太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計

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本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 進入二十一世紀，人類面臨著實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，而能源問題日益嚴重。太陽能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)對解決能源問題起到非常積極的作用，近年來發(fā)展迅速。 本設計重點針對光伏發(fā)電裝置中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進行了細致科學的設計，此外，論文內容對CPU最小系統(tǒng)設計、DCDC及DCAC轉換電路設計、指示電路部分的設計也進行了詳細說明。并針對目前市場上傳統(tǒng)充電控制器對蓄電池的充放電控制不合理，同時保護也不夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于單片機的太陽能充電控制器的方案。逆變環(huán)節(jié)采用SPWM調制方式，簡化了驅動電路設計。軟件設計中，采用瞬時電壓反饋，增加了電路保護等功能，論文闡述了軟件設計總體思想構架，給出了程序代碼和系統(tǒng)各部分控制流程圖。最后,經過仿真軟件進行整體系統(tǒng)仿真，基本達到性能要求，具有實際應用意義。 本設計著重在太陽能對蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實際應用方面做了一定分析，完成了硬件電路設計和軟件編制，實現了對蓄電池的高效率管理，具有創(chuàng)新意義。 關鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；蓄電池；控制；逆變器； Abstract Entering the 21st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy problem becomes more and more serious. And solar power are considered the most representative of new and renewable energy，The power technology of solar energy and wind attack world’s attention. Therefore, the photovoltaic power generation system plays a very positive role in solving the energy problem, and has developed rapidly in recent years. The paper of the key for photovoltaic power generation device battery charging and discharging control module and the inverter module of scientific and meticulous design, in addition, the content of minimum CPU system design, DCAC and DC-DC conversion circuit design, indicating the part of the circuit design were also described in detail. And in view of the present market conventional charge controller of battery charge and discharge control unreasonable, and protection is also inadequate, making the life of the battery relationship that, the study identified a scheme based on MCU solar charge controller, inverter using SPWM modulation method, simplifying the drive circuit design. Software design Meter, the instantaneous voltage feedback circuit protection function has been added, thesis describes the overall framework of software design, given the