太阳能光伏培训教材

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1、 本文由lishan626贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 太阳能光伏电源系统应用技术 培 训 教 材 前 言 我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努力， 已具有一定的水平和基础。 过去我国边远地区的光伏发电市场主要由国家投资项 目和多边援助项目支撑。90 年代以来，随着边远地区经济发展和农牧民收入水 平的提高，边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行/全球 环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示， 我国西部地区经营 太阳能光伏发电系统的各类公司和团体由 80 年代的不足 10 家，发

2、展到 1997 年 底的 50 多家，其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光 伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力。 光伏电池发电有离网(独立电站)和并网(市电并网电站)两种工作方式。过 去，由于太阳电池的生产成本居高不下，所以光伏电池多用于工业部门（邮电、 电力、石油、铁路等）和偏远无电地区的中小功率离网用户。随着光伏产品成本 的降低和农牧民收入水平的提高，太阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始 向较大功率的交流系统和村庄供电系统发展； 并且逐步向并网发电以及和建筑相 结合(屋顶发电系统)的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。太 阳能光伏电源的应用领

3、域十分广阔，从数十瓦的户用照明系统到电信、电力、铁 路、石油、部队等部门通讯设备数千瓦的备用电源系统，甚至在西藏阿里、安多 等地区还建成几个数十千瓦的集中型太阳能光伏电站。 随着我国光伏事业的高速发展和应用领域的拓宽， 从事太阳能光伏电源系统 集成设计和安装的技术人员不断增加。 由于太阳能光伏电源技术属于跨多学科的 新兴学科，它涉及到气象、光学、半导体、电力、电子、计算机和机械等多种学 科技术，要求从业的技术人员应掌握广泛而深入的技术知识，才能合理设计使用 和充分发挥价格较昂贵的光伏系统设备的作用。但是，目前国内有关光伏技术的 书籍和资料大多是介绍太阳电池、蓄电池等器件原理和应用方面的基本知识

4、，而 系统阐述太阳能光伏电源系统集成设计和配套电子设备（光伏电源控制器、方波 或正弦波逆变器及系统检测仪器等）应用的专业资料却很少。因此，北京市计科 能源新技术开发公司根据多年来从事光伏电源系统集成设计、 工程安装和配套电 子设备生产的经验，组织编写了这本培训教材，试图帮助广大从事太阳能光伏行 业的技术人员系统学习掌握光伏系统集成设计和配套电子设备的应用， 更好地发 展我国的光伏事业。 由于水平有限，时间仓促，对本培训教材中不当和错误之处敬请专家和读者 批评指正。 1 目 录 一绪 论 3 1我国的太阳能资源概况 4 2太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式 4 3太阳能光伏技术的发展及前景

5、 5 二太阳能光伏电源系统的原理及组成 6 1太阳能电池方阵 7 2充放电控制器 10 3直流/交流逆变器 10 4蓄电池组 5测量设备 6太阳能光伏电源系统的设计 11 三光伏电源充放电控制器 15 1控制器的功能： 15 2控制器的基本技术参数 15 3控制器的分类： 16 4控制器的基本电路和工作原理： 16 5小型单路充放电控制器产品实例 18 6普通型柜式充放电控制器产品实例 20 7智能型壁挂式充放电控制器产品实例 23 四直流交流逆变器 28 1逆变器的功能： 28 2光伏发电系统对逆变器的技术要求 28 3逆变器的分类和电路结构 30 4逆变器的控制电路 33 5逆变器功率器件

6、的选择： 38 6逆变器的主要技术性能指标 29 7PWM 方波逆变器产品实例 41 8SPWM 正弦波逆变器产品实例 43 93kW 可调度型并网逆变器 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 五光伏电源系统数据采集器 45 1数据采集器的主要技术指标 45 2数据采集器的基本功能 45 3数据采集器的硬件结构 46 4数据采集器的操作 47 六蓄电池组： 50 1铅酸蓄电池的结构及工作原理 50 2铅酸蓄电池的工作原理 50 3蓄电池的电压、容量和型号 51 4电解液的配制 51 5蓄电池的安装 53 6蓄电池的充电： 54 7固定型铅酸蓄电池的管理和维护 55 2 七备用柴油发动机和交流

