引言
随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越大。同时，大量化学燃料的使用，导致能源的迅速短缺与环境污染日益突出。近年来由于人们对能源环境问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的高度重视。因此，清洁、可再生的新能源的应用已成为必然的趋势。
人类在开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭而被新的能源所取代。人类必然及早寻求新的替代能源，研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，即2050年直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13%到15%之间，而整个可再生资源在能源结构中的比例将大于50%。
太阳能将是目前大量应用的化石能源的主要替代能源之一。
以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源。它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境，走经济社会可持续发展的必经之路。
第一章概述
太阳能作为一种有巨大能量的可再生能源。每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少的污染。太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。
1.1 选题意义
1.1.1 太阳能是化石能源的主要替代能源之一
在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。随着经济的发展，人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。
随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可采量已经是屈指可数的了。
中国的能源资源总储量情况更是危机逼人。按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。
除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。
1.1.2 太阳能是人类可利用的最直接的能源之一
从环境角度来看，化石能源的大量开发利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境与生态已经成为一个全球性的重要问题。
中国的能源开发利用对于环境造成的污染同样非常重要。中国是世界上少数几个能源机构以煤炭为主的国家，也是世界上最大的煤炭消费国。2000年中国能源生产总量中，煤炭占67.2%，煤炭燃烧所产生的温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高6.1%，比燃油高36%。1999年中国排放二氧化碳居世界第二位，其中85%是燃煤排放的。2000年中国排放二氧化硫居世界第一位，其中90%是燃煤排放的。由于能源利用及其它污染源大量排放环境污染物，2000年造成中国有57%的城市环境污染
中的颗粒物超过国家限制值；有48个城市的二氧化硫浓度超过国家的排放标准；82%的城市出现过酸雨，面积已达国土面积的30%；许多城市二氧化氮有增无减。2000年二氧化硫和酸雨造成的经济损失约占中国GDP的2%。
太阳能可以直接利用，基本上没有污染物排放，清洁干净。目前各种发电方式的碳排放率[g碳/（kw.h）]：煤发电为275，油发电为204，天然气发电为181，太阳能发电为92，太阳能光伏发电为55，波浪发电为41，海洋发电为36，潮流发电为35，风力发电为20，地热发电为11，核能发电为8，水力发电为6。这些数据是以各种发电方式所用的原料和燃烧的开采和运输、发电设备的制造、电源网架的建设、电源的运行发电以及维护保养和废气物排放与处理所有循环中消费的能源，按照各种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的。
1.1.3 资源丰富的太阳能辐射
太阳传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。中国也拥有丰富的太阳能资源，目前太阳能的开发利用量还不到可开发量的1/1000。
太阳的能量是向四面八方辐射的。每秒钟投射到地球上的能量约为1.757 x17
10J，相当于5.25亿桶石油燃烧的能量，形象地比喻就是地球每天从太阳那里获得5000多
10亿度电。遗憾的是人类目前还亿吨的标准煤。按目前的发电水平每天可得到1.41x7
没有能力将巨大的能量全部转换成电能，更没有办法储存它。值得庆幸的是,现在人类已可以将少量的太阳能直接转换成电能储存起来，它就是光伏发电技术。
1.2 光伏发电现状及发展
太阳能的转换利用方式有光-热转换、光-电转换和光-化学转换等三种方式。接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活的一些方面。光-热转换是太阳能热利用的基本方式，利用光生伏打效应原理制成的光伏电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用，称为光-电转换，即光伏发电。
1.2.1 光伏发电历史
光伏发电是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式。
1839年，法国物理学家A.E贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势，把这种现象称为“光生伏打效应”。1873年英国科学家Wilough B。Smith就观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年Charles Fritts开发出以硒为基础的光伏电池，以后人们把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。半导体P-N结器
件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“光伏电池”。
初期的光伏电池能量转换效率低、成本高。科学家们一直致力于光伏电池的改进，以提高效率，降低成本。20世纪50年代初。美国贝尔实验室在为远程通信系统寻找可靠的电源时，科学家们发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1954年在贝尔实验室第一次做出了光电效率6%的实用单晶硅光伏电池，开创了光伏发电的新纪元。
从1961年到1971年，硅光伏电池技术没有取得重大进展。研究的重点放在提高抗辐射能力及成本降低方面。
从1972年到1976年，研制出了各种空间的单晶硅光伏电池，并以不同的商标出现。从20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。
从20世纪70年代中后期开始，光伏技术得到不断地完善，成本不断降低，形成不断发展的光伏技术产业，成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。
1.2.2 光伏发电技术的现状与发展
20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术产业也一直保持,以10%到15%的递增速度在发展。90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1997年世界光伏电池组件的总产量达到200MW，比1996年增长了35%。其中，美国为80.2MW，日本为48MW，欧洲为47.2MW，其他国家为19.2MW。
中国于1958年开始研究光伏电池，1971年成功地首次应用于中国发射的东方红二号卫星上。于1973年开始将光伏电池用于地面。中国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在10KW以下，价格也很昂贵。从1981-1990年期间，中国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程。到2000年，中国的光伏电池年产量已达3MW。累计用量已超过15MW。从1996年到2000年，中国光伏发电无论是在产业化还是在应用方面都取得了很大的进展。光伏发电已经在远离电网地区的电力建设中发挥了重要作用。
20世纪90年代初期，中国主要的光电市场仍然是通信领域。从1995年以来，较大型的光伏发电应用系统逐步建立。在1996年到2000年期间，中国建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40余座，装机容量约600MW，并在约20所农村学校建立于总效率约50KW的光伏发电系统。
并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。2004年在中国深圳建造了一个
1000KW的光伏发电站示范工程。
1.2.3 存在的问题
光伏发电目前主要存在四大问题：
一、光伏阵列发电效率低
光伏发电的最基本元件是光伏阵列，主要分类为：单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜光伏电池等。光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。一般来讲，晶体硅光伏电池效率为10%-15%左右，非晶体光伏电池效率为5%-8%左右。薄膜光伏电池目前的转化率仅为2%-4%左右。由于光电转化效率太低，从而使光伏发电率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对发电转化管理不利，真正太阳能的利用率只有50%-70%。
