太阳能充电装置研究学士学位论文.docx
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太阳能充电装置研究学士学位论文
摘要
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而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,再配合上蓄电池组,充放电控制器,逆变器等部件就形成了光伏发电装置。
本文首先介绍了太阳能光伏电源系统的原理及其组成,初步了解了光生伏打效应原理及其模块组成,然后进一步研究各功能模块的工作原理及其在系统中的作用,最后根据理论研究成果,利用硬件和软件相结合的方法设计出太阳能光伏电源系统,以及研究系统的影响因素。
关键词:
光生伏特效应;太阳能电池组件;蓄电池组;充放电控制器;逆变器
Topic:
TheDesignofPhotovoltaicPower
Abstract
Photovoltaicpowergenerationisatechnologyofbeingenergydirectlyintoelectricalenergyonsemiconductorphoto-voltaiceffect.Thekeycomponentsofthistechnologyisthesolarcell.Solarcellsinseriescanbeformedafterthepackagetoprotectalargeareaofsolarcells,togetherwiththebattery,chargeanddischargecontroller,inverterandothercomponentstoformaphotovoltaicdevice.Thispaperintroducestheprincipleofsolarphotovoltaicpowersystemanditscomponents,apreliminaryunderstandingoftheprincipleofphotovoltaiceffectanditsmodules,andthenfurtherstudytheworkingprincipleofeachfunctionalmoduleanditsroleinthesystem,thefinalresultsoftheoreticalstudiesbasedtheuseofhardwareandsoftwarecombinationdesignedasolarphotovoltaicpowersystems,andstudytheimpactofsystemfactors.
Keywords:
photo-voltaiceffect;Solarcells;batteries;chargeanddischargecontroller;inverter.
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日期:
年月日
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日期:
年月日
目录
1绪论1
2太阳能光伏电源的整体构造5
2.1太阳能电池板5
2.1.1光伏电池工作原理6
2.1.2太阳能电池板功率计算方法:
7
2.1.3 光伏电池介绍10
2.1.4知识拓展————其他材料太阳能电池简介12
2.2.蓄电池组13
2.2.1太阳能光伏电源系统对蓄电池组的基本要求13
2.2.2铅酸蓄电池组的结构13
2.2.3铅酸蓄电池组的工作原理14
2.3.充电控制电路15
2.3.1控制器的功能:
15
2.3.2 简易式充电控制器16
2.3.3 恒流式充电控制器16
2.4*.逆变器
17
逆变器的分类17
太阳能光伏电源系统对逆变器的要求18
3太阳能光伏电源系统的影响因素21
4太阳能发电装置在部队中应用的发展方向22
4.1增强便携性22
4.2.提高转换效率23
4.3.开展太阳能电池与数字化装备紧密结合的研究24
笔者心得体会:
25
主要参考文献:
26
1绪论
随着经济的快速发展和生活水平的不断提高,人类对能源的需求不断的扩大。
传统能源给社会带来两大问题:
一是能源危机———传统能源日益减少取之有尽,二是环境污染———传统能源对环境造成的危害日益突出。
目前全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。
为了严格遵守《京都议定书》的各项条款和最终目标,实现人类合理利用资源、保护生态环境、减少和控制污染、提高人类生活品质以及建设美好家园的共同理想,真正实现减少温室气体的排放,我国在积极推广使用适用的洁净煤技术和加大天然气的使用量的同时,也在努力致力于研究发展高效的、先进的清洁能源技术和可再生能源技术.我们利用各种宣传媒体和手段向公众宣传清洁能源资源、清洁能源技术和节能技术、提高公民意识,组织各方面的专家学者、官员和消费者共同参与研究与制定相应的能源扶持与激励政策,搭建并整合自由的能源供应与消费市场,坚持不懈地倡导和支持各方面的投资商积极投身于先进的清洁能源技术和产品的开发利用行列中去,利用先进的清洁能源技术为消费者提供高效清洁环保的能源,激励全民提高天然气和可再生能源的用量。
我国在积极倡导、激励发展与利用建筑节能新技术的同时,还鼓励发展包括太阳能光伏电池、风能和生物质能在内的新能源技术开发和利用。
在政府合理政策的推动下,研究与应用的步伐加快,风能和太阳能等先进技术的商业化利用水平得到迅速提升。
