太阳能光伏发电电源变换系统的设计

1 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 . 103.1 系统总体设计 . 103.2 DC-DC 变换电源模块设计 . 103.3 充电保护模块的设计 103.4 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 .204 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。图一太阳能电池板1.3 论文研究主要内容在能源结构与利用新型洁净能源发展的背景下， 太阳能光伏发电电源变换系统将成为一项热门研究。 中国的光伏发电技术起步较晚， 在利用太阳能是不是很常见， 太阳能光伏发电系统需要合理的设计在不同的地区， 条件下能够良好的运作。 本文依照山西大学近代物理实验室的现有的太阳能电池板为条件， 设计一套简单实用的光伏发电电源变换系统， 配合蓄电池组件， 各模块能够组成完整的发电和存贮应用系统， 可以达到直接接负载及用电器利用太阳能的目的。6 文章主要结构如下第一部分为绪论部分， 介绍了太阳能光伏发电在未来能源趋势中的重要地位和光伏发电系统在中国急需推广和扩大生产的现状。第二部分主要介绍了太阳能光伏电池的发电原理和光伏电池本身的特性。第三部分主要介绍了光伏发电电源转换系统的设计思路。和各个模块的电路设计。第四部分是总结和展望， 为本文的太阳能光伏发电系统的设计操作的分析， 总结了设计缺陷。第二章 光伏电池发电的原理和特点2.1 光伏电池的发展历程在 1839 年，法国一个名叫安托万亨利贝克雷尔的人发觉，光照射在半导体材料表面上，致使不同区域间产生了电位差。这就是光伏效应的由来。 1954 年，洽彬与匹而宋这两个美国科学家在美国著名的贝尔实验室首次研究成功了单晶硅光伏电池， 从此太阳能和电能之间的转变成为了可能。到今天， 经过了 170 多年的进步， 总体来讲， 基础研究和技术的成长都起到了积极推动作用。 光伏电池应用革命在三贝尔实验室科学家成功地开发了单晶硅光伏电池， 发挥着决定性的作用， 在光伏电池发展上有着里程碑一样的作用。 然而到今天， 光伏电池的根本结构和运作原理没有发生多大的变化。后期的研究主要是围绕薄膜光伏电池来研究的， 例如， 非晶硅光伏电池， 光伏电池 CIS ，CdTe的光伏电池和纳米晶体的染料敏化光电池等，除此之外主要是大规模制造技术的日益成熟， 如丝网印刷技术、 多晶硅光伏电池生产技术的应用， 尤其强调的减反射膜研发和自动化制造技术的广泛应用，大大提高了工作效率和节约的发电成本。1990 年后，太阳能发电产业成长十分迅速，仅仅经过了 16 年的发展，就已经实现了大规模的应用， 建造了数十座兆瓦级太阳能发电站。 美国最先规划了太阳能利用的方案。 日本1992 也开始了新阳光计划，经过十年就让日本跻身世界光伏电池制造前沿。德国紧随其后制定了了光伏发电并网电价，规范了行业标准。法国，意大利，瑞士，芬兰，西班牙等国，相继开发太阳能能源发展规划，在投资于技术开发，加快光伏产业生产过程的同时。晶体硅电池仍占光伏电池的主要部分，它虽然是第一代产品，不仅转换效率高 , 而且技术成熟 , 发电性能稳定 . 原料资源丰富，因此目前应用较广泛 . 2.2 光伏发电原理我们这里说的光伏发电主要是利用光生伏特效应原理， 应用半导体原件通过光照产生电势，形成电流加以利用的。光伏效应是光照在太阳能电池表面， 光被吸收在光生伏打电池的界面层， 所述光子具有足够的能量以激发共价键中的 P和 N型硅原子，电子，得以形成电子－空穴对。 PN结附近的不稳定状态恢复前， 其电场是不均衡分布的。 电子向带正电荷的 N区和空穴向带负电荷的7 P区方向运动。