7、充电设备 57 1柴油发电机组 57 2交流充电设备产品实例 JKZH-60K-3CH 整流充电柜 60 一绪 论 在人类文明的历史长河中， 人类不断地从自然界索取、 探求适合生存和发 展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开 3 始，由地球在长达 50 万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、 石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类 文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的， 按目前消耗的速度计，石油还可供开采 40 年左右，天然气约 60 年，煤可望达 200 年。全球能源消耗的年增长率约

8、为 2%，近 35 年来世界能源消费量已经翻 了一番。人们预计，到 2025 年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们 注意到必须开发新的能源。 常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。 到 20 世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的 CO2 排放量约 210 亿 吨左右，已经使地球严重污染，而且目前 CO2 的年排放量还在呈上升趋势。CO2 造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖 1.54.5,最严重的后果是海平面将上升 25145cm，沿海低洼地区将被淹 没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物

9、燃 料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的 湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破 坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、 汞、锌、铜等） ，威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度 恶化，形成了强烈的反差。 针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类 目前迫切需要解决的重要问题。 虽然目前人类可利用的新能源， 如太阳能、 风能、 地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可 持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成

10、为最为理想的 可再生能源和无污染能源。 1 我国的太阳能资源概况: 2 太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式: 太阳能电池发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点，如安全可靠、 4 无噪声、无污染，能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无机械转动部 件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架 设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等，因此，无论从近期还是远期，无论 从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度来考虑， 太阳能电 池发电都极具吸引力。目前，太阳能电池发电系统大规模应用的唯一障碍是其成 本高，预计到 21 世纪中叶，太阳能电池发电的成本

11、将会下降到同常规能源发电 相当。届时，太阳能电池发电将成为人类电力的重要来源之一。 目前太阳能的利用形式主要有光热利用、 光伏发电利用和光化学转换三种形 式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输， 一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以 光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能 作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有 前两者无法替代的优势。且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电 池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、 环境和人类社会未

12、来发展中占据重要地位。 由于太阳光资源具有分散性，而且随处可得，太阳能电池发电系统特别适 合于作为独立的电源使用，例如边远地区的村庄及户用供电系统、太阳能电池照 明系统, 太阳能电池水泵系统以及大部分的通信电源系统等都属此类。太阳能电 池发电系统还可以同其它发电系统组成联合供电系统，如“风光互补系统” 、 “风光柴蓄互补系统”等。由于风力发电系统成本低，又由于风能和太阳 能资源具有互补性，互补发电系统可以大大提高供电的稳定性，其价格比起独立 太阳能电池发电系统至少可减少 1/3。除此之外，太阳能电池发电系统还可以与 电网相联构成并网发电系统。 并网系统是将太阳能电池发出的直流电通过并网逆 变器

13、直接馈入电网，从而可以大大减少蓄电池的存储容量。并网发电系统可分为 “可调度式并网系统”和“不可调度式并网系统”“不可调度式并网系统”中不 。 带储能系统，馈入电网的电力完全取决于日照的情况； “可调度式并网系统”带 有储能系统， 可根据需要随时将太阳能电池发电系统并入或退出电网。 实践证明， 并网电站可以对电网调峰、提高电网末端的电压稳定性、改善电网的功率因数和 消除电网杂波均能发挥有效作用，很有应用前景。 3太阳能光伏技术的发展及前景： 太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上 依靠太阳能电池系统来供给。70 年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用， 目前已遍及生

14、活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、 农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。功率级别，大到 10MW 的太阳能 电池发电站，小到手表、计算器的电源。随着太阳能电池发电成本的进一步降 低，它将进入更大规模的工业应用领域，如海水淡化、光电制氢、电动车充电 系统等；对于这些系统，目前世界上已有成功的示范。太阳能电池发电最终的 发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风光互 补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。展望太阳能 电池发电的未来，人们甚至设想出大型的宇宙发电计划，即在太空中建立人造 同步卫星光伏电站。1997 年 8 月在加拿大

15、蒙特利尔召开了第四届国际空间太 阳能电站会议，提出了一些构想，但付诸实施，恐非短期所能实现。但美国、 5 日本已制订了试验性发射计划（容量等级为 1000KWp 数量级） 。因为大气层外 的阳光辐射比地球上要高出 30%以上，而且由于宇宙没有黑夜，卫星电站可以 连续发电。 一组 11km4km 的太阳能电池板， 在空间可产生 8000MW 的电力， 一年的发电量将高达 700 亿千瓦时。空间电站可以将所发出的电通过微波源源 不断地传送回地球供人们使用。日本一批学者认为：在地球上的沙漠和荒原地 区架设太阳能电池阵列，用高温超导电缆联成网络便可解决全球能源供应，不 必再使用原子能核电站。 美国普林

