOCSC 填充因子是评价光伏电池性能优劣的一个重要参数。影响填充因子的因素是多方面的，它既和电池材料的P-N结曲线因子常数、串联电阻、并联电阻RS 等内部参数有关，还与光伏电池工作温度、光照强度等外部条件有关。一Rsh 般<1, 它的值越高，表明光伏电池输出特性越近于矩形，电池的光电转换效FF 率越高。 ?光伏电池的温度特性 温度的变化会改变光伏电池的输出性能。温度上升将使光伏电池开路电压 下降，短路电流略微增大，当温度从0?C变到100?C时特性曲线如图VIOCSC 2.3所示。温度升高会造成光伏电池的输出功率下降。对于单晶硅光伏电池，温度每升高1?C，输出功率大约下降0.5%，因此设计光伏发电系统时，根据当地的各月平均气温，可估算出当地气温对于光伏电池转换效率的修正。 1414 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 2.3 温度变化时光伏阵列的特性曲线 由特性曲线可知，效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。由特性曲线可知，当光强变化时，输出功率和最大功率点都在变，所以最大功率点跟踪是必要的。光伏阵列I-V和P-V特性与太阳辐射强度、环境温度之间是高度非线性的，随着光强的增加，输出电流、电压都增加，而温度升高时输出电流略有增加，而电压减小。 2.2.4光伏阵列的构成 在构成太阳电池阵列时，为避免组合损失，应尽可能选用参数一致的太阳电池组件。温度变化对太阳电池的P-V特性曲线的影响己表示于图2.5。由图可以看出，随着温度的升高，太阳电池最大功率点电压及开路电压向左偏移减小，发电能力也随之下降。在太阳电池作为电源的具体系统中，单个太阳电池的输出功率往往太小，因此作为太阳电池的最终产品，总是取若干个太阳电池串联(或并联)后封装在一起，构成太阳电池组件(module)。按照系统所需功率及电压的大小，可以用许多个(例如几个、几十个、几百个甚至成千上万个)组件按串、并联规则组合在一起，构成光伏阵列(PV array)，以便把太阳能直 1515 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 接转换为电能后向负载供电。 图2.4 太阳电池的特性曲线 图2.5 不同温度下的太阳电池P-V特性曲线 光伏阵列的伏-安特性具有和单个太阳电池同样的形状，若忽略单个太阳电池、太阳电池组件相互之间的连接电阻并假设它们具有理想的一致性，则光伏阵列的伏-安特性可以看作仅是单个太阳电池伏-安特性按串、并联方式放大其坐标的比例尺，因此图2.4同样也可以看作是光伏阵列的I-V特性曲线。 2.2.5光伏阵列的特性 光伏阵列的伏-安特性受温度的影响较大，一般说来，对于常用的晶体硅 1616 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 太阳电池，其影响系数为: 开路电压 (-0.37,-0.4%) (25?)/? VVOCOC 短路电流 (+0.09,+0.1%) (25?)/? IISCSC 光伏阵列在不同温度条件下的I-V和P-V关系曲线如图2.6和图2.7所示。 图2.6 不同温度下的光伏阵列I-V关系曲线 图2.7 不同温度下的光伏阵列P-V关系曲线 1717 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 光伏阵列输出功率P随温度变化而呈现出的衰减率约为0.5%P(25?)/?，如图2.8所示。 图2.8温度对光伏阵列工作特性的影响 光伏阵列的工作特性除了受温度影响外，在很大程度上还与日照强度有关。图2.9(a)、(b)分别给出了不同日照强度下典型的I-V和P-V特性曲线。 1818 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 图2.9 不同日照下光伏阵列的I-V和P-V特性曲线 2.3储能装置 2.3.1独立光伏系统用的储能装置 在独立光伏系统中，由于太阳能电池的输出功率随太阳光照强度在变化，当夜间或阴雨天时，太阳能电池的输入功率为O或很小，不能满足负载的要求。因此独立光伏系统需要一个储能装置，在光照强的时候，把多余的电能储存下来，供光照弱的时候使用。可选的储能方法有电容器储能，飞轮储能，超导储能，提升重物，分解水为氢氧等，但从方便、可靠、价格等综合的角度来看蓄电池是独立光伏系统储能装置的最佳选择。小型的独立光伏系统有用铅酸蓄电池的，也有用福镍蓄电池的等，但大中型的系统一般用铅酸蓄电池。因为铅酸蓄电池有如下的优点: ?除铿离子二次电池外，在常用体系蓄电池中，铅酸蓄电池的单格电压最高，为2伏; ?较廉价; 1919 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 ?可制成小至1安时大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池; ?高低温性能良好，可在-40,60摄氏度条件下工作; ?没有记忆效应。在本课题中，我们也选用铅酸蓄电池作为储能装置。铅酸蓄电池按用途可以分为起动用系列，固定防酸式，牵引用，铁路客车用，内燃机车用，摩托车用，航空用等。按电池盖和排气栓结构可分为开口式，排气式，防酸隔爆式，防酸消氢式，阀控密封式。在光伏系统中一般选用固定防酸式及阀控密封式，现在很多蓄电池厂家专门为光伏系统推出了太阳能应用铅酸蓄电池。应用于光伏系统的蓄电池的工作条件一般有以下几个特点: ?充电率非常小; ?放电率非常小; ?充电时间受到限制，有阳光时才充电，没有就不充电; ?不能按一定的规律对蓄电池充电。普通的铅酸蓄电池工作在这样的环境下寿命会缩短，而太阳能用铅酸蓄电池针对这些条件进行了改进，能较好的适应这样的环境。 2.3.2蓄电池工作原理 铅酸蓄电池由正、负极板电解液和电解槽组成，正极板的活性物质是二氧化铅，负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅，电解液是浓度为PbOPb，，，，2 27%,37%的硫酸水溶液，蓄电池的容量与极板面积有关。在充电过程中，电解液与正负极板上的活性物质发生化学反应，把电能变成化学能储存起来;在放电过程中，电解液与正负极板上的活性物质发生化学反应，把储存在蓄电池内的化学能变成电能供给负载。电解槽是极板组和电解液的容器。其放电及充电的化学反应式如下 放电,,,, (2-3) PbOPbHSOPbSOHO，，，222,,,,22442充电 2020 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 蓄电池充电时，要外接直流电源。当外接直流电源的电压高于蓄电池电动势时，电流从正极板流入蓄电池，经过电解液后，从负极板流出。在充电电流作用下，正极板上的逐渐变成;负极板上的逐渐变成。同时，PbOPbSOPbSOPb424电解液中硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减小，电解液的浓度逐渐增加，蓄电池的端电压也随之升高。放电过程与充电过程正好相反。 2.3.3.蓄电池的基本特性 蓄电池的基本特性直接影响光伏发电系统，配有蓄电池的光伏发电系统的运行特性很大程度上由蓄电池的特性所决定。 ?蓄电池的自放电 蓄电池的自放电是指蓄电池在独立存贮期间容量逐渐减少的现象。蓄电池在不带任何负载时由于自放电而使容量损失，直至容量为零。 ?使用寿命 是指蓄电池的有效寿命，即规定工作条件下，蓄电池正常工作时间。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限指包括蓄电池存放时间在内的蓄电池可供使用的时间;使用周期是指蓄电池可以重复使用的次数。当蓄电池发生内部短路或外部损坏而不能使用，使蓄电池使用失效，这时蓄电池的使用寿命终止。由于规定试验方法的不同，同一个蓄电池使用期限也各异。 ?蓄电池的运行方式 根据光伏发电系统的使用要求，可将多个同型号蓄电池串联、并联构成蓄电池组。蓄电池组主要有三种运行方式:循环充放电制、定期浮充制和连续浮充制。 2.3.4铅酸蓄电池常用的充电方法 普通应用的铅酸蓄电池的充电方法有恒流充电，恒压充电及恒压限流充电 2121 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 等，这些方法在光伏系统中都用不上，因为光伏系统中蓄电池的充电没有固定的规律，充电的情形是随光照在变化的。在光伏系统中，蓄电池总的充电策略是在蓄电池没有充满的情况下，就尽可能多的把太阳能电池产生的电流充进去。当然也要考虑蓄电池的接受能力，蓄电池放电后的初始充电电流是有个上限的，随着充电的进行蓄电池可接受的充电电流在逐渐变小。若充电电流大于了蓄电池可接受的电流，会导致蓄电池升温，电极副反应的发生，损害电池。但在实际的光伏系统的配置中，蓄电池的充电率往往很小，一般来说充电电流大都在蓄电池可接受的范围内，所以在一般情况下可以不考虑蓄电池充电电流大于可接受电流的问题。在要求严格的情形下，当蓄电池快充满时，充电电流大于可接受电流时，若是多路的太阳能电池，则可以一路一路的断开太阳能电池，减小充电电流;若是单路的太阳能电池，则可以使用脉冲充电的方法，或快速充电中的充一会，再放一瞬间的方法。不过这样系统的控制就比较复杂了。 2.3.5影响铅酸蓄电池寿命的因素及充放电保护 影响蓄电池寿命的因素有:放电深度、过充电程度等。在光伏系统中蓄电池的放电深度不是恒定的，它随天气状况和季节而变。在天气晴朗的夏日，蓄电池放电深度小;在天气阴沉的冬日，蓄电池放电深度大。过充电程度也随季节天气变化，在冬季，蓄电池可能从没充满过，在夏天，蓄电池可能经常是满的。为了延长蓄电池的寿命，必须合理的控制蓄电池的放电与充电。当蓄电池放电到一定程度时，应停止放电，防止过放电减少蓄电池寿命;当蓄电池充电到一定程度时要停止充电和减小充电电流，防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。 2.3.6铅酸蓄电池放电控制策略 判断铅酸蓄电池是否达到过放电一般的方法是设定一个电压下限,它Udm 2222 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 是放电电流的函数=,当蓄电池放电时的端电压低于时便切断负UfIU，，dmddm载，一直到蓄电池的端电压恢复到一个比大一点的值后，才重新允许放电。 Udm 2.3.7铅酸蓄电池充电控制策略 对光伏系统中的蓄电池充电时，如何对充电电流，充电电压进行控制呢?主要的依据是蓄电池的荷电状态。蓄电池在不同的荷电状态时，所要求的最佳充电电流，充电电压是变化的，不同的。如果知道了蓄电池的荷电状态，基本上就能有效的控制充电电压和电流。有很多文章和专著对测量铅酸蓄电池的荷电状态这个问题进行了探讨，也提出了一些比较有效的方法，但由于铅酸蓄电池内部的机理比较复杂，很多理论都只是一个近似解，离实用所要求的完善，可靠，还有一定的差距。探讨光伏系统中铅酸蓄电池荷电状态的检测是本文的重点之一。 对铅酸蓄电池荷电状态的检测归纳起来有两条途径: 第一条途径是从蓄电池内部入手。首先，让我们再次回顾一下铅酸蓄电池充电的内部机理。早期的铅酸蓄电池是开口的，或电池盖是可以打开的。在电池里面盛放的是硫酸溶液，正负电极浸泡在硫酸中，在充电时发生如下的反应: ，, (2-4) 2222PbSOHOPbPbOHHSO，,，，，4224 随着充电的进行，硫酸不断的生成，因而可以通过测量硫酸溶液的密度来估计铅酸蓄电池的荷电状态。但这种方法对于现在大量使用的免维护铅酸蓄电池就很不好实行了。免维护铅酸蓄电池是密封的，而且它的电解液是吸附在纤维上的。对于一般的免维护铅酸蓄电池，普通维护人员要想去测它的电解液密度是不可能的。但是我认为这种从蓄电池的内部入手的途径还是很值得研究的。这个途径是从蓄电池的本质机理来探讨它的荷电状态，从蓄电池在充电过程中发生的一系列的变化来指导充电电流，电压的调整。