何彬，太阳能光伏发电系统课程设计
绪论
能源短缺是当今社会中的热点问题，它直接制约着经济和社会的发展，可再生能源的利用也就成了当今世界关注的焦点之一。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。广义地说，
太阳能包含以上各种可再生能源。近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术。自“六五”以来我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。同时，照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界各国的一项
重要的能源消耗，据统计照明用电占我国总发电量的 10％以上，绿色节能照明的应用越来越受到重视。我国在 1996 年就提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解
决与照明相关的能源供应问题，新型的照明光源 LED发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。
太阳能电池板和LED都是由半导体材料构成的，随着半导体材料技术的更加完善必将推动太阳能和LED的进一步发展。将太阳能和LED结合起来为节能照明技术提供了新的解决方案。
一、课程设计报告内容
1.太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光，将太阳的光能直接变成电
能输出。
光伏发电系统主要由太阳能光伏电池、储能电池、充放电电路、光源及控制
电路等组成，系统的组成框图如图 1 所示：系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。太阳能电池将太阳能转变成电能，一部分用来给直流负载 LED供电，另一部分储存在蓄电池中。当没有太阳光或者光线暗时， LED 照明系统所需要的能量不够的部分由蓄电池提供。 LED照明部分不仅可以实现昼
夜照明，同时采用了自动调光技术，可以使室内的光线保持恒定。
图 1光伏发电系统组成框图
太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电
能。在白天光照条件下，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路。
蓄电池作为太阳能照明系统的储能环节，白天将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。全天中智能控制器的电源一直由蓄电池供给。
充放电电路是以电力电子器件级电容电感所组成的升、降压电路，可以起到调节电压和控制光源的作用。
智能控制系统是以单片机为核心辅以逻辑控制电路来实现系统中太阳能电池最大功率点跟踪 (MPPT)、蓄电池容量预测和蓄电池充电精确控制，以满足太阳能照
明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求，从而提高太阳能照明系统效率，确保系统运行稳定，并延长蓄电池的寿命。
2.太阳能光伏电池
太阳能光伏电池工作原理的基础是半导体 P-N 结的光生伏打效应。所谓光生
伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电
动势和电流的一种效应。当太阳照射P-N 结时，在半导体内就会产生电子—空
穴对，由于 P-N 结势垒区存在较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平
衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴。在内建电场的作用下电子向N 型区扩散，空穴向 P 型区扩散，并分别聚集于两个电
极部分，结果使P 型区电势升高， N 型区电势降低， P-N 结两端形成光生伏打
电动势，这就是P-N 结的光生伏打效应。如果用导线连接这两个电极，就构成
短路电流 I sc。在 P-N 结开路情况下， P-N 结两端建立起光生伏打电动势V OC,这就是开路电压。如果将P-N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有
电流流过电路，这样P-N 结起了电源的作用，这就是太阳能电池的基本工作原理。
太阳能光伏电池的电流—电压特性曲如图 3 所示．图中： I sc—为短路电流，U oc—为开路电压， I m—最大工作电流， U m—最大工作电压， P m—最大输出
功率．曲线显示了通过光伏电池传送的电流 I 与电压 U 在特定的太阳辐照度下的关系
本系统所选用的太阳能电池的型号为Bn-10D 的多晶硅电池，其在温度为25℃，光照强度为 1000W/ 具体参数和指标如表 1 所示：
型号Bn-10D
制作材料多晶硅
标称功率10W
工作电压17.5V
工作电流0.57A
短路电流0.65A
开路电压21.5V
表 1太阳能电池参数和指标
3.蓄电池
蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力。通常以充足电后的蓄电池、放电至其端电压到终止电压时，电池所放出的总电量。
当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量(Ah) 等于放电电流 (A) 与其持续时间(h)的乘积