在相关能源政策和市场机制方面,我国政府制定了很多有利于研发、应用推广清洁能源技术和减少温室气体排放方面的政策,结合实际国情,制定了切实可行的温室气体减排年度目标、计划和实施步骤。
同时,我们还建立了温室气体排放绿色证书管理体制,为建立自由的、公正的、合理的能源市场奠定了坚实的基础,增强了能源生产商的投资积极性,积极主动采用新技术,促进了清洁能源技术的应用与发展,为全面胜利地完成温室气体减排目标创造了条件。
太阳能,是地球上一切能量的根本来源,这种取之不尽用之不竭的能源以其独有的优势成为人们重视的焦点。
丰富的太阳辐射能是重要的能源,是一种绿色清洁能源,无环境污染、无地域之分、人类能够自由利用的能源。
在太阳能的有效利用当中,大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域。
太阳能的利用在国际上已经十分广泛,在新西兰、澳大利亚灯光照充足的国家,以及诸多欧美发达国家太阳能充电装置(太阳能充电站)已所在多有,随处可见的太阳能充电站使得充电交通工具补充能量如同汽车加油一般容易。
太阳能光伏发电具有独特的优点,近年来正在飞速发展。
太阳能电池的产量年增长率在40%以上,已成为发展最迅速的高新技术产业之一,其应用规模和领域也在不断扩大,从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用,发展到城市并网系统和大型光伏电站。
尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道,但是随着社会的发展和技术的进步,其份额将会逐步增加,可以预期,到21世纪末,太阳能发电将成为世界能源供应的主体,一个光辉的太阳能时代将到来。
我国的光伏产业发展尚不完善,2007年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世界第一,然而光伏应用市场的发展却非常缓慢,光伏累计安装量大约只占世界的1%,应用技术水平与国外相比还有相当大的差距。
光伏产品与一般机电产品不同,必须很据负载的要求和当地的气象、地理条件来决定系统的配置,由于目前光伏发电成本较高,所以应进行优化设计,以达到可靠性和经济性的最佳结合,最大限度的发挥光伏电源的作用。
为了提高太阳能的转换效率,获取更多的有效能源,满足人类的能源供应,世界各国在研究太阳能光伏系统中都投入了大量的人力与物力。
我国对太阳能光伏电源系统的研究还处于世界低等水平,产品的性能还有待提高,为迎接未来能源短缺带来的严峻挑战,我们应该加大对太阳能光伏系统的研究,以满足人类未来对能源的需求。
目前,光伏发电产品主要用于三大方面:
一是为无电场合提供电源,主要为广大无电地区居民生活生产提供电力,还有微波中继电源、通讯电源等,另外,还包括一些移动电源和备用电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等;三是并网发电,这在发达国家已经大面积推广实施。
我国并网发电还未起步,不过,2008年北京奥运会部分用电将是由由太阳能发电和风力发电提供的。
虽然清洁能源能作为一种新型能源受到各国的普遍重视而发展迅猛,但在军事装备中应用则起步较晚。
在军队中,应急能源通常有太阳能(太阳能电池板),机械能(手摇发电机),风能(风车)等(见图1),其中,太阳能应急发电以其无所不在的分布以及取之不尽的数量在应急发电手段中,独领鳌头日前,随着新形势下作战需要的不断发展和科学技术的飞跃,太阳能利用手段不断提高,成本也不断下降,使得其日益成为数字化部队装备的理想电源。
军事领域中的变革随着新世纪的到来如火如荼,从机械化向信息化转变的脚步更是不可抗拒,而数字化部队的建立成为了这场变革从理论走向实践的标志。
大量的数字化装备列装部队,使得除了要保障其传统能源(如汽油)的供应之外,还要保障其电能供应。
我军目前大力推进信息化建设,数字化装备开始装备部队,如果完全依赖充电电池作为数字化装备的电源,参考伊拉克战争中美军单兵装备重量(约4lkg),这样的负重显然不适合于我军官兵的体质。
如果考虑到我国充电电池制造技术落后于美国,所承受的压力会更大。
所以我军必须加快发展太阳能电池,以应对信息化的发展趋势。
经过数十年的发展,我国的太阳能电池的制造能力和技术水平已取得了长足的进步,与世界先进国家相比,相差不大,而且完全有能力研发制造应用于军事装备中的太阳能电池,为部队数字化装备提供电源,从而有力地支持我军信息化建设。
本文将从太阳能充电装置硬件结构,部件原理,能量转换方式以及发展趋势等方面展开,对太阳能充电装置进行全面地系统地讨论。
各类电池
设便携备
太阳能电池板
智能充电器
锂电池组
手摇发电机
风力发电机
车充电
AC适配器
图1应急能源包系统连接示意图
2太阳能光伏电源的整体构造
太阳能光伏电源系统示意图
如图所示,太阳能光伏电源主要由太阳能电池方阵,充电控制电路,蓄电池,逆变器,负载等部分组成,现在,将对各部分及其原理做详细介绍。
2.1太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳能转化为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
2.1.1光伏电池工作原理
光伏效应:
当表面蒸发~层透光金属薄膜的半导体薄片被光照射时,在它的另一侧和金属膜之间将产生一定的电压,这种现象称为光生伏打效应,简称光伏效应。
太阳能电池是通过光电效应或者光化效应直接把光能转化为电能的装置。
在半导体:
P—N结上,这种光伏效应更为明显。
因此,太阳能电池都是由半导体P—N结构成的,最简单的太阳能电池由一个大面积的P—N结构成,例如P型半导体表面形成薄的N型层构成一个P—N结见图1。