二、系统造价成本高
由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。2003年单双晶硅光伏电池组件的价格约为36-40元/W，光伏发电系统价格约为60-80元/W，相当于目前的火力和水利水电。光伏发电的成本约为后者的6-20倍，成本高是目前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。
三、发电运行受气候环境因素影响大
光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响时有时无。另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的射入量，进而减少了光电的转换。
四、制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源
硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素。主要存在形式是沙子，从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序。期间要消耗相当多的能量，这也是它们生产成本高的原因。
1.2.4 前景与展望
1996年3月，八届全国人大四次会议审议并通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展“九五”计划和2010年的远景目标纲要》。正式确立了“以电力为中心，以煤炭为基础，加强石油，天然气资源的勘探开发，积极发展新能源，改善能源结构的能源发展方针和政策，并在电力发展一节论述农村能源时强调了因地制宜地开发利用小水电、风能、太阳能、地热能和生物质能的必要性。
太阳能作为新能源系列中的排头兵，其开发利用已被众多国家列为带动其经济增长的代表。20世纪末国际能源市场出现的以新能源和可再生能源为内容的四大热点
中太阳能光伏发电就占了三项：太阳能商品住宅市场的迅速崛起是当今国际市场上的热点之一；光伏电池产量和销量的快速增长是第二个热点；光伏发电技术的研究开发和推广应用有力地推动了与其相关服务业兴起和发展。
以晶体硅材料为基础的高效光伏电池和各种薄墨光伏电池为基础的研究工作是热点课题。澳大利亚新南威尔士大学研制的高效单晶硅光伏电池效率已达24.7%，美国、日本和德国也达到了23%。薄膜光伏电池的研究工作主要集中在非晶硅薄膜光伏电池、CdTe系光伏电池、CIS系光伏电池和多晶硅薄膜光伏电池等。非晶硅薄膜光伏电池主要是通过双结和三结迭层光伏电池克服衰降和提高效率。实验室效率已超过10%，CdTe系光伏电池效率已达到15.8%，CIS系光伏电池效率已达到17%，多晶硅薄膜光伏电池的实验室效率已超过17%。
光伏发电已成为现实，并正在全球范围内迅猛发展。如果说石化能源是20世纪的能源主体，那么可以说以太阳能为主体的新能源将成为21世纪人类能源的主体，“掌握了未来的能源就掌握了人类未来的命运”。光伏发电的时代正在向我们走来！
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
太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。
独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。并网运行光伏发电系统是指与电网相连，可以给电网供电的光伏发电系统。太阳能光伏发电系统一般由蓄电池、太阳能电池方阵、控制器、逆变器、交流配电设备等组成如图2-1所示。当负载为直流时，如通讯设备、石油管道阴极保护等电源，则可以省略逆变器和交流配电设备，系统比较简单，成本也降低。如果发电系统与交流电网并联运行，则可以省略蓄电池组、控制器和逆变器合而为一，系统的成本可以大大降低，同时还可以减少由于蓄电池组造成对环境的影响。可见太阳能并网发电系统是今后的主要形式。但在我国广大的牧区和偏远无电地区，户用光伏系统和风光互补系统在很长一个时期内将是主要的供电方式。
图2-1光伏发电系统框图
2.2 太阳能电池
2.2.1 太阳能电池工作原理
太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，即当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化，而且产生电动势和电流的一种效应。硅的外层电子受到太阳光辐射时成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中的“空穴”。由于电子和空穴的扩散，在结合的P、N半导体的交界面处即PN结的两边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射PN结时，在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴，形成了光生电场。在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势，接通外电路时便有电能输出。
如图2-2所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，那么电子向N型半
导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。
图2-2太阳能电池的发电原理
2.2.2 太阳能电池的种类
太阳能电池按照材料的不同可分为如下三类：
一、硅太阳能电池
这种电池是以硅为基体材料的太阳能电池。如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。制作多晶硅太阳能电池的材料，用纯度不太高的太阳级硅即可。而太阳级硅由冶金级硅用简单的工艺就可加工制成。多晶硅材料又有带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种。用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种。
二、硫化镉太阳能电池
这种电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池。如硫化亚铜硫化镉太阳能电池、碲化镉硫化镉太阳能电池、铜铟硒硫化镉太阳能电池等。
三、砷化镓太阳能电池
这种电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池。同质结砷化镓太阳能电池、异质结砷化镓太阳能电池等。
按照太阳能电池的结构来分类，其物理意义比较明确，因而已被国家采用作为太阳能电池命名方法的依据。
2.2.3 光伏阵列特性
一、光伏阵列的I-V方程
光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的I-V特性强烈地随日照强度和较强烈地随电池温度T而变化，其等效电路如图2-3所示。由于器件瞬时响应时间与
图2-3光伏阵列单元等效电路
绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容C 在光伏能阵列的理论分析中加以忽略。规定图中电压、电流方向，得出光伏阵列的输出电流电压(I-V)方程为式2-1。
Sh
S S L R IR V AKT IR V q I I +-??????-??????--=1)(exp （2-1） L I ——光电流，A
O I ——反向饱和电流，A
q ——电子电荷(1。6*10-19J/K
) K ——玻尔兹曼常数(1。38*10-23J/K)
T ——绝对温度，K A ——二极管因子
S R ——串联电阻，Ω
Sh R ——并联电阻，Ω
二、光伏阵列I-V 特性曲线
由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响，下面来分别分析光伏阵列的I-V 特性。首先让我们来了解光伏阵列的几个重要参数。
1、短路电流(IsC):为给定日照强度和温度下的最大输出电流。
2、开路电压(V oc):为给定日照强度和温度下的最大输出电压。
3、最大功率点电流(Im):在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。
4、最大功率点电压(Vm)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压。
5、最大功率点功率(Pm)：在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率Pm=Im×Vm 。其意义如图2-4所示。
图2-4光伏阵列特性参数说明
2.3 贮能蓄电池组
蓄电池组是太阳能光伏电站的贮能装置，它的作用是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。光伏电站中与太阳能电池方阵配套的蓄电池组通常是在半浮充电状态下长期工作的，它的电能量比用电负荷所需要的电能量要大，因此，多数时间是处于浅放电状态。当冬季和连阴天由于太阳辐射能减少而出现太阳能电池方阵向蓄电池组充电不足时，可启动备用的电源给蓄电池组补充充电，以保持蓄电池组始终处于浅放电状态。
固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低，是我国光伏电站目前主要选用的贮能装置。
一、户用光伏系统蓄电池的选用
1、铅酸蓄电池的结构与工作原理
铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。极板组是单片极板组合而成的，单片极板由基极和活性物质构成。铅酸蓄电池的正、负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物质是二氧化铅，负极的活性物质是海绵状纯铅。
极板按其构造和活性物质形成方法的不同，可分为涂膏式极板和化成式极板：涂膏式极板在同容量时比化成式极板体积小、重量轻、制造简便、价格低廉，因而使用普遍。缺点是在充、放电时活性物质容易脱落，因而寿命较短。化成式极板的优点是结构坚实，在放电过程中活性物质脱落较少，因此寿命长。缺点是笨重，制造时间长，成本高。铅酸蓄电池是用两个分离的电极浸在电解质中而成。还原态物质构成的电极为负极，由氧化态物质构成的电极为正极。当外电路接通两极时，氧化还原反应就在
电极上进行，电极上的活性物质分别被氧化还原，从而释放出电能，这一过程称为放电过程。放电之后，若有反方向电流流入电池时，就可以使两极活性物质恢复到原来的化学状态。
电池中的电解质，通常是电离度大的物质，一般是酸和碱的水溶液，但也有时用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解质的。以酸性溶液(常用硫酸溶液)作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池按其工作环境，可分为固定式和移动式两大类。固定式铅酸蓄电池又可按电池结构分为半密封式和密封式两类，半密封式又有防酸式及消氢式两种型式。
铅酸蓄电池的公称电压为2V。实际上，蓄电池的端电压会随着充电和放电过程而变化。铅酸蓄电池在充电终止后，放电终止时电压为1.7—1.8V，若再继续放电，将影响蓄电池的寿命。铅酸蓄电池的使用温度范围为-40℃至40℃。铅酸蓄电池的安时效率为85％-90％，且随放电率和温度而改变。
2、碱性蓄电池的结构与工作原理
以KOH、NaOH水溶液为电解质的蓄电池为碱性蓄电池，包括铁镍、镉镍、氢镍等。碱性蓄电池能量密度高、体积小、但价格高、效率不高。以镍氢蓄电池为例，正极的活性物质为NiOOH(放电)和Ni(OH)2(充电)，负极板的活性物质为H2(放电)和H2O(充电)，电解液采用30%的KOH溶液。充电时，负极板析出的氢气储存在容器中，正极由Ni(OH)2变成NiOOH和H2O，放电时，氢气被负极消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。
镍氢蓄电池当充足电后，电压基本不变，开始过充电时，蓄电池电压出现很小的负增量。它具有较好的低温放电特性，采用小电流放电时，放出的容量可达标称容量的90%，采用大电流放电时，放出的容量可达标称容量的85%以上。铅酸蓄电池价格低廉，原材料易得且丰富，维护方便，但体积较大。碱性蓄电池，维护容易，寿命较长，结构坚固，不易损坏，但价格昂贵，制造工艺复杂。从技术和经济方面综合考虑，牧区户用贮能装置应采用铅酸蓄电池为宜。
二、光伏系统的充电
蓄电池在太阳能电池系统中的充电方式主要采用半浮充电方式。白天，当太阳能电池方阵的电势大于蓄电池的电势时，负载由太阳能电池方阵供电，多余的电能充入蓄电池，蓄电池处于浮充电状态。当太阳能电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时，全部输出功率都由蓄电池组供电，由于阻塞二极管的作用，蓄电池不会通过太阳能电池方阵放电。
2.4 太阳能充放电控制器
为了最大限度地利用蓄电池的性能和延长使用寿命，必须对它的充放电条件加以规定和控制。无论太阳能光伏发电系统是大还是小，是简单还是复杂，充、放电控制器都必不可少。—个好的充、放电控制器能够有效地防止蓄电池过充电和深度放电，并使蓄电池使用达到最佳状态。
2.4.1 充电控制
蓄电池充电控制通常是由控制电压或控制电流来完成的。一般而言，蓄电池充电方法有三种：恒流充电、恒压充电和恒功率充电，每种方法具有不同的电压和电流电特性。光伏发电系统中，—般采用充电控制器来控制充电过程，并对过充电进行保护，最常用的充电控制器有：完全匹配系统、并联调节器、串联调节器，次级方阵开关调节器，脉冲宽度调制(PWM)开关，脉冲充电电路。针对不同的光伏发电系统可以选用不同的充电控制器，主要考虑的因素是要尽可能的可靠、控制精度高及低成本。所用开关器件，可以是继电器，也可是MOS晶体管。但采用脉冲宽度调制型控制器，往往包含最大功率的跟踪功能，只能用MOS晶体管作为开关器件。此外，控制蓄电池的充电过程往往是通过控制蓄电池的端电压来实现的，因而光伏发电系统中的充电控制器又称为电压调节器。下面具体介绍几类充电控制系统。
一、匹配系统
这是一个串联二极管的系统，如图2-5所示。该二极管常用硅PN结，以阻止蓄电池在太阳低辐射期间向光伏方阵放电。
图2-5 完全匹配系统电路图
蓄电池充电电压在蓄电池接收电荷期间是增加的。光伏方阵的工作点如图2-6所示。随着电压的减少，工作点从a点移向b点。必须先选好a点和b点之间的工作电压范围，以确保光伏方阵和蓄电池特性的最佳匹配。
这种充电控制系统的问题是，光伏方阵在变化的太阳辐射条件下，其工作曲线是不确定的。采用这种系统设计，蓄电池只能在太阳高辐照度时达到满充电，而在低辐照度时将减少方阵的工作效率。
二、并联调节器
这是目前用于光伏发电系统的最普遍的充电调节电路，一般是使用一台并联调节器以使充电电流保持恒定。
调节器根据电压、电流和温度来调节蓄电池的充电。它是通过并联电阻把晶体管连到蓄电池的并联电路上实现过充电保护的。通常调节器用固定的电压门限去控制晶体管开关的接通和切断。通过并联分流的电能可用于辅助负载的供电，以充分利用光伏方阵的输出电能。
而在串联调节器中，蓄电池两端电压是恒定的，其电流随串联晶体管调节器变化，这种晶体管调节器通常是一个两阶段调节器。串联晶体管代替了所需的串联二极管。
三、次级方阵开关调节器
在次级方阵开关调节器的电路中，当蓄电池电压达到某个预先确定的数值时，光伏方阵的组件或某几行组件将被断开。次级方阵开关调节器的主要问题是开关安排的复杂性。这种调节器多用在大型光伏发电系统中。
四、脉冲宽度调制开关
脉冲宽度调制开关用于DC-DC转换的充电控制电路，它的电路如图2-7所示。出于这种调制开关的复杂性和高成本，在小型光伏发电系统中难以普遍使用。无论如何，采用脉冲宽度调制的DC-DC转换原理表现出很多吸引人的特点，特别在大型系统中更是如此。这些特点包括：
图2-7 用于DC-DC变换器的调制开关电路图
1、输给DC-DC变换器的光伏方阵电压能够随着可能使用的升高或降低的变换器而改变。这对于在那些光伏方阵和蓄电池分置间隔较大的地方特别有用。光伏方阵电压在一个中心点上能被提高或降低到蓄电池的电压值，以减少电缆中的功率损失。
2、能向蓄电池提供良好控制的充电特性。
3、能用于追踪光伏方阵的最大功率点。
这种DC-DC变换器普遍用于大型光伏发电系统，然而，它们都以90％一95％的低效率抵消了本身的许多优点。采用脉冲宽度调制DC-DC变换器的输出，可通过如图2-8所示的充电变化。
(a)电压特性(b)电流和充电特性
图2-8 脉冲宽度调制用于DC-DC变换的使用特性
电流的脉冲宽度(通常在100HZ-20KHZ范围内)将随着电压的升高而减少，直到全部平均电流减少到绝流充电量级为止。这种方法日前之所以更普遍地被采用，是因为它用固态开关器件来取代继电器，进而达到更高的开关频率范围。
五、脉冲充电
脉冲充电像脉冲宽度调制一样，现在已日益普遍地被采用了，这是由于其低成本的固态开关技术所致。脉冲充电电路如图2-9所示。蓄电池被恒流充电，使其电压达到一个较高的门限，见图2-10。然后，调节器断开，直到其电压降低到一个较低的门
限。选择这两个门限，可以确保蓄电池在达到满充电条件时，能在高电压下以较低的输入电流运行。
图2-9 脉冲充电电路
图2-10 脉冲充电调节器的充电特性
典型的滞后为每单元电池50mV，所以一个铅酸蓄电池循环大约在2.45—2.50V 之间(当其达到满充电条件时)。为了使这个系统工作得更好，这些门限值应该至少每月达到一次，而每周不应多于一次。
采用脉冲充电电路时，并入一个真实的限压器是必不可少的，因为限压器可以防止继电器的过度通断，在蓄电池电压太大超过其设计限度时，引起的这种现象会长时间存在。
2.4.2 放电保护
应该使用一种针对完全放电状态的保护方法，特别对铅酸蓄电池更应如此，为了确保满意的蓄电池使用寿命，防止单个电池反向或失效，以及确保关键负载总能处在被供电的状态，这种保护是必要的。理想情况下，确保一个蓄电池在放电条件下正确使用的关键，是精确测量蓄电池的充电状态。
在那些负载电流变化大的系统中，放电容量必须不超过C100的安时容量。如果超过，蓄电池就能完全放电，从而导致蓄电池寿命的大幅度减少、图2-11(a)示出，在放电率小于I100的情况下，全部的蓄电池放电是可能的。图2-11(b)示出，通道限定放电容量C100，常常能避免这种情况发生。
系统负载
蓄电池系统
光伏方阵
脉冲计数
串并联连接
很多小型光伏发电系统用的蓄电池，在它们C100的额定值下是完全放电的。在这种状态下，它们的电解液密度大约等于1.03kg/L，这一数值已低到足以使铅溶解，随之造成永久性损坏。所以，这种蓄电池一定不能放电到它们的C100的额定值，当蓄电池电解液密度达到1.10kg/L时，就必须停止放电。
(a)
（b）
图2-11 限定放电容量到C100
在小型光伏发电系统中的最简单、最普通的保护方法是在一个预定的电压值将负载从蓄电池上断开，并将这种情况通过发光二极管或蜂鸣器提示给用户。某些这类设备能提供小量的备用功率。这种方法的主要优点是简单和低成本。另一种方法是在调节器控制下被连接到若干负载输出上。采用这种配置，用户能连续地使用如像照明那样的主要负载，而非主要负载将被断开。当然用户必须适当确定具有优先供电权的是哪些负载。户用光伏发电系统主要由太阳能电池组件、蓄电池和负载三部分组成，其充、放电控制比较简单，市场已有成熟的定型产品出售。
第三章自动跟踪系统的总体设计方案