由分离的电荷层，将产生一个可测量的电压之间的和区。这时在硅片的两边附上电极并接入电路。 由光照导致的电子－空穴对越多， 电流越大。 多个太阳能界面层的接受，能够加大光生伏打电池的界面面积，电流形成的光伏电池也更大。半导体参杂示意图如图所示， 各种半导体在受到阳光的照射， 产生的电子空穴对， 会分别朝向 P 和 N区移动，外接成回路就可以形成电流，这就是光伏发电的原理。2.3 光伏发电特性已知的可用于制造光伏电池半导体材料很多， 所以光伏电池也有很多种。 截止目前， 在光伏电池制造领域，生产能力技术最好，工业产品化最好的是硅太阳能电池。光谱特性实际应用中不是所有波长的光都能够同样效率的转化为电能， 实际情况是， 由于光的波长不同， 电池将光能转换为电能的能力也不一样。 一般来说， 红光波长段的辐射和蓝光段辐射变换为电能的效率是不一样的。 像这样的因光谱不同影响转换效率的特征光伏电池的光谱特性。8 光谱特性一般用转化效率来表示， 转化效率， 即用单光子照到到光伏电池会生成多少电子空穴对。一般来说 1 个光子引起电子空穴是小于 1 的。温度特性一般是指太阳能电池本身或者所处位置温度的改变导致的工作效率的改变。光照特性光照辐射对电池的影响中， 一般控制两个物理变量 光通量和光照强度。 光通是单位时间吸收的辐射的能量。光照强度是平均每平方米有多少光通量。一般光照强度越大太阳能电池能产生的电流越大，当光照强度为 100～ 1000w／㎡时，产生的电流和光强的关系是基本上是线性关系； 光照强度影响光电压的作用十分有限， 温度基本不变的情况时，光强度在 400～ 1000w／㎡区间时，光伏电池产生的电压基本上保持恒定的。因此，由功率计算可以得出，光强和光伏电池的功率关系是线性的。第三章 系统设计3.1 系统总体设计本太阳能光伏电力转换系统， 主要功能是不稳定的电源光伏电池， 实现了稳定控制， 通过控制器， 现将其变换为稳定的直流电， 以便将其输入蓄电池存储， 要使用时可以通过逆变器变换为 220V 市电输出，达到利用电能的目的。其总体设计概念图如下总体设计框图可以看出，本设计核心模块分为 DC-DC变换模块、充电保护模块、逆变器模块和光伏电池。以下将详细研究设计各模块的细节，以及电路的设计方案。2.2 DC-DC 变换电源模块设计降压升压电路原理降压电路9 图五 降压电路工作原理 将功率开关管作为开关元件， 在 PWM信号控制下， 使输入电压交替接通和断开储能电感。 当 MOS管打开时， 二极管 D的状态是反向截止， 输入电流经功率开关管 M与电感 L 形成回路，输入电压和输出相比其差值加在电感 L 上，使电流 I L 线性增加，这时侯电源不仅提供给负载， 也同时有部分能量以其它的形式贮存在电感 L 和电容 C里。 当功率管截止时，由于电感特性， I L 不能瞬间突变，所以会产生反向电场来维持流过电感时保持不变。此时二极管 D打开，存储在 L 中的能量经 D构成闭合回路输出，以至于维持了电压不变。升压电路图六 升压电路工作原理 和降压变换器原理一样， 也是通过脉宽调制信号控制 MOS管通断， 来实现对输出电压的动态控制达到稳压的效果。当 M断开时，二极管 D此时截止，电感元件 I L 上的电流线性持续增加， 进行存储电能， 当电容 C放电时，流过负载电流经过负载，负载两端电压为 U0；开关管闭合时电感两端电压极性翻转，通过电感的电流不变，电感中的储能与输入电源一起为负载供电， 电容 C同时进行充电，电感放电完成，伴随电容充电结束，当输出电压下降时，电容 C将释放存储的能量，以至于维持了电压不变。10 了解了开关稳压电源的原理， 我经过查阅资料得知， 搭建开关稳压电路， 在工作稳定性能上不如继承稳压电路。 后者有工作稳定，易于维护，使用简单的特点，尤其在成本上和原始电路相比，有绝对优势。