如果放电电流不是常数，那么蓄电池的输出容量为不同的放电电流与其持
续时间的乘积之和 :
式中 :、分别为放电持续时间；
、分别为、时间时的放电电流。
本系统所选择的蓄电池的型号为 NP100-12，其额定电压为 12V, 额定容量为100Ah。
4.LED光源
LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩写，是一种能够将电
能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震
性能好。
LED 光源的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。 LED 的光谱几
乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达 80～90%。
由于单只 LED 的功率较小，发光亮度较低，不宜单独用于照明，为此必须
将多个 LED 通过串并联的方式组装在一起设计成为实用的LED 照明系统。本文采
用 T8/10W/120cm的LED日光灯。其主要参数指标如表2所示：
T8/10W/12
型号0cm
功率10W
输入电压（ AC）90-265V
工作电压 (DC)36V
工作电流0.21A
电阻171.4
效率≥0.9
短路电流＜5mA
LED个数288 个
表 2 LED 日光灯主要参数
5.降压斩波电路的原理
降压斩波电路如图 4 所示。主电路由全控型器件 V﹑续流二极管 VD﹑储能滤
波电感器 L 组成。它是 DC-DC变换器中最常用的﹑输出电压等于或小于输入电压的
非隔离型变压电路。
图 4 降压斩波电路的原理图及波形
主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后
两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中
所示。
t=0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u 0 E ，负载电流 按指数曲线上升。
t t 1 时控制 V 关断，二极管 VD 续流，负载电压近似为零，负载电流呈指
数曲线下降，通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动小。
电流连续时，负载电压的平均值为
U
t
on
E
t
on
EE
（ ）
t
on
t
off T
1
式中， t on 为V 处于通态的时间， t off 为V 处于断态的时间， T 为开关周期，
α
为导通占空比，简称占空比或导通比。
负载电流平均值为
U 0 E m
（2）
I 0
R
电流断续时，负载电压 平均值会被抬高， 一般不希望出现电流断续的情况。
电流连续时得出
e
t 1
/
1 E E m e 1 E
I
10
1 R
R
e
m
R
e T /
1
（3）
1e t 1
/
E E m 1 e E （4）
I 20
e T /
R
R 1
e
m
1
R
式中， =L/R ， T/
,m=E m / E , t 1 t 1 T
和 I 20 分别是负
/
, I 10
T
载电流瞬时值的最小值和最大值。
用泰勒级数近似，可得
I 10I
20
m E （5）
I 0
R
平波电抗器 L 为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，
即
EI o t on RI o 2 T E m I o T （6）
则有
E
E m （ 7）
I 0
R
假设电源电流平均值为 I 1 ，则有
I 1t
on I
0I 0（ 8）T
其值小于等于负载电流I 0，由上式得
EI1EI0U0I0（9）
6.升压斩波电路的原理
升压斩波电路如图 5所示。主电路由全控型器件V﹑续流二极管 D﹑储能滤波电感器 L和滤波电容 C组成。C向负载 R供电，输
出
处于通态时，电源向电感 L充电，电流恒定
，电容
V E
电压 U0恒定。
V处于断态时，电源 E和电感 L同时向电容 C充电，并向负载提供能量。
图 5升压斩波电路
当电路工作于稳态时，一个周期 T中电感 L积蓄的能量与释放的能量相等，即EI 1t on(U 0E) I1t off（10）
化简得，
t
on t
off
E
T
（11）
U 0t
off
E t
off
式中的 T / t off1
将升压比的倒数记作β，即t
off
和导通占空比有如下关系，则
T
1（12）可表示为
11
E（13）U 0E
1
输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是 L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 可将输出电压保持住。
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R 消耗，即
EI 1U 0I1（14）输出电流的平均值 I 0为
I 0
U0 1E（15）R R
电源电流 I 1为
I 1U 0
I 0
1E（16）E2R
7.根据降压、升压电路原理图进行相关计算
1）若电容、电感很大时，计算充放电时间；
若电容电感很大时，可近似认为升降压电路输出的电流未直流，且电压恒定。
由于光伏电池的工作电压U 1 17.5V ，工作电流 I 1 0.57A ；蓄电池的额定电压U2 12V ，容量Q100Ah ，故光伏电池给蓄电池充电的电路即为降压电路。
