某家用太阳能发电系统设计

南通纺织职业技术学院毕业论文
某家用太阳能发电系统设计
陈冬梅
班级 07智能电子
专业电子信息工程技术（智能）
教学系机电工程系
指导老师贲礼进
完成时间 2010 年月日
目录
前言 (1)
1 设计的整体思路 (2)
2 家用太阳能发电系统综述 (3)
2.1家用太阳能发电 (3)
2.1.1 家用太阳能发展的历史 (3)
2.1.2 家用太阳能光伏发电的优缺点 (3)
2.1.3 家用太阳能发电的应用 (4)
2.1.4 家用太阳能发电系统的原理 (5)
2.2太阳能电池板系统 (6)
2.2.1 太阳能电池板的发电原理 (6)
2.2.2 太阳能电池板的分类 (6)
2.3蓄电池储能系统 (7)
2.3.1 蓄电池的充放电原理 (7)
2.3.2 蓄电池的充放电特性 (8)
2.4 关于控制器 (9)
2.4.1控制器的原理 (9)
2.4.2控制器的作用 (10)
2.5 逆变器 (11)
2.5.1 逆变器的工作原理 (11)
2.5.2逆变器的分类及特点 (12)
3.家用发电系统功率匹配设计 (13)
3.1各项技术参数 (13)
3.2铅酸蓄电池容量的计算 (14)
3.3太阳能电池方阵功率的计算 (14)
4.实验过程的说明 (15)
5.实验结果的展示 (16)
结束语 (17)
参考文献 (18)
前言
随着常规能源的大量消耗，使得可再生能源越来越多的受到21世纪人类的关注。

对能源资源消耗所引发的气候变化等一系列问题，不仅是对中国提出的挑战，也是对世界提出的挑战,能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。

太阳能之所以受到世界各国越来越多的关注主要是因为其具有以下优点：(1)太阳的历史寿命长，与人类的历史(约30万年)相比，太阳具有很长的寿命，所以对人类来讲,太阳能几乎是无限的能源：(2)太阳是十分强大的能源供应体，太阳光40min内赐予地球的能量如果能够都为人类所利用的话，估计就能满足全世界一年的能源消耗；(3)太阳能不会造成环境污染、能源损失等社会问题；(4)能量获取简单直接，在使用现场就能从太阳光获得能量。

1839年，法围科学家贝克雷尔(Bccquml)发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为“光生伏打效应”简称“光伏效应”。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔挫在美圈贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域之，也是其中最受瞩目的项目之一。

太阳能光伏发电具有水电、火电、核电所不能比拟的清洁性、安全性、普及性等优点。

随着科学进步，光伏发电技术已可用于任何需要电力且有光照的场合。

太阳能家用发电系统设计
摘要：太阳能家用发电系统即离网型太阳能光伏发电系统。

一般来说，离网型太阳能光伏发电系统主要有太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。

关键字：太阳能电池蓄电池控制器逆变器
1 设计的整体思路
本次设计是建立在太阳能电池板自身的光电转换特征基础之上的，整个流程使用到了较多的设备以辅助，例如蓄电池、电池板以及管理器等等，最终构成了整套的太阳能光伏发电系统，该系统的最大功能就是能够对太阳能进行接收与转化，成为电能，并储蓄，以此来为家用电器随时供电。

本次设计的研究理论涉及较多，就蓄电池来说，就涵盖了充放电原理、蓄电池负载以及充放电特质，另外还研究了管理器自身的功率匹配问题。

依据这些问题及原理的分析，本文最终设计出了一套相对完整的太阳能发电体系，并将之应用到了实际生活，首先是进行了太阳能电池板的安装，选择地点要是光照较好之处，以此来便于太阳能电池板来接收并转化光能，被转化之后的光能成为了新的电能，并可以通过管理器达到蓄电池，蓄电池里存储的电能可以随时被家庭使用，例如到了晚上，不再有光照之时，就可以使用管理器来供电，将蓄电池的电能进行传输。

详细太阳能光伏发电系统连接情况如下：
图1.1 家用太阳能光伏发电系统实物连接图
2 家用太阳能发电系统综述
2.1家用太阳能发电
2.1.1 家用太阳能发展的历史
十九世纪三十年代末期，法国著名科学家克雷尔首次发现了光生伏特效应，主要效应来自于光照之后，半导体材料自身出现的电位差异，后来又被称之为光伏效应。

