家用太阳能发电系统设计与推广

电子设计工程Electronic Design Engineering第 22 卷Vol.22第 18 期No.182014 年 9 月Sep. 2014收稿日期 ： 2013-12-17 稿件编号 ： 201312137基金项目 ： 咸 阳 职 业 技 术 学 院 科学研究基金项目 （ 2012KYA04 ）作者简介 ： 付 安 英 （ 1957 —）， 男 ， 陕西 礼 泉 人 ， 正 高 级 工 程 师 。 研究方向 ： 电子 与 光 电子 。太阳能以取之不尽 、 用之不竭 、 绿色环保 、 经济高效等特点 ， 成为新型能源工业的主力军 。 1954 年美国贝尔实验室研制的第一块太阳能电池 ， 揭开了太阳能开发应用新篇章 。 我国从 “ 东方红 1 号 ”到 “ 风云 1 号 ”， 再从 “ 神舟 1号 ” 到 “ 神舟 10 号 ” 载人航天工程 ， 再到嫦娥奔月 ， 太阳能发电应用技术取得了举世瞩目的成就 。半个多世纪以来 ， 太阳能光热 、 光电以应用异军突起 ， 由航空航天领域转为军事 、 民用领域 ， 应用进程不断加快 。 在党和 政 府 加 快 “ 新 农 村 建 设 ” 的 方 针 指 引 下 ， 城 乡 差 距 越 来 越小 ， 新农村在新能源利用方面需求越来越大 ， 住房取暖 、 烧水做 饭 、 大 棚 保 温等 方 面 ， 太阳 能 正 在取 代 柴 火 、 煤 炭 、 等 传统能源 ， 太阳能发电应用技术已普遍展开 。 但由于系统设计缺陷 、 价格偏高 、 我国农民收入偏低等原因 ， 目前我国太阳能新能源利用市场销售比率还不到 10%， 而国际市场却高达 50%以上 。 设计研制适应于广大农村家庭使用 ， 价格适中 ， 环保高效的太阳能发电系统在农村推广应用是具有重要意义 。1 原理与系统设计1.1 太阳能电池光电转换原理太阳 能 光伏 发 电 是利 用 半 导 体 界 面 的 光 生 伏 特 效 应 将光能直接转变为电能的一种技术 。 这种技术的关键元件是太阳能电池 。太阳 能 电池 是 一 种对 光 敏 感 并 能 将 光 能 转 换 为 电 能 的半导 体 器 件 ， 能 产 生 光伏 效 应 的材 料 有 许多 种 ， 如 ： 单晶 硅 、多晶硅 、 砷化镓等 。 民用太阳能电池常使用单晶硅 、 多晶硅材料 。 在纯净硅材料中 ， 应用半导体工艺技术 ， 分别掺入 3 价元素和 5 价元素材料 ， 形成 P 型和 N 型硅材料 ， 在 P 型和 N 型接触面就会形成 PN 结 。 当光线照射在太阳能电池表面上 ， 一部分光子的能量被硅材料吸收 ， 光子能量传递给硅原子 ， 使电子通过 PN 结向 N 区运动聚集 ， 使空穴通过 PN 结向 P 区运动聚集 。 这样电子和空穴在 P-N 结两侧聚集形成电位差 ，当 外 接电 路 时 ， 在电 压 的 作用 下 ， 将 有电 流 流 过电 路 产 出 一定的输出功率 。 这个过程就是光能转换为电能的过程 [1]。太阳 能 电池 经 过 串联 后 进 行 封 装 保 护 可 形 成 大 面 积 的太阳电池组件 ， 再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发家用太阳能发电系统设计与推广付 安 英 1， 张 伟 斌 2， 许 丹 2， 张 金 博 1（ 1. 陕西 国 际 商 贸 学 院 陕西 咸 阳 712000； 2. 咸 阳 职 业 技 术 学 院 陕西 咸 阳 712000）摘要 ： 太 阳 能 发 电技 术 已 广 泛 应 用于 军 事 和 民 用 领域 ， 针 对 太 阳 能 发 电系统 在 农 村 推 广 应 用的 困 难 ， 通过 调 研和 设计 分析 ， 优 选 各 部 分组 件 ， 研 制 安装 了 适 应 于 广 大 农 村 家 庭 使 用 ， 价 格 适 中 ， 环 保 高 效 的 太 阳 能 发 电系统 ， 对 农 村 推 广应 用 具 有 示 范 指 导 作 用 。 并 进行 推 广 应 用 分析 评 估 ， 为 太 阳 能 发 电技 术 推 广 应 用可行性研究 。