3.1 控制方法的确定
3.1.1 现有的控制方法
双轴光伏发电自动跟踪系统，太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，改变入射角，发电量明显下降。光伏发电自动跟踪系统演示模型如图3-1所示。
图3-1 光伏发电自动跟踪系统演示模型
基本原理与结构：由两台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器内置放大，与太阳电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，当这一输出信号达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能电池板方阵平面与光线成90度角而停止转动，完成一次调整周期。如此不断调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪。该系统不需设定基准位置，跟踪器永不迷失方向。系统设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试。系统结构如图3-2所示。
阴天或太阳被云层遮挡时，光线很弱，发电量极小，跟踪将无意义，系统会自动停止跟踪。即使天边某处透出相对较亮的光线，跟踪器也不会被误导跟踪，实现了防杂光干扰。云散日出时，自动跟踪器即时响应，找到太阳，跟踪到位。傍晚光线消失，已不能发电，传感器会发出信号，夜间停止电路启动，并转回到东方，等待第二天日出，同时高度角旋转机构转动，使太阳电池方阵旋转至最低位置，以减小风阻。此时，系统处于夜间停止跟踪状态。方位角转动机构两端终点和高度角转动机构上下终点共设4个限位开关，以防万一出轨。
图3-2 光伏发电自动跟踪系统结构框图
跟踪器所用传感器有三种：方位和仰角太阳传感器，风力传感器，日光开关。
太阳传感器是把聚光电池阵列法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号的装置，它是跟踪系统的重要部件，在很大程度上决定跟踪的精度。太阳传感器测量太阳的方位，如有偏向，通过驱动电机的运转使电池阵列对准太阳。风力传感器采用感应式器件，当风力达到一定强度（如8级风）时，控制器控制仰角驱动电机转动，使阵列向水平方向运行，直到阵列受力最小为止。在这种状况下，仰角驱动电机，不受方位太阳传感器控制。
日光开关也是采用光敏器件，使白天太阳能电池阵列受方位太阳传感器控制而运转；夜间，阵列不受方位太阳传感器控制，而仅受日光开关控制向东方向运行，即阵列返回到早晨初始位置。
3.1.2 设计方法的提出
双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的系统，它的跟踪效果好，可提高发电量，是一种非常有前途的方法，但适用于较大型的太阳能发电系统中。我国牧区无跟踪光伏系统，太阳能发电效率较低。针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善，此方法必须满足低成本，高可靠性，高性价比。单轴自动跟踪系统和固定式光伏发电系统相比跟踪效果好，结构简单且费用较低。鉴于以上谈到的太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法，我们对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进，设计出具有很好性能价格比的单轴自动跟踪系统，满足牧区的实际需要。单轴太阳能发电自动跟踪系统示意图如图3-3所示。
图3-3 单轴太阳能发电自动跟踪系统示意图
太阳能电池板与地面水平面南北方向成α角，此高度角可手动进行调整。东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪，始终追随太阳的东西方位，使太阳能电池保持较大的发电功率。后面部分有详细的设计内容，这里就不具体介绍了。
3.1.3 单轴自动跟踪系统数学模型的建立
如图3-4所示，建立坐标系一（XYZ），此时日地心连线为X轴，过地心且与地球轨道平面垂直的直线为Z轴，过地心且与X、Z轴都垂直的直线为Y轴，方向如图所示。中午时刻太阳能电池板与太阳光直射方向垂直，此时太阳能电池板与地平面的夹角为δ+φ。建立坐标系二（XˊYˊZˊ），它是坐标系一以Y轴为旋转轴旋转23.5°得到的。
图3-4 自动跟踪系统跟踪示意图
假定观测点所在地与地心距离为r，AB的长度为l。点A位于纬度φ，中午12
时，AB 平行于Z 轴，且在Z=0的平面。在坐标系一下A 点和B 点的坐标分别为
)sin(,0),cos(111δφδφ+==+=r Z Y r X A A A
1)sin(,0),cos(111++==+=δφδφr Z Y r X B B B
在坐标系二下A 点的坐标和B 点的坐标分别为
φφsin ,0,cos 222r Z Y r X A A A ===
5.23cos sin ,0,5.23sin cos 222l r Z Y l r X B B B +==+=φφ
地球绕自转轴旋转的角速度为12/πω=，设旋转时间为t 小时，此时在坐标系二下A 点旋转ωt 角度变为a 点，B 点旋转ωt 角度变为b 点，此时a 点的坐标和b 点的坐标分别为：
t r X a ωφcos cos 1=
t r Y a ωφsin cos 1=
φsin 1r Z a =
t l r X b ωφcos )5.23sin cos (1 +=
t l r Y b ωφsin )5.23sin cos (1 +=
φφcos sin 1l r Z b +=
在坐标一下a 点和b 点的坐标分别为
5.23cos )5.23sin cos cos (2tg r t r X a φωφ-=
t r Y a ωφsin cos 2=
5.23sin )5.23sin cos cos (5
.23cos sin 2tg r t r r Z a φωφφ-+= 5.23cos )5.235.23cos sin (5.23cos cos )5.23sin cos (2tg l r t l r X b ?+-+=φωφ
t l r Y b ωφsin )5.23sin cos (2 +=
5.23sin 5.23)5.23cos sin (5.23sin cos )5.23sin cos (5
.23cos 5.23cos sin 2tg l r t l r l r Z b +-+++=φωφφ 此时直线ab 在XOZ 平面投影的直线的斜率为
)
1(cos 5.23cos 5.23sin )1(cos 5.23sin 12--+=t t k ωω (3-1) 3.1.4 单轴自动跟踪系统与双轴自动跟踪系统的发电效率比较
以下为单轴自动跟踪系统与双轴自动跟踪系统的发电效率理论比较过程。
根据3-1式可得太阳能电池平面与地球轨道平面夹角与时间的关系如表3-1所
太阳能光伏发电系统课程设计家庭并网光伏发电系统的优 化设计 《太阳能光伏发电系统》 课程设计 课题名称: 家庭并网光伏发电系统的优化设计专业班级: 学生姓名: 学生学号: 指导教师: 设计时间: 沈阳工程学院 报告正文 目录 第1章绪 论 ..................................................................... . (3) 1.1 设计背 景 ..................................................................... .. (3) 1.2 设计意 义 ..................................................................... ......................................... 3 第2章朝阳市气象资料及地理情况...................................................................... ............... 4 第3章家用并网型...................................................................... .. (6)
太阳能光伏发电系统的优化设 计 ..................................................................... .. (6) 3.1 设计方 案 ..................................................................... .. (6) 3.2负载的计算...................................................................... . (8) 3.3 太阳能电池板容量及串并联的设计及选 型 (9) 3.4 太阳能电池板的方位角与倾斜角的设 计 (10) 3.5 蓄电池容量及串并联的设计及选型..................................................................... 11 3.6 控制器、逆变器的选 型 ..................................................................... (12) 3.7 电气配置及其设 计 ..................................................................... (13) 3.8 系统配置清 单 .....................................................................