在这个方向上需要进 2323 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 一步努力的是:认真的研究铅酸蓄电池的内部机理，找到合适的从内检测的方法来检测蓄电池的荷电状态;或者找到充电电流和电压的变化，充电时间的推移对蓄电池内部的影响，用一种内置的方法测出这种影响。如果能在蓄电池厂家的配合下，在蓄电池内部设置这样的检测模块，得到的结果应该比较准确了。 第二条途径是从蓄电池外部参数入手。蓄电池的外参数包括:蓄电池的端电压，端电流，蓄电池的温度。 在从外参数入手的第二条途径中，有一种方法是利用蓄电池稳态开路电压来估算蓄电池的荷电状态。在铅酸蓄电池的理论中蓄电池的电动势可表示为: aHSO(4)RT02 (2-5) EEIn,，nFaHO()2 其中:E为电池电动势 为所有反应物的活度或压力等于1时的电动势，称为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电动势 E0 R为摩尔气体常数 T为温度 F为法拉第常数 n为电化学反应中的电子得失数目 从式中可以看出，电动势与硫酸浓度有关，也就是与荷电状态有关。而蓄电池的开路电压在数值上接近电动势。因此，理论上，由蓄电池的开路电压可以估算出荷电状态。这种方法比较简便，虽然精度不是很高，但在一些中小型系统中已经够用了。但这种方法在实施时有一个问题:在系统运行时，蓄电池总是连在电路中的，这时测得的端电压是在线电压，而不是开路电压，要想测开路电压必须将蓄电池从电路中断开，而且要断开足够长的时间。 2.4光伏系统的系统配置与计算 在设计光伏系统时，太阳能电池的功率和蓄电池的容量是需要确定的两个 2424 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 重要的参数。确定这两个参数的总的原则是:在保证满足负载供电需要的前提下，使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量将少成本。按照这个原则，首先得了解负载需求。如果是有规律性的负载，只要知道负载的平均功率和每周期工作的时间，如果是随机负载，除了考虑平均功率，平均工作时间之外，还要考虑最坏条件下，系统要能满足负载需求。在了解了负载特性之后，其次要考虑当地的光照条件。在掌握了当地天气的基础上，我们可以提出系统在无阳光辐射的情况下要支持的天数N，这段时间内平均负载为P(瓦)，负载每天工作时间为h(小时)，蓄电池的额定电压为U，富余系数为，则蓄,电池所需的容量为:(Ah) PhN, (2-6) ,QU 在分析负载和天气的基础上，我们还可以提出太阳能电池要将蓄电池充满的最短天数M，确定太阳能电池的实际效率,系统富余系数，每天光照平均,,小时数t，负载平均功率P(瓦)，每天工作小时数h，则太阳能电池设计功率为:(峰瓦) ,()UQPh， (2-7) P,SMt, 2.5本章小结 本章主要介绍的是太阳能光伏发电系统的太阳电池及蓄电池部分，太阳电池部分主要介绍了太阳电池的种类、原理、光伏组件的类型、特性。蓄电池部分主要介绍蓄电池的原理、特性、充放电控制策略等问题。 2525 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 第三章 太阳能光伏发电供电系统的蓄电控制系统的研究 3.1控制器 控制器在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它不但控制、协调整个系统的正常运行，而且实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。总的说来，控制器的主要作用有如下几个方面: ?调节光伏电池的功率输出特性，保证光伏电池、蓄电池向负载可靠供电及光伏电能的充分利用; ?让蓄电池在允许的限制范围内按照系统设计者规定的模式工作，特别是要防止过度充电和深度放电。 ?当蓄电池出现故障时，可以自动切换，启动备用蓄电池(若有)，以保证负载正常用电; ?当负载发生短路时，可以自动断开负载; ?保证系统中各种参数必要的计算、检测和显示。 3.2控制器基本原理 如图3.1所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理。在该电路原理图中，有光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关K1、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分，K1、K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定:当蓄电池充满时断开充电开关K1，否则闭合;当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合。图中涉及的控制电路指的是一个广义上的控制电路，是控制器电路的核心。它可以是各种形式的电路来担当这个角色。 2626 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 K1 K2 + 控制电负 路 载 — 蓄电池 图3.1 充放电控制器基本原理 3.3控制器应具备的功能 独立光伏系统的控制器应具有如下的功能:对蓄电池充放电的控制，对蓄电池进行保护;对太阳能的最大功率点进行跟踪(max impowerpoint Tacking，MPPT);对太阳方位和高度进行跟踪;对太阳能电池进行保护。其中，对蓄电池的保护，对充放电的控制是必备的功能，其它功能，在复杂的高端控制器中才有。有的控制器还具有通信功能，能把光伏系统的数据传输给远程的设备。 3.3.1对蓄电池充放电的控制 对蓄电池充放电控制的方法有经典控制理论的方法，也有智能控制的方法，还有一种智能蓄电池能够自己提供荷电状态等有用的信息。经典控制理论的方法一般给控制对象建立一个数学模型，然后根据传感器输入，用模型计算出相应的控制输出，去控制对象，使其正常工作。我们在这里介绍两类蓄电池充放电控制中的经典控制理论的方法。第一类是设定充电电压，放电电压的极限值，当蓄电池的在线电压超出这个范围时就进行过充或过放保护。第二类是 2727 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 通过建立一个蓄电池的模型，根据蓄电池的外参数(端电压，端电流，温度)计算出蓄电池的荷电状态，来指导充放电的过程。光伏系统中经典控制理论的方法运用比较的广泛，现在绝大多数的实用的控制器都是使用前面所说的经典控制理论的方法。 在理论研究上有人提出光伏系统中智能控制的方法，主要有模糊控制方法，神经网络控制方法。 模糊控制理论是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制是一种非线性控制。人们在采用手动控制方式时，并不是根据一个精确的灵敏学模型对被控对象进行控制，而是利用感官获得信息，通过自己的经验做出决策，再手工完成控制过程。在模糊控制中，用传感器代替人的感官，执行机构代替人手，用模糊控制器代替人脑做出决策。模糊控制的最大特征是将人的经验表示成语言控制规则，然后再用这些规则去控制系统。因此，模糊控制适用于模拟人的经验对数学模型未知的复杂的非线性的系统的控制中。在光伏系统中，太阳能电池的输出，蓄电池的负载及蓄电池的自放电都是不确定的量，所以可以将模糊控制应用于蓄电池的充电。 理论和实践证明蓄电池的充放电过程是一个十分复杂的电化学过程，它有以下的特点: ?多变量。影响充电效果的因素很多，像电解液浓度，极板活性物质的浓度，环境温度等变量的不同，都会使充电效果产生很大的差异。 ?非线性。一般来说，电池的可接受充电电流随时间呈指数规律下降。由于光照强度的变化，充电电流也在不断变化。 ?离散性。由于充放电循环，蓄电池使用和保存历史的不同，即使是两块相同工艺的蓄电池也具有不同的充电特性。采用模糊控制技术对蓄电池的充放 2828 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 电进行控制，这种方法抛开了对蓄电池模型的研究，而是根据技术人员的知识和经验，在不知道或很少知道蓄电池特性参数的情况下，通过对电池充电过程中的某几项输入或反馈值的判断来决定充电电流的大小，从而实现智能充电。 将模糊控制用于光伏系统充电控制，需解决如下问题: ?输入模糊变量的选择。它直接关系到是否能得到一个令人满意的输出。一般选取那些最能够快速准确的反映被控对象的变量作为输入模糊变量，具体应用到充放电控制中时，就应该选取最能反映被充蓄电池荷电状态的变量作为输入，使得输出(充电电流或电压)随电池的荷电状态变化而变化，从而实现高效，安全的充电。 ?模糊变量隶属函数的选择和控制规则的建立。隶属函数与控制规则一起作为模糊控制的核心部分，需要在技术人员经验积累的基础上不断的通过实验加以修正，最后确定最佳 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 ?控制的实现。一个模糊控制系统可以是基于普通数字单片机或模糊单片机，就硬件而言两者的结构是一样的，区别主要在软件的设计上。用数字单片机的优点是它可以由用户软件实现任意一种推理方法，灵活实用，但是一般需事先进行脱机处理，工作量比较大。而模糊专用单片机的优点在于运行速度很高。但由于目前市场上该种单片机的种类较少，故价格较高。其次，模糊单片机可执行的推理方法较少，往往只有一种。 在蓄电池充放电的控制中，除了经典控制理论的方法，智能控制的方法之外，还有一种使用智能蓄电池的方法。 智能蓄电池是一个新术语，它指具有一定“智能”的蓄电池或蓄电池组。这种蓄电池的内部装有一个处理器，能存储蓄电池的数据，如随温度变化的性能或充电数据。1994年，互联网上成立了一个“智能电池实现者论坛”。该论 2929 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 坛会员都是著名的芯片制造商和电池制造商。这些会员多数认为，智能电池通常应带有一个测量电压，电流和温度的模数转换器，一个估算自放电的定时器，一个记录充放电过程和现状的存储器，一个提供电池化学信息和期望的充电荷电状态测量方法的存储器，以及一个能与主机通信的接口。现在，在国内没有看到智能铅酸蓄电池，不过，有公司推出了一种智能电池模块，该模块带有液晶显示器，通信接口，蓄电池荷电状态检测单元。把这种模块和普通的铅酸蓄电池连接在一起可以构成一个智能电池。我认为，智能电池的处理器模块应根据不同厂家的蓄电池专门定制，在蓄电池出厂时就集成在内部，这样才比较准确、可靠。如果由第三方提供对所有铅酸蓄电池都能用的“智能电池模块”，这样做，模块的准确性就会下降了。如果在光伏系统中使用智能电池模块，就能降低控制器的复杂性，提高控制的效率和准确性，必定能大大提高光伏系统的性能。 3.3.2对太阳方位和高度的跟踪 国内外目前已有了很多光伏电站。这些光伏电站的太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下，制约了大规模电站的发展。太阳能发电在我国多采用弹簧储能跟踪式、传感器跟踪式的系统，发电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。提高发电效率是降低成本的捷径，我国开发的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳.保持最大的发电效率，具有成本低、免维护等优点。有较好的推广应用价值。 太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件，同样的一块太阳能板由于放置的角度不同，所接受的光辐射能就不同，产生的电能就不同。