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1、内蒙古工业大学硕士学位论文光伏发电自动跟踪系统姓名：张嘉英申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：陈爱国20060601 I摘 要 以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用太阳能等可再生能源已成为人们的共识。利用洁净的太阳光能，以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。本课题主要论述了单轴太阳能自动跟踪系统的设计方法。对自动跟踪控制系统的组成及其功能进行了详细的分析与研究，采用单片机 C8051F310 作为控制芯片，设计了整套自动跟踪装置。所设计出的系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点。单轴太阳
2、能自动跟踪系统通过单片机控制系统自动跟踪太阳方位角，高度角可手动进行调整,使太阳能电池保持较大的发电功率。通过对单轴自动跟踪系统与双轴自动跟踪系统发电效率的比较,理论证明它的可行性。本设计取消了用于检测太阳能电池板法线与太阳光线间夹角的传感器，而直接利用太阳能电池板发电量作为角度调节依据实现控制。我国牧区大量使用的是无跟踪的光伏系统，太阳能发电效率较低。本文所述的单轴跟踪系统，结构简单，性价比高，特别适宜在这些地区使用。关键词：光伏系统；太阳角自动跟踪；单轴跟踪系统 IIAbstract With the resources being used continuously,the energy
3、 structure based on conventional energy resources will not more and more adapt to requirement of sustainable development.So accelerating the exploitation and utilization of renewable resources that solar energy is principle part has been our common ideas.Using the clean solar light energy,the techno
4、logy of photovoltaic generating electricity is very promising.The thesis presents a new optimal design method.This thesis mainly describes a method of single axis solar energy automatic tracing system.Every part of this automatic system and its function are analyzed in detail.A set of automatic trac
5、ing device is designed with Microcontroller C8051F310.This system has four characteristics,such as smaller cubage,lower power,lower cost,more robust despite strong interfere.Moreover,some programs are designed to debug the designed system,to test its reliability and the results of test are given.Sin
6、gle axis solar energy automatic tracing system follows the orientation angle with Microcontroller system.Height angle can be adjusted by hand,it makes the solar cell keep the higher electricity power.The single axis solar energy automatic tracing system is compared with the double axis solar energy
7、automatic tracing system,we testify its feasibility in theory.Double axis solar energy automatic tracing system consists of solar transducer,this device gets rid of transducer,it uses power of solar cell as angle regulation basis to realize controlling.In a pasturing area of our country,they use pho
8、tovoltaic system without tracing device,solar electricity efficiency is lower,the tracing system we designed has better tracing effect,its configuration is simple,the capability price ratio is high,it is adapt to be use there in particular.Key words:Photovoltaic system;Solar angle automatic tracing;
9、Single axis tracing system 原 创 性 声 明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 内蒙古工业大学内蒙古工业大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：指导教师签名：日 期：日 期：学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古工业大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构、部门送交学位
10、论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。为保护学校和导师的知识产权，作者毕业后涉及该学位论文的主要内容或研究成果用于发表学术论文须征得内蒙古工业大学就读期间导师的同意，并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学方可投稿或公开发表。本学位论文属于 保密保密，在 年解密后适用本授权书。不保密不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日 期：日 期：内蒙古工业大学硕士学位论文 1第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题背景 1.1 课题背景 能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。
11、现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为11801510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭,天然气储备估计在131800152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57-65年内枯竭,煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年,铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。形势是很严峻