16、斯顿大学能源和环境研究所的一批学者认为： 在下一个十年内以光电为基础的电解水制氢和储氢技术将趋于成熟，他们经计 算后提出， 如在新墨西哥州或亚利桑那州一块直径为 386km 的环形地区设置太 阳能电池制氢，便可提供相当于美国 1986 年的全部矿物燃料消耗的能量。 由于晶体硅原料领域的发展 （例如超薄晶体硅太阳电池的开发和使用更便宜 的太阳能级材料）和太阳能电池更先进的生产过程的发展，将使得晶体硅电池在 将来会变得更为便宜；此外，效率也将进一步得到提高。 薄膜太阳能电池，例如非晶硅太阳能电池，由于其廉价的生产成本而在消费 领域被广泛的应用。但它的效率低（约 58） 、生产规模小、稳定性差、原料

17、 利用率低，均限制了它的应用。然而，如果效率能被提高，稳定性问题能被解决 的话，这种太阳能电池仍将是将来的一个重要发展方向。 基于镓砷化合物和其他V 族成分的薄片太阳能电池正处于早期的发展 阶段，由于它的效率有可能达到 30而显得尤为重要，但是这种类型的太阳能 电池在 2005 年以前还不可能得到广泛应用。 由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开 拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。 太阳能的光电利用已 经在世界范围内形成新兴产业，技术也在日新月异地发展，效率的提高和价格的 下降已呈必然趋势。澳大利亚新南威尔士大学已研制出 = 24%的单体（4 4c

18、m）高效硅太阳能电池。80 年代以来，即使世界经济总体情况处于衰退和低 谷时期，光伏技术一直保持以 10%-15%的递增速度发展。90 年代后期，世界市场 出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1997 年世界太阳电池光伏组件生产 122MW， 1996 年增长了 38% 比 （1996 年 88.5MW） 超出光伏界专家最乐观的估计。 ， 二太阳能光伏电源系统的原理及组成 太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳 辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、 直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图 11 所示。 6 控制器 直流/交流 逆变

19、器 交流负载 太阳能电池方阵 蓄电池组 直流负载 图 11 太阳能电池发电系统示意图 1太阳能电池方阵： 太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为 4cm2 到 100cm2 不等。 太阳能电池单体的工作电压约为 0.5V, 工作电流约为 2025mA/cm2, 一般不能 单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组 件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能 电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足 负载所要求的输出功率 (见图 12)。 （1）硅太阳能电池单体 常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。 晶

20、体硅太阳能电池由一个晶体硅片 组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是 P 型硅，表面扩散层是 N 区，在这两个区的连接处就是所谓的 PN 结。PN 结形 成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射 损失。 太阳能电池的工作原理如下： 光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长 决定，光被晶体硅吸收后，在 PN 结中产生一对对正负电荷，由于在 PN 结 区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池 的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应” 。 单体 组件 方阵 图 12 太阳能电

21、池单体、组件和方阵 7 将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载， 于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越 大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于 基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损 失的影响将使太阳能电池的效率下降。 （2）硅太阳能电池种类 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 太阳能电池和非晶硅太阳能电池。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

22、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，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅 太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太 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，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。 一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 1315 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 1113 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 58 % （3）太阳能电池组件 一个太阳能电池只能

23、产生大约 0.5V 电压，远低于实际应用所需要的电压。 为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一 定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池 的标准数量是 36 片（10cm10cm） ，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生 17V 的电压，正好能为一个额定电压为 12V 的蓄电池进行有效充电。 通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件， 具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当 应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时， 可把多个组件组成 太阳能电池方阵，以获得所需要的电

24、压和电流。 太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。 其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。 这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防 潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中， 电池与接线盒之间可直接用导线连接。 组件的电气特性主要是指电流电压输出特性，也称为特性曲线，如 图 13 所示。特性曲线可根据图 13 所示的电路装置进行测量。 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 V0，此时的电流称为短路 电流 Isc