由于N型层很薄,能透过照射的阳光,光照时,在P型和N型两区内,光激发下都产生了电子一空穴对。
如果在一个扩散长度的范围内这些被激发出来的电子或空穴,就都有可能在复合之前通过扩散运动到达P—N结的强电场区。
半导体P—N结的界面附近,电荷积累形成的阻挡层(耗尽层)中有一个强电场,场强方向由N区指向P区。
这样,在强电场的作用下,空穴由N区被扫到P区,而电子由P区扫到N区。
电子和空穴的这种运动将使P区带正电,而N区带负电,P-N结上就产生了一定的电压。
光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的。
太阳能电池组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性,也称为V-I特性曲线,如图2-3所示。
V-I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。
如果太阳能电池组件电路短路即V=0,此时的电流称为短路电流Isc;如果电路开路即I=0,此时的电路称为开路电压Voc。
太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积,即P=V*I。
太阳能电池的电流-电压特性曲线
I:
电流Isc:
短路电流Im:
最大工作电流
V:
电压Voc:
短路电压Vm:
最大工作电压
当太阳能电池组件的电压上升时,例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零(短路条件下)开始增加时,组件的输出功率亦从零开始增加;当电压达到一定值时,功率可达到最大,这时当阻值继续增加时,功率将越过最大点,并逐渐减少至零,即电压达到开路电压Voc。
太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性,在组件的输出功率达到最大点,称为最大功率点,该点所对应的电压,称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压);该点所对应的电流,称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流);该点的功率称为最大功率Pm。
太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度。
太阳的辐照度越强,输出的功率越大;太阳光谱分布越密集,输出功率越大;太阳能电池的温度越高,开路电压越低,输出功率越低。
2.1.2太阳能电池板功率计算方法:
太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。
为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件。
下面以100W输出功率,每天使用6个小时为例,介绍一下计算方法:
1.首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗):
若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%=111W;若按每天使用5小时,则耗电量为111W*5小时=555Wh。
2.计算太阳能电池板:
按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。
其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。
使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的输出
因为太阳电池组件的输出是在标准状态下标定的,但在实际使用中,日照条件以及太阳电池组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同,因此有必要找出一种可以利用太阳电池组件额定输出和气象数据来估算实际情况下太阳电池组件输出的方法,我们可以使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的日输出。
该方法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000W/m2照射的小时数。
将该小时数乘以太阳电池组件的峰值输出就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数。
太阳电池组件的输出为峰值小时数×峰值功率。
例如:
如果一个月的平均辐射为5.0kWh/m2,可以将其写成5.0hours×1000W/m2,而1000W/m2正好也就是用来标定太阳电池组件功率的标准辐射量,那么平均辐射为5.0kWh/m2就基本等同于太阳电池组件在标准辐射下照射5.0小时。
这当然不是实际情况,但是可以用来简化计算。
因为1000W/m2是生产商用来标定太阳电池组件功率的辐射量,所以在该辐射情况下的组件输出数值可以很容易从生产商处得到。
为了计算太阳电池组件每天产生的安时数,可以使用峰值小时×太阳电池组件的Imp。
例如,假设在某个地区倾角为30度的斜面上按月平均每天的辐射量为5.0kWh/m2,可以将其写成5.0hours×1000W/m2。
对于一个典型的75W太阳电池组件,Imp为4.4Amps,就可得出每天发电的安时数为5.0×4.4Amps=22.0Ah/天。
使用峰值小时方法存在一些缺点,因为在峰值小时方法中做了一些简化,导致估算结果和实际情况有一定的偏差。