12、的，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能，绿色生物能，燃料电池，海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。1.2 太阳能的特点与优势 1.2 太阳能的特点与优势 太阳是个巨大的能源。地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭、石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳每秒钟发出的能量有3.8651026 J，相当于每秒钟燃烧1.321016t标准煤所发出的能量。太阳是以辐射的方式向四周传播它的能量的。太阳发出的能量中约有22亿分之一到达了地球，约1
13、.731014KW。这些能量经过地球大气层的吸收与反射，最终到达地球表面的约有8.11013KW。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，利用太阳能的潜力是十分巨大的。太阳辐射能的强度用太阳常数表示。在地球大气层的上界，在平均日地距离时，在垂直于太阳光的方向上，在单位时间和单位面积内，太阳辐射能有一个比较恒定的数值，这个数值就叫太阳常数，它的值大约是13677W/m2。太阳辐射能与煤炭、石油、核能相比较，有如下的优点:第一章 绪论 21.普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输。2.无害性。利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有
14、噪声，不会污染环境，没有公害。3.长久性。只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不绝。4.巨大性。一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。1.3 国内外太阳能应用的现状 1.3 国内外太阳能应用的现状 太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从 1999 年的 201MW 增加到 2005 年的 1100MW。目前以 32.1%的年平均增长率高速发展，位
15、于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划,2010 年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑,总目标是 2010 年光伏发电装机容量达到 3GW。美国能源部制定了从 2000 年 1 月1 日开始的 5 年国家光伏计划和 20202030 年的长期规划,以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度,2010 年美国光伏销售达到 4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的 10%左右。预测未来 10 年仍将保持
16、 10%或稍高的发展水平,达到 1.5GW(约 10.6%)。其中印度近几年发展迅速,居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW,累计安装量 4050MW。因此,到 2010 年世界光伏系统累计安装容量将达到1415GW。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式,随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施,太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出
17、现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW，中华人民共和国可再生能源法，承诺2010年太阳 内蒙古工业大学硕士学位论文 3能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看,2006-2020年每年的平均装机容量约60 MW。虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏产业还处于成长期。随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。1.4 课题内容 1.4 课题内容 我国目前已开始在牧区普及使用无跟踪装置的户用太阳能光伏系统。但由于太阳能电
18、池价格昂贵，无跟踪装置的光伏系统发电效率较低，普遍推广应用受到影响。相对于无跟踪装置的光伏系统，双轴自动跟踪系统虽然能提高发电效率（约提高50%），但其造价高，结构复杂维护困难，也难以在牧区推广使用。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双轴自动跟踪系统相比结构更简单且费用最低。单轴太阳能电池自动追踪系统主要包括机械部分和控制部分。机械装置由电机驱动,可以使电池板水平方向角为 0-180，控制部分主要由单片机系统构成,单片机系统具有成本低,智能化程度高,扩展性强等优点,由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制。垂直方
19、向角变化不大，可以手动进行调整。太阳能电池板转换的电能信号由转换装置送入单片机，通过驱动电机使太阳能电池板朝着与太阳垂直的方向转动。太阳能电池板的电信号输入单片机，每隔一段时间，单片机的输出引脚发生电平变化，此信号经过放大电路使电机发生转动，带动太阳能电池板转过一定角度，实现了方向角的跟踪。夜间电池板通过电机反转自动回到初始位置。俯仰角在短时期内变化不大可根据当地的地理位置等环境条件定期人为进行调整。本课题研究的重点及难点：1、建立严格的单轴自动跟踪数学模型，并与双轴自动跟踪系统进行效率比较，从理论上证明它的可行性。2、通常自动跟踪系统须采用传感器把电池板法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号
20、以实现跟踪。本设计考虑到它主要是牧区等阳光充足地区的居民使用，所以要满足高性价比，取消了传感器，而直接利用太阳能电池板发电量作为电信号输入单片机，实现跟踪，增加了测控难度。第一章 绪论 43、自动跟踪系统应能排除阴雨天、太阳被云层遮挡引起的输出变化，负载变化引起的输出功率变化引起的干扰。本设计的主要特点：1、采用先进的微电子控制技术，C8051F310 单片机为跟踪控制器的核心，充分利用其内部功能，体积小，功耗低。2、性价比高，具有良好的应用前景。1.5 本文的结构 1.5 本文的结构 各章节的内容安排如下：第一章 论述了课题研究的背景内容及其意义，说明了本课题的重点及其难点，分析了本设计的主
21、要特点。第二章 详细介绍了太阳能自动跟踪系统的基本组成及基本原理，分析了各组成部分的特点及功能。第三章 对太阳辐射能进行了分析，介绍了日照时间和太阳位置的计算方法和日辐射量和小时辐射量的有关计算方法。第四章 主要提出了本课题的控制方法，论述了本课题的设计目标和任务，总体设计方案和可靠性设计方案。第五章 详细论述了太阳能自动跟踪系统的硬件设计，说明了各主要部分的功能、特点及类型。第六章 详细说明了 C8051F310 的软件设计过程，各程序部分的功能。第七章 设计了调试系统，对自动跟踪系统控制器进行了调试。第八章 对全文进行总结，提出本设计的不足，给出新设计的建议。附录中给出了 C8051F31
22、0 目标电路原理图。第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 5第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 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 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