25、；如果电路开路即 I0，此时的电压称为开路电压 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 PVI 。 8 Isc Im Pm Vm Voc V I: 电流 V: 电压 图 1-3 Isc: 短路电流 Voc: 开路电压 Im: 最大工作电流 Vm: 最大工作电压 太阳能电池的电流电压特性曲线 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 0 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，功率将跃过最大点，并逐 渐减少至零， 即电压达到开路电压 Voc。 太阳能电池的内

26、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。 随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高 1C 每片电池的 电压减少 5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为0.4%/C。也就是说， 如果太阳能电池温度每升高 1C，则最大功率减少 0.4%。所以，太阳直射的夏 天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不 会输出很大功率。 由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照

27、度、 太阳能光谱的分布和太 阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量 条件被欧洲委员会定义为 101 号标准，其条件是： 光谱辐照度 1000W/m2 大气质量系数 AM1.5 太阳电池温度 25 在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国 际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。 通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的， 因为太阳能电池组件 所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过 程中，太阳能电池的温度也是不断变化的

28、。在户外测量的误差很容易达到 10 或更大。 如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太 阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应” 。这种效应对太阳能电池 会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可 能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太 9 阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管， 以避免光照组件所产生的能量被 遮蔽的组件所消耗。 连接盒是一个很重要的元件： 它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接 的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和 1 只或 2 只旁通二极管。 2充放电控制器： 充放电控

29、制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能 的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放 电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路 中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控 制型(含单路和多路开关控制)和 PWM 脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。 开关器件，可以是继电器，也可以是 MOSFET 模块。但 PWM 脉宽调制控制器， 只能用 MOSFET 模块作为开关器件。 3直流/交流逆变器： 逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。 由于太阳能电池和蓄电池发出 的是直流电，当负载是交流负

30、载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式， 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电 池发电系统， 为独立负载供电。 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统， 将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变 器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对 谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远 看，SPWM 脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。 4蓄电池组： 其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供 电。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：(1

31、) 自放电率低；(2) 使用寿命长；(3) 深放电能力强；(4)充电效率高；(5) 少维护或免维护；(6)工作 温度范围宽；(7) 价格低廉。 目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉 镍蓄电池。配套 200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护 铅酸蓄电池；配套 200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄 电池。 5测量设备： 对于小型太阳能电池发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充 放电电流，测量所用的电压和电流表一般装在控制器面板上。对于太阳能通信电 源系统、阴极保护系统等工业电源系统和大型太阳能发电站，往往要求对更多的

32、参数进行测量，如太阳能辐射量、环境温度、充放电电量等，有时甚至要求具有 远程数据传输、数据打印和遥控功能，这时要求为太阳能电池发电系统应配备智 10 能化的“数据采集系统”和“微机监控系统” 。 6太阳能光伏电源系统的设计： 太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计， 且软件设计先于硬件 设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太 阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵 安装倾角的计算， 系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。 硬件设计包括： 负载的选型及必要的设计， 太阳能电池和蓄电池的选型， 太阳能电池支架的设计， 逆变

33、器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池 发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或 备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统 优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采 取估算的办法。 太阳能辐射原理： 太阳能辐射原理： 太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获 得的辐射量决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多 因素有关：当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的 变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比

34、例，地表面 的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方 阵表面的清洁程度等。要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射 量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。 太阳辐射的基本定律 太阳辐射的直散分离原理、布格朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三 条最基本的定律。 直散分离原理： 大地表面（即水平面）和方阵面（即倾斜面）上所接收到的辐射量均符合直 散分离原理，只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量，而太阳电池 方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量： Qp = Sp+Dp QT = ST+DT+RT Qp: 水平面总辐射 Sp: 水平面直接辐射 Dp:

35、水平面散射辐射 QT : 倾斜面总辐射 11 ST: 倾斜面直接辐射 DT: 倾斜面地面反射 布格-朗伯定律 布格 朗伯定律: 朗伯定律 SD= S0Fm S0 ：太阳常数 1350W/m2 SD：直接辐射强度 F: 大气透明度 m: 大气质量 m=1/Sin P/P0 : 太阳高度角 Po: 标准大气压 Sin = SinSin+Cos Cos Cos : 太阳赤纬角 =23.5Sin(360*(284+N)/365) ： 当地纬度 （0 90 ） ： 时角（地球自转一周360度，24小时） 15度/小时 或 4分钟/度 余弦定律: 余弦定律 Sp = SD Sin ST = SDCOS D