关键词 ： 光 电 转 换 ； 太 阳 能 电 池 ； 控制器 ； 组 件 选 用中图分类号 ： TN66 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1674－ 6236（ 2014） 18-0145-04Household solar power system design and promotionFU An-ying1， ZHANG Wei-bin2， XU Dan2， ZHANG Jin-bo1（ 1. Shaanxi Institute of International Trade， Xianyang 712000， China；2. Xianyang Vocational and Technical College， Xianyang 712000， China）Abstract: Solarpowertechnology hasbeen widely used in military and civilian fields， for the popularization and application ofthe solar power generation system in the rural areasof difficulty ， through the research and designanalysis， optimizing eachpart component， installed for the rural family use， moderateprice， environmental protection and efficient solar powersystem，the application in rural areashasdemonstrativeguidance.Key words: the photoelectric conversion； the solar cell； the controller； componentselection图 1 光伏发电原理图Fig. 1 Photovoltaic principle diagram－ 145－《 电子设计工程 》 2014 年第 18 期2 组件选择及应用家用 太 阳能 发 电 系统 分 别 由太 阳 能 电池 板 、 电 池 、 控 制器和逆变 器 等组 成 ， 各 个组 件 质 量 、 性 能 、 价 格 、 效 能 等 关系到系统设计建设的成败和推广应用效果 。 优选各部分组件 ，认真 分析 其 性 价比 ， 合 理 选择 使 用 组件 ， 降 低 成本 对 提 高系统设计建设质量和推广应用非常重要 。2.1 太阳能电池片选用太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池 （ 片 ）， 有单晶硅 、 多晶硅 、 非晶硅和薄膜电池等 。 单晶和多晶电池用量最大 ， 非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等 。由一 个 或多 个 太 阳能 电 池 片组 成 的 太 阳 能 电 池 板 称 为光伏组件 。 是太阳能发电系统的核心部件 国产晶体硅电池效率 在 10 至 16% 左右 ， 国 外 同类 产 品 效率 约 18 至 23% 。表 1 列出来各种太阳能电池的 光电转换最高效率 。目前 ， 我国由于半导体材料研制生产技术已比较成熟 ， 单晶硅 、 多晶硅 、 材料生产量已稳居世界各国之首 ， 光电转换效率适中 ， 价格较低 。 已成为太阳能电池首选材料 。 2013 年多晶硅电池市场价格下降到 6元 /W。 已具有推广应用空间 。 经市场调研 ， 系统选用多晶硅太阳能电池 ， 其光电转换效率为 13~15%， 性能稳定 ， 性价比高 ， 是理想的系统建设推广太阳能电池板 。2.2 控制器设计原理与应用太阳 能 控制 器 是 由专 用 处 理 器 CPU、 电 子 元 器 件 、 显 示器 、 开关功率管等组成 ， 其原理框图如图 5 所示 。太阳能电池组件由于太阳光的强弱变化 ， 其产生的电流也具有波动性 ， 如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接 给 负 载供 电 ， 则 容易 造 成 蓄电 池 和 负载 的 损 坏 ， 严 重 影 响光伏发电系统的寿命 。