我在这里选择 XL6009 型开关电源芯片， XL6009 为 400KHz的固定频率 PWM降压直流转换器，额定电流为 4A。基于 XL6009 设计的稳压电路搭建此电路相对容易，配合使用的电子元件较少。 XL6009 本身自带过流保护，过温度保护，输出短路保护，整个模块运行效率也能得到保证。电路中， 经过 R1， R2测量输出电压同时可以电压模式控制使能端 CV， EN脚可以通过对高低电平控制整个电路的运行与否， 当 EN脚为高电平即大于 1.4V 时或者悬空时， 芯片有输出； 0.8V 以下的低电压时，芯片不工作。 输出电压是可以控制的， 通过预设 R2 和 R1的比例即可。如 R216K R11.82K VOUT1.25* （ 1R2/R1）可以算出输出电压为 12.25V 。11 XL6009 技术特点（ 1）芯片是可以用于升压降压或者升降压的通用方案，系统成本很低，可靠比较高；（ 2）电源变换系统用此芯片设计比较简单，效率也可以得到保证；（ 3）内置了大功率开关管，自带有电流、电压、温度保护电路，安全性高；同时，芯片内置固定频率时钟、软启动电路、环路频率补偿电容等，使得芯片有很高的可靠性和安全性。2.3 充电保护模块的设计光伏电池板经过稳压后， 经过充电控制器， 可以直接连到蓄电池上进行能源存贮， 所述控制器控制的太阳能电池存储充电， 电能可以被转换成交流电流被用于逆变器， 或者直接接蓄电池将电能存储，实现对太阳能的利用和使用。电路主要元件包括 UC3906、电压比较器、稳压芯片等。（ 1）芯片 UC3906 蓄电池在众多储能设备中，有优良的性价比， 免维护，长达十年的使用期， 在国内外得到广泛认可和应用，这里使用的 UC3906就是蓄电池充电专门研制的控制集成电路芯片，因此选取它是再合适不过的了。图 3-4 UC3906 引脚图（ 2）电压比较器LM339电压比较器，可以实际根据需要进行选择。（ 3）稳压芯片LM317,光伏电池板输出稳压到 18V，进而对电池充电。（ 4）芯片 UC3906的工作特性UC3906作为专用充电集成电路芯片，对可密封铅酸电池可以充电状态（三大电流充电，控制充电， 浮充）提供控制，根据电池温度电压电流状态变化控制充电电压，从而蓄电池在不同的环境和变化的电压和温度下都能达到最佳充电状态以达到延长使用期限和减小电池损耗， 其控制可分别对充电电流、电压实现控制， 其本身工作消耗比较低， 能对密封铅酸蓄电池提供控制和检测的服务。12 根据工作时间的电池充电周期分为三个工作状态三种充电工作状态大电流快速充电状态 充电电池的充电电路开始使用一个大的恒流充电， 则充电电流基本上是保持在一个稳定的数值，电压继续上升。过充电状态当电池充电一段时间后，电池电压达到 95％的额定电压时，控制芯片转换电流充电状态，进入过充电状态，然后电压保持充电的充电电压，电流开始缓慢下降。浮充电状态 当充电电流弱到一定数值， 充电电路进入浮动充电， 并保持电池的电压，由于充电电流检测放大器的输出信号来控制引脚充电终止电位升高。 若蓄电池外接负载开始消耗电量，导致蓄电池电压减小到过充电压以下，芯片又控制状态变换为充电状态。（ 5）整体电路的基本设计13 图 3-6 充电系统电路图开始充电时， 电压与功率晶体管打开， 开始一个大的恒流充电， 然后充电电流恒定不变，电池电压逐渐增加。 当电池电压达到充电电压的电池过充电状态时， 然后充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当给电池充电电流小到截止电流，芯片 10 脚输出高电平，比较器产生低电平， 电池成浮动充电状态。与此同时，充足后的电力 LED指示灯导通， 表示电池已充满电。