太阳能自动跟踪系统的设计 1引言 开发新能源和可再生资源是全世界面临的共同课题，在新能源中，太阳能发电已成为全球发展最快的技术。太阳能作为一种清洁无污染的能源，开发前景十分广阔。然而由于太阳存在着间隙性，光照强度随着时间不断变化等问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求(见图1)。目前很多太阳能电池板阵列基本都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。据测试，在太阳能电池板阵列中，相同条件下采用自动跟踪系统发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。 所谓太阳能跟踪系统是能让太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前市场上所使用的跟踪系统按照驱动装置分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。所谓单轴是指仅可以水平方向跟踪太阳，在高度上根据地理和季节的变化人为的进行调节固定，这样不仅增加了工作量，而且跟踪精度也不够高。双轴跟踪可以在水平方位和高度两个方向跟踪太阳轨迹，显然双轴跟踪优于单轴跟踪。 图1 太阳能的收集装置现场 从控制手段上系统可分为传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序跟踪)。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光线是否偏离电池板法线，当太阳光线偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，经放大运算后控制执行机构，使跟踪装置从新对准太阳。这种跟踪装置，灵敏度高，但是遇到长时间乌云遮日则会影响运行。视日运动轨迹跟踪，是根据太阳的实际运行轨迹，按照预定的程序调整跟踪装置。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，其精度不是很高，但是符合运行情况，应用较广泛。 从主控单元类型上可以分为PLC控制和单片机控制。单片机控制程序在出厂时由专业人员编写开发，一般设备厂家不易再次进行开发和参数设定。而学习使用PLC比较容易，通过PLC厂家技术人员的培训，设备使用厂家的技术人员可以很方便的学会简单的调试和编写，并且PLC能够提供多种通讯接口，通讯组网也比较方便简单。
光伏发电工程 项 目 方 案 设 计 书
目录 一、概述 (4) 1.1项目概况 (4) 1.2编制依据 (4) 二、建设地址资源简述 (4) 2.1日照资源 (4) 2.2接入系统条件 (5) 三、总体方案设计 (6) 3.1光伏工艺部分 (6) 3.2太阳电池组件选型 (6) 3.3光伏阵列设计 (11) 3.4系统效率分析 (14) 四、电气部分 (15) 4.1概述 (15) 4.2系统方案设计选型 (15) 4.3电气主接线 (18) 4.4主要设备选型 (18) 4.5防雷及接地 (27) 4.6电气设备布置 (27) 4.7电缆敷设及电缆防火 (28) 五、工程案例........................................................................................... 错误!未定义书签。 六、系统配置以及报价 .......................................................................... 错误!未定义书签。
一、概述 1.1 项目概况 1)建设规模：光伏系统用来供给小区道路亮化用电及楼宇亮化用电。该系统设计使用最大负荷50KVA，为保证系统在连续阴雨天或其它太阳辐射不足情况下正常使用，系统接入市电作为辅助能源，提高系统的稳定性能。为减少系统因直流端电流过大造成的线路损耗，系统采用220V直流接入逆变输出三相380V/220V交流。针对固定式安装电池板，采用最佳倾角进行安装，石家庄地区最佳角度为46度（朝向正南），控制柜、逆变器及蓄电池储能系统均须安放于在室内。 1.2 编制依据 本初步设计说明书主要根据下列文件和资料进行编制的： 1)GB50054《低压配电设计规范》； 2)GB50057《建筑物防雷设计规范》； 3)GB31／T316—2004《城市环境照明规范》； 4)GBJl33—90《民用建筑照明设计标准》； 5)JGG／T16—921《民用建筑电气设计规范》； 6)GBJ１6—87《建筑设计防火规范》； 7)《中华人民共和国可再生能源法》； 8)国家发展改革委《可再生能源发电有关管理规定》； 二、建设地址资源简述 2.1日照资源 我国属世界上太阳能资源丰富的国家之一，全年辐射总量在917～2333kWh/㎡年之间。全国总面积2/3 以上地区年日照时数大于2000 小时。 我国的太阳能资源按日照时间和太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区： 一类地区: 全年日照时数达到3200～3300小时的地区，主要包括青藏高原、甘肃省北部、宁夏北部和新疆南部等地。 二类地区: 全年日照时数达到3000～3200小时的地区，主要包括河北省西北部、
光伏并网发电系统设计 摘要：最大功率点跟踪是光伏并网发电系统中经常遇见的问题。系统设计采用电流型控制芯片UC3845实现最大功率点跟踪（MPPT），由单片机STC12C5408AD产生SPWM信号，实现频率相位跟踪功能、输入欠压保护功能、输出过流保护功能。结果表明，该设计不但电路设计简单，软硬件结合，控制方法灵活，而且能够有效的完成最大功率跟踪的目的。 关键词：STC12C5408AD DC-AC转换电路 MPPT 太阳能作为绿色能源,具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。光伏电池的输出是一个随光照、温度等因素变化的复杂量，且输出电压和输出电流存在非线性关系。光伏系统的主要缺点是初期投资大、太阳能电池的光电转换效率低。为充分利用太阳能必须控制电池阵列始终工作在最大功率点上，最大功率点跟踪(MPPT, Maximum Power Point Tracker)是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术。 1 设计任务 为研究方便设计一光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源U S和电阻R S模拟光伏电池，U S=60V，R S=30Ω~36Ω；u REF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率f REF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将u F作为输出电流的反馈信号；负载电阻R L=30Ω~36Ω。要求系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，频率、相位跟踪功能，输入欠压保护和输出过流保护功能。另外要求系统效率高、失真度低。 U R L
图1 并网发电模拟装置框图 2 系统总体方案 光伏并网系统主要由前级的DC-DC变换器和后级的DC-AC逆变器组成。在系统中,DC-DC 变换器采用BOOST结构,主要完成系统的MPPT控制;DC-AC部分采用全桥逆变器,维持中间电压稳定并且将电能转换成110 V/50 Hz交流电。设计采用单片机SPWM调制，驱动功率场效应管，经滤波产生正弦波，驱动隔离变压器，向负载输出功率。系统设计保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同频同相。系统总体硬件框图如图2所示： 图2 系统总体硬件框图 3 MPPT原理及电路设计 MPPT原理 由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。其搜索算法可分为自寻优和非自寻优两种类别。所谓自寻优算法即不直接检测外界环境因素的变化,而是通过直接测量得到的电信号,判断最大功率点的位置。典型的追踪方法有扰动观测法和增量导纳法等。增量导纳法算法的精确度最高,但是,由于增量导纳法算法复杂,对实现该算法的硬件质量要求较高、运算时间变长，会增加不必要的功率损耗,所以实际工程应用中,通常采用扰动观测法算法]1[。 扰动观测法原理:每隔一定的时间增加或者减少电压,并通过观测其后功率变化的方向,
太阳能光伏发电逐日自动控制系统的设计 【摘要】：随着石油、煤炭和天然气等化石能源的不断减少,可再生能源的重要性不断增加,其开发利用备受人们关注。研究和实践表明,太阳直接辐射到地球的能量丰富,分布广泛,可以再生,不污染环境,是理想的替代能源,世界各国都在积极开发利用太阳能,太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而太阳能不易收集、能量密度低、随着季节、天气和昼夜等变化而变化,使太阳能发电效率低下成为制约太阳能利用的一个重要因素,因此高效率的利用太阳能是太阳能发电的关键问题。目前,太阳能电池板阵列大多是固定安装的,不能时刻保证太阳光到电池板阵列的垂直照射,发电效率低。本文采用地平坐标系下的太阳跟踪系统,运用太阳运动轨迹跟踪和光强传感器相结合的方法。由光强传感器的检测结果来判断天气的状况,从而控制跟踪的启停,选用天文公式计算太阳的运行轨迹确定太阳的方位,通过单片机MSP430f149输出控制信号,控制云台带动太阳能电池板运动,实现太阳光到电池板的垂直入射,从而提高太阳光照辐射量,达到提高光伏系统发电效率,节约能源的目的,并将跟踪时间划分了几个不同的时间区间,每个区间内的跟踪间歇时间间隔不同,使系统获得了更多的太阳辐射能量,并提高跟踪精度。调试结果证明,该系统易于实现,运行平稳,可应用在大型光伏电站项目中。【关键词】：光伏发电自动跟踪太阳运动轨迹光强检测 【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2013 【分类号】：TM615;TK513.4 【目录】：中文摘要8-9ABSTRACT9-11第一章绪论11-171.1课题研究的背景111.2课题研究的意义11-121.3国内外太阳能开发利用现状12-141.3.1国内太阳能开发利用现状12-131.3.2国外太阳能开发利用现状13-141.4太阳跟踪系统的国内外研究现状14-151.4.1太阳跟踪系统的国内研究现状14-151.4.2太阳跟踪系统的国外研究现状151.5课题研究的主要内容15-161.6本章小结16-17第二章跟踪控制系统研究及方案设计17-252.1跟踪方法原理简介172.2跟踪系统简介17-182.3太阳跟踪方案的选择18-242.3.1太阳运动轨迹模型18-192.3.2太阳运动轨迹计算19-232.3.3日照时间23-242.4本章小结24-25第三章系统的硬件设计25-413.1系统组成253.2设备选型25-333.2.1微控制器选型25-273.2.2光敏元件选型27-293.2.3太阳能电池板29-303.2.4蓄电池303.2.5充电控制器30-313.2.6执行机构31-323.2.7设备连接32-333.3跟踪控制器电路设计33-403.3.1晶振电路333.3.2复位电路33-343.3.3电源电路343.3.4485通信接口设计34-363.3.5外部时钟电路36-393.3.6光强检测电路39-403.4本章小结40-41第四章软件设计41-454.1自动跟踪主程序设计41-424.2间隔模式程序设计42-434.3IAR软件使用说明43-444.4本章小结44-45第五章结论和展