various parts of the program code and the system control flow chart. Finally, through the software simulation of the whole system simulation, can satisfy the basic performance requirements, has the practical application significance. This paper mainly in the solar battery charge and discharge mode, the functional requirements of the controller and the practical application aspects do analysis, completed the hardware circuit design and software development, realize the efficient management of the battery, having the meaning of innovation. Keyword: pv power; photovoltaic power generation; battery; control; inverter； 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 太陽能的應用及特點 1 1.2 研究背景及意義 2 1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 4 1.3.1 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng) 6 第2章 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結構 8 2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結構 8 2.2 太陽能電池板 9 2.3 功率變換器 10 2.3.1 變換器的種類 10 2.3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)中變換器及其作用 10 2.4 儲能元件單元 11 2.4.1 儲能元件的分類 11 2.4.2 儲能元件的作用 12 第3章 電池板及蓄電池的參數計算與選擇 14 3.1 太陽能電池板參數計算及選擇 14 3.2 蓄電池參數計算及選擇 16 3.2.1 鉛酸蓄電池的充電特性 16 3.2.2 鉛酸蓄電池的放電特性 18 3.2.3 鉛酸蓄電池充電方式 19 第4章 蓄電池充電控制器的設計 23 4.1 系統(tǒng)層次原理圖 23 4.2 單片機最小系統(tǒng) 24 4.2.1 數據存儲器擴展 26 4.2.2 復位電路設計 27 4.2.3 時鐘電路設計 27 4.2.4 CPU最小系統(tǒng)圖 28 4.3 充放電電路 28 4.4 光耦驅動電路 29 4.5 AC/DC轉換電路 30 4.5.1 ADC0804的簡介 30 4.6 LCD顯示電路 33 4.7 串口通信電路 34 4.8 太陽能充電控制器的軟件設計 36 第5章 變換器主電路設計 37 5.1 幾種變換器的特點 37 5.2 MPPT 控制電路 39 5.3 升壓變換器 40 5.3.1 DC/DC升壓變換器的選擇 40 5.3.2 推挽電路的基本原理 41 5.4 逆變電路 41 5.4.1 逆變器的選擇 41 5.4.2 全橋逆變模塊 42 5.4.3 全橋逆變器控制技術 42 5.5 控制芯片 43 5.5.1 PIC16F73供電電源 43 5.5.2 時序和死區(qū)電路 44 5.5.3 光耦隔離電路 44 5.5.4 電壓反饋檢測電路 45 5.6 PWM控制電路系統(tǒng)圖 46 參考文獻 47 致 謝 48 附 錄 49 63 第1章 緒 論 1.1 太陽能的應用及特點 世界經濟的快速發(fā)展，與化石能源息息相關，能源是人類社會存在和發(fā)展的重要物質基礎。能量遵循守衡定律，它不會產生也不會消失，只能從一種形式轉化為另一種形式。在經濟快速發(fā)展的21世紀，能源卻在迅速枯竭。工業(yè)生產對化石能源需求量的日益增加與其儲存的逐漸減少所引起的結構性矛盾日益成為能源安全所面臨的最大難題。根據社會經濟學家和科學家們對形勢的估計，全球石油儲量約有一千億噸到一千五百億噸，以1995年的年開采量33.2億噸估算，石油將在21世紀中葉全部用完。天然氣儲備大約在十三萬至十五萬兆立方米范圍內。如果假設年開采量恒定在2300Mcm3，也將在六十年左右內全部用完。煤炭是傳統(tǒng)化石能源里存儲量較多的，全球總共約有5600億噸。若煤炭的年開采量，按照 1995年統(tǒng)計的33億噸計算，大約可以還維持169年。如果那個時候新的能源體系尚未建立，能源危機將席卷全球，而且越是依賴于化石資源的國家，受害就越嚴重。