2.4 DC-AC 变换输出模块的设计太阳能电池能够将太阳光转化为直流电并存储于存储设备中，达到保存能源的目的，然而，我们日常所用的市电是 220V 50Hz 的交流电，这就需要逆变器来实现蓄电池或者光伏发电到市电的转化。 当然我们在 DC/DC升降压变换的过程中都必不可少的需要先进行 DC/AC逆变后，对交流电实现升降压， 再通过镇流滤波输出所需电平。因此， 对逆变器的相关研究在发展和新能源利用领域，在应用上至关重要的作用。在该实验中， 以 12V 直流电源作为 TL494 芯片的供电电源， 同时作为逆变电路的输入端，提供电能供给。 TL494 芯片作为全桥逆变电路的驱动，工作于推免状态，输出两组互补的方波信号， 作为后部全桥电路的控制信号， 电流通过变压器反馈到 TL494 芯片实现的脉冲宽度调制电路，逆变器电路二级线圈输出稳定的交流电。总体框架图如下图所示逆变电路设计总体框架图1） TL494 功能介绍TLA94是一个脉冲宽度调制集成电路，很多计算机电源中心控制单元被使用时，如图所示。此芯片是 16脚两排直插型的集成芯片，其中自集成 PWM比较器、振荡发生、标准电压变换、空闲调节、自动停止等电路以及一对误差放大器标准的输出接口，结构及引脚图如下。14 TL494结构图各引脚的功能及有关参数如下1误差放大器电流输入接口，额定电压 41V。2误差放大器电流反向输入接口，额定电压 41V。3反馈端，补偿误差型号放大器的接口，额定 4.5V 。4死区时间控制端，进行脉宽调制，控制在 49％ -0区间5振荡器的定时电容端。6振荡器的定时电阻端。7接地端。8集电极，输出第 1路调制波形。9发射极，为输出第 1路调制波形。10发射极，输出第 2路调制波形。11集电极，输出第 2路调制波形。12电源端，提供保护，低于 7V自动关闭。13输出方式控制端14标准电压产生端口，为 5伏特。2） TL494 的工作原理TL494为一种固定频率的脉冲看度调制原件， 内部带有开关电源所必须的主要控制电路，内部振荡器频率大小由外部一个电容和一个电阻数值决定， RT和 CT。 振荡频率可以由下面公式决定经过对比在 CT上的锯齿波形和一个控制信号得以完成脉宽调制信号的产生。 当双稳态触发器接入低电平时才能启动 Q1、 Q2的或非逻辑电路， 就是说锯齿波的幅值要高于控制信号的电压。 所以， 控制信号的幅值上升会导致调制信号频率的变大。 下图所示的时序图可以作为参考 15 图 3-9 TL494 工作时序图TL494 在推挽工作模式下， 内部集成的两个晶体三极管轮流导通， 9 和 10 引脚作为晶体管的发射极， 输出幅度为 12 伏的方波信号， 作为驱动信号。 下图为使用示波器截取的 TL494输出的驱动信号波形图。TL494 输出的两个波形图3）推挽高功率流电路推挽高功率流电路能够对铅蓄电池的电流输出进行放大， 在保证电压输出的情况下对输出电流的放大能够提升电路的负载能力， 实现输出高功率的逆变交流电， 可以符合大多数日常用电器的标准。推挽高功率流电路如图16 全桥高功率流电路仿真图4）逆变器电路图及运行过程电路图如下，工作流程 将电路连接到蓄电池电源上 TL494 开始工作，内部标准电压稳压电路工作， 5、 6 脚连设计好的电感电容组成振荡器，通过两原件的参数大小，可以控制输出电路的工作频率，此处电路选 f100Hz ，振荡器产生的信号经过集成电路二分频运算处理后驱动电路依次联接，两个发射极一次产生高电平，通过电路控制使 VT3、 VT5 及 VT2、VT4依次通路，输出端的电压转换线圈两部分分开有序接通，次级线圈便可以将得到最终输出的 220 伏特 50 赫兹的标准交流电了， 实现逆变完成， 可以外接平常使用市电的用电器了。DC-AC 转换电路图2.5 单片机控制电路17 单片机控制电路图OUT1输出控制直流稳压装置启动信号电路仿真及调试总结参考文献