36、T = Dp(1+CosZ)/2 RT = Qp(1-CosZ)/2 QT = ST+DT+RT 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例) 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例)： 当地气象地理条件：由当地气象部门提供前 10 年的平均数据。 纬度: 北纬 30-45 度 经度: 东经 90-120 度 海拔: 1000-4000 米 最长阴雨天: 3 天 水平面全年总辐射量为:165 千卡/厘米2。 太阳电池方阵面上的总辐射为 180 千卡/厘米 2。 负载情况 12 编号 1 2 3 4 5 负载名称 遥测仪(自动站) 微机、打印机 照 明 通信设备 合 计 负载功率 (瓦) A

37、C30W AC330W AC80W AC100W 540W 每日工作时间 (小时) 24 6 5 12 每日耗电 (瓦时) 720 1980 400 1200 4300 电源系统容量设计步骤: 太阳电池组件的选型： 太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件 型号为：33D1312X310 开路电压：21V 短路电流：2.4A 峰值电压：17V 峰值电流：2.235A 峰值功率：38 Wp 计算等效的峰值日照时数： 全年峰值日照时数为: 1800000.0116=2088 小时 0.0116 为将辐射量(卡/cm2)换算成峰值日照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100 毫瓦/cm2=0

38、.1 瓦/cm2 1 卡=4.18 焦耳=4.18 瓦秒 1 小时=3600 秒 则: 1 卡/cm2=4.18 瓦秒/卡/(3600 秒/小时0.1 瓦/cm2)=0.0116 小时 cm2/卡 于是: 180000 卡/cm2年0.0116 小时 cm2/卡=2088 小时/年 平均每日峰值日照时数为：2088365 小时/ 平均每日峰值日照时数为：20883655.72 小时/日 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数： 系统工作电压一般选择原则： 户用系统为 12VDC 或 24VDC； 通信系统为 48VDC； 电力系统为 110VDC；大型电站为 220VDC或更高。 每块标

39、准组件峰值电压为 17V，设计为对 12V 蓄电池充电，4 块组件串联对 48V 蓄电池充电，因此，所需太阳电池的串联数为 4 块。 所需太阳电池的串联数为 计算每日负载耗电量为：4300Wh48V89.6Ah 4300Wh48V 4300Wh 计算所需太阳电池的总充电电流为： 89.6Ah1.02/(5.72h0.90.8)22.19A 22.19A 其中： 0.9: 蓄电池的充电效率 0.8: 逆变器效率 1.02: 20 年内太阳电池衰降，方阵组合损失，尘埃遮挡等综合系数。 计算所需太阳电池的并联数为： 22.19A2.235A/块10 块 13 计算所需太阳电池的总功率为： （104）

40、块38 峰瓦/块1520 峰瓦 计算所需蓄电池容量： 蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池 89.6Ah/天3 天(连续阴雨天数)0.68400Ah 0.68:蓄电池放电深度。 选用 GFM-400 型蓄电池(10 小时放电率的额定容量为 400 安时)24 只（48V） 。 上面的计算可以由设计软件在几分钟之内完成，下面给出一个计算实例： 深圳中兴通信工程太阳能系统容量计算（负荷容量: 站址:苏丹 深圳中兴通信工程太阳能系统容量计算（负荷容量:1000瓦,站址 苏丹） 瓦 站址 苏丹） 序号 项目 单位 数量 备注 Cal/cm2 180000 1 年水平面总辐射量 2 年太阳电池

41、板倾斜面总辐 Cal/cm2 207000 射量 3 年 1000 峰 瓦 太 阳 电 池 发 KWh 2401 (总辐射量*0.0116) 电量 4 日 1000 峰 瓦 太 阳 电 池 发 WpHr 6.58 (年发电量/365天) 电量 V 5 系统电压(DC) 48 根据电路系统要求决定系统 电压大小 V 6 组件峰值电压 17.5 根据组件具体情况填写电压 大小 A 7 组件峰值电流 2 根据组件具体情况填写电流 大小 Wp 8 组件峰值功率 38 根据组件具体情况填写Wp大 小 9 组件串联 个 4 视系统电压大小决定串联个 数 W 10 负荷容量 1000 11 负荷平均每天工作