能源的供應不足，必然引起經濟上的大幅衰退和各國之間的沖突。近10年來，因為化石能源而頻繁引發(fā)戰(zhàn)爭就是證明，每一次戰(zhàn)爭都牽扯到能源的重新分配。如果不從根本解決能源問題，這種全球性質的戰(zhàn)略沖突，今后還會發(fā)生?？偠灾?，能源危機一觸即發(fā)。 我國技術可開發(fā)能源蘊藏量見表1.1。由表1.1可以看出，即使將太陽能以外的所有可再生能源加在一起，也不能滿足我國未來對太陽能的需求。太陽能作為清潔的可再生能源即將代替常規(guī)能源，成為拯救經濟發(fā)展的“救星”。 表1.1 我國可開發(fā)資源蘊藏量 技術可開發(fā)資源種類 蘊藏量 生物質能（年產量） 10.0億噸標準煤 水能 5.4億千瓦 風能 陸上和近?？傆?~12億千瓦 太陽能 960萬平方公里接收太陽能輻射能17000億噸標準煤 目前我國正在工業(yè)化和城市化的加速階段，經濟發(fā)展帶來的一系列的能源問題和環(huán)境問題，正嚴重威脅著我國經濟的可持續(xù)發(fā)展，資源有效利用與經濟發(fā)展、環(huán)境污染與國民生活質量之間的協調發(fā)展是我國現階段需要合理處理的事情。這些都在提醒著我國政府，加大改革力度，在合理利用已有資源的基礎上，“政府支持”盡快開發(fā)新能源，實現“綠色循環(huán)體系”。 太陽能具有以下明顯的優(yōu)點： 能源清潔：不會對環(huán)境產生負面影響，不會像燃燒化石能源那樣，向大氣排放量廢氣和顆粒物，造成霧霾天氣和燃料廢渣的大量堆積，影響環(huán)境質量； 能量“之不竭”：太陽光是個源源不斷的可再生能量，在人類出現之前就在發(fā)光發(fā)熱，給地球帶來光明，據科學家的推斷，太陽至少還有四十多億年的壽命； 能源“隨處可得”：基本上不受地域限制，有光照的地方就有太陽能；可就近供電,不必長距離輸送, 避免了輸電線路上的電能損失,而且能提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性； 發(fā)展前景好：隨著能源危機的越演愈烈，世界各國都在著力開發(fā)新能源，隨著研究的深入和科學技術的進步，光伏發(fā)電裝置的轉換效率會越來越高，而且太陽能的開發(fā)和利用只需要裝置和技術的支持，不需要能源成本，因此具有很好的經濟性。 這些優(yōu)勢使得光伏產業(yè)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但是能量密度低，容易受氣象條件影響的缺點使得太陽能的綜合利用受到一定程度的限制。為了更好的利用太陽能，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究具有深遠的意義。 1.2 研究背景及意義 電能是社會發(fā)展和經濟建設的重要保障，它和高科技的緊密結合創(chuàng)造了豐富多彩的人類生活，同時電能的廣泛應用也導致全球范圍內的電力供應不足現象頻繁出現。從世界范圍內來看，火力發(fā)電是目前發(fā)電的最主要形式，但是由于石油、天然氣、煤炭等化石燃料的大量燃燒，不僅帶來了能源枯竭問題，也使環(huán)境污染，尤其是大氣污染問題日益嚴重。從2013年年初開始，PM2.5這個詞匯不斷被人們所關注，惡劣的霧霾天氣已經影響到我國的絕大多數城市，而且在2014年又有加重的趨勢。為了緩解經濟增長、能源短缺以及環(huán)境污染之間的矛盾，我國政府相關部門出臺了很多政策，比如提高能源利用率、搬遷高污染行業(yè)、完善各區(qū)域間大氣污染聯控機制等。但是從實施效果上來看，這些措施都是治標不治本，只有轉變目前能源的使用方式，大力發(fā)展和普及太陽能、風能等清潔能源，徹底改變以化石能源為主的能源結構，才能從根源上緩解能源短缺和環(huán)境污染問題，進而消除電力供應不足和大氣霧霾等現象。 此外，一些技術落后的電廠設備和年代陳舊的輸電網絡已經無法滿足目前持續(xù)增加的電能需求，供電過程中的安全性和供電質量也達不到較高的水準。在這種情況下如果以新能源的開發(fā)利用為切入點來改變傳統(tǒng)的用電模式不失為一種很好的選擇。在目前被人類成功利用的新能源家族中，分布最廣且資源最豐富的是太陽能，大力推廣以光伏發(fā)電為主的太陽能發(fā)電技術是符合可持續(xù)發(fā)展方針的重要舉措。 從1954年美國科學家在貝爾實驗室中首次成功研發(fā)單晶硅片光伏電池，到后來光伏電池在航天工程中的大范圍使用，再到今天的光伏一體化建筑(BIPV)，光伏產業(yè)的發(fā)展已經走過了六十多年的歷程。光伏發(fā)電憑借其無污染、安全隱患小、使用時間長和運行維護量少等許多優(yōu)點，被認為是新時代中最具發(fā)展?jié)撃艿陌l(fā)電模式。最近二十年是世界光伏產業(yè)的飛速發(fā)展期，在美國、日本、德國等國家推出一系列光伏推廣計劃后，光伏產業(yè)一直保持著年均 30%以上的增長速度，據歐洲光伏行業(yè)協會（EPIA）最新公布的全球光伏發(fā)電系統(tǒng)情況報告顯示，截止2013 年底的全球累計光伏裝機容量已達136.7GW。