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光伏毕业论文参考

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-11 15:45
tags:

-

2021年2月11日发(作者:spock)










摘要



1


ABSTRACT


2


1


绪论



3


2


太阳能光伏电源系统的原理及组成


4


2.1


太阳能电池方阵



4


2.1.1


太阳能电池的工作原理



5


2.1.2


太阳能电池的种类及区别



5


2.1.3


太阳能电池组件



5


2.2


充放电控制器


6


2.2.1


充放电控制器的功能



7


2.2.2


充放电控制器的分类



7


2.2.3


充放电控制器的工作原理



8


2.3


蓄电池组



9


2.3.1


太阳能光伏电源系统对 蓄电池组的要求



9


2.3.2


铅酸蓄电池组的结构



10


2.3.3


铅酸蓄电池组的工作原理



10


2.4


直流

-


交流逆变器



11


2.4.1


逆变器的分类



11


2.4.2


太阳能光伏电源系统 对逆变器的要求



12


2.4.3


逆变器的主要性能指标



12


2.4.4


逆变器的功率转换电 路的比较



14


3

< br>太阳能光伏电源系统的设计原理及其影响因素



16


3.1


太阳能光伏电源系统的设计原理



17


3.1.1


太阳能光伏电源系统 的软件设计



17


3.1.2


太阳能光伏电源系统的硬件设计



19


3.2


太阳能光伏电源系统的影响因素



20


4


总结



21


致谢




参考文献









摘要




光伏 发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。


这种技术< /p>


的关键元件是太阳能电池。


太阳能电池经过串联后进行封装保护可 形成大面积的太阳电池组


件,再配合上蓄电池组,


充放电控制器 ,


逆变器等部件就形成了光伏发电装置。本文首先介


绍了太阳能 光伏电源系统的原理及其组成,


初步了解了光生伏打效应原理及其模块组成,

< p>


后进一步研究各功能模块的工作原理及其在系统中的作用,


最后根据理论研究成果,


利用硬


件和软件相结合的方 法设计出太阳能光伏电源系统,以及研究系统的影响因素。







关键词 :光生伏特效应;太阳能电池组件;蓄电池组;充放电控制器;逆变器




















Topic




The Design of Photovoltaic Power




Abstract




Photovoltaic power generation is a technology of being energy directly into electrical energy on


semiconductor photo-voltaic effect .The key components of this technology is the solar cell. Solar


cells in series can be formed after the package to protect a large area of solar cells, together with


the battery, charge and discharge controller, inverter and other components to form a photovoltaic


device. This paper introduces the principle of solar photovoltaic power system and its components,


a


preliminary


understanding


of


the


principle


of


photovoltaic


effect


and


its


modules,


and


then


further study the working principle of each functional module and its role in the system, the final


results of theoretical studies based the use of hardware and software combination designed a solar


photovoltaic power systems, and study the impact of system factors.












Keywords




photo-voltaic


effect




Solar


cells




batteries;


charge


and


discharge


controller;



inverter.


1


绪论







人类社会进入

21


世纪,正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。廉价的石

< p>
油时代已经结束,逐步改变能源消费结,


大力发展可再生能源,走可持续发 展的道路,


已逐


渐成为人们的共识。







太阳能光伏发电具有独特的优点,


近年来正在飞速发展。

< p>
太阳能电池的产量年增长率在


40%


以上,已成为 发展最迅速的高新技术产业之一,其应用规模和领域也在不断扩大,从原


来只在偏远无电 地区和特殊用电场合使用,发展到城市并网系统和大型光伏电站。


尽管目


前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道,但是随着社会的发展和 技术的进步,


其份额将会逐步增加,可以预期,到


21


世纪末,太阳能发电将成为世界能源供应的主体,


一个光辉的太阳能时代 将到来。







我国的光伏产业发展极不平衡,< /p>


2007


年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世


界第一,然而光伏应用市场的发展却非常缓慢,光伏累计安装量大约只占世界的

< br>1%


,应用


技术水平与国外相比还有相当大的差距。


光伏产品与一般机电产品不同,


必须很据负载的要

< br>求和当地的气象、


地理条件来决定系统的配置,


由于目前 光伏发电成本较高,


所以应进行优


化设计,以达到可靠性和经济 性的最佳结合,最大限度的发挥光伏电源的作用。




为了提高太阳能的转换效率,


获取更多的有效能源,

满足人类的能源供应,


世界各国在


研究太阳能光伏系统中都 投入了大量的人力与物力。


我国对太阳能光伏电源系统的研究还处


于世界低等水平,


产品的性能还有待提高,


为迎接未来能源短 缺带来的严峻挑战,


我们应该


加大对太阳能光伏系统的研究,以 满足人类未来对能源的需求。



本文从理论出发,


阐述了太阳能光伏电源的原理及其组成结构;