42、时间 小时 24 Wh 12 日负荷消耗Wh电量 24000 (负荷容量W*负荷日工作时 间) % 13 逆变器效率 1 无逆变器 Ah 14 日负荷消耗Ah电量 500.0 日负荷消费电量W/系统电压/ 逆变效率 日负荷Ah/日WpHr/充电效率*PV综合损失率 A 15 需要太阳电池的电流量 99.75 16 需要太阳电池组件的并联 个 50 需要太阳电池的电流量/组件 数 峰值电流 Wp 17 需要太阳电池组件功率 7581 V 18 蓄电池电压 48 19 最长阴雨天 天数 3 % 20 蓄电池放电深度 0.8 Ah 21 需要的蓄电池容量 1875 14 22 23 24 25 26

43、 27 28 29 30 31 32 选定蓄电池容量 选定蓄电池容量 系统蓄电池单价 系统蓄电池价格 系统太阳电池单价 系统太阳电池费用 控制器价格 逆变器价格 其他 合计 Ah 48V/2000Ah 2000 Wh 96000 元/Wh 1.2 元 115200 元/Wp 45 含支架 元 341161 元 20000 输入12路每路20A， 输出2 路每路20A 元 元 元 476361 三光伏电源充放电控制器： 1控制器的功能： （1） 高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连 接的功能。 （2） 欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制 器

44、应能自动发出声光告警信号。 （3） 低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一 种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到 安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压 报警代替自动切断。 （4）保护功能： 防止任何负载短路的电路保护。 防止充电控制器内部短路的电路保护。 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。 （5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于时，蓄电池应要求较高的充电 电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电

45、电压较低。 通常铅酸蓄电池的温度补赏系数为 5mv/oC/CELL 。 2控制器的基本技术参数： （1） 太阳电池输入路数：112 路 （2） 最大充电电流： （3） 最大放电电流： 15 （4） 控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的 1% （5）通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的 5% （6）输入输出开关器件：继电器或 MOSFET 模块 （7）箱体结构：台式、壁挂式、柜式 （8）工作温度范围：15C 55 （9）环境湿度：90 3控制器的分类： 光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、 智能型和最大功率跟踪型。 （1 并联型控制器： 当蓄电池充满时， 利

46、用电子部件把光伏阵列的输出分流 到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消 耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在伏、安以内的 系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。 （2 串联型控制器： 利用机械继电器控制充电过程， 并在夜间切断光伏阵列。 它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容 易制造连续通电电流在安以上的串联控制器。 （3 脉宽调制型控制器： 它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。 当蓄电池趋 向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种 充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统

47、中蓄电池的总循环寿命。 （4 智能型控制器： 采用带CPU的单片机（如 Intel公司的MCS51系列或 Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按 照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对 中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进 行远距离控制。 （5 最大功率跟踪型控制器： 将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到 功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点 运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样， 并作出是否改变占空比的判断，通过这

48、样寻优过程可保证太阳电池始终运行在 最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式， 使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。 4控制器的基本电路和工作原理： 单路并联型充放电控制器： D1 太阳 电池 方阵 开 关 器 件 蓄 电 池 检测 控制 电路 D2 负 载 T1 16 BX 开关器件 T2 并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输 出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1 截止， 则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放， 不再对蓄电池进行充电， 从而保证蓄电池不会出现过充电，起

49、到“过充电保护”作用。 D1为防“反充电二极管” ，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时， D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电 池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。 开关器件T2为蓄电池放电开关， 当负载电流大于额定电流出现过载或负载短 路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电 池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护” 。 D2为“防反接二极管” ，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路 放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。 检测控制电路随时对蓄电池

50、电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时 使T1导通进行“过充电保护” 当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放 ； 电保护” 。 串联型充放电控制器： 串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似， 唯一区别在于开 关器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串联 在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电池不 再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。 其它元件的作用和串联型充放电控制器相同，不再赘述。 D1 太阳 电池 方阵 蓄 电 池 检测 控制 电路 D2 负 载 开关器件 T2 BX 开关器件 T1 3检测控制电路

51、的组成和工作原理： 17 蓄电池电压 R1 G1 R2 G2 A1 + W1 过压检测控制 + A2 W2 欠压检测控制 检测控制电路包括过压检测控制和欠压检测控制两部分。 检测控制电路是由带回差控制的运算放大器组成。A1为过压检测控制电路， A1的同相输入端由W1提供对应“过压切离”的基准电压，而反相输入端接被测蓄 电池，当蓄电池电压大于“过压切离电压”时，A1输出端G1为低电平，关断开关 器件T1，切断充电回路，起到过压保护作用。当过压保护后蓄电池电压又下降至 小于“过压恢复电压”时，A1的反相输入电位小于同相输入电位，则其输出端G1 由低电平跳变至高电平，开关器件T1由关断变导通，重新接