对蓄 电 池充 电 时 ， 需把 电 流 先送 入 光 伏 控 制 器 ， 采 用 专用芯片电路对其进行数字化调节 ， 并加入多级充放电保护 ，同时采用独有的控制技术 “ 自适应三阶段充电模式 ”， 确保电池和负载的运行安全和使用寿命 。对负载供电时 ， 也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器 ， 经过它的调节后 ， 再把电流送入负载 。 一是为了稳定放电电流 ； 二 是为 了 保 证蓄 电 池 不被 过 放 电 ； 三 是 可 对负 载 和 蓄电池进行一系列的监测保护 。电装置 。 由于阳光普照大地 ， 太阳能取之不竭 、 用之不尽 ， 成为新能源发展的重点 。 光伏发电的优点是较少受地域限制 ，光伏系统还具有安全可靠 、 无噪声 、 低污染 、 无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点 ， 一直是新能源产业发展研究和推广应用主要方向 。1.2 系统设计太阳能发电系统分为离网发电系统与并网发电系统 。 离网发电系统主要由太阳能电池组件 、 控制器 、 蓄电池 、 逆变器组成 ， 家 庭 用小 型 太 阳能 发 电 、 太阳 能 路 灯等 主 要 采用 离 网发电系统 ； 并网发电系统是太阳能组件产生的直流电经过并网 逆 变 器转 换 成 符合 市 电 电网 要 求 的交 流 电 后直 接 接 入 公共电网 。 家用分散式小型并网发电系统 ， 特别是光伏建筑一体 化 发电 系 统 ， 由于 投 资 小 、 建 设 快 、 占地 面 积 小 、 政 策 支 持力度大等优点 ， 逐渐成为并网发电的主流 [2]。目前 ， 我 国 农村 家 庭 用电 负 载 一 般 在 3 千 瓦 左 右 ， 设 计一个 3 千瓦太阳能发电系统 ， 可满足大多数家庭用电需求 。本项目拟先设计一个独立系统 ， 安装在住户的屋顶上 ，向家庭提供生活用电 。 系统建成后 ， 根据实际光伏发电和使用进行分析总结 ， 对家用太阳能发电系统进行综合评估 ， 提出推广应用可行性方案 。 系统由太阳电池组件 ， 控制器 ， 逆变器 ， 蓄电池等部分组成 。 原理图 、 示意图如下 ：图 3 家用太阳能离网发电系统原理示意图Fig. 3 Home solar off-grid power generation system principle diagram图 2 家用太阳能发电系统原理框图Fig. 2 Household solar power generation system principle block diagram图 4 家用太阳能并网发电系统示意图Fig. 4 Home solar grid -connected power generation system schematic diagram表 1 各种太阳能电池的光电转换最高效率Tab. 1 Highest photoelectric conversion efficiency of solar cells种 类 单晶硅 多晶硅 非晶硅 砷化镓 硒化塡铟铜 多接串叠型最高效率 24.7% 19.8% 14， 5% 25.7% 8.8% 33.3%－ 146－从电 路 形 式上 看 ， PWM 型 逆 变 器 单 相 电 路 中 主 要 有 单相半桥 、 全桥和变压器组成的 PWM 型逆变电路 [3] 。 其中 ， 全桥电路应用最多 。 半桥电路主要用于功率很小的场合 。 带中心抽 头 变 压器 ， 它 只 用两 个 功 率开 关 器 件 ， 而 其 电 流通 道 只有一 个 开 关器 件 ， 管 压降 低 。 因 此 ， 可 用 于 以电 池 为 直 流 电源 且直 流 电 压较 低 的 场合 。 逆 变 器需 要 极 高的 效 率 和 可 靠性 [4]。 DC 电压转换为一稳定的值 ， 并且转换效率要达到 96%以上 。 据报道 ， 安装在朝南屋顶上的 3 kW 串 联 模块 预 计 每年 可 发 电 2 550 kWh 。 若 逆 变 器 效 率 从 95% 增 加 到 96% ，每年便可以多发电 25 kWh 因此 ， 选 择 性 能优 良 的 逆变 器 对太阳 能 发 电系 统 应 用至 关 重 要 [5]。 