结合科研实际,


应用硬件和


软件结合的方法,


设计了简易的太阳能光伏 电源模拟系统。


根据这个简易系统研究分析了太


阳能光伏电源的 影响因素,


合理优化了系统的配置,


以提高系统的性能,


最终提高了太阳能


的转换效率。










2


太阳能光伏电源系统的原理及组成





太阳能光伏电源系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能 电池将太阳辐射能直接


转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、充电放电控制器、 蓄电池组、直流


/


交流逆


变器等部分组 成,其系统组成如图


2-1


所示。



























2-1


太阳能光伏电源系统示意图




2.1


太阳能电池方阵


< p>
太阳能电池单体是光电转换的最小单元,


尺寸一般为


4



2



1 00



2


不等。


太阳能电池单


体的工作电压约为


0.5V


工作电流约为


20


< p>
25mA/



2



一般不能单独作为电源使用。


将太


阳能电池单 体进行串并联封装后,


就成为太阳能电池组件,


其功率一般为几 瓦至几十瓦,



可以单独作为电源使用的最小单元。

< p>
太阳能电池组件再经过串并组合安装在支架上,


就构成

了太阳能电池方阵,可以满足负载所要求的输出功率(见图


2-2

< br>)



















2-2



太阳能电池单体、组件和方阵



2.1.1


太阳能电池的工作原理


< /p>


光是由光子组成,


而光子是包含有一定能量的微粒,


能量的大小由光的波长决定,


光被晶体


硅吸收后,在


PN


结中产生一对对正负电荷,由于在


PN


结区域的正负电荷被分离,因而可


以产生一个外电流场,< /p>


电流从晶体硅片电池的低端经过负载流到电池的顶端。


这就是


“光生


伏打效应”




将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时,


将有电流 流过该负载,


于是太阳能电池就


产生了电流;太阳能电池吸收的 光子越多,产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定,


低于基能能量的光子不能产生 自由电子,一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子,


多余的能量将使电池发热, 伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。




2.1.2


太阳能电池的种类及其区别



目前世界上有


3


种已经商品化的硅太阳 能电池:


单晶硅太阳能电池、


多晶硅太阳能电池、



晶硅太阳能电池。


对于单晶硅太阳能电池,


由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的


材料具有相同的品质,


使单晶硅的使用成本比较昂贵。


多晶硅太阳能电池的晶体方向的 无规


则性,


意味着正负电荷对并不能全部被

PN


结电场所分离,因为电荷对在晶体与晶体之间的


边界上 可能由于晶体的不规则而损失,


所以多晶体硅太阳能电池的效率一般比单晶体硅太阳


能电池低,


多晶体硅太阳能电池用铸造的方法生产,


所以它的成本比单晶体硅太阳能电池的


低。非晶体硅太阳能电池属于薄膜电池,


造价低廉,但光电转换效率比较低,稳定性也不如


晶体硅太阳能 电池,目前多数用于弱光性电源,如手表、计算器等。



一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为



13%-15%


;多晶硅太阳能电池的光电转换


效率 为



11%-13%


;非晶硅太阳能电 池的光电转换效率为



5%-8%





2.1.3


太阳能电池组件



一个太阳能电池只能产生大约


0.5V


电压,远 低于实际应用所需要的电压,为了满足实际应


用的需要,


需把太 阳能电池连接成组件。


太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池,

这些


太阳能电池通过导线连接。一个组件上,太阳能电池的标准数量是


36


片,能提供大约


17V


电压,正好能为额定电压为


12V


的蓄电池进行有效的充电。< /p>



通过导线连接的太阳能电池被密封成物理单元被称为太阳能电池 组件,


具有一定的防腐、



风、


防雨等能力,


广泛应用于各个领域和系统。


当 应用领域需要较高的电压和电流而单个组


件不能满足要求时,可把多个组件组成太阳能电 池方阵,以获得所需要的电压和电流。



太阳能电池组件的电气 特性主要是指电流


-


电压输出特性,也称为

V-I


特性曲线,如图


2-3


所示 。


V-I


特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流


Im


与电压


Vm


在特 定的太阳辐


照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即


V= 0


,此时的电流称为短路电流


Isc


; 如果


电路开路即


I=0


,此时的电路称 为开路电压


Voc


。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组< /p>


件的电流与电压的乘积,即


P=V*I








2-3



太阳能电池的电流


-


电压特性曲线











I


:电流






Isc


:短路电流






Im


:最大工作电流










V


:电压





V


oc


:短 路电压





Vm


:最大工作电压




当太阳能电池组件的电压上升时,


例 如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零


(短路条件


下)


开始增加时,


组件的输出功率亦从零开始增加;