52、通充电回路。 “过压 切离门限”和“过压恢复门限”由W1和R1配合调整。 A2为欠压检测控制电路，其反相端接由W2提供的欠压基准电压，同相端接蓄 电池电压（和过压检测控制电路相反） ，当蓄电池电压小于“欠压门限电平”时， A2输出端G2为低电平，开关器件T2关断，切断控制器的输出回路，实现“欠压保 护” 。欠压保护后，随着电池电压的升高，当电压又高于“欠压恢复门限”时， 开关器件T2重新导通，恢复对负载供电。 “欠压保护门限”和“欠压恢复门限” 由W2和R2配合调整。 5小型单路充放电控制器产品实例： 功 能 及 特 点: 太 阳 能 电 源 自 动 控 制 器 是 控 制 太 阳 能 电 池

53、 给 蓄 电 池 充 电、 蓄 电 池 给 负 载 供 电 的 盒 式 控 制 器。它 采 用 双 路 太 阳 能 电 池 对蓄 电 池 充 电, 充 电 电 流 随 蓄 电 池 的 充 满 逐 路 断 开, 而 随 着 蓄 电 池 的 放 电 又 逐 路 接通 恢 复 充 电。 它 同 时 对 蓄 电 池 的 放 电 进 行 切 断 和 恢 复 使 用 的 控 制, 这 既 符 合 蓄 电 池 的 理 想 充 放 电 特 性, 又 提 高 了 太 阳 能 电 池 的 利 用 率 和 充 电 效 率。 此 设 备 具 有 防 反 充 保 护 ; 防 负 载 短 路 保 护 ; 防 负 载、 太

54、 阳 电 池 组 件 或 蓄 电 池 极 性 反 接 保 护 和 防 雷 击 保 护。 主要技术指标: 系统电压： DC 12V 太 阳 能 电 池额 定 充 电 电 流 ：5 A 。 蓄 电 池标 称 电 压 ： 12 V 。 18 蓄 电 池 充 满 电 压 ： 14.8 V； 蓄 电 池 过 放 电 压 ：10.8 V； 输 出 电 压 ： 10.8 - 14.8 V 控制器电路工作原理： 充 满 恢 复 电 压 ： 13.5 V 过 放 恢 复 电 压 ： 13 V 额定输出电流： 5 蓄电池充满检测及充满恢复电路： A3 和 A4 为控制板充满检测电路，当蓄电池电压高于 14.8V

55、时， 经运算 放大器电平比较后使 U2C8 和 U2D-14 先后由低电平上跳至高电平,发出 蓄电池充满切离信号 M 和 N; 经 T1T4 驱动电磁继电器 J1J2 动作， 使继电器 J1J2 的常闭接点 Z1Z2 断开,切断两路太阳电池方阵对蓄电 池的充电回路; 直到蓄电池电压低于 26.126.3V 时经运算放大器电平比 较后使 U2C8 和 U2D-14 先后由高电平下跳至低电平, 发出蓄电池充满 恢复信号 m 和 n，接通两路太阳电池充电回路又重新恢复对蓄电池进行充 电。 蓄电池欠压检测及告警电路： U2B 为控制板欠压检测电路，当蓄电池电压低于 21.5 时， U2B7 输出 由低

56、电平上跳至高电平,发出蓄电池欠压信号 L ， T5 推动后使 LED3 发 经 光二极管点亮，发出欠压告警信号,同时继电器 J3 的常闭接点 Z3 动作,断 开蓄电池到负载的放电回路；直到蓄电池电压高于 26.8V 解除欠压告警信 号 L, LED3 熄灭, 同时接通继电器 J3 的常闭接点 Z3 ,恢复负载放电回路的 接通。 安装及操作使用 用导线将四副连接插头分别与两路太阳电池、蓄电池和负载相连接。注意正 极接红线，负极接黑线。 将四副插头、插座正确连接，顺序为：先接蓄电池，再接太阳电池， 19 最后接负载。注意 必须按上述顺序连接 注意:必须按上述顺序连接 注意 必须按上述顺序连接! 故