本 系 统 选 用 1.5 kW ， 2 个逆变器即可 。3 太阳能发电系统研制结果在家用太阳能发电系统设计和安装中 ， 根据总体设计思路 ， 在对系统电路精心设计和对太阳能电池板 、 蓄电池 、 控制器 和 逆 变 器 等 主 要 部 件 优 选 的 基 础 上 ， 设 计 组 装 了 家 庭 用3 kW 太阳能发电系统 。 经使用测试 ， 在光照正常情况下 ， 可满足家庭 200 升电冰箱 ， 56 吋电视 ， 和总计 300 W 照明灯正常使用 。 在夏天 ， 同时可带动一个 1.5 匹的空调正常工作 。 其费用合计在 3 万元左右 。 现阶段 ， 一般经济条件好的家庭有能力建设家用太阳能发电系统 [6]。图 5 太阳能控制器原理框图Fig. 5 Solar controller principle block diagram图 6 PWM 功率型逆变器电路原理图Fig. 6 Type PWM power inverter circuit principle diagram本设计选用 WS30-48 型太阳能控制器 ， 其太阳能 额定功率 3 kW， 太阳能充电电流 45 A ， 蓄电池额定电压 48 V。 具有太阳能电池防反充 、 太阳能电池防反接 、 蓄电池过充电 、 蓄电池防反接 、 防雷等功能 。 性能稳定 ， 市场价格适中 ， 可满足一般家有太阳能发电系统系统使用 。2.3 蓄电池选应用蓄电 池 的 作用 是 在 有光 照 时 将 太 阳 能 电 池 板 所 发 出 的电能储存起来 ， 到需要的时候再释放出来 。 太阳能光伏发电 ，通常 采 用 的有 铅 酸 免维 护 蓄 电池 、 普 通 铅酸 蓄 电 池 ， 胶 体 蓄电池和碱性镍镉蓄电池 4 种 。 铅酸免维护蓄电池因成本低 、寿命长被国内广泛使用 。 因为其固有的 “ 免 ” 维护特性及对环境较 少 污 染的 特 点 ， 很适 合 用 于性 能 可 靠的 太 阳 能 电 源 系统 ， 特别是无人值守的工作站 。选 用 6-QAW-100 ： 由 6 个 单 体 电 池 组 成 ， 额 定 电 压 为12 V ， 额定容量为 100 A· h 的免维护铅酸蓄电池 。 组成系统蓄电池群 ， 为系统推广可靠稳定能源 。2.4 逆变器设计与应用我国家用电器的电源均使用 220 V 交流电 ， 而太阳能电池转 换 的 电能 及 蓄 电池 输 出 的电 压 为 直流 的 ， 电 源 一 般 在12~48 V。 要向的电器提供 220 VAC 电能 ， 需要将太阳能电池和蓄电池的直流电转换成交流电 。 DC-AC 逆变器就将直流电转换成交流电的电子设备 。逆变器又分为离网逆变器和并网逆变器 。 家用小型太阳能发电系统使用的逆变器原理电路如图 6 所示 。付 安 英 ， 等 家用 太 阳 能 发 电系统 设 计与 推 广－ 147－《 电子设计工程 》 2014 年第 18 期4 结束语在系统设计研制过程中 ， 注重了系统总体方案的设计以及太阳能电池板 、 蓄电池 、 控制器和逆变器等主要部件优选 ，力求 系 统 功能 优 良 可靠 ， 价 格 低廉 ， 以 便 在广 大 农 村推 广 应用 。 从目前我国农村使用电网供电费用看来 ， 整个系统的造价还偏高 ， 使农村用户接受还有相当的难度 。 推广新能源在我国还有很长的路要走 。参考文献 ：[1] 滨川 圭 弘 .太 阳 能 光 伏 电 池 及其 应 用 [M]. 北 京 ： 科 学 出 版社 ， 2010.[2] 董博 . 户 用 光 伏 发 电系统 控制 策 略 的 研 究 [D]. 沈 阳 ： 沈 阳工 业 大学 ， 2011.[3] 徐 鹏 来 . 单 相 光 伏 并网 逆 变 系统 的 分析 与研究 [D]. 镇 江 ：江苏 科 技 大学 ， 2010.[4] 姜 晟 ， 孙 道 宗 . 基于 Atmega128的 光 伏 并网 发 电系统 设 计 [J].电子 设 计 工 程 ， 2011（ 22）： 11-13.JIANG Cheng， SUN Dao-zong. 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