太阳能光伏发电电源变换系统的设计

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2014届本科毕业论文

太阳能光伏发电电源变换系统的设计 姓名： 李少博 学号： 2010274024 专业： 光 信 专 业 导师： 董有尔老师

二零一四年四月 2 太阳能光伏发电电源变换系统的设计 学生：李少博 指导老师：董有尔

摘要： 本设计实验所设计的光伏发电系统，目的是将光伏电池产生的的不稳定直流电源通过DC-DC变换及DC-AC变换，成为稳定输出的直流和交流电，以至于可以外接蓄电池及负载形成完整的发电系统。此稳压电源为DC-DC变换、充电保护、DC-AC变换三个模块构成。开关电源将电池板稳压后的直流电发送给蓄电池，再通过逆变器变换成交流电，实现太阳能发电的家庭或小规模应用。

关键词： 蓄电池；升压；降压；模数转换；逆变器；开关电源 3 目录 第一章 绪论 .................................................................................................................................................1 1.1全球能源背景简介 ......................................................................................................................1 1.2研究光伏发电电源变换系统的意义 .............................................................................................1 1.3论文研究主要内容 .......................................................................................................................3

第二章光伏电池发电的原理和特点 ............................................................................................................3 2.1光伏电池的发展 ...........................................................................................................................3 2.2光伏发电原理 ...............................................................................................................................4 2.3光伏发电特性 ............................................................................................................................... 6

第三章 系统设计 ............................................................................................................................... 10 3.1系统总体设计 ............................................................................................................................. 10 3.2 DC-DC变换电源模块设计 ........................................................................................................... 10 3.3充电保护模块的设计 .................................................................................................................. 10 3.4 DC-AC变换输出模块的设计 ....................................................................................................... 16

第四章 总结与展望 ................................................................................................................................... 17 参考文献 ..................................................................................................................................................... 18 ABSTRACT ................................................................................................................................................ 19 致谢 .............................................................................................................................................................20 4 第一章 绪论 1.1全球能源背景简介 在人类成长的前5000年中，对能量的需求远远比不上最近的三百年需求那么紧张。18世纪，最先从英国发起的工业的革命，极大地促进了世界的发展，从此步入了新的时代，对此，世界各国急切需求更多能源以促进社会文明的进步。然而，自然界一次性能源储量有限，遇到能源缺乏只是时间的问题，从世界来看，已经得知的石油只能够20-40年消耗的了，石油气也只能够50-60 年消耗，就连现在占绝对比例的煤，最多也只够使用200年左右。另一方面，一次性能源的采集、转移和消耗过程中都会对大气和自然环境造成严重的破坏性后果。根据调查，目前，每年大量的化石能源消耗平均产生约一亿吨温室气体，已经严重破坏了大气层和严重的温室效应，近2000年来，世界二氧化氮产生速度的日益加快，如果不尽早的控制，将使冰川融化，水平面上升，淹没大片陆地，四分之一的人类居住地将受到威胁。就连近代才发展起来的核能发电的原料放射性元素铀的储量也是极为有限的，而且核能发电最大的问题是安全的不确定性和环境的放射性污染的废料难以处理，也是很难解决全球能源的长久地稳定地供应问题。 因此，人类在全力设法解决常规能源不足的问题，寻找可持续的替代性能源。太阳能就成了一种稳定、可持续性好、安全洁净无污染的理想的替代新能源。光伏电池经过不断的进步，技术日益成熟，转换效率已经提高不少，目前单晶硅电池的效率最高可以达到20%，量产型的也能达到14%，多晶硅效率也能达到12%了。于是在2000年开始，多晶硅光伏电池的成品也开始结束实验室生涯，进入市场，效率的提升，更加促进了太阳能使用的步伐。 从中国本身来看，经过数年的发展，我国光伏产业发展迅速，光伏电池技术日益完善，和老牌国家相比，正迎头赶上，而且有超越的潜力。产业化方面，2000年之后，中国的光伏产业不断进步，产业不断扩大，但是和发达国家相比仍有不小差距。2003年中国太阳能电池制造大概是20兆瓦，然而中国太阳能电池成品封装本可以达到50兆瓦的，数倍于太阳能电池的制造能力。所以，中国虽然有可以制造20兆瓦太鞥能电池的能力，但是截至2002年，只生产了全球百分之一，也就是4兆瓦的太阳能电池板。在2002-2003我国进行了“光明工程”，在计划要安装的20兆瓦的太阳能总装机量中，国产太阳能电池仅占10%，国内厂商和一次大的商机擦肩而过。近日中国光伏电池产业销售地区还是以偏远地区为主，看上去有一定的发展，但是实际上前景不容乐观。太阳能发电市场在2000年前是:通讯业有40%一50%，乡村和偏僻地区占40%左右，其它10%左右。然而07年当年的75%销量都是在乡村地区。现在国产硅片的理论能力是4.5兆瓦，在西藏没有电力的县试点全部建设了太阳能发电设备，其中大功率的到了100千瓦。可以看出，中国太阳能电池行业的发展迅速但是市场应用的发展没有跟上时代。 其实，中国的太阳能资源分布十分广泛，而且可利用的总量也是十分巨大的。根据资料显示，太阳能容量达到500万千焦/平方米每年，光照时间至少有2200小时的区域能有全中国面积的一半以上以上。太阳能资源中国亟需开发. 5 1.2太阳能光伏发电电源变换系统开发的意义 光伏发电是应用光生伏特效应，以光伏电池作为工具将太阳能转变为电能的装置。光伏电池是应用光生伏特原理，采用相应半导体材料制成的发电设备。 太阳能和其他能源相比较，是一种很洁净，可再生，利用简单高效的新能源。在当代，世界各国政府和能源部门都认为太阳能是未来新能源利用的方向所在。有关调查表现，到2010年，全球光伏电池产量将会有14-15GW的总量，这显示光伏产业的未来前景是很大的。总的来说，太阳能光伏发电终将有一日会完全取代传统的不可再生能源。在此发张方向来看看，大概到21世纪30年代，全世界总发电量的5%-20%将会是太阳能发电的产出。 以下的特点尤其重要的揭示了其的特征： 储量巨大：太阳能是可再生的，使用量几乎无穷大。太阳发出的辐射的能量约是 3.75xkW，是利用不完的的。其中辐射到地球上的能量有1.73x ，能到达地表的能量有 8.1xkW。在陆地上的能量大约为 1.7x W，这个数字几乎是全世界一年生产用电总和的四万多倍。太阳这个恒信是个年轻的恒星，还能稳定存在几十亿年，对于人类来讲，太阳能所能利用的时间是无穷无尽的。 不需要复杂的开采工艺，运输相对来说也十分简单，不消耗多少能源。 干净无污染，不会释放有毒气体和温室气体，也没有辐射的废料产生。 本身利用十分简单，不需要复杂的设备占用空间，也没有噪声产生。 寿命长，工作稳定并且使用环境无限制。晶体硅光伏电池的工作年限可以达到20-35年，蓄电池也可以工作10多年。 由此可见，在能源紧缺的危机即将出现，全球变暖，环境污染严重的今天，光伏发电应用的重要性异同反常。同时显示出，光伏发电技术的研究意义的重要和应用前景的美好。在偏僻不通电的乡村和远海，该装置能够有效地实现为用户生活供电，国内主要生产和研究应用于偏远地区或短时间照明等用途的小型独立式光伏发电系统。