当电压达到一定值时,


功率可达到最大,


这时当阻值继续增 加时,功率将越过最大点,并逐渐减少至零,即电压达到开路电压


Voc



太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性,在组件的输出功率达到最大点,称为 最大功率点,


该点所对应的电压,称为最大功率点电压


Vm


(又称为最大工作电压)


;该点所对应的电流,

称为最大功率点电流


Im


(又称为最大工作电流)


;该点的功率称为最大功率


Pm




太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、


太 阳能光谱的分布和太阳能电池的温度。



阳的辐照度越强,输出 的功率越大;


太阳光谱分布越密集,输出功率越大;


太阳能电池 的温


度越高,开路电压越低,输出功率越低。




2.2


充电放电控制器







充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。


由于蓄电池组的循环充放电次数及充放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,


因此能控


制蓄电池组过充电或过放电的充电放电控制器是必不可少的设备。< /p>



2.2.1


充电放电控制器的功能



控制器的功能:



< br>(


1


)高压(


HVD

< p>
)断开和恢复功能:控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。




2


)欠压(


LV G


)告警和恢复功能:当蓄电池电压降到欠压告警点时,控制器应能自动发


出声光告警信号。




3< /p>


)低压(


LVD


)断开和恢复功能:这种 功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电


子开关连结负载,


可在某给定低压点自动切断负载。


当电压升到安全运行范围时,


负载将自


动重新接入或要求手动重新接入。有时,采用低压报警代替自动切断。




4


)保护功能:





防止任何负载短路的电路保护。





防止充电控制器内部短路的电路保护。





防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。





防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。





在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。



5


)温度补偿功能:当蓄电池温度低于25℃时,蓄电池 应要求较高的充电电压,以便完


成充电过程。


相反,

< p>
高于该温度蓄电池要求充电电压较低。


通常铅酸蓄电池的温度补赏系数





5mv/< /p>


?


C/CELL





2.2.2


充放电控制器的分类



光伏充电控制器基本上可分为五种类型:


并联型、

< br>串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率


跟踪型。




1


)并联型控制器:当蓄电池充满时,利 用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电


阻器或功率模块上去,

< br>然后以热的形式消耗掉。


因为这种方式消耗热能,


所以一 般用于小型、


低功率系统,例如电压在


12

伏、


20


安以内的系统。这类控制器很可靠,没有如继电器 之类


的机械部件。




2


)串联型控制器:利用机械继电器控制充电过程,并在夜间切断光伏阵列。它 一般用于


较高功率系统,继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通 电电流在


45


安以上的串联控制器。




3



脉宽调 制型控制器:


它以


PWM


脉冲方式开关 光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时,


脉冲的频率和时间缩短。


按照美国桑地亚国家实验室的研究,


这种充电过程形成较完整的充

电状态,它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。



(< /p>


4


)智能型控制器:采用带


CPU


的单片机(如



Intel

< br>公司的


MCS51


系列或


Mic rochip


公司


PIC


系列)


对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阵列进行切离


/

< br>接通控制。对中、大型光伏电源系统,还可通过单片机



RS232


接口配合


MODEM


调制解 调器进行远距离控制。




5


)最大功率跟踪型控制器:将太阳电池的电压


U


和电流


I


检测后相乘得到功率


P


,然后


判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大,

< br>若不在最大功率点运行,


则调整脉宽,


调制输

< p>
出占空比


D


,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


寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点 ,


以充分利用太阳电池方阵的输出能量。


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。




2.2.3


充放电控制器的工作原理




1


)单路并联型充放电控制器(如图


2-4
























2-4


单路并联型充放电控制器




并联型充放电控制器充电回路中的开关器件


T1


是并联在太阳电池方阵的输出端,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,则太阳电池方阵


的输出电流直接通过


T1


短路泄放,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气时不会出现蓄 电池向太阳电池方阵反向充电,起到


“放反向充电保护”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


短路放电,产生


很大电流快速 将保险丝


BX


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“充满切离电压”时使

T1


导通进行“过充电保护”




当电


压小于“过放电压”时使


T2


关断进行“过放电保护”





2


)串联型充放电控制器:



串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似,唯一区别在于开关器件< /p>


T1


的接


法不同,并联型


T1


并联在太阳电池方阵输出端,而串联型


T1


是串联在充电回路中。当蓄


电池电压大于


“充 满切离电压”


时,


T1


关断,


使太阳电池不再对蓄电池进行充电,


起到


“过< /p>


充电保护”作用。



其它元件的作用和串联型充放电控制器相同,不再赘述。




2.3


蓄电池组


蓄电池组是光伏电站的贮能装置,


由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流 电转换


为化学能贮存起来,以供应用。


-


-


-


-


-


-


-


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