独立光伏发电系统设计 目录 1引言 (1) 2 独立光伏发电系统工作原理 (1) 3 独立光伏发电系统的设计 (2) 3.1 系统容量的设计 (2) 3.2 太阳能电池组件及方阵的设计 (3) 3.2.1 光伏组件方阵设计需要考虑的问题 (3) 3.2.2 太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角 (4) 3.2.3 一般设计方法 (4) 3.3 直流接线箱的选型 (5) 3.4 光伏控制器的选型 (7) 3.6 光伏逆变器的选型 (8) 结论 (9)
独立光伏发电系统设计 摘要 太阳能光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术，发展太阳能光伏发电系统也具有很高的可行性，首先能缓解我国目前的能源问题以及日益严重的环境问题，还能解决边远地区居民用电难，成本高的问题。本论文将从小型独立系统的发电原理，系统设计原理，及其本身具有的优势结合其受众群体的所需考虑的各方面因素来设计适合家庭使用的小型系统。通过理论与实际市场调查相结合的方法设计适合全国各地人民使用的优惠且实用的系统。 关键词：小型；独立光伏发电；系统；优惠实用 1引言 当下，许多国家已把发展可再生能源作为未来实现可持续发展的重要方式，而中国也将以太阳能为代表的可再生能源作为未来低碳经济的重要组成部分。近年来，国家财政对太阳能产业的补贴力度逐年增强。独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。 2 独立光伏发电系统工作原理 通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统。其主要结构由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电池（组）、光伏控制器、逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。 太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。直流或交流负载通过开关与控制器连接。控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载，当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。在交流光伏发电系统中，DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。
太阳能光伏发电自动跟踪系统项 目 可行性研究报告 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 编制时间：https://www.doczj.com/doc/d713128333.html, 高级工程师：高建
关于编制太阳能光伏发电自动跟踪系统项 目可行性研究报告编制说明 （模版型） 【立项 批地 融资 招商】 核心提示： 1、本报告为模板形式，客户下载后，可根据报告内容说明，自行修改，补充上自己项目的数据内容，即可完成属于自己，高水准的一份可研报告，从此写报告不在求人。 2、客户可联系我公司，协助编写完成可研报告，可行性研究报告大纲（具体可跟据客户要求进行调整） 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司 专 业 撰写节能评估报告资金申请报告项目建议书 商业计划书可行性研究报告
目录 第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目主管部门 (1) 1.1.6项目投资规模 (2) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (3) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目建设单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (5) 1.6主要经济技术指标 (5) 1.7综合评价 (6) 第二章项目背景及必要性可行性分析 (8) 2.1项目提出背景 (8) 2.2本次建设项目发起缘由 (8) 2.3项目建设必要性分析 (8) 2.3.1促进我国太阳能光伏发电自动跟踪系统产业快速发展的需要 (9) 2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (9) 2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (9) 2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (9) 2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (10) 2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (10) 2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (11) 2.4项目可行性分析 (11) 2.4.1政策可行性 (11) 2.4.2市场可行性 (11) 2.4.3技术可行性 (12) 2.4.4管理可行性 (12) 2.4.5财务可行性 (13) 2.5太阳能光伏发电自动跟踪系统项目发展概况 (13)
】 南昌航空大学 自学考试毕业论文 【 题目太阳能并网光伏发电系统 专业光伏材料及应用 学生姓名 准考证号 指导教师 . 2012 年 04 月
光伏发电并网控制技术设计 摘要 随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。能源问题已经成为关系到人类生存和发展的首要问题。所以，迫切需要对新的能源进行开发和研究。而太阳能的利用近年来已经逐渐成为新能源领域中开发利用水平高，应用较广泛的能源，尤其在远离电网的偏远地区应用更为广泛。 本文主要对光伏并网发电系统作了分析和研究。论文首先介绍了太阳能发电的意义以及光伏并网发电在国内外的应用现状。其次，对太阳能发电系统的特性和基本原理分别做了具体分析，并对系统各组成部分的功能进行了详细的介绍。接着，对光伏并网中最重要部分——逆变器进行研究。再次，提出光伏并网发电系统的设计方案。最后，对光伏并网发电系统的硬件进行设计。并网光伏发电充分发挥了新能源的优势，可以缓解能源紧张问题，是太阳能规模化发展的必然方向。我国政府高度重视光伏并网发电，并逐步推广＂屋顶计划＂。太阳能并网发电正在由补充能源向替代能源方向迈进。 关键词：能源；太阳能；光伏并网；逆变器
目录 第一章太阳能光伏产业绪论 (1) 光伏发电的意义 (1) 光伏并网发电 (1) 第二章太阳能光伏发电系统 (5) 太阳能光伏发电简介 (5) 太阳能光伏发电系统的类别 (5) 太阳能光伏发电系统的发电方式 (6) 影响太阳能光伏发电的主要因素 (7) 第三章并网太阳能光伏发电系统组成 (10) 并网光伏系统的组成和原理 (10) 光伏电池的分类及主要参数 (12) 光伏控制器性能及技术参数 (14) 光伏逆变器性能及技术参数 (15) 第四章发展与展望 (18) 发展与展望 (18) 全文总结 (19) 参考文献 (20) 致谢 (21)
编号 淮安信息职业技术学院 毕业论文 题目光伏发电系统控制系统设计 学生姓名*** 学号**** 系部电气工程系 专业机电一体化 班级***** 指导教师【***】【讲师】 顾问教师 二〇一二年十月 摘要 进入二十一世纪，人类面临着实现经济和社会可持续大战的重大挑战，而能源问题日益严重，一方面是常规能源的缺乏，另一方面石油等能源的开发带来一系列的问题，如环境污染，温室效应等。人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。太阳能是一种有前途的新型能源，具有永久性、清洁型和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，
只要有太阳在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染问题；光伏发电系统可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，而且还缓解了目前能源危机与环境危机，只是其它电源无法比拟。 关键词：太阳能供电系统蓄电池逆变