因此为了提高太阳能电池电能的产量，可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位和高度的变化而跟踪。 3030 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 太阳方位和高度跟踪系统由太阳传感器、支架、电机等构成。如下是我国研制的一种太阳方位和高度跟踪系统。太阳方位和高度跟踪系统主要分为机械部分和控制部分。机械部分主要由电池板支架，底座和直流电机构成，机械装 00置由电机驱动，可以使电池板在水平方向上的360和垂直方向上的O-85之间自由旋转;控制部分主要由软件算法构成，具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点。系统工作原理如下图3.2所示: 太阳能板 采样电压 电机执行 控制算法 图3.2 太阳方位和高度跟踪系统原理图 系统进入工作状态后，控制水平方向的电机将处于旋转状态，控制软件将对采样进来的电压信号进行判断。电池板可能朝向太阳旋转，也可能背向太阳旋转，所以电压也有增大和减小两种可能。 如果电池板朝向太阳旋转，采样电压必然增大，程序将给出继续转动的指令，转动过程中，一旦发现电压减小，将立即发出指令，让电池板反转。为防止机械抖动，当电池板电压再次减小时，电机停止转动，此时电池板正对着太阳。如果电池板一开始就背向太阳旋转，采样电压必然会减小，电池板自然会反转，这时就朝向太阳方向旋转了，当电压第二次减小时，也就说明此时电池扳正对着太阳了，电池板停止，水平方向的追踪完成。 3131 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 在垂直方向上的跟踪原理和步骤与水平方向的完全一致，只是电池板可能转到尽头而锁死，此时采样电压保持不变，只要在程序中加入当采样电压不变时电池板反转的指令即可。采样后要有一延时，延时在0.5秒左右比较合适、太大会影响精度，太小则会造成采样电压不变，程序误以为电池板锁死，不再跟踪太阳。两个方向的追踪都完成后，电池板将停止运动。这个停止时间可以在程序中自由设定，实际系统设定在30分钟左右比较合适，这样既可以保持较高的发电效率又可以防止过多的电能消耗在电机上。 3.3.3对太阳能电池最大功率点的跟踪 为了让太阳能电池的输出功率达到最大，除了采用太阳高度和方位跟踪的技术之外，还有一种太阳能电池最大功率点跟踪。由于光伏阵列输出特性的非线性特征，必须考虑使光伏系统在不同日照、温度以及不同负载特性条件下都工作在光伏阵列输出特性的最大功率点上或附近，从而充分利用太阳电池阵列吸收的太阳能。 图3.3 太阳电池在不同日照下的下I-V特性曲线 如图3.3是太阳电池在不同日照下的下I-V特性曲线，它表明太阳电池既 3232 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源，太阳电池阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线L的交点A，B，C，D，E即为光伏系统的工作点，如果能 ，，，，，使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点上，就可以最大限度ABCDE 地提高光伏阵列的能量利用率，我们可以在光伏阵列与负载之间加L一个最大功率跟踪适配器来完成这个工作。 图3.4 以最大功率点为极值的单峰函数特性曲线 如图3.4所示，它是一个以最大功率点为极值的单峰函数，其特点说明我们可以用步进搜索法来寻找最大功率点，即从起始状态开始，每次做一有限变化，然后测量由于输入信号变化引起输出量变化的大小及方向，等到辨别了方向以后，再命令被控对象的输入按需要的方向调节，实现自寻优控制。当负载特性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应电压之左时，MPPTUm的作用是使交点处的电压升高，而当交点在阵列最大功率点相应电压之右Um时，M即T的作用是使交点处的电压下降。图中说明了这个动态过程，假设工作点在U处，太阳电池输出功率为P，如果使工作点移到=U+?U, 太阳电U1121池输出功率为,然后比较现时功率与记忆功率,因为>,说明输入信号PPPPP22121 3333 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 差?U使输出功率变大，工作点位于最大功率值的左边，继续增大电压，Pmax 使工作点继续朝右边即的方向变化。如果工作点已越过,到达此时若PPUmaxmax4再增加?U，则工作点到达,比较结果:<,说明工作点在右边，输入PUPP554max信号差?U使输出功率变小，需要改变输入信号的变化方向，即输入信号每次减去?U，再比较现时功率与记忆功率，就这样周而复始地寻找最大功率点。 Pmax 太阳能电池的最大功率点跟踪控制是为充分利用太阳能，使太阳能电池始终输出最大电功率的控制，有登山法、功率数学模型法等。功率数学模型法是建立功率对占空比的数学模型，当日射量和温度有变化时要重新求得数学模型的参数，通过改变占空比达到最大功率点。因为是用4次方程定义功率对占空比的特性曲线，所以有一定的近似程度。登山法是最常用的控制法，通常的登山法是在最大功率点附近逐点计算、比较功率值来寻找最大功率点。当日射强度和温度急剧变化时，太阳能电池的输出特性也会有相应的变化，这就造成最大功率点的快速跟踪难以实现。 3.4本章小结 本章主要是对光伏系统中控制器功能的研究，主要内容有控制器的工作原理、充放电控制、对太阳方位和高度的跟踪、对太阳电池最大功率点的跟踪等。 3434 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 第四章 蓄电控制系统的设计 4.1控制器的分类 按电路方式不同，太阳能控制器的充电过程控制可分为旁路型、串联型、脉宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功跟踪率型;按放电过程控制方式的不同，可分为常规过放控制型和剩余容量(SOC)放电全过程控制型。对于除基本充放电控制功能外还附带有自动数据采集、显示和远程通信功能的控制器，习惯上称为智能型控制器。 ?旁路型控制器 利用并联在太阳能电池方阵两端的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，把光伏方阵的输出分流到旁路电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉;当蓄电池电压回落到一定值时，再断开旁路并恢复充电，因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如在12V 20A以内的系统。这类控制器，结构简单，不受电源极性的影响，但容易引起热斑效应。 ?串联型控制器 利用串联在回路中的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，开关器件断开充电回路，蓄电池停止充电;当蓄电池电压回落到一定值时，再接通充电回路。串联在回路中的开关器件还可以在夜间切断光伏阵列，取代防反充二极管。这类控制器，结构简单，价格便宜。当光伏系统作为负电源使用时(往往用与通信系统)，开关电路的设计将有所改变。串联型控制器一般不会引起热斑效应。 ?脉宽调制型控制器 它以PWM脉冲方式开关光伏方阵的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频 3535 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的荷电状态，能够增加光伏系统的充电效率(比简单断开时控制器的充电效率高15%)并延长蓄电池的总循环寿命。脉宽调制控制器的缺点是控制器自身将带来一定的损耗(大约4%,8%)。 ?多路控制器 一般用于5kW以上的大功率系统，太阳能电池方阵分成多个支路接入控制器。当蓄电池充满时，控制器将太阳能方阵逐路断开;当蓄电池电压回落到一定值时，控制器再将太阳能电池方阵逐路接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。这种控制方式属于增量控制法，可以近似达到脉宽调制控制器的效果，路数越多，增幅越小，增幅越小，越接近线性调节。单路数越多成本也越高，因此确定太阳能电池方阵路数时，要综合考虑控制效果和控制器成本。 ?两阶段双电压控制器 将蓄电池充电过程分为均衡充电和浮充充电两个阶段。每天开始充电时，电压调节器的调节电压点密封电池为单只电池2.45V/只，开口电池为2.5V/只，这一点的电压又叫均衡充电电压。根据铅酸蓄电池的电化学工作原理，开始充电阶段，只有尽快达到这个电压值，蓄电池的电解液才能避免层化效应而以最高效率完成电化学反应，也就是充电效率最高。在这以后，充电电压必须立即下降，否则将开始造成电解液汽化。所以，系统在初充电达到均衡充电电压以后，立即自动改变充电调节的电压保护点，即由均衡充电电压保护点2.45V/只改变为浮充电压保护点单只电池2.35V/只(开口电池为2.4/V只)。这样，蓄电池的整个充电过程便始终保持在最高效率状态，而且蓄电池电解液也不会因过电压而造成汽化损失。 ?最大功率跟踪型控制器 3636 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 在太阳能电池方阵的电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能电池方阵此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽、调制输出占空比、改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断。通过这样的寻优过程，可保证太阳能电池方阵始终运行在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。 ?常规放电过程控制器 这种控制方式只设定蓄电池过放电控制点，当蓄电池电压降至这一点时，控制器降负载断开。这种控制方式简单，但当连续阴天或系统超负载运行时，蓄电池将不可避免的过放电，而一旦蓄电池的电压达到过放电点，系统将在蓄电池被充满之前被强迫停止工作。 ?蓄电池放电全过程控制器 这种控制方式，根据蓄电池的剩余容量(SOC)对蓄电池的放电进行全过程控制，即除了设定蓄电池的过放电点(SOC=0)外，再增加几个控制点(SOC=70%和SOC=50%等)。每天系统放电之前，先检测出蓄电池当天的剩余容量，然后根据剩余容量设定当天的负荷功率或工作时间。此种控制方式可以有效的避免蓄电池的过放电，并避免系统由于蓄电池过放电造成的恶性停机。 ?智能型控制器 采用带CPU的单片机(如Intel公司的MCS51系列)対光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏方阵进行切断/接通控制。智能控制器还可以通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离通信和控制。 4.2控制系统的几种基本电路和工作原理 3737 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 ?单路旁路型充放电控制系统 单路旁路型充放电控制系统电路原理如图4.1所示。 D 1 + 池蓄 太阳检测D电能电负控制2 载池方 电路 _ 阵 T1 开关器件 Bx T2 图 4.1 单路旁路型充放电控制系统电路原理图 旁路型充放电控制系统充电回路中的开关器件T1并联在太阳能电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，则太阳能电池方阵的输出电流直接通过T1旁路泄放，不再对蓄电池进行充电从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。 