光伏发电系统-毕业设计

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，其范围包括太阳能、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上海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.太阳光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。

随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，近年来世界各国竞相实施了可持续发展的能源政策，其中利用太阳提供能量的光伏发电最受瞩目。光伏发电因其具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、无需机械转动部件、故障率低、维护方便等独特优点，正受到各国的普遍重视。[5]迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染，使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是一个环境保护和能源替代的问题。目前光伏电池主要应用在并网和未连网的大规模发电领域，因此太阳能作为一种没有任何污染的、易取的绿色能源，若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义。

便携式电子设备进入彩屏时代以后，随着高分辨率屏幕、MP3／MP4影音播放等配置功能的普及，电池待机性能再次成为制约便携式电子设备发展的瓶颈。太阳能移动电源是专门给便携式电子设备充电的，与一般移动电源不同。目前，太阳能移动电源一般都内置了大容量的蓄电池，在有阳光的时候，太阳能电池板吸收光能转化电能储存在蓄电池内，同时可以给手机或者数码产品充电，因此不需要任何普通电源给其供电。在没有阳光时，蓄电池还可以继续给数码产品充电。

2. 太阳移动电源方案设计

2.1 整体方案设计

太阳能移动电源系统，一种可利用太阳能为蓄电池进行充电的设备，是外出旅行的重要电源之一，那么要求该移动电源为便携式的。太阳能移动电源应包括太阳能电池板、控制电路和内部蓄电池等。现在将移动电源设计为如图2.1所示的形状。

图2.1 移动电源模型

2.2 控制电路方案设计

太阳能移动电源系统控制电路的设计思想，从负载锂离子二次电池的恒流/恒压充电控制出发，同时配有锂离子蓄电池。当在户外无220V 交流电时采用太阳能对负载锂离子直接充电同时对锂离子蓄电池充电；当阴雨天天气或夜晚等阳光不足时，采用配置的锂离子蓄电池对负载锂离子电池充电，以保证任何情况下不间断。即系统的设计以太阳能充电为主，在有足够的阳光且蓄电池又有足够供电能力的情况下，系统能够以太阳能充电为主给负载充电，在无阳光或阳光弱时，内部锂电池

控制电路 太阳能电池板 适配器接口

LED 灯

USB 接口

电

源开关

以蓄电池充电为主给负载充电，太阳能为便携式电子设备补电。

为了与负载锂离子二次电池充电电路相匹配，系统的蓄电池也采用锂离子蓄电池。锂离子二次电池的容量是一般负载电池的2-3 倍，这里选择3.7V、容量为5000mA的锂电池。[2]由于锂离子二次电池本身不允许过放电，因此系统中设计了保护电路以避免蓄电池深度过放电造成自身永久性伤害。蓄电池的充放电转换可通过开关按键切换，这可遵从系统的充放电指示来实行。在系统无放电指示时，只要按下按键，系统立即切断放电电路启动充电电路，蓄电池充电；若负载同时也需要充电时，只要接上负载并切换开关，就能切换充电电路给负载充电。系统又配备了外接稳压电源输入端口，在无阳光而蓄电池又无足够容量时，外接交流电源能向负载充电，同时为了以防万一，在外出前可利用外接电源通过该端口给蓄电池充电，这样就保证阴雨天外出携式电子设备也能正常工作。

太阳能移动电源系统的控制电路结构如图2.2所示：

图2.2 太阳能移动电源控制电路结构图

其中，外接市电充电电路可通过适配器和CN3068芯片对内部蓄电池进行恒流和恒压充电；太阳能充电电路主要通过太阳能电池板和MC34063对电池充电，由于太阳能板的电压随光强的变化较大，因此采用MC34063芯片，这样可以选用较大电压的太阳能板，通过MC34063降压的同时也起到了稳压的作用；手机充电电路也使用MC34063，既能升压又能稳压，而且还能防过充；保护电路则使用UCC3952，对内部蓄电池起到了过电压、过电流、过放电、短路保护等。

3.容量计算及设备选型

3.1锂电池的容量计算及选型

近年来，PDA、数字相机、手机、便携式音频设备和蓝牙设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源。

锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点。

为了与锂离子二次电池充电电路相匹配，系统的蓄电池也采用锂离子蓄电池。锂离子二次电池的容量是一般负载电池的2-3 倍，这里选择4.2V、容量为5000mA的锂电池。

3.2 太阳能电池板功率计算及选材

锂电池可以接受的最大充电电流通常是1C甚至更小，像ThinkPad笔记本电池最大充电率为0.9C。

所谓1C充电率指以容量的1倍率电流来充电，充电时间为1小时。

实际上，要想电池寿命长，基本上是以0.3~0.5C充电4~2H。

充电电流：

5000mAh×0.5C＝2.5A

太阳能电池板功率：

2.5A×

3.7V／70％≈13w

所以选用15w左右的单晶硅太阳能板，

采用的单晶硅太阳能电池片转换效率高

采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。

功率公差范围(保证输出功率在-3~+3%的正负公差范围内

4. 控制电路的设计

太阳能移动电源系统的电路应包括太阳能充电电路、市电充电电路、锂电池保护电路和放电电路等几个部分，每个部分完成其特定的功能，缺一不可。下面就对每个部分电路设计依次介绍。