目录 编号 ..................................................................................................................... 错误!未指定书签。摘要 ................................................................................................................. 错误!未指定书签。目录 ............................................................................................................. 错误!未指定书签。第一章绪论 ................................................................................................... 错误!未指定书签。光伏发电控制系统简介 ........................... 错误!未指定书签。问题的提出 ..................................... 错误!未指定书签。本课题设计的主要目的和意义 ..................... 错误!未指定书签。本课题设计的主要内容 ........................... 错误!未指定书签。第二章可编程控制器（）基础知识 ............................................................. 错误!未指定书签。可编程控制器（） ............................... 错误!未指定书签。 的定义......................................... 错误!未指定书签。 的特点......................................... 错误!未指定书签。 的简介及模块................................... 错误!未指定书签。第三章系统硬件设计 ..................................................................................... 错误!未指定书签。 光伏供电装置................................... 错误!未指定书签。光伏供电系统 ................................... 错误!未指定书签。 基于的硬件电路设计............................. 错误!未指定书签。 基于的硬件电路设计............................. 错误!未指定书签。第四章系统软件设计 ..................................................................................... 错误!未指定书签。 主程序设计..................................... 错误!未指定书签。 子程序设计..................................... 错误!未指定书签。 监控界面的设计................................. 错误!未指定书签。第五章系统调试 ............................................................................................... 错误!未指定书签。 调试主要内容................................... 错误!未指定书签。调试结果 ....................................... 错误!未指定书签。第六章总结与展望 ........................................................................................... 错误!未指定书签。 总结........................................... 错误!未指定书签。 展望........................................... 错误!未指定书签。
自动跟踪太阳能光伏发电系统方案 方案需求 ?光伏发电管理急需精细化，降本增效。 ?传统光伏支架未能最大化利用太阳能，无法跟踪光照。 ?光伏板依靠本地维护人员巡检管理，人工成本高，且存在漏检现象。 方案介绍 宇飞太阳能自主研发的自动跟踪太阳能光伏发电系统，是一种能随着太阳角度变化，按照一定的算法，控制太阳能板转动，增加有效受光面积，从而增加电厂发电量带来更高收益的自动化控制系统，可以理解为“向日葵”。 自动跟踪太阳能光伏发电系统其实是一套负反馈控制系统，工控机采集角度传感器信息后，根据当前角度与目标角度的差异，下发控制指令驱动电机带动推拉杆运动使太阳能板旋转，直至采集回来的当前角度与目标角度吻合。 系统组成 自动跟踪太阳能光伏发电系统由：太阳能跟踪支架，太阳能组件，带监控模块的MPPT控制器，蓄电池，逆变器及连接线缆组成。 太阳能跟踪支架规格参数
1、立柱直径：φ220mm 2、立柱高度：650mm 3、安装容量：最大6块450W 4、光伏板倾角：25度角度固定 5、抗风能力：14级，带细钢丝绳斜拉结构； 6、材料：不锈钢材料 7、旋转精度：1度 8、旋转速率：12分钟旋转半圈 9、旋转角度：220度， 10、提高发电量：天气晴好情况下，冬季提高发电量15%；春秋季提高30%；夏季提高45%；综合全年提高25-35%（不同地区发电量提高有区别） 11、控制器电源：12V由光伏板输出供电（或者提供集中12V 直流供电） 12、控制方式：将光伏板固定好，并将追日控制器接好电源线后，天气晴朗条件下旋转立柱自动带着光伏板跟踪太阳；在天阴时，自动转入时控控制状态，每隔5分钟自动旋转1度； 13、而且每个旋转立柱内部都有同步控制系统，确保每台旋转立柱每次旋转的角度完全一致，光伏板以最强光强功率发电。晚上天黑，自动回东。 14、由多个旋转立柱组成的各种规模的光伏电站，由于旋转立柱的东限位位置全部一致，旋转立柱内置机械同步装置，可以确
1概述 1.1设计依据 1.1.2设计范围 本工程光伏并网发电系统，一期工程规模10MW，本工程设计范围为（1）新建110KV升压站一座 （2）相关电器计算分析，提出有关电器设备参数要求 （3）相关系统继电保护、通信及调度自动化设计 2.电力系统概述 3..1.电气主接线 本期工程建设容量为20MWp，本期光伏电站接入110KV系统，光伏电站设110KV、35KV集电线路回，经一台升压变电站接入电站内110KV变电站，SVG容量为10Mvar 3.1.3.1 110KV升压站主接线设计 本期110KV升压站设计采用1台20MWa/110KV升压变压器，1回110KV出线。 3.1.3.2 光伏方阵接线设计 1概述；1.1设计依据；1.1.11遵循的主要设计规范、规程、规定等：；1)《变电所总布置设计技术规程》（DL/T205；2)《35kV-110kV无人值班变电
所设计规程；3)《3kV～110kV高压配电装置设计规范》(；4)《35-110KV 变电站设计规范》(GB20；5)《继电保护和安全自动装置技术规范》（GB14； 6)《电力装置的继电保护和自动装置设计 1 概述 1.1设计依据 1.1.11遵循的主要设计规范、规程、规定等： 1)《变电所总布置设计技术规程》（DL/T2056-1996）； 2)《35kV-110kV无人值班变电所设计规程》（DL/T5103-1999）； 3)《3kV～110kV高压配电装置设计规范》(GB20060-92)； 4)《35-110KV变电站设计规范》(GB20059-92)； 5)《继电保护和安全自动装置技术规范》（GB14285-93）； 6)《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB20062-92）； 7)《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》； 8)《微机线路保护装置通用技术规程》(GB/T15145-94)； 9)《电测量仪表装置设计规程》(DJ9-87)； 10) 其它相关的国家规程、规范及法律法规。
光伏并网发电系统设 计
光伏并网发电系统设计 摘要：最大功率点跟踪是光伏并网发电系统中经常遇见的问题。系统设计采用电流型控制芯片UC3845实现最大功率点跟踪（MPPT），由单片机STC12C5408AD产生SPWM信号，实现频率相位跟踪功能、输入欠压保护功能、输出过流保护功能。结果表明，该设计不但电路设计简单，软硬件结合，控制方法灵活，而且能够有效的完成最大功率跟踪的目的。 关键词：STC12C5408AD DC-AC转换电路 MPPT 太阳能作为绿色能源,具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。光伏电池的输出是一个随光照、温度等因素变化的复杂量，且输出电压和输出电流存在非线性关系。光伏系统的主要缺点是初期投资大、太阳能电池的光电转换效率低。为充分利用太阳能必须控制电池阵列始终工作在最大功率点上，最大功率点跟踪(MPPT, Maximum Power Point Tracker)是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术。 1 设计任务 为研究方便设计一光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源U S和电阻R S模拟光伏电池，U S=60V，R S=30Ω~36Ω；u REF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率f REF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将u F作为输出电流的反馈信号；负载电阻R L=30Ω~36Ω。要求系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，频率、相位跟踪功能，输入欠压保护和输出过流保护功能。另外要求系统效率高、失真度低。
R L U 图1 并网发电模拟装置框图 2 系统总体方案 光伏并网系统主要由前级的DC-DC 变换器和后级的DC-AC 逆变器组成。在系统中,DC-DC 变换器采用BOOST 结构,主要完成系统的MPPT 控制;DC-AC 部分采用全桥逆变器,维持中间电压稳定并且将电能转换成110 V/50 Hz 交流电。设计采用单片机SPWM 调制，驱动功率场效应管，经滤波产生正弦波，驱动隔离变压器，向负载输出功率。系统设计保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同频同相。系统总体硬件框图如图2所示： 图2 系统总体硬件框图 3 MPPT 原理及电路设计 3.1 MPPT 原理
某学校 512K分布式光伏发电系统设计方案2013年10月10日 项目编号：XXX