57、障排除指导 当蓄电池电压在正常范围内而控制器没有输出，请检查更换控制器侧面的 保险(5A)。 当设备遭到雷击时， 可打开盒盖， 更换电路板上的两只蓝色(或黄色)的 压敏电阻。换好后可继续使用。 如果出现充满指示灯频繁地点亮熄灭, 这种情况大多是由于蓄电池出现 故障, 可换用一块新的蓄电池重新开机。 6普通型柜式充放电控制器产品实例： JKCK-48V/50A型光伏电源控制器 型光伏电源控制器 功能和控制器主电路： JKCK-48V/50A型光伏电源控制器是用于太阳能电源系统中，控制太阳能电 池给蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的电子设备。控制器主电路图如下： 控制板 A1 A2 K7 S G D

58、 D Q1 S G D G Q2 S G D Q3 S G D Q4 S G D Q5 S Q6 K1 K2 D3 K3 K4 K5 K6 D1 D2 D3 D4 + D5 DC-DC 电源 D6 E 蓄电池 F1 F2 F3 F4 F5 F6 RL - JKCK-48/50A 光伏电源控制器主电路图 主要技术指标： 太阳能电池：额定输入功率为2500Wp，6路方阵输入，最大充电电流为50A。 蓄电池：标称电压 48V。 输出： 48V/40A。 防反充：晚上或阴雨天气时，阻断蓄电池电流倒流向太阳能电池。 充满控制：当蓄电池电压上升到 56.4V(0.5V)时，进行充满控制，将太阳 能电池方阵

59、逐路切离充电回路, 充满恢复电压为 52V(0.5V)。 欠压指示及告警：当蓄电池电压下降到 44V(0.5V)时，进行过放指示并蜂 鸣器告警。通知用户应立即给蓄电池充电，否则蓄电池将过放电，从而影响 蓄电池的寿命, 欠压恢复电压为 48V(0.5V)。 太阳能光伏电源系统结构框图： 20 太阳电池方阵1 太阳电池方阵2 太阳电池方阵6 JKCK 48V/50A 太 阳 能 电 源 控 制 器 蓄 电 池 组 (48V) 48V 负 载 太阳能电源系统框图 工作原理： JKCK-48V/50型太阳能电源控制器，接入6路太阳能电池方阵，给标称为 48V的蓄电池组充电，输出为48V/40A。 当蓄

60、电池电压上升到56.4V(0.5V)时，进行充满控制，将太阳能电池方阵 逐路切离充电回路。充满1充满6指示被切离充电回路的方阵组数（充满1表示 第一路被切离，充满2表示第二路被切离，充满3表示第三路被切离，充满4表示 第四路被切离，充满5表示第五路和第六路被切离，充满6表示第六路被切离） 。 当蓄电池电压下降到52V(0.5V)时，重新将方阵逐路重新接入充电回路，相应 的指示灯灭。 当蓄电池电压下降到44V(0.5V)时，进行过放指示，面板上过放指示灯 亮，同时蜂鸣器告警。当蓄电池电压回升到48V(0.5V)时，过放指示灯灭。 控制器面板及布局说明： 面板说明(见下面控制器布局连线图)： 太阳

61、能充电电流表：显示太阳能电池方阵向蓄电池充电的充电电流。 蓄电池电压表(100V)：显示蓄电池电压。 输出电流表(20A)：显示蓄电池向负载的供电电流。 充满1充满6指示灯：充满指示灯指示被切离充电回路的方阵路数。 欠压指示灯：当蓄电池电压下降到44V时，欠压指示灯亮。 布局说明(见图3.3)： 空气开关：K1为第1路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K2为第2路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K3为第3路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K4为第4路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K5为第5路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K6为第6路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K7为48V正极输出端和开关。 BX是主控制板保险，60A。 使用与维护： 打开机器包装，安装固定好机器，查看机内元器件是否松动。 参看控制器布局连线图按步骤接线： 21 将主控制板用保险BX(拔下，并将空气开关K1K7打到关断状态。 将蓄电池的负极连至汇流条，蓄电池的正极连至下边的BX下端。前面板的 蓄电池电压表应有指示。 将第16路太阳能电池方阵的正极连接到空气开关K1K6的下端， 负极连接 到下边的汇流条。 将DC-48V负载的正极(48V端)连接到输出空气开关K7的下端，负极连接到 下边的汇流条。 注意：(1)必须按照上述步骤，先连接蓄电池，再连接太阳能电池，最后