D1为“防反充电二极管”， 只有当太阳能电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“防反向充电保护”作用。 开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。 D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通，使蓄电池通过D2 3838 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 短路放电，产生很大电流快速将保险丝,x烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。 检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切断电压”时，T1导通，进行“过充电保护”;当电压小于“过放电压”时，T2关断，进行“过放电保护”。 ?单路串联型充放电控制系统 单路串联型充放电控制系统电路原理如图4.2所示。 D1 + 蓄 电 池 太阳能 D电池方检负—2 阵 载测 — 控开关器件XB制T2 X电 X路 X 开关器件T1 图 4.2 单路串联型充放电控制器电路原理图 串联型充放电控制系统和旁路型充放电控制系统电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同，旁路型控制系统T1并联在太阳能电池方阵输出端，而串联型控制系统T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大于充满切断电压时，T1关断，使太阳能电池方阵不再对蓄电池进行充电，起到过充电保护作用。其它元件的作用和串联型充放电控制系统相同。 ?多路充电控制系统 3939 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 多路充电控制系统的电路原理如图4.3所示。 AA 1 2 S1 n-1 Sn S2 S D2 D1 Dn B Dn-1 V P1 P2 L Pn-Pn 1 图4.3 多路充电控制系统电路原理图 当蓄电池充满电时，控制电路将控制机械或电子开关从S1至Sn顺序断开太阳能电池方阵支路从P1至Pn。当第一路P1断开后，如果蓄电池电压已经低于设定值，则控制电路等待;直到蓄电池电压再次上升到设定值，再断开第2路P2，再等待;如果蓄电池电压不再上升到设定值，则其它支路保持接通充电状态当蓄电池电压低于恢复点电压时，被断开的太阳能电池方阵支路依次接通，直到天黑之前全部接通。图中，D1至Dn是各个支路的防反充二极管，A1和A2分别是充电电流表和放电电流表，V为蓄电池电压表，L表示负载，B为蓄电池组。 ?采用单片机组成的MPPT充放电控制系统基本原理 如图4.4所示，这是一个具有MPPT功能的充放电控制系统原理框图，由于其电路相对复杂这里不再提供具体应用电路，它由自带A/D转换功能的单片 4040 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 机(MCU)、电压采集电路、电流采集电路、DC/DC变换电路等组成。从技术上讲主要由单片机及其控制采集软件、测量电路、DC/DC变换电路三部分组成，对各部分的技术要求具体来讲如下。 ? DC/DC变换电路 一般为BUCK型或BOOST型电路，要求有较高的转换效率，在85%或90%以上，但小功率的DC/DC电路其效率比较低，只有60%,75%。因此，具有MPPT功能的控制器在50Wp以下PV系统中优势不明显,很少采用,而主要应用在较大系统中.另外还有一个系统匹配问题,DC/DC变换电路的设计与PV组件功率、负载大小要匹配，做到系统接近满载，效BUCK率更高。DC/DC变换电路有升压(BOOST)型、降压(BUCK)型、升降压(BUCK 与BOOST)型，具体选择哪一种要根据PV组件电压、蓄电池电压和负载工作电压来确定。 ? 测量电路 主要是DC/DC变换电路的输入测电压和电流值、输出侧的电压值，另外还有温度等测量电路。测量电路要求简单可靠，测量精度满足技术要求，从产品角度上海英有高的性能价格比。 ? 单片机及监测软件 单片机技术近几年发展很快，各种高效多功能低功耗单片机很多，选择的范围也很大，如INTEL的80C196具有正弦波输出功能，PHILIPS公司的P87LPC767为带有A/D转换功能的紧凑型低功耗产品等，另外也有采用DSP代替单片机的控制器。要实现MPPT功能，监控软件十分重要，采用什么样的控制算法其效果差别很大，如常用算法有:恒定电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法、标准蓄电池查表法等。在这里不做详细介绍。 4141 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 K 1 蓄 电 + 负池 DC/DC 载 — — 电压采 集 电压采MPU 集 (带A/D) 电流采集 图4.4 采用单片机组成的MPPT充放电控制系统原理框图 4.3控制系统的选择 对PV系统的充放电调节控制是光伏应用系统的一个重要功能。对小系统，可以采用简单的控制系统组成的系统来实现，对中大型光伏系统，也可以采用包括一组功能更为复杂的控制设备组来实现。除了小系统(如一般的太阳能灯具等)和消费类产品的应用外，在光伏电站系统中使用的充放电控制系统必须具备以下的几个功能: ? 防电池过充的功能; ? 防电池过放的功能; ? 提供负载控制的功能; ?提供系统工作状态信息给使用者/操作者的功能; ? 提供备份能源控制接口功能; 4242 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 ? 提供能将PV系统富余能源给辅助负载消耗的功能; ? 提供各种接口(如监控)的功能。 即上面提到的几个基本功能:防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能等外，还有以下几个重要指标。 ? 控制系统本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，选择的标准是自耗电流小于额定工作电流的1%，因此电路的设计与低功耗器件的选择非产重要。 ? 回路压降要低。选择的标准是回路压降应小于系统电压的5%，这跟电路的设计与开关器件的选择密切相关。 ? 防PV组件或蓄电池反接保护。可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功率二极管。 ? 防反充保护。在太阳电池正极输入端串联防反充二极管或者其它开关方式防蓄电池电流倒流。 ? 防雷击保护。PV系统若安装在易遭雷击的地方时可在控制系统输入端并接压敏电阻或增设其它防雷措施。 选择控制系统应注意以下几项技术指标:系统电压(即蓄电池电压)，输入最大电流和输入路数，输出最大电流，蓄电池过充电保护门限，蓄电池过放电保护门限，辅助功能(包括其他保护功能如通信、显示、数据采集和存储等)。 控制系统的系统电压与蓄电池的电压应一致。控制系统的最大输入电流取决于太阳能电池方阵的电流，小型控制系统一般只有一路太阳能电池方阵输入，大型控制系统通常采用多路输入。控制系统的输出电流取决于输出负载的电流，通常是逆变器的电流。 4.4蓄电控制系统的设计 4343 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 本设计选用单路串联型充放电控制系统，电路原理图如图4.2所示。 4.4.1检测控制电路的设计 4.4.1.1控制系统的过欠电压检测控制电路组成和工作原理 控制系统的过欠电压检测控制电路组成和工作原理如图4.5所示: 蓄电池电压 + R2 R1 G1 G2 A1 A2 C2 D2 D1 C1 W2 W1 G4 图4.5控制器过欠电压检测控制电路组成原理图 检测控制电路包括过电压检测控制和欠电压检测控制两部分。 检测控制电路是由带回差控制的运算放大器组成。A1为过电压检测控制电路，A1的同向输入端由W1提供对应“过电压切断”的基准电压，而反相输入端接被测蓄电池，当蓄电池电压大于“过电压切断电压”时，A1输出端G1为低电平，切断开关器件T1,切断充电回路，起到过电压保护的作用。当过电压保护后，蓄电池电压又下降至小于“过电压恢复电压”时，A1的反相输入电位小于同向输入电位，则其输出端G1由低电平跳变至高电平，开关器件T1由关断变导通，重新接通充电回路。“过电压切离门限”和“过电压恢复门限”由 4444 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 W1和R1配合调整。A2为欠电压检测控制电路，其反相端接由W2提供的欠电压基准电压，同向端接蓄电池电压(和过电压检测控制电路相反)，当蓄电池电压小于“欠电压门限”电平时，A2输出端G2为低电平，开关器件T2关断，切断控制器的输出回路，实现“欠电压保护”。欠电压保护后，随着电池电压的升高，当电压又高于“欠电压恢复门限”时，开关器件T2重新导通，恢复对负载供电。“欠电压保护门限”和“欠电压恢复门限”由W2和R2配合调整。 4.4.4.2该控制系统元件的选型及蓄电池和光伏组件的设计 C1、C2、C3、C4为信号滤波电容，也是电解电容。采样电路的延迟主要由这几个电容的大小决定，容量越大，滤波效果越好，但是延迟亦越大，因此容量的选取应在滤波效果和良好的跟随性两者中作一权衡。 D1、D2是稳压二级管，起到限制输入到采样电路信号幅值的作用，其中D2限制信号的正向幅值，D1限制信号的负向幅值，使信号不超过要求的范围，对电路进行保护。 该运放系统化构成的电压比较器作为控制电路在100W以下的小系统中大量采用。因为这种电路完全是由硬件组成的控制系统，具有简单可靠、维护方便、成本低、电路本身功耗也极低，是一种匹配性很好的电路。 4.4.2驱动电路的设计 IGBT是一种新型功率器件,是上世纪末出现的一种复合全控型电压驱动式电力电子器件。它将GTR和MOSFET的优点集于一身:输入阻抗高,开关频率高,工作电流大等,在变频器、开关电源,弧焊电源等领域得到广泛地应用。随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展，绝缘栅双极晶体管(IGBT)已广泛应用于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低损耗的领域中。IGBT是复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET和GTR的优点:输入阻 4545 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 抗高，驱动功率小，通态压降小，工作频率高和动态响应快。目前，市场上500,3000V，800,l800A的IGBT，因其耐高压、功率大的特性，已成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。 IGBT具有一个2.5V,6.0V的阀值电压,有一个容性输入阻抗,因此IGBT对栅极电荷集聚很敏感。故驱动电路必须可靠,要保证有一条低阻抗值的放电回路,同时驱动电源的内阻一定要小,即栅极电容充放电速度要快,以保证VGE有较陡的前后沿,使IGBT的开关损耗尽量要小。在IGBT承受短路电流时,如果能及时关断它,则可以对IGBT进行有效保护。识别IGBT是否过流的方法之一,就是检测其管压降VCE的大小。IGBT在开通时,若VCE过高则发生短路,需立即关断IGBT。在过流关断IGBT时,由于IGBT中电流幅度大,若快速关断时,必将产生Ldi/dt过高,在IGBT两端产生很高的尖峰电压,极易损坏IGBT,因此就产生了“软慢关断”方法。