23、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带来的影响。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 太阳能电池 2.2.1 太阳能电池工作原理 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
24、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，在势垒电场的作用太阳电池阵列控制器直流负载逆变器交流负载储能装置内蒙古工业大学硕士学位论文 6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
25、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 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：(1)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。(2)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
26、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。(3)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。第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 7 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 2.2.3 光伏阵列特性 一、光伏阵列的一、光伏阵列的 I-V 方程 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
27、响应时间 图 2.3 光伏阵列单元等效电路 与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。（2-1）LI 光电流，A OI 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 SR 串联电阻,ShR并联电阻,二、光伏阵列 I-V 特性曲线 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，下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的I-V特性。首先让我们来了解
28、光伏阵列的几个重要参数。ShSSLRIRV1AKT)IRq(VexpII+=内蒙古工业大学硕士学位论文 81、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(Voc)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=ImVm其意义如图 2.4 所示 图 2.4 光伏阵列特性参数说明(一)太阳能光伏阵列在相同温度不同日照下的I-V与P-V特性 图 2-5 不同日照下
29、的I-V关系曲线图 图 2-6 不同日照下的P-V关系曲线图 图 2-5、图 2-6 分别是太阳能光伏阵列在温度为 25时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图 2-5 可知，太阳能光伏阵列的输出短路电流(Isc)和最大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式 2-1中IL强烈地控制着I的大小，虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 9但对电流与电压相乘的结果-最大输出功率来说，变化显著，如图 2-6 中虚线与各实线的交点所示。(二)太阳能光伏阵列在相同日照不同温度下的I-V与P-
30、V特性 图2-7、图2-8分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000W/m2和在变化温度T下的情况，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大,因而对最大输出功率影响明显，见图 2-8 各实线的波峰的幅值变化。图 2-7 不同温度下的I-V关系曲线图 图 2-8 不同温度下的P-V关系曲线图 2.3 贮能蓄电池组 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，
31、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 一、户用光伏系统蓄电池的选用（一）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。内蒙古工业大学硕士学位论文 10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
32、成，正极的活性物是二氧化铅，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
33、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1.71.8V,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4
34、0。铅酸蓄电池的安时效率为85-90，且随放电率和温度而改变。（二）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NiOH2（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NiOH2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
35、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第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 11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，维护方便，原材料丰富，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 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进行。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
36、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 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 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
37、，每种方法具有不同的电压和电流充电特性。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、部分并联调节器、串联调节器，齐纳二级管(硅稳压管)，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
38、又称为电压调节器。下面具体介绍几类充电控制系统。内蒙古工业大学硕士学位论文 12一、匹配系统 这是一个串联二极管的系统，如图 2.9 所示。该二极管常用硅PN结或肖特基二极管，以阻止蓄电池在太阳低辐射期间向光伏方阵放电。图2.9 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2.10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
