太阳能发电蓄电控制系统毕业论文(编辑修改稿)

太阳能发电蓄电控制系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 ④ 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太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 11 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。 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。 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 PN 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。 太阳能 电池工作原理 在自然界中，物体电阻率在 310 ～ 810 Ω 左右的称为半导体。 大部分半导体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太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 12 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 PN 结上，就会在其两端产生光 生电压，若外部将 PN 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。 太阳能 电池的基本特性 ① 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 IV 和 PV 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 PN 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关而且还与温度有关。 对于参数见表 的光伏阵列，当光强从 1000W/ 2m 变到 300W/ 2m 时的特性曲线如图 所示。 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 13 表 某光伏阵列的参数 图 光强变化时光伏阵列的特性曲线 可以看出， IV 曲线具有高度的非线性特征，在 PV 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。 ② 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 mP 与照射到电池上的入射光的功率 ,mP 的比值，用式子表示为 m,I 100%mmPVPP    （ 21） 式中， mI 、 mV 分别为光伏阵列最大电流（ A）和最大电压（ V）。 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。 在温度恒太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 14 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。 ③ 填充因子 又称曲线因子，即光伏电池最大功率与开路电压 OCV 和短路电流 SCI 乘积的比值，用符号 F 表示 M M MFO C SC O C SCP V IF V I V I （ 22） 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 PN 结曲线因子常数、串联电阻 SR 、并联电阻shR 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。 一般 F 1, 它的值越高，表明光伏电池输出特性越近于矩形，电池的光电转换效率越高。 ④ 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OCV 下降，短路电流 SCI 略微增大，当温度从 0176。 C 变到 100176。 C 时特性曲线如图 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 1176。 C，输出功率大约下降 %， 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。 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 15 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 IV 和 PV 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。 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 PV 特性曲线的影响己表示于图。 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），以便把太阳能直太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 16 接转换为电能后向负载供电。 图 太阳电池的特性曲线 图 不同温度下的太阳电池 PV 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 同样也可以看作是光伏阵列的 IV 特性曲线。 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，对于常用的晶体硅太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 17 太阳电池，其影响系数为： 开路电压 OCV （ ～ %） OCV （ 25℃） /℃ 短路电流 SCI （ +～ +%） SCI （ 25℃） /℃ 光伏阵列在 不同温度条件下的 IV和 PV 关系曲线如图。 图 不同温度下的光伏阵列 IV 关系曲线 图 不同温度下的光伏阵列 PV 关系曲线 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 18 光伏阵列输出功率 P 随温度变化而呈现出的衰减率约为 %P（ 25℃） /℃，如图 所示。 图 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 (a)、 (b)分别给出了不同日照强度下典型的 IV 和 PV 特性曲线。 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 19 图 不同日照下光伏阵列的 IV 和 PV 特性曲线 储能装置 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 : ① 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 ； ② 较廉价 ； 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 20 ③ 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 ； ④ 高低温性能良好，可在 40～ 60 摄氏度条件下工作 ； ⑤ 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 : ① 充电率非常小。 ② 放电率非常小。 ③ 充电时间受到限制，有阳光时才充电，没有就不充电。 ④ 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。 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  2PbO ，负 极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅  Pb ，电解液是浓度为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 2 2 4 4 22 2 2P b O P b H S O P b S O H O    放 电充 电 （ 23） 太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 21 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 4PbSO 逐渐变成 2PbO。 负极板上的 4PbSO 逐渐变成 Pb。 同时，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。 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。 ① 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。 ② 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。 ③ 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。 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太阳能发电蓄电控制系统毕业论文 22 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。