同时,晶闸管实现的驱动电路没有隔离功能,脉冲变压器存在一定的漏感,这样使输出脉冲陡度受到限制,同时其绕组寄生电感和电容使脉冲前后沿出现振荡,对功率管不利。同时脉冲变压器在输出脉冲时容易出现铁心饱和,其共模抑制比,而采用光耦不存在这些问题。高性能的光耦原副边采用法拉第屏蔽进行去耦,因此抗共模干扰能力强,可以有效地抑制来自功率电路的干扰信号。但是光耦的驱动电流较小, M57962L驱动电路就是依照上述理论进行设计的。 4.4.2.1驱动保护电路的原则 由于是电压控制型器件，因此只要控制ICBT的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。研究表明，IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化。因此，为了保证IGBT可靠工作，驱动保护电路至关重要。 4646 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 IGBT驱动保护电路的原则如下: ?动态驱动能力强，能为栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲; ?开通时能提供合适的正向栅极电压(12,15V)，关断时可以提供足够的反向关断栅极电压(,5V); ?尽可能少的输入输出延迟时间，以提高工作效率; ?足够高的输入输出电气隔离特性，使信号电路与栅极驱动电路绝缘; ?出现短路、过流的情况下，具有灵敏的保护能力。 目前，在实际应用中，普遍使用驱动与保护功能合为一体的IGBT专用的驱动模块。常见的专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A,输出驱动电压+15V和-10V。 IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB480、EXB841、EXB850和EXB851)。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。图中给出了M57962L的原理图和接线图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT,并向并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图如图4.6、4.7所示: 4747 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 4 Vcc 检测电路 14 1检测端 定时及复位 电路 接口 电路 门极关 13 8故障指断电路 示 6 VEE 图4.6 M57962L型IGBT驱动器的原理图 4.7k Ω 8 t?0.2μs D1 rr1 +5V 14 Z1 3.1 5 30V Ω V 4 13 M57962L 100μF +151 ui 100μF V -10V 6 图4.7 M57962L型IGBT驱动器的接线图 4848 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 M57962L主要有以下特点: ?具有较高的输入输出隔离度(Viso=2500Vrms); ?采用双电源供电方式，以确保IGBT可靠通断; ?内有短路保护电路; ?输入端为TTL门电平，适于单片机控制。 引脚排列及主要性能参数:M57962L驱动器的印刷电路及外壳用坏氧树脂封装，共有14根引脚，其中2、3、4、7、9、10、11、12脚为空脚，其外型与引脚排列如图4-8所示: 图4.8 M57962L引脚图 4.4.2.2 M57962L驱动IGBT模块原理 用M57962L驱动IGBT模块的实际应用电路如接线图所示。当IGBT模块过载 (过压、过流) 时，亦即其集电极电压上升至大于15V时，隔离二极管D1截止，1脚为15V高电平，则驱动器将5脚置低电平，使IGBT截止，同时，8脚置低电平，使光耦合器工作，以驱动外接电路将输入端13脚置高电平。稳压二极管Z1用于防止D1击穿而损坏M57962L。3.1Ω的电阻为限电阻。其它两个稳压管组成限幅器，以确保IGBT栅极不被击穿。 4.4.4.3 保护电路工作原理 4949 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 M57962L内部具有短路保护功能，其保护电路工作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图4.9所示。检测电路检测到检测输入端1脚为15V高电平时，判定为电路短路，立即启动门关断电路，将输出端5脚置低电平，同时输出误差信号使故障输出端8脚为低电平，以驱动外接保护电路工作。经1,2ms延时后，如果检测出输入端13脚为高电平，则M57962L复位至初始状态。 当电源接通后,首先自检,检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路,IGBT的集电极电位升高,经外接二极管流入检测电路的电流增加,栅极关断电路动作,切断IGBT的栅极驱动信号,同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT正常时,输入信号经光电耦合接口电路,再经驱动级功率放大后驱动IGBT。 5050 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 开始 短路检测 N 短路否, 启动门关断电路 1~2ms 启动定时器并输 出误差信号 定时结束否, Y N 输入信号为高, Y N 复位 图4.9 保护电路工作流程图 M57962L的主要参数列于附表中4.1 符号 参数 条件 范围 单位 VCC 电源电18 V DC VEE 压 -15 V VI 输入电13、14脚输-1,+7 V 5151 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 压 入 输出电 VO 5脚输出 VCC V 压 I -5 A OHP输出电脉宽=2 μs 流 频率=20Hz I 5 A OLP 隔离电正弦电压Viso 2500 Vrms 压 60Hz,1分钟 工作温 Topr -2,+100 ? 度 存贮温 Tstg -2,+100 ? 度 输出电 I DC 0.5 A OH 流 故障输 I 8脚输出 20 mA FO 出电流 输入电 V 13脚输入 5 V RI 压 从开始致 保护恢 T 电消除(输入信1,2 ms RESET 处长时间 号为高) 检测电 Vsc 15 V 压 5252 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 4.5蓄电池及光伏组件的设计 4.5.1设计的基本原理 太阳电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求;因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳电池组件和蓄电池在天气条件有别于平均值的情况下协调工作;蓄电池在天数的恶劣气候条件下，其负荷状态(SOD)将会降低很多.在太阳电池组件大小的设计中不要考虑尽可能快的给蓄电池充满电.如果这样,就会导致一个很大的太阳电池组件,使得系统成本过高;而在一年中的绝大部分时间里太阳电池组件的发电量会远远大于负载的使用量,从而造成太阳电池组件不必要的浪费;蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值的情况下给负载供电;在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下,太阳电池组件就会给蓄电池充电。 设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。在进行太阳电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。在那种情况下太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。但这意味着每年都有将近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间内处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度增加。太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的伏在需要，也就是要保证光照最差的情况下蓄电池也能够被完全的充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。 如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值，在这种情况下仍然按照最差情况考虑设计太阳电池组件大小，那么所设计的太阳电池组件在一年 5353 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 中的其他时候就会远远超过实际所需，而且成本高昂。这时就可以考虑使用带有备用电源的混合系统。但是对于很小的负载，安装混合系统的成本会很高;而在偏远地区，使用备用电源的操作和维护费也相当高，所以设计独立光伏系统的关键就是选择成本效益最好的方案。 4.5.2 蓄电池设计方法 蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。我们可以设想蓄电池是充满电的，在光照度低于平均值的情况下，太阳电池组件产生的电能不能完全填满由于负载从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样在一天结束的时候，蓄电池就会处于为充满状态。如果第二天光照度仍然低于平均值，蓄电池就仍然要放电以供给负载的需要，蓄电池的菏电状态继续下降。也许接下来的第三天第四天会有同样的情况发生。但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能够允许持续一段时间，直到蓄电池的荷电状态到达指定的危险值。为了量化评估这种太阳光照连续低于平均值的情况，在进行蓄电池设计时，我们需要引入一个不可缺少的参数:自给天数，即系统在没有任何外来能源情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。 一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关:负载对电源的要求程度;光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。对于负载对电源不是很严格的光伏应用，我们在设计中通常取自给天数为3,5天。对于负载要求很严格的光伏应用系统，我们在设计中通常取自给天数为7,14天。所谓负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微一下负载需求从而适应恶劣天气带来的不便，而 严格系统指的是用电负载 5454 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 比较重要，例如常用于通信、导航或者重要的健康设施，如医院、诊所等。此外还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很远的地区，必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员要到达现场需要花费很长的时间。 