二十世纪三十年代初期，科学家布鲁若在进行太阳能的研究之时，发现太阳能可以启动发电机，这也是太阳能第一次被使用。

在这之后，五十年代中期，美国的科学家又制作成功了单晶硅太阳能电池，世界上首次诞生光伏发电技术。

五十年代末，太阳能多晶硅电池出现，效率为二十分之一。

六十年代初期，硅太阳能电池被研发，并正式投入使用，其能够将电能传送至电网，以此来为家庭服务。

到七十年代末期，太阳能的优势逐渐被挖掘，并且受到人们重视。

七十年代中后期，发达国家美国创建了太阳能地面光伏站，该站的创建，为较多家庭提供了太阳能电能，在一定程度上保障了能源与环境。

八十年代初期，美国又成立了1MWp光伏电站，并且使用了冶金硅电池，效率上有了成倍的提升，这也为更多的普通家庭提供了电能，再加上后期光伏电站规模的扩张与发展，以及家用光伏产品的研发和普及，小型太阳能光伏发电体系得到飞速发展。

九十年代末期，随着社会科技的不断发展，整个光伏发电在领域之中的作用也越来越明显。

直到新世纪初，全国已经创建了十余座的兆瓦级光伏发电系统，和六个兆瓦级的联网光伏电站。

越来越多的国家开始使用这种光伏发电技术，并不断创建新的发电站。

美国作为世界上第一个创建光伏发电系统的国家，先是在九十年代中后期制定了百万屋顶计划，也就是打算在二十一世纪一十年代初期完成一百万户的家庭太阳能光伏电池安装，以此来完善整个系统，并以光照及电池传输电能，且不被时间所限制；二十世纪九十年代初期，日本也开始了太阳能发电系统的制定，并将之命名为新阳光计划，准备在二十一世纪一十年代到达之前为国家的居民们安装家用太阳能电池，并以此供电。

通过各个国家所制定的光伏计划及方案能够看出，现如今，家用太阳能光伏发电系统已经被世界较多地区所认可且使用，人们逐渐发现了该系统的优势与应用价值。

由于传统能源的逐渐减少与消失，发电方式开始面临种种问题与困难，而本文所提到的这种太阳能发电技术的出现与发现就在一定程度上解决了这些问题，并且保障了环境。

2.1.2 家用太阳能光伏发电的优缺点
在最近一段时期之中，太阳能光伏发电有了迅猛的进步与发展，之所以会出现这样的情况，主要原因就是这种发电方式自身具备的优势与特征。

其优点主要有以下几个方面。

一，这种太阳能光伏发电方式由多个电子元器件组合，其中没有任何机械部件，不会发生部件的运作与回转，因此无噪音；二，并不需要进行
燃烧，因此也就无需燃料，更为便利，成本也较低；三，在整个发电流程之中是不会产生废气的，绿色无污染；四，无论是设备的安装还是维修都非常便利，且维修的花费也较低；五，这种发电有很强的环境适应性，能够在多种环境下正常运作，没有限制；六，就算没有人看守也可正常运作，十分省事；七，国家或者地区都可以依据自身需求来进行调整与规模扩张，具有灵活性。

然而这种光伏发电方式的优势虽多，但也并不代表其就没有问题与不足之处。

这些问题主要集中在以下方面：一，光电转化效率很低。

存在四分之一的转换效率，在如今看来已经是全球最高，因此也难得到再次的突破；二，使用太阳能进行光伏发电必须使用到较大的地域，因此在面积上会有所要求。

在上文中我们提到过，光伏发电的材料及维修等环节成本都较低，然而相应的，面积却完全相反，太阳能电池效率和面积之间存在着紧密联系与影响，前者的效率高低都来自于后者，且呈正比，因此，太阳能电池要想存储足够的光能，就必须拥有较大面积。

三，对于光照的要求较高且繁杂，无论是选择地，还是光照条件都存在限制。

一旦阴天，或者阳光不充足，那么能够被转换的光能量自然降低；四，整体的发电成本较高，这种情况一旦维持一段时期不变，那么就不能够进行大规模的发展与普及。

2.1.3 家用太阳能发电的应用
就我国而言，光照充足，因此太阳能资源也十分丰富，一旦对这些资源进行合理的使用，那么不单单可以降低传统资源的使用率，还能够在特定地区完全的使用太阳能资源进行采暖，一举多得，还十分环保。