據歐委會聯合研究中心(JRC)預測，光伏發(fā)電量所占世界總發(fā)電量的比例到2030年可達10%以上，到2100年可占 68%的份額，從而使能源構成比例產生顛覆性的變化。 光伏裝機容量的迅猛發(fā)展離不開光伏發(fā)電技術的發(fā)展。現在國際上對光伏發(fā)電技術的研究側重于高效穩(wěn)定且成本低廉的光伏直流變換器、光伏并網逆變器以及分布式光伏發(fā)電應用技術等方面。依托于光伏屋頂計劃和國家法規(guī)的支持，許多歐美發(fā)達國家相繼成功研發(fā)了針對不同場合的光伏發(fā)電裝置。與世界光伏產業(yè)的蓬勃發(fā)展相比，我國的光伏產業(yè)才起步不久，而且相關政策的不健全使得我國的光伏發(fā)電工程存在應用面窄、技術不規(guī)范和閑置率高等問題。另外，我國的光伏板制造產業(yè)從2012年開始進入冬天，歐美對我國光伏廠商制定的雙反政策使得國內生產的大部分光伏電池都無法出口，而此時國內滯后的光伏發(fā)電市場又不能消化如此高的產能。因此，為了促進我國光伏產業(yè)的發(fā)展，我國一方面要完善光伏發(fā)電政策來擴大國內市場，另一方面要大力推進光伏應用技術研發(fā)來保證光伏發(fā)電項目的順利開展。 目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有并網和離網兩種形式。從長遠發(fā)展來看光伏并網發(fā)電形式是光伏發(fā)電應用的趨勢，但是目前光伏并網發(fā)電成本過高，而且電網對光伏電能的收購政策還不完善，使得并網發(fā)電無法大規(guī)模推廣。相比之下，離網發(fā)電形式因具有安裝方便、不受電網政策限制、成本相對較低等特點而同樣具有廣闊的應用前景。 離網光伏發(fā)電系統(tǒng)對家庭用戶和遠離公共電網的無電區(qū)以及一些特殊場所有極其特殊的意義，本文將要研究的離網型光伏發(fā)電裝置首先可以為不在電網供電范圍內的居民解決用電問題，從而改善他們的生活條件、提高生活品質。其次，有電網覆蓋的區(qū)域也可以采用此系統(tǒng)來緩解用電高峰時的電網壓力，做到綠色能源的良好利用。在產品創(chuàng)新方面，本論文將蓄電池充電技術與正弦波逆變功能相結合，并引入能量管理策略設計了離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)，目前市場上同類產品較少，有一定的市場潛力。 1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 20世紀90年代以來是我國太陽能光伏發(fā)電快速發(fā)展的時期，在這一時期我國光伏組件生產能力逐年增強，成本不斷降低，市場不斷擴大，裝機容量逐年增加，2004年累計容量達35MW，約占世界份額的3%。10多年來，我國太陽能光伏產業(yè)長期平均維持了全球市場1%左右的份額。到2020年前，我國太陽能光伏發(fā)電產業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展，成本將不斷下降，太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)生巨大的變化:2005-2010年，我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2010年將約為1.20元/(kWh)；2010-2020年，太陽能光伏發(fā)電將會由獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉向并網發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2020年將約為0.60元/(kwh)。到2020年，我國太陽能光伏產業(yè)的技術水平有望達到世界先進行列。 目前太陽能利用的方式有:太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動力利用，太陽能光化利用，太陽能生物利用和太陽能光-光利用。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認為是當前具有發(fā)展前景的新能源技術，各發(fā)達國家均投入巨資競相研究開發(fā)，并產業(yè)化進程，大力開拓太陽能光伏發(fā)電的市場應用。 太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能轉化為電能的一種發(fā)太陽能電池單元是光電轉化的最小單位，將太陽能電池單元進行串并聯可以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組件可以單獨作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進行進一步的串并聯，構成太陽能電池方陣，以滿足負載所需要的功率輸出。 