由（ 1）式可得占空比
1U2 /U1
12
0.686(17) 17.5
由（ 8）式可得蓄电池的额定电流
I2 I1/ 10.57 / 0.6860.831A(18)
又蓄电池的容量,得蓄电池的充电时间为
t1 Q / I 2100/ 0.831 120.3h(19)
负载选用额定功率 P=10W，额定电压 U 3 36V的 LED日光灯，则蓄电池对负载的放电电路即为升压电路。
由公式 W Pt QU ，得蓄电池的放电时间为
t 2 QU / P10012 /10120h(20)
2）若电容、电感不大时，根据系统工作状态，通过分析、计算，试确定
电路中电阻、电容、电感参数。
A.降压电路参数的计算
图 6降压电路的三种工作方式
降压电路电感电流连续时的等效电路如图6（ a）、（ b）所示，并假设开关管V、二极管 D为理想元件，其开通时间、关断时间及通态压降均为零。电感、电容均为无损储能元件。在开关周期 T内，输入电压保持不变，输出电压除
了很少的脉动纹波外，基本维持恒定。V 的开
通时间为，关断时间为，占空比
， T为开关周期。
电感电流连续状态下，相关电路上的电压
和电流波形如图 7所示。
图7电感电流连续工作方式
在时刻， V加上正脉冲而导通，电感
上所加的电压为，由于为常数，且有性增长，其
变化量
，此时电感 L中的电流线
（21）当时，电感电流达到最大值，其变化量为
（ 22）当时，电感电流达到最小值，因此在截止期间，电感中的电流变化量为
（23）由式（ 8）及图 7可知
（24）
（25）电感电流连续与不连续的边界，就是电感电流出现不连续的临界点，此时，则有
此时的负载电流为电感电流临界连续的负载电流，用
（26）表示，欲使
，必然要求满足条件：
（27）式(27) 就是保证降压电路工作在电感电流连续状态下的必要条件。负载电流
小于该时，电感电流将出现不连续现象。同临界电流相应的降压电路的临界电感
为
（28）
式中为 IGBT开关的频率，选取f10KHz ，又U0U212V ,,取 I 0I 2 0.831，则电感
L
(10.686)
（29）U 0 (1 1 ) / 2I 0 f 120.0575mH
(2 0.831 10 1000)
B.升压电路参数的计算
(1)滤波电感的选择
升压电路中电感设计有两个基本要求；一是要使电路尽量工作在电流连续工
作状态下，二是要保证电感流过峰值电流时不能饱和。
电路中电感电流包括直流平均值以及纹波分量两部分，其中纹
（30）由式 (13) 可得
2
1 E /U o 1 U
2 /U31 120.667（31）
36
当忽略电路内部损耗时 , 有
（ 32）其中是输入电源流出的平均电流，等于流入电感的平均电流
（33）所以有
（34）为保证电流连续，电感中的电流应该满足
（35）根据式（32）和（35）可以得出，电流连续情况下储能电感值为
（ 36）考虑到电感的饱和问题、减小峰值电流及电压损耗问题，这里取纹波电流
值为（ 37）根据式（ 34）和（ 37）可以得
3 36 ，I o0.21A，f （ 38）
将,
U
o
U
10KHz 代入式（38）可V
得L 12236 12 / 1.410 10003620.21 0.11mH（）
39
(2)滤波电容的选择
当开关 V处于导通状态时，电容 C给负载供电，其电流为，当开关V关断时，电感 L中的感应电动势迫使二极管 D导通，一面给负载供电（电流为 ) ，另一面补
充当开关导通时电容 C上减少的电荷。
当V导通时，电容 C上的电压压降为
（ 40）
当V关断时，电容 C上的电压压降为
（ 41）当电路进入稳态后，
由式 (40) 可得
（42）为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容由下面式子决定
（43）
式中为纹波系数，取，
将, U U V ，
I o 0.21A ，
10KHz
，日光灯电
o3
36f LED
阻R=171.4 代入式 (35) 可得
C U o U i / f UR36 12 / 10 10005%36171.4 1.945uF （44）
二、结论
本文介绍了太阳能LED 照明系统的组成、升、降压电路的工作原理，对蓄
电池充放电电路的参数进行了计算。
2.1 电路原理图
（1）降压斩波电路的原理图如图 2 所示；
（2）升压斩波电路的原理图如图
2.2 计算结果
3 所示。
根据降压、升压电路原理图进行相关计算。
（1）若电容、电感很大时，蓄电池的充电时间如公式（ 19）所示；蓄电池的放电时间如公式（ 20）所示；
（2）若电容、电感不大时，充电电路的电感值大小如公式（ 29）所示；放电电路的电感值大小如公式（ 39）所示，电容值大小如公式（ 44）所示。
这次课程设计主要完成了太阳能 LED 照明系统的硬件组成及各部分的原理，
该系统可以实现并稳定运行，具有良好的市场前景，太阳能光伏发电系统已经成
为新能源开发的主流。
通过这次课程设计，我们不仅对太阳能光伏发电系统有了初步的了解，提高了自身分析和解决问题的能力。
三、参考资料
1 王兆安 . 电力电子技术（第 5 版） [M].北京:机械工业出版社,2009.
2 王健、刘廷章、杨晓等，基于太阳能驱动的LED照明系统 . 《自动化仪表》第12 期,2008
3 侯俊，太阳能LED照明系统设计与实现 . 广东：华南理工大学， 2008
4 寇臣锐，太阳能LED照明控制系统的研制 . 河北：河北工业大学， 2007
5 艾叶、刘廷章，独立式 LED太阳能光伏照明系统的设计. 上海：上海大学， 2010