目录 1工程概述 (3) 1.1工程名称 (3) 1.2 地理简介 (3) 1.3 气象资料 (3) 2太阳能并网发电系统介绍 (4) 2.1 太阳能并网发电系统工作原理 (4) 2.2 主要组成设备介绍 (4) 3方案设计 (5) 3.1 设计依据 (5) 3.2 设计原则 (5) 3.3 系统选型设计 (6) 3.4 主要设备的选型说明 (6) 3.4.1电池组件 (6)
3.4.2 组件结构图 (7) 3.4.3 并网逆变器 (8) 3.4.4 并网逆变器规格 (9) 4发电量估算 (10) 5系统的社会效益 (10) 5.1社会效益(25年) (10) 6设备材料清单及造价一览表（此报价含税不含物流费用） (11) 7工程业绩表及典型工程 (11) 8合利欧斯优势 (16) 8.1 与保利协鑫（GCL）的合作 (16) 8.2 与河北**的的合作 (17) 1工程概述 1.1工程名称 河南**外国语学校512kW户用分布式光伏发电项目。
1.2 地理简介 郑州位于东经112°42'-114°13' ，北纬34°16'-34°58'，东西宽166公里，南北长75公里，总面积约为7446.2平方公里，其中市区面积约1010．3平方公里，山地面积约2377平方公里，水面面积约11.4平方公里。郑州市属北温带大陆性季风气候，冷暖适中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雨。郑州市冬季最长，夏季次之，春季较短。统计资料表明郑州市的平原和丘陵地区春季开始的时间大致在3月27日，终止于5月20日，历时55天；夏季开始于5月21日，终止于9月7日，历时110天；秋季开始于9月8日，终止于11月9日，历时63天；11月10日至次年的3月26日为冬季，长达137天。处于西部浅山丘陵区的荥阳、巩义、新密和登封四市，年平均气温在14～14.3℃之间。郑州年平均降雨量640.9毫米，无霜期220天，全年日照时间约2400小时。 1.3 气象资料 气象资料以NASA数据库中郑州气象数据为参考。 表1 气象资料表
10MW光伏电站设计方案 10兆瓦的太阳能并网发电系统，推荐采用分块发电、集中并网方案，将系统分成10个1兆瓦的光伏并网发电单元，分别经过0.4KV/35KV变压配电装置并入电网，最终实现将整个光伏并网系统接入35KV中压交流电网进行并网发电的方案。 本系统按照10个1兆瓦的光伏并网发电单元进行设计，并且每个1兆瓦发电单元采用4台250KW并网逆变器的方案。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成多个太阳能电池阵列，太阳能电池阵列输入光伏方阵防雷汇流箱后接入直流配电柜，然后经光伏并网逆变器和交流防雷配电柜并入0.4KV/35KV变压配电装置。 (一)太阳能电池阵列设计 1、太阳能光伏组件选型 (1)单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较 单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高，商业化电池的转换效率在15%左右，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是成本较高，每瓦售价约36-40元。 多晶硅太阳能光伏组件生产效率高，转换效率略低于单晶硅，商业化电池的转换效率在13%-15%，在寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低，每瓦售价约34-36元。 两种组件使用寿命均能达到25年，其功率衰减均小于15%。 (2)根据性价比本方案推荐采用165WP太阳能光伏组件。 2、并网光伏系统效率计算 并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。 (1)光伏阵列效率η1：光伏阵列在1000W/㎡太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与
标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。 (2)逆变器转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取逆变器效率95%计算。 (3)交流并网效率η3：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取变压器效率95%计算。 (4)系统总效率为：η总=η1×η2×η3=85%×95%×95%=77% 3、倾斜面光伏阵列表面的太阳能辐射量计算 从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。 对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为： Rβ=S×[sin(α+β)/sinα]+D 式中： Rβ--倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量 S--水平面上太阳直接辐射量 D--散射辐射量 α--中午时分的太阳高度角 β--光伏阵列倾角 根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式计算不同倾斜面的太阳辐射量，具体数据见下表：
一、国内外研究现状 随着传统能源的FI益枯竭，新能源发电逐渐得到世界各国的广泛重视，其中太阳能光伏发电凭借其多方面的优点得到越來越多的推广。为了充分利用太阳能，最大效率的将电池板上的太阳能转化为电能，减少充放电次数，使蓄电池优化运行，提高逆变器运行的可靠性、稳定性和安全性，必须对最大功率点跟踪、蓄电池控制、逆变器设计的控制策略展开深入的研究。 1、最大功率跟踪点算法研究现状 光伏电池是太阳能光伏发电系统最基本的环节，且价格比较昂贵，它的能量转换效率影响着系统的整体效率和成本，因此必须使其最大限度地输出功率。然而，光伏电池的输出特性具有强烈的非线性，输出功率很容易随着外界环境温度、光照强度、负载状态的变化而变化。在一定的电池温度和光照强度下光伏电池能够工作在不同的输出电压，拥有不同的输出功率，只有在某一电压值下，输岀功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。也就是说，在一定光照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点。为了始终能工作在最大功率点，以达到输出功率最大，能量利用率最高的目的，因此必须对光伏电池进行最大功率跟踪点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称 MPPT)o 当前提出的MPPT方法很多，主要有恒电压法、扰动观察法、 增量电导法、间歇扫描法、智能控制法等，每种方法都有各自的优缺点。下文将针对比较常见的、应用最为广泛的恒电压法、扰动观
察法、电导增量法进行简要介绍对比。 (R恒电压法 忽略电池温度影响时，在不同的光照强度下，光伏电池输岀曲线的最大功率点近似分布在一条垂直线的附近。只要保持光伏电池输出电压为常数，且等于某一光照强度下光伏电池最大功率点的电压，就能基本保证在该温度下光伏电池工作在最大功率点, 从而实现MPPTo 由此可知，恒电压法实质上是把MPPT控制简化为恒电压控制，构成了恒定电压的MPPT控制。 恒定电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比较适合于低成本的应用场合或教学实验中，能够简化控制部分的设计。可是，这种方法忽略了电池温度对光伏电池最大功率点的的影响，当温度变化时，如果仍采用此法，光伏电池的输岀功率将会偏离最大功率点，造成能量的浪费，特别是对于早昼夜和四季温差大的地区，控制精度就更差，系统损失功率就更多。因此恒定电压法并不能完全实现真正意义上的最大功率跟踪。为了克服使用场所冬夏早晚、阴晴雨雾等环境变化对系统造成的影响，在恒定电压控制的基础上能够引进温度反馈來修正工作点电压，提高系统的整体效率。 (b)扰动观察法 扰动观察法(Perturb & Observe Algorithms)又称爬山法，主要根据光伏电池的P-U特性，经过扰动端电压來寻找最大功率点。而且不论外界环境如何变化，它都能够真正实现MPPT控制，因此是当前MPPT应用最广泛的方法之一。其工作原理是在光伏电池正常工作时，
1. 引言 日常生活和社会生产都离不开能源。人们通过直接或间接利用某些自然资源得到能，因而，把具有某种形式能量资源以及由它加工或转换得到的产品统称为能源。前者叫自然能源或一次能源，如矿物燃料、植物燃料、太阳能、水能、风能、海洋能、地热能和潮汐能等，后者通常又把可再生的自然资源称为新能源，其围包括太阳能、生物质能、风能、地热能和海洋能等。矿物燃料（煤、石油、天然气等）又称为常规能源。 值得注意，几乎所有的自然资源，从广义的角度看都来自太阳能。由大气、陆地、海洋、生物等所接受的太阳能都是各种自然资源的源泉。矿物燃料是古生物长期沉积在地下形成的，它的形成源自远古的太阳能。[9]水的蒸发和凝结，风、雨、冰、雪等自然现象的动力也是靠太阳，因而水能、风能归根到底都来自太阳能。生物质能是通过光合、光化作用转化太阳辐射能取得的。由于太阳和月球对地球水的吸水作用产生潮汐能。 世界上最丰富的永久能源是太阳能。地球截取的太阳能辐射能通量为1.7ⅹ1014kW,比核能、地热和引力能储量总和还要大5000多倍。其中约30%被反射回宇宙空间；47%转变为热，以长波辐射形式再次返回空间；约23%是水蒸发、凝结的动力，风和波浪的动能，植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。地球每年接受的太阳能总量为1ⅹ1018kW·h。这相当于5ⅹ1014桶原油，是探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。 太阳的能量是如此巨大，正如通常所说的“取之不尽、用之不竭”，但是太阳辐射能的通量密度较低，大气层外为1353W/m2.太通过大气层时会进一步衰减，还会受到天气、昼夜以及空气污染等因素的影响，因而，太阳能对地球又呈现间歇性质，时高时低，时有时无。太阳能须加有储热装置，这些都使太阳能利用系统的初期投资变得昂贵。综上所述，太阳能利用具有以下明显的特点：（1）总能量很大，但太阳能通量密度较低； （2）是可再生的能源，但又具有间歇性； （3）无污染的清洁能源； （4）太阳能本身是免费的，有效利用它的初期投资较高； （5）太阳能热利用较容易实现热能能级的合理匹配，从而做到热尽使用。