当前，随着科技的不断发展，太阳能光伏发电技术已经日渐完善与成熟，且能够使用到多种场合之中，例如家用电器，例如航天器等等，就是玩具也不例外。

再加上光伏发电的普及与规模扩张，其的产品已经得到了多个领域的使用，主要产品存在三种类型，分别是：一是为无电场合提供电源；二为太阳能日常使用产品，像是太阳能路灯以及充电器等等；三为并网发电，在世界上的发达国家之中，已经得到了较大的推广与使用。

和我国相比，国外的太阳能光伏电子技术发展的更好，且更为完善，应用范围与领域也有了极大的扩张。

就德国来说，其实行的百万屋顶计划不仅解决了许多普通家庭的供电问题，还为一些家庭创建了个人的小型发电站，能够不断的向公共电网进行供电。

而在日本，随着家用光伏发电的普及与推广，出于对保护环境的考量，该国家正在大力普及太阳能光伏体系，并已经在多个地区实现与使用。

我国虽然与德国以及日本等发达国家相比有所差距，但是就太阳能光伏发电技术来说，也是得到了飞速进步与发展得，就我国河北省保定市来说，就普遍使用了太阳能路灯，无论是街道，还是十字路口，都安装了该系统，除此之外，在
一些家庭也都使用到了太阳能光伏发电技术，可以说，这种环保的发电方式已经逐渐深入到了人们的日常生活与工作之中。

在我国的一些偏远地区与农村，因为电力的建设落后以及需求，也为太阳能光伏发电带来了较大潜力与发展空间。

上文中我们有提到过，光伏发电系统的安装及维修都十分简单与方便，无论是屋顶还是墙壁外面都可进行，所以也就在一定程度上解决了一些没有发电站地区的供电问题。

太阳能光伏发电系统实际应用情况如下：
图2.1太阳能光伏发电系统的应用实例
2.1.4 家用太阳能发电系统的原理
家用太阳能光伏发电系统指的就是一种太阳能光照能源的转换，由光能转化为家用电能，以此为家用电器随时供电，在该系统之中，涉及到了多项辅助设备，例如电池组件、管理器以及蓄电池等等。

若是白天的光照充足，那么太阳能电池组件就会自动吸收光能，并形成电动势，然后使用太阳能电池方阵来传送电压，利用管理器对蓄电池进行电能传输与储存。

等到了夜晚，光照不充足的条件之下，家用电器就能够通过蓄电池之中所供应的电能来进行运作，该流程的控制者就是管理器。

另外还需要注意的就是，在光伏发电站系统之中，还应当进行防雷装置以及限荷保护设备的安装，这样才可以令整套设备避免雷劈现象，以及运行负载情况，最终保障系统的正常运作。

总的来说，在家用太阳能系统之中需要存在着诸多的设备，例如电池组件、管理器以及蓄电池组等等辅助。

详细发电系统示意图如下：
图2.2 太阳能光伏发电系统示意图
2.2太阳能电池板系统
2.2.1 太阳能电池板的发电原理
太阳能电池发电原理是建立于半导体的光电效应基础之上的，换而言之也就是在半导体材料得到光照之时，所产生的载流子数量，这些载流子能够提升导电能力，最终形成光电效应。

图2.3太阳能电池板发电原理
就结构而言，太阳能电池就是一个规模十分之大的P-N结，且为平台。

一旦P型与N型半导体进行了结合，那么就会在界面之中构成一种十分独特的层面，其中P带正电，N相反，带负电。

一旦阳光照射于电池之上，然后被界面层所获取之后，整个界面之中就会出现较多的光子，并从共价键中激发，以致产生电子—空穴对。

电子会从正电区开始移动，并在界面层上产生电荷的分离，最终形成可测试电压。

2.2.2 太阳能电池板的分类
对于太阳能电池板来说，是存在许多种类型的，这些类型各不相同，且特性也都存在着差异。

一般被用的较多的电池类型为：（1）单晶硅太阳能电池。

就当前来说，这种电池的光能转换效率可以说是电池种类之中较高的一个类型，最高的时候能够达到五分之一左右，平常则约为六分之一，然而相对的，这种电池的制作成本较高，因此无法被广泛的应用与普及。

因为单晶硅通常的封装都是以钢
化玻璃，或者是防水树脂来进行的，所以质量上十分的坚固，并且能够使用很长的时间，约为十五年左右，最多的时候，能够达到二十五年；（2）多晶硅太阳能电池。