光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，但是在较大的系统中考虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。在下面内容中涉及到的蓄电池没有特别说明指的都是铅酸蓄电池。 蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。 ?基本公式 第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。 第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度(DOD);如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式如下。 自给天数，日平均负载 蓄电池容量= (4-1) 最大放电深度 下面介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 5555 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 负载标称电压串联蓄电池数= (4-2) 蓄电池标称电压 为了说明上述基本公式的应用，我们用一个小型的交流光伏应用系统作为范例。假设该光伏系统交流负载的耗电量为10kw?h/天，如果在该系统中，我们选择使用的逆变器的效率为90%，输入电压为24V，那么可得所需的直流负载需求为462.96A?h/天(10000w?h0.924V=462.96A?h)。我们假设这是一,, 个负载对电源要求并不是很严格的系统，使用者可以比较灵活地根据天气情况调整用电。我们选择5天的自给天数，并使用深循环电池，放电深度为80%，那么 蓄电池容量=5天，462.96A?h/0.8=2893.51A?h (4-3) 如果选用2V/(400A?h)的单体蓄电池，那么需要串联的电池数 串联蓄电池数=24V/2V=12(个) (4-4) 需要并联的蓄电池数 并联蓄电池数=2893.51/400=7.23 (4-5) 下面是一个纯直流系统的例子:乡村小屋的光伏供电系统。该小屋只是在周末使用，可以使用低成本的浅循环蓄电池以降低系统成本。该乡村小屋的负载为90A?h/天，系统电压为24V。我们选择自给天数为2天，蓄电池允许的最大放电深度为50%，那么 蓄电池容量=2天(90A?h/d)/0.5=360A?h (4-6) ，如果选用12V/100A?h的蓄电池，那么需要该蓄电池2串联4并联=8个。 ?设计修正 以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法，在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响。为了得到正确的蓄电池容量设计，上面的基本方程必须加以修正。 对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容量与两个重要因 5656 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 素相关:蓄电池的放电率和环境温度。 首先，我们考虑放电率对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应的增加。这样就会对我们的容量设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是10h放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中储存的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100,200h。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。光伏系统的平均放电率公式如下 自给天数，负载工作时间平均放电率(小时)= (4-7) 放电最大深度 上式中的负载工作时间可以用下述方法估计:对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数;对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下 负载功率，负载工作时间,加权平均负载工作时间= (4-8) 负载功率, 根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。 下面考虑温度对蓄电池容量的影响。蓄电池容量会随着蓄电池的温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。通常铅酸蓄电池的容量是在25?C时标定的。随着温度的降低，0?C时容量大约会下降到额定容量的90%，而在-20?C的时候大约下降到额定容量的80%，所以必须考虑蓄电池 5757 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 的环境温度对其容量的影响。 如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，，也就是无法满足系统负载的用电要求。在实际工作中的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。这样，设计是需要的蓄电池容量就要比根据标准情况(25?C)下蓄电池参数计算出来的容量要大，只有选择安装相对于25?C时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于25?C的情况下，还能完全提供所需的能量。 蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度-容量修正曲线。在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数，除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正。 因为低温的影响在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度，以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久损坏。铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固，随着蓄电池的放电，蓄电池中不断生成的水稀释电解液，导致蓄电池电解液的凝固点不断上升，直到纯水的0?C。在寒冷的气候条件下，如果蓄电池放电过多，随着电解液凝结点的上升，电解液就可能凝结，从而损坏蓄电池。即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池，其最大的放电深度也不要超过80%。 在设计时要使用光伏系统所在地区的最低平均温度，然后由蓄电池生产商提供的最大放电深度-蓄电池温度关系图上找到该地区使用蓄电池的最大允许放电深度。通常，只是在温度低于-8?C时才考虑进行校正。 ? 完整的蓄电池容量设计计算 考虑到以上所有的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池的最终计算式。 5858 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 自给天数，日平均负载 蓄电池容量(指定放电率)= (4-9) 最大允许放电深度，温度修正因子 下面对每个参数进行总结分析。 ? 最大允许放电深度 一般而言，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50%而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80%。如果在严寒地区，就要考虑到低温防冻问题，对此进行必要的修正。设计时可以适当地减小这个值，扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。例如，如果使用深循环蓄电池，进行设计时，将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为60%而不是80%，这样既可以提高蓄电池的使用寿命，减小蓄电池系统的维护费用，同时又对系统初始成本不会有太大的冲击。根据实际情况可对此进行灵活处理。 ? 温度修正系数 当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25?C标准情况算出来的容量值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求。 ? 指定放电率 指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。使用供应商提供的数据，可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。如果在没有详细的有关容量-放电速率的资料的情况下，可以粗略的估计认为，在慢放电率(C/100到C/300)的情况下，蓄电池的容量要比标准装太多30%。 下面举例说明上述公式的应用。建立一套光伏供电系统给一个地处偏远的通讯基站供电，该系统的负载有两个:负载一，工作电流为1A，每天工作24h;负载二，工作电流为5A,每天工作12h。该系统所处的地点的24h平均最低温度为-20?C，该系统的自给时间为5天。使用深循环工业用蓄电池(最大DOD为80%)。 因为该光伏系统所在地区的24h平均最低温度为-20?C,所以必须修正蓄 5959 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 电池的最大允许放电深度。由最大放电深度-蓄电池温度的关系图我们可以确定最大允许放电深度50%。所以 58106AhAh，，，加权负载工作平均时间==6.67h (4-10) 510AA， 56.67dh，=66.7小时率 (4-11) 平均放电率=0.5 与平均放电率计算数值最为接近的放电率为50小时率，-20?C时在该放电率下所对应的温度修正系数为0.7(根据供应商提供的性能表进行查询)。如果计算出来的放电率在两个数据之间，那么选择较快的放电率(短时间)比较保守可靠。因此蓄电池容量为 5(58106)，，，，AhAh蓄电池容量==1425.57A?h(50小时放电率) (4-12) 0.50.7， 根据供应商提供的蓄电池参数表，我们可以选择合适的蓄电池进行串并联，构成所需的蓄电池组。 ? 蓄电池组并联设计 当计算出了所需的蓄电池的容量后，下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量。这样可以有多种选择，例如，如果计算出来的蓄电池容量为500A?h，那么我们可以选择一个500A?h的单体蓄电池，也可以选择两个250A?h的蓄电池并联，还可以选择5个100A?h的蓄电池并联。从理论上讲，这些选择都可以满足要求，但是在实际应用当中，要尽量减小并联数目。也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目。这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响，因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联的蓄电池不平衡。并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。一般来讲，建议并联的数目不要超过4组。 目前，很多光伏系统采用的是两组并联模式。