39、方阵的工作效率。图 2.10 光伏方阵供给蓄电池的电流随蓄电池电压的变化 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，如图 2.11 所示。第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 13 图2.11 并联调节器电路 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。三、部分并联调节器 如图2.12所示，使用部分并联调节器的目的在于降低光伏方
40、阵的电压，从而实现两阶段电压特性。并联调节器的优点是降低了晶体管的开路电压，但其缺点是附加了对线路连接的要求，一般很少使用。图 2.12 部分并联调节器电路 四、串联调节器 如图2.13所示，在串联调节器中，蓄电池两端电压是恒定的，而其电流随串联晶体管调节器变化着,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。内蒙古工业大学硕士学位论文 14 图2.13 串联调节器电路 五、次级方阵开关调节器 次级方阵开关调节器的电路，如图2.14所示。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。图2.15示出其充电电压和电流的关系。次级方阵开关调节器
41、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。图2.14 次级方阵开关调节器 图2.15 次级方阵开关调节器的充电特性 六、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2.16。出于这第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 15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2.16 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
42、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2.17所示的充电变化。图2.17 脉冲宽度调制用于DC-DC变换的使用特性 a)电压特性，(b)电流和充电特性 内蒙古工业大学硕士学位论文 16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
43、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。七、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2.18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2.19。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。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2.452.50V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
44、月达到一次,而每周不应多于一次。图2.18 脉冲充电电路 图2.19 脉冲充电调节器的充电特性 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,因为限压器可以防第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 17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。假定太阳处于连续的高辐射强度的状态。在一个被变化着的云量覆盖的实际光伏发电系统中，通常实际的充电曲线变化很大，如图2.20所示。在低云量覆盖状态的光伏发电系统中，日辐射曲线可以考虑为正弦曲线。图2.20 光伏发电系统实际充电特性 图2.20 光伏发电系统实际充电特性 2.4.2 放电保护 2.4.2
45、 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。不幸的是，铅酸蓄电池难以确定给出其充电状态下的可测量特性。一、限定放电容量到C100 图2.21示出了一个典型的铅酸蓄电池以不同负载电流放电时的放电特性。图中清楚地表明，蓄电池容量随放电率的减少而增加。初始电压和最终放电电压(在这里，负载必须断开)取决于放电电流。在大多数光伏发电系统中、蓄电池被估计为可连续运行几天，其负载电流通
46、常是100小时电流，表示为I100。在这种情况下，通过限定最终放电电压为I100的限制条件，可以保护蓄电池系统。内蒙古工业大学硕士学位论文 18 图2.21 各种放电率下的蓄电池容量(标称容量为100Ah)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2.22(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2.22(b)示出，通道限定放电容量C100，常常能避免这种情况发生。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1.0
47、3kg/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)第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理 19 图2.22 限定放电容量到C100 二.自动放电保护 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
48、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。内蒙古工业大学硕士学位论文 20第三章 太阳辐射能量分析 第三章 太阳辐射能量分析 太阳辐射资源变化极其复杂，加上储能设备等因素需要建立合理的理论模型。本课题在太阳辐射能方面做了研究工作。3.1 日照时间和太阳位置的计算 3.1 日照时间和太阳位置的计算 一、太阳能中天文参数的计算 一、太阳能中天文参数的计算 1.日地距离 由于地球绕太阳的运行轨迹是一个椭圆，所以地球与太阳之间的距离在一年之内是变化的。日地平均距离及最大
49、最小距离列在表3.1中。到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方(r/r0)2成反比。r0为日地平均距离，r为任意时刻日地距离的准确值。3653600330120nrrcos.)/(+=（3.1）日 期 距 离（km）日 期 距 离(km)1月1日 147，001，000 7月1日 152,003,000 4月1日 149，501，000 10月1日 149,501,000 表 3.1 日地距离地变化 2.太阳赤纬角 日地中心的连线与赤道面间的夹角每天（实际是每一瞬间）均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。)sin(.3652843604523n+=（3.2）式中，n为一年中的日期序号，从每年
50、1月1日算起。太阳赤纬随日期序号的变化见图3.2。春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道,即天赤道的0=。北半球夏至的正午时刻太阳直射北回归线，=4523.。北半球冬至的正午时刻太阳直射南回归线，=4523.。第三章 太阳辐射能量分析 21 图3.2 太阳赤纬 二、水平面太阳位置的计算 二、水平面太阳位置的计算 在太阳能的利用中，必然要涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等问题。1、太阳高度角s 地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角，为太阳高度角。太阳高度角s的计算公式为：coscoscossinsinsin+=s （3.3）式中，太阳赤纬角 当地的地理纬度 当时的太阳时角，其计算公式为=1