这种电池相对于单晶硅太阳电池来说，在制作工艺以及流程之上较为相似，两者的区别就在电能的转换效率之上，前者效率要比后者小上许多，通常约为百分之十二。

而成本方面，则是多晶硅太阳电池更为便宜，无论是材料还是节约能源上来说，成本花费都较低，所以也就得到了较多的普及与使用。

另外，这种太阳能电池的寿命则是没有单晶硅太阳能电池寿命长，就性能而言，自然是单晶硅太阳能电池好一些。

（3）非晶硅太阳能电池。

非晶硅太阳电池出现时间为二十世纪七十年代中期，是一种新型的太阳电池，整体较薄，在制作工艺上，和单晶硅与多晶硅都存在着较大差异，整个制作流程也更为简单，材料及能耗成本都不高，其最大的优势就在于，即使光照并不充足，也能够正常供电。

然而这种电池也并非完美，依旧存在着一定的不足，特别是在光电能源的转换效率方面，最高也仅仅只有百分之十，并且相当不稳定，寿命也较短；（4）多元化合物太阳电池。

这种太阳能电池的构成涉及了多种元素的半导体材料，且十分复杂。

就目前来说，世界上的太阳能电池研究品种及产品数目庞大，有不少种类都还没有正式投入生产，例如：a硫化镉太阳能电池；b铜铟硒太阳能电池；c砷化镓太阳能电池等等。

2.3蓄电池储能系统
2.3.1 蓄电池的充放电原理
对于铅酸蓄电池来说，最为重要的组成部分就是正极板、负极板、电池外壳以及电解液等一些辅助材料。

在对蓄电池进行外部电路连接以及供电之时，稀硫酸就会和一些活性物质发生反应，并且组成成为新的物质，也就是化合物硫酸铅。

在进行过电硫酸成分的释放之时，时间持续的越长，则最终的浓度就会越低，两者呈反比，而对于消耗成分以及放电量来说，则是呈正比，前者低，则后者低。

在对蓄电池供电之时，阴极板上就会产生一种新的物质，叫做硫酸铅，这种铅会得到分解，然后还原成为最初的过氧化铅，所以在此时，整个电池之中的电解液浓度是不断提高的，并且会慢慢的恢复到最初状态，这一变化流程就表明了，在蓄电池之中存在的硫酸铅以及多种活性物质，都是能够得到还原的，一旦全部恢复，则表明充电已满，并且结束。

就蓄电池充电的化学反应来说，详细情况如下：
P b O2 + 2H2SO4 + P b→ P b SO4 + 2H2O + P b SO4 (放电反应)
P b SO4 +2H2O + P b SO4→ P b O2 + 2H2SO4 + P b (充电反应)
2.3.2 蓄电池的充放电特性
在蓄电池之中，充电特性主要存在三种，其一为充电电流特性；其二为充电电压特性；其三则是充电容量特性。

（1）充电电流特性：该特定发生的时间一般是充电最初时期，这个时候电流是恒定值，会随着充电时间的延长而不断降低，等到充满电，恒定值就会等于零，或者接近于零。

因为就整个放点流程来说，电池之中的电荷会出现不断的流失与降低，所以，在成为充电状态之时，电荷的反应也就刚好相反，会不断的提高，而电流则是降低状态，与电荷反应呈反比。

（2）充电电压特性：该特定发生阶段是电池恒流充电时期，这个时候电池的电压是呈现出一个稳步提高的，而当整个充电环节结束之后，则电压就会不再变动，维持在一个固定状态。

在恒压充电之后，出于对蓄电的维持，电池就会自动转为浮充电状态。

（3）充电容量特性：该特征通常会出现在恒流充电时期，这个时候电池的容量几乎就是一条不断增长的直线，在整个充电流程之中，增长速度会不断的降低。

其主要目的就是保障电池电压的还原。

在蓄电池之中在，整个放电过程之中的特征大致存在两种类型，分别为：（1）不管电流放电的大小，在最初开始时期，整个电压会突然降低，在这之后呈现不断还原之势。

这种情况的出现主要就是因为电池的状态有了转变，从充电开始变成了放电，其周围的电荷被快速放出，所以也就有了如此的变动；（2）同样是忽略放电电流大小差异，电池端电压首先会呈现出一个飞速下降的情况，形成一个个拐点，对这些点进行连接的话，所形成的曲线就是终止电压曲线，代表的就是工作结束，电池出现永久性时效，换而言之就是电池不可能再次恢复到最初状态。