首先,太阳电池组件输出的温度效应在该方法中被忽略。
在计算中对太阳电池组件的Imp要进行补偿。
因为在工作的时候,蓄电池两端的电压通常是稍微低于Vmp,这样太阳电池组件输出电流就会稍微高于Imp,使用Imp作为太阳电池组件的输出就会比较保守。
这样,温度效应对于由较少的电池片串联的太阳电池组件输出的影响就比对由较多的电池片串联的太阳电池组件的输出影响要大。
所以峰值小时方法对于36片串联的太阳电池组件比较准确,对于33片串联的太阳电池组件则较差,特别是在高温环境下。
对于所有的太阳电池组件,在寒冷气候的预计会更加准确。
其次,在峰值小时方法中,利用了气象数据中测量的总的太阳辐射,将其转换为峰值小时。
实际上,在每天的清晨和黄昏,有一段时间因为辐射很低,太阳电池组件产生的电压太小而无法供给负载使用或者给蓄电池充电,这就将会导致估算偏大。
通常,这一点造成的误差不是很大,但对于由较少电池片串联的太阳电池组件的影响比较大。
所以对36片串联的太阳电池组件每天输出的估算就比较准确,而对于33片串联的太阳电池组件的估算则较差。
再次,在利用峰值小时方法进行太阳电池组件输出估算时默认了一个假设,即假设太阳电池组件的输出和光照完全成线性关系,并假设所有的太阳电池组件都会同样地把太阳辐射转化为电能。
但实际上不是这样的,这种使用峰值小时数乘以电流峰值的方法有时候会过高地估算某些太阳电池组件的输出。
不过,总的来说,在已知本地倾斜斜面上太阳能辐射数据的情况下,峰值小时估计方法是一种对太阳电池组件输出进行快速估算很有效的方法。
2.1.3 光伏电池介绍
光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。
太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),大部分以硅为原材料,目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池:
单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。
对于单晶硅太阳能电池,由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质,使单晶硅的使用成本比较昂贵。
多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性,意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离,因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失,所以多晶体硅太阳能电池的效率一般比单晶体硅太阳能电池低,多晶体硅太阳能电池用铸造的方法生产,所以它的成本比单晶体硅太阳能电池的低。
非晶体硅太阳能电池属于薄膜电池,造价低廉,但光电转换效率比较低,稳定性也不如晶体硅太阳能电池。
目前,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池目前多数用于弱光性电源,如手表、计算器等。
太阳能光伏电池是用于把太阳的光能直接转化为电能且大多数以硅为基底的太阳能电池,同时可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。
在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面单晶硅、多晶硅电池优于非晶硅电池。
目前单晶硅太阳能电池的转换效率,在严格的实验室工艺条件下最高可以达到24.7%,批量生产可达16%左右。
多晶硅太阳能电池转换效率可以达到15.1%。
在III—V族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%。
太阳能电池板是太阳能供电系统中心的核心部分。
其功能是将太阳能的辐射能量转化为电能,故能量转化率是一个重要的参数。
本文所介绍太阳能充电器的太阳能电池板为单晶硅电池,光电转换率为15%~20%以上,并且可以根据需要将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。
所选用的太阳能电池板技术参数指标:
标称功率0.4W;峰值电压4V;峰值电流100mA;尺寸600mm×600mm×40mm。
考虑被充电池的电流不同所充电时间不等,所以采用八块相同参数电池板串、并联,这样电压为8V,最大电流可达400mA左右(电流大小在控制电路中调节)总标称功率为3.2W左右,可根据不同的被充电对象进行调整。
2.1.4知识拓展————其他材料太阳能电池简介
多元化合物薄膜太阳能电池:
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。
硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。
砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池。
但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。
铜铟硒薄膜电池(简称CIS)适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样。
具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要
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