这样，如果有一组蓄电池出 6060 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 现故障，不能正常工作，就可以将该组蓄电池断开进行维修，而使用另外一组正常的蓄电池，虽然电流有所下降，但系统还能保持在标称电压正常工作，总之，蓄电池组的并联设计需要考虑不同的实际情况，根据不同的需要进行不同的选择。 4.5.3光伏组件方阵设计 ?基本公式 太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需求的能量(安时数)除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量(安时数)，这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本计算公式如下 日平均负载(Ah,) 并联的组件数量= (4-13) 组件日输出 系统电压(V)串联组件数量= (4-14) 组件电压(V) ?光伏组件方阵设计的修正 太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加准确的结果，有必要对上述基本公式进行修正。 ?将太阳电池组件输出降低10% 在实际情况工作下，太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低。 泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出。通常的做法就是在计算的时候减小太阳电池组件的输出10%来解决上述的不可 6161 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 预知和不可量化因素可以看成是光伏系统设计是需要考虑的工程上的安全系数。又因为光伏供电系统的运行还依赖于天气状况，所以有必要对这些因素进行评估和技术评估，因此技术上留有一定的余量将使得系统可以年下一年地长期正常使用。 ?将负载增加10%以应付蓄电池的库伦效率 在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，也就是说太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失，我们用蓄电池的库伦效率来评估者中电流损失。不同的蓄电池其库伦效率不同，通常可以认为有5%到10%的损失，所以保守设计中有必要将太阳能电池组件的功率增加10%，以抵消蓄电池的耗散损失。 ?完整的太阳电池组件设计计算 考虑到上述因素，必须修正简单的太阳电池组件设计公式，将每天的负载除以蓄电池的库仑效率，这样就增大了每天的负载，实际上给出了太阳电池组件需要负担的真正负载;将衰减因子乘以太阳电池组件的日输出，这样就考虑了环境和组建自身衰减造成的太阳电池组件日输出的减少，给出了一个在实际情况下太阳电池组件输出的保守估计值。综合考虑以上因素，可以得到下面的计算公式: 日平均负载Ah,，，并联的组件数量= (4-15) 库伦效率组件日输出(，,，Ah)衰减因子，，，， 系统电压V，， (4-16) 串联组件数量=组件电压V，， 利用上述公式进行太阳电池组件的设计计算时，还要注意以下一些问题。 ? 考虑季节变化对光伏系统输出的影响，逐月进行设计计算 对于全年负载不变的情况，太阳电池组件的设计计算是基于辐照最低的月份。如果负载的工作情况是变化的，即每个月份的负载对电力的需求是不一样的，那么在设 6262 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 计时采取的最好的方法就是按照不同的季节或者每个月分分别来进行计算，计算出的最大太阳电池组件数目就是所求的值。通常在夏季、春季和秋季，太阳电池组件的电能输出较多，而冬季相对较少，但是负载的需求也可能在夏季比较大，所以在这种情况下只是用年平均或者某一个月份进行设计计算是不准确的，因为为了满足每个月份负载需求而需要的太阳电池组件数是不同的，那么就必须按照每个月所需要的负载算出该月所必须的太阳电池组件。其中的最大值就是一年中所需要的太阳电池组件数目。例如，可能计算出在冬季需要的太阳电池组件数是10块，但是在夏季可能只需要5块，但是为了保证系统全年的正常运行，就不得不安装较大数量的太阳电池组件，即10块电池组件来满足全年的负载的需要。 ? 根据太阳电池组件电池片的串联数量选择合适的太阳电池组件 太阳电池组件的日输出与太阳电池组件中电池片的串联数量有关。太阳电池在光照下的电压会随着温度的升高而降低，从而导致太阳电池组件的电压会随着温度的升高而降低。根据这一物理现象，太阳电池组件生产商根据太阳电池组件工作的不同气候条件，设计了不同的组件:36片串联组件与33片串联组件。 36片太阳电池组件主要适用于高温环境的应用，36片太阳电池的串联设计使得太阳电池组件即使在高温环境下也可以在IMP附近工作。通常，使用的蓄电池系统电压为12V，36片串联就意味着在标准条件(25?C)下太阳电池组件的VMP为17V,大大高于充电所需的12V电压。当这些太阳电池组件在高温下工作时，由于高温太阳电池组件的损失电压约为2V,这样VMP为15V,即使在最热的气候条件下也足够可以给各种类型的需电池充电。采用36V片串联的太阳电池组件最好应用在炎热地区，也可以使用在安装了峰值功率跟踪设备的系统中，这样可以最大限度地发挥太阳电池组件的潜力。 6363 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 33片串联的太阳电池组件适宜于在温和气候环境下使用，33片串联就意味着在标准条件(25?C)下太阳电池组件的VMP为16V,稍高于充电所需的12V电压。当这些太阳电池组件在40,45?C下工作时，由于高温导致太阳电池组件损失电压约为1V，这样VMP为15V,也足够可以给各种类型的蓄电池充电，但如果在非常热的气候条件下工作，太阳电池组件电压就会降低更多。如果到50?C或者更高，电压会降低到14V或者以下就会发生电流输出降低。这样对太阳电池组将没有害处，单丝产生的电流就不够理想，所以33片串联的太阳电池组件最好用在温和气候条件下。 ?使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的输出 因为太阳电池组件的输出是在标准状态下标定的，但在实际使用中，日照条件以及太阳电池组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同，因此有必要找到一种可以利用太阳电池组件额定输出和气象数据来估算实际情况下太阳电池组件的输出方法，我们可以使用峰值小时数的方法来估算太阳电池组件的日输出。该方法是将实际 2倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000W/照射的小时数m将该小时数乘以太阳电池组件的峰值输出就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数。太阳电池组件的输出为峰值小时数×峰值功率。例如:如果一个 222月的平均辐射为5.0Kw?h/,可以将其写成5.0×1000W/，而1000W/正mmm好也就是用来标定太阳电池组件功率的标准辐射量，那么平均辐射为5.0 2Kw?h/就基本等同于太阳电池组件在标准辐射下照射5.0h。这当然不是实m 2际情况，但是可以用来简化计算。因为1000W/ 是生产商用来标定太阳电池m 组件功率的辐射量，所以在辐射情况下的组件输出数值可以很容易从生产商处得到。为了计算太阳电池组件每天产生的安时数，可以使用峰值小时×太阳电池组件的Imp 。例如，假设在某个地区倾角为30?的斜面上按月平均每天的 6464 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 22辐射量为5.0 Kw?h/，可以将其写成5.0×1000W/.对于一个典型的75Wmm 太阳电池组件，Imp为4.4Amps,就可得出每天发电的安时数为5.0×4.4Amps=22.0A?h/天。 使用峰值小时方法存在一些缺点，因为在峰值小时方法中做了一些简化，导致估算结果和实际情况有一些偏差。 首先，太阳电池组件输出的温度效应在该方法中被忽略。在计算中对太阳电池组件的Imp要进行补偿。因为在工作的时候，蓄电池两端的电压通常是稍微低于Vmp,这样太阳电池组件输出电流就会稍高于Imp,使用Imp作为太阳电池组件的输出就会比较保守。这样温度效应对于由较少的电池片串联的太阳电池组件输出的影响就比对由较多的电池片串联的太阳电池组件的输出影响要大。所以峰值小时方法对于36片串联的太阳电池组件比较准确，对于33片串联的太阳电池组件则较差，特别是在高温环境下。对于所有的太阳电池组件，在寒冷气候的预计会更加准确。 其次，在峰值小时方法中，利用了气象数据中测量的总的太阳辐射，将其转换为峰值小时。实际上，在每天的清晨和黄昏，有一段时间因为辐射很低，太阳电池组件产生的电压太小而无法供给负载使用或者给蓄电池充电，这就将会导致估算偏大。通常，这一点造成的误差不是很大，但对于有较少电池片串联的太阳电池组件的影响比较大。所以对36片串联的太阳电池组件每天输出的估算就比较准确，而对于33片串联的太阳电池组件的估算则较差。 再次，在利用峰值小时方法进行太阳电池组件输出估算时默认了一个假设，即假设太阳电池组件的输出和光照完全呈线性关系，并假设所有的太阳电池组件都会同样地把太阳辐射转化为电能。但实际上不是这样的，这种使用峰值小时数乘以电流峰值的方法有时会过高地估算某些太阳电池组件的输出。 6565 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 不过，总的来说，在已知本地倾斜斜面上太阳能辐射数据情况下，峰值小时估计方法是一种对太阳电池组件输出进行快速估算很有效的方法。 下面举例说明如何使用上述方法计算光伏供电系统需要的太阳电池组件数。 一个偏远地区建设的光伏供电系统，该系统使用直流负载，负载为24V，400A?h/天。该地区最低的光照辐射是一月份，如果采用30?的倾角，斜面上 2的平均日太阳辐射为3.0Kw?h/，也就是相当于3个标准峰值小时。对于一m 个典型的75W太阳电池组件，每天的输出为 组件日输出=3.0峰值小时×4.4h=13.2A?h/天 (4-17) 假设蓄电池的库伦效率为90%,太阳电池组件的输出衰减为10%。根据上述公式， 日平均负载(Ah,) 并联组件数量= 库伦效率组件日输出衰减因子，,，Ah，，，，，， 400Ah,，，==37.4 (4-18) 0.913.20.9，,，Ah，，，，，， 系统电压V24V，，，，串联组件数量===2 (4-19) 组件电压V12V，，，， 根据以上计算数据，可以选择并联组件数量为38，串联组件数量为2，所需的太阳电池组件数为 总的太阳电池组件数=2串×38并=76块 (4-20) 4.5.4蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 我们有必要对光伏组件方阵和蓄电池的设计计算进行校核，以进一步了解系统运行中可能出现的情况，保证光伏组件方阵的设计和蓄电池的设计可以协调工作。 ? 校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不会过放电。计算公式 6666 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 如下，但是如果自己天数很大，那么实际的每天DOD可能相当小，不需要进行校核计算。 日负载V，，蓄电池日放电深度= 设计蓄电池的总容量V，， 日负载V，， = (4-21) 设计并连续电池数蓄电池容量，V，， 如果一个光伏系统使用了4000A?h的深循环蓄电池，每天的负载为500A?h，那么平均每天的DOD校核计算如下:500A?h/4000A?h=0.125<0.8。所以该系统中蓄电池不会过放电。 ? 