图2.4 电池的充电、放电特性曲线
2.4 关于控制器
2.4.1控制器的原理
这里所说的控制器通常存在两种类型，第一种为方阵投撤型，第二种则是DC-DC变换型。

投撤型的原理是：控制器在进行检测之时，发电电池电压数值达到了设定值之后，就会自行撤出方阵。

DC-DC变换型：对参数进行固化，放置于控制器之中，并且对整个方针输出的电压进行转换，以此来继续充电。

太阳能电池组件在得到了光照之后，就会自行产生电流，一旦这些电流不经过中介而直接进入蓄电池之中，那么必定就会对蓄电池产生损害与不好的影响，令整个系统的寿命出现缩减。

因此，在进行电流传输之时，应当先将电流输送进入控制器，然后在其内部进行各种调节与数据操作，使用特殊的管理技术，也就是“自适应三阶段充电模式”，以此来保障整个电池的安全及寿命。

就负载供电而言，整个流程进行之时，也是一样应当让电流先进入控制器之中，在一系列的调解与转变之后，再传送至负载。

下图是控制器的原理图：
图2.6 控制器原理图
2.4.2控制器的作用
家用太阳能控制器，顾名思义，就是适用于家庭的一种管理器，存在于家庭太阳能发电系统之中，主要作用就是对太阳能电池方阵进行管理，在蓄电池进行充电体积负载充电之时，充当媒介及转换工具。

就整个太阳能光伏发电系统而言，存在多种辅助工具都是直接与控制器存在联系与关系的，例如负载、蓄电池以及
逆变器等等，特别是到了晚上之后，家庭需要用电就必须通过控制器来进行与调整。

在整个系统之中，控制器有了十分重要的功能，详细为：（1）能够使用多种充电模式。

一般来说，蓄电池之所以会出现性能的劣态化，主要原因存在两个方面，其一为充电之时，电压的过高而带来的内部失水导致；其二则是因为电压太低，而产生的充电缺失，最终形成极板硫酸盐化。

因此对于蓄电池的充电来说，是必须进行多方面保障的，以此来避免故障发生；（2）充电保护。

电池在充电流程之中，一旦电压过多，超出终值充电电压，则会产生氢气以及氧气，形成失水情况。

除了电池电压不能过高之外，电池也并会被充满，所以电流是不能够被中途斩断的。

在这个时候，控制器内部的调节也就能够发挥出一定的作用，严格控制电压传送，避免蓄电池容量出现老化现象；（3）放电保护。

电池除了要充电保护之外，也必须存在放电保护，不然的话，必定还是会出现容量老化现象，一旦电压达到了最低的电压值，这个时候控制器就会自动切断负载，以此来保障电池的电量；（4）析气调节。

蓄电池一旦在较长时期之中都没有产生现析气反应，则整个内部就会自行出现酸液分层，如此，电池的整个容量就会收到影响。

因此，我们需要使用数字电路来定期的对充电进行保护，令之按时产生析气反应，以此保障电池使用寿命；（5）超压保护。

出于对意外的考量而进行的一种保护措施，可以避免蓄电池的损坏；（6）过流保护。

对蓄电池进行保险丝安装，以此保护电流。

2.5 逆变器
2.5.1 逆变器的工作原理
逆变器的主要作用就是对电流进行转变，由最初的直流电转换为交流电。

整个装置及流程的重点也就在于逆变开关电路，也叫做是逆变电路。

逆变电路的工作是需要使用电力电子开关来完成的，只有电子开关进行了导通和关断，才能够完善整个流程。

就后者的通断来说，是离不开驱动脉冲的，只有有了这些脉冲，才能够较好的对电压信号进行调整与转变，而产生以及调节脉冲的电路也有着另外的名称，也就是控制回路。

就逆变器来说，其的组成来自于多种开关元件，像是晶体管等等，工作起来存在一定的规律，会不同的进行开关元件的开关任务，以此来控制直流的转变，从输入转变成为输出。

通常来说，在这个工作流程之中，还必须涉及到高频脉宽的调制，以此来变动正弦波附近的电压，使其宽度出现变动，由宽转变为窄，最终在固定周期之中不断的重复动作与方向，构成整体的脉冲波列，最终形成正弦波。