校核光伏组件方阵对蓄电池组的最大充电率。另外一个校核计算就是校核设计光伏组件方阵给蓄电池的充电率。在太阳附身处于峰值时，光伏组件方阵对于蓄电池的充电率不能太大，否则会损害蓄电池。蓄电池生产商将提供指定型号蓄电池的最大充电率，计算值必须小于该最大充电率下面给出了最大充电率的校核公式，用总的蓄电池容量除以总的峰值电流即可。 设计蓄电池总容量Ah,，， 最大充电率= 设计光伏阵列的峰值电流Amps，， 并联蓄电池数蓄电池容量，,Ah，，= (4-22) 并联光伏组件数组件峰值电流，A，， 下面举例说明，光伏供电系统使用了75W太阳电池组件50块(25并联×2串联)，工作电压为24V,配备4000A?h的蓄电池。最大充电率为 最大充电率=4000A?h/25×4.4(75W组件峰值电流)=24h (4-23) 将计算值和蓄电池生产商提供的该设计选用型号蓄电池的最大充电率进行比较，如果计算值较小，则设计安全，光伏组件方阵对蓄电池的充电不会损坏蓄电池;如果计算值较大，则设计不合格，需要重新进行设计。 4.6本章小结 本章是蓄电控制系统的设计部分，文章首先介绍了控制器的几种类型，对 6767 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 比它们之间的有学点，并对几个控制系统的基本电路和工作原理作了介绍。然后重点对单路串联型控制系统进行设计。设计主要对检测电路及驱动电路进行设计。最后对蓄电池及光伏组件的设计思路做出介绍。 6868 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 第五章 我国光伏未来展望、机遇和建议及战略对策 5.1光伏未来展望 世界各发达国家的共同经验说明，政府的大力提倡和出台一系列激励政策和法律、 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 加以扶持，是新能源和可再生能源迅速发展的强大动力和保证。我国政府对新能源和可再生能源的发展十分重视，尤其是近年来采取一系列措施大力扶持其发展。2004年6月30日，温家宝总理主持召开的国务院常务会议，讨论并原则通过了《能源中长期发展规划纲要(2004,2020年)》(草案)，并提出了“大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略”。2005年2月28日，十届人大常委会第十四次会议通过了《可再生能源法》，国家主席胡锦涛以第33号主席令公布，自2006年1月1日起实行。前者将发展新能源和可再生能源列入了国家能源发展战略立了《户口》，后者通过立法对新能源和可再生能源的发展给予法律上的支持和保证必将大大促进我国新能源和可再生能源的发展进程。 当前化石能源资源逐渐走向枯竭和大量耗用，化石能源对生态环境的影响日益突出的国内外形势，对新能源和可再生能源的发展极为有利，形成了一个良好的发展环境。展望未来，可以充满信心的说，我国的太阳能光伏发电技术及其产业在21世纪上半叶将会有更大更快的发展，会在我国的能源结构中占有一席之地，为全面建设小康社会的伟大事业做出更大的贡献。 2004年国家发改委起草了一个《中国可再生能源开发战略规划(2006,2020)》(草案)，描绘了我国中长期新能源和可再生能源发展的蓝图，是一个宏伟的计划，令人鼓舞。规划提出的发电能力预期目标为:到2010年可再生 6能源发电的总装机容量达到60×10kW，占全国总电力装机容量的10%，其中太 6969 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 4阳能光伏发电装机容量达到45×10kW，为2003年太阳能光伏发电装机容量的 8 8.18倍;到2020年可再生能源发电的总装机容量达到1.21×10kW，占全国 5 中装机容量的12%，其中太阳能光伏发电装机容量达到10×10kW，为2010年预期太阳能光伏发电转机容量的2.22倍。 5.2光伏发展的机遇和建议 《中华人民共和国法可再生能源法》的公布，特别是将来实施细则的出台对于我国光伏工业的发展将是一个很大的促进。能源和环境在我国都是极为严峻的问题，我国的经济发展也急需在可再生能源中寻找解决的办法。从国际与国内形势的发展来看，目前是太阳能发展的大好时机，不管是对于研究机构还是产业部门或者是用户，光伏都面临良好的发展机遇。 对于发展我国光伏产业，建议如下: ?建立新能源和可再生能源专项国家级统一领导机构; ?建立2,3个国家级研究开发机构; ?加强国际产、学、研合作; ?鼓励中国电力和中国石油进入太阳能行业; ?实施太阳能产业原材料基地建设; ?仪器设备开发; ?开展重点城市光伏并网发电示范; ?发展太阳能光伏建筑材料，制定建筑优先利用太阳能和太阳能建筑一体化强制实施条例; ?有计划大力推广太阳电池供电的半导体照明城市道路、住宅小区示范; ?制定我国太阳能利用百万或千万屋顶计划。 为了卓有成效的发展，必须制定有关短期、中期、长期发展目标。根据目 7070 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 前我国研究和产业发展现状，我们认为可有计划的采取以下若干措施: ?建立2,3个具有国际先进水平的太阳能光伏研发中心; ?建立太阳电池研究开发的产、学、研合作体系; ?在2009年前建立3,5个民营骨干大型太阳电池企业，并在制造设备、系统设计和安装方面形成一个优化组合的产业结构; ?在2009年之前，太阳电池总产量进入世界前四名，即能跟在日本、德国、美国之后，争取在2012年名列第二; ?通过通信、交通、西部无电地区独立光伏电站和城市并网发电工程的培育来扩大光伏市场，具体从2009年开始，西部发电20MW，并逐渐按5%增加，注重发展风光互补的分布式能源系统;城市推广应用特别是东部沿海发达地区的城市开始屋顶并网发电规模示范试验，从2009年起10MW，并逐年按5%增加。其他光伏出口产品，如太阳能庭院灯等产品，2009年起20MW，并逐年按5%,10%增加; ?江苏、福建和广东建设世界光伏应用产品(建材、家电、灯具和玩具)制造基地; ?“十一五”可实施100MW光伏并网发电计划，可指定太阳能并网发电年度计划。 5.3我国光伏发展的战略对策 ?可采取德国的相应办法，即:上网电价均摊法，取之于民，用之于民。并通过银行贷款政策，促进我国光伏行业的市场化发展。 ?积极扶持贫困地区，优先发展发达地区，实施两个推广体系:发达地区实施屋顶并网推广示范;欠发达地区实施离网光伏系统租用措施，鼓励私人建设光伏电站，并尽可能实行商业化操作。 7171 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 ?确立推广目标。光伏发电发展年度目标:2010年占0.5%;2020年占2%。 ?健全光伏工业全国布局。太阳电池所用的硅材料目前主要被美国、德国和日本三国垄断，我国是世界最大的冶金及硅的生产和出口国，但太阳电池所用硅片基本依赖近口。发展高纯硅材料是我国光伏产业的当务之急。根据地区矿产资源、能源分布和实际条件来看，我国科在西部地区建设硅材料产业基地，在东南沿海地区建立太阳电池产业。 目前光伏发电最关键的问题还是提高转换效率和降低成本。影响太阳电池大规模应用的主要障碍是它的制造成本仍然较高。通过改进现有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等方式降低制造成本，提高光电转换效率。积极发展各类薄膜太阳电池和其他新型太阳电池。这方面的研究是大幅度降低太阳电池成本，并同时提高电池效率的希望所在。这个方向从其实质看来，属于材料科学和工程，其关键材料技术包括太阳能硅材料技术和太阳电池设计和制造技术两方面。相应的对策和建议可概括如下: ?建立太阳能多晶硅材料国内生产基地，可为国内太阳能光伏产业提供廉价的多晶硅原料; ?以国产太阳能多晶硅材料为原料，研制太阳能单晶硅材料和多晶硅的快速生产工艺，可为国内发展太阳电池工业提供廉价材料; 集中人力、财力，加速薄膜太阳电池(如:铜铟锡、碲化镉、纳米敏化和多晶硅薄膜太阳电池)的研发和工业化工程，为大规模利用太阳能光伏发电创造条件。 通过以上方面的研究和分析对比，确定降低太阳能硅材料成本的最佳技术途径、关键技术和必要的保障措施。同时，通过光伏建筑材料或太阳电池与建筑一体化，也可达到降低成本的目的。再者，通过太阳电池与建筑的有机结合， 7272 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 就可最终实现一栋建筑本身就是一个太阳能转换工厂的目标。争取在我国建立若干座MW级大型光伏并网发电系统，可为大规模推广应用提供经验，更好的促进我国光伏产业的稳定发展。 5.4本章小结 在本章作者对光伏事业的未来做出展望，并提出光伏发展的机遇与建议以及我国光伏发展的战略对策。 7373 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 结束语 本文设计题目是太阳能发电供电系统的蓄电控制系统,蓄电控制系统主要由蓄电池、控制器和光伏组件构成，当光照充足时太阳电池组件一方面通过控制器给负载供电，一方面通过控制器给蓄电池充电。研究这个题目的意义在于对蓄电池的保护，防止蓄电池过充过放，使蓄电池在正常工作区工作，延长蓄电池的寿命，降低蓄电控制系统的成本。控制系统的研究主要是对控制器的研究，它对蓄电池的放电条件加以规定和控制，并按照负载的电量需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出。 由于本设计题目为蓄电控制系统，所以主要研究控制器对蓄电池的控制，设计的思路是用电路原理实现对蓄电池的充放电。还要考虑防过充电防欠电充以及防反充电等一系列对蓄电池的保护电路。此外本文还对蓄电池、光伏组件的基本知识进行分析，对蓄电池及光伏组件的选型的设计和控制器的功能及种类也做了一定的介绍。 7474 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 参考文献 1. 王长贵，王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M],北京:化学工业出版社，2005，8-105. 2. 沈辉，曾祖勤. 太阳能光伏发电技术[M],北京:化学工业出版社，2005，79-122. 3. 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M],北京:机械工业出版社，2000，29-37. 4. 王新贤. 通用集成电路速查手册[M],济南:山东科学技术出版社,2002,397-399. 5. 刘和平. 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Photovoltaisch Betribene Wasserpumpensysteme[D],University of Stuttgart,1989. 7676 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 致谢 在李老师的指导下,经过近几个月的努力下 ,太阳能发电供电系统的蓄电控制系统的设计终于完成了，在我设计的过程中李老师在百忙之中对我的设计给予了细致的指导和建议,对我的辅导耐心认真，并给我提供了大量有关资料和文献，使我的这次设计能顺利完成。在此我对李老师给予帮助表示衷心的感谢,并且感谢曾给予我帮助的同学们。 此外我还要感谢李老师、任老师、张老师、崔老师在设计期间对我的帮助和支持。通过这次毕业设计使我对以前学习的知识得到了更深的理解,并使知识得到了进一步的巩固。 7777 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 7878 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 7979