太陽能光伏發(fā)電之所以發(fā)展如此迅速，是因為其具有以下優(yōu)點 (l)取之不盡，用之不竭。地球表面所接受的太陽能約為1.071014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以說是一種無限的資源。 (2)無污染。光伏發(fā)電本身不消耗工質，不向外界排放廢物，無轉動部件，不產生噪聲，是一種理想的清潔能源。 (3)資源分布廣泛。不同于水電受水力資源限制，火電受到煤炭資源及運輸成本等影響，光伏發(fā)電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得到太陽能的地方都可以利用太陽能進行發(fā)電。 (4)建設周期短，建造靈活方便，運行維護費用低。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照需要將光伏組件靈活地串并聯，達到所需功率，所以其建設周期短，擴容方便;安裝于房頂，沙漠，還可與建筑相結合，從而節(jié)約占地面積，節(jié)省安裝成本;太陽能光伏發(fā)電所消耗的太陽能無需付費，一年中往往只需在遇到連續(xù)陰雨天最長的季節(jié)前后去檢查太陽能電池組件表面是否被污染，接線是否可靠以及蓄電池電壓是否正常等，因而太陽能光伏發(fā)電的運行費用很低。 (5)光伏建筑集成。光伏產品與建筑材料集成是目前國際上研究及發(fā)展的前沿，這種產品不僅美觀大方，還節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積和費用。 (6)分布式。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點將提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網連接可分為獨立離網光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結構，該系統(tǒng)中的能量能進行雙向傳輸。在有太陽能輻射時，由太陽能電池陣列向負載提供能量;當無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時，由蓄電池向系統(tǒng)負載提供能量。該系統(tǒng)可為交流負載提供能量，也可為直流負載提供能量，當太陽能電池陣列能量過剩時，可以將過剩能量存儲起來或把過剩能量送入電網。該系統(tǒng)功能全面，但是系統(tǒng)過于復雜，成本高，僅在大型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中才使用這種結構，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系統(tǒng)僅具有該系統(tǒng)的部分功能。 雖然我國光伏產業(yè)多年來實現了長足的進步，但不可否認的是，我國的光伏產業(yè)也存在不容忽視的技術不高、環(huán)境較惡劣和市場風險等缺點和難題；近期在國內光伏市場額應用方面也面臨成本高、上網難、缺乏經驗等障礙。我國光伏產業(yè)的缺點如下： 1、國內光伏技術總體的技術水平不高、內在競爭力不強。由于我國光伏產業(yè)發(fā)展歷史短，主要方向放在生產組件方面而基礎研究工作薄弱，導致目前我國光伏技術總體水平仍然不高，太陽能電池及其組件的效率和質量水平仍然普遍落后于世界先進水平，在新型高效的太陽能電池和高純硅生產技術的研究開發(fā)方面也落后于歐美等發(fā)達國家，許多裝備主要依賴國外引進。目前我國太陽能光伏產業(yè)仍主要依靠市場驅動而非技術驅動，缺乏強大的內在競爭力。 2、產業(yè)和市場發(fā)展不平衡，不利于產業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和節(jié)能減排。在過去的幾年內，我國光伏產業(yè)界慧眼如炬，抓住了歐美國家光伏市場快速增長這一機遇，利用了國內資源和人力成本較低的優(yōu)勢，實現了迅速起步與不斷的發(fā)展壯大。但由于近年來全球光伏產業(yè)的產能過快擴張及金融危機的負面影響，未來兩年內世界光伏組件和高純硅材料市場勢必供過于求，這將使得光伏產業(yè)面臨大規(guī)模洗牌的局面。所以我國光伏企業(yè)近期來已普遍停止擴產、削減產量。在這個洗牌過程中，利潤率最高的環(huán)節(jié)也將逐漸轉向下游的光伏發(fā)電運營業(yè)，使得出售光伏電力比出售光伏組件和系統(tǒng)具有更長遠穩(wěn)定的回報，這也是傳統(tǒng)光伏產業(yè)界和光伏設備制造業(yè)日益重視、極力呼吁啟動國內光伏市場的根本原因。目前這種產業(yè)和市場格局意味著我國光伏產業(yè)面臨著日益突出的市場風險。而廣受爭論的光伏產業(yè)的高能耗問題，其實質問題也在于產業(yè)和市場發(fā)展不平衡，即取決于國內光伏產業(yè)鏈建設和國內外市場的選擇。 3、光伏產業(yè)在近期仍缺乏足夠經濟競爭力。有賴于政府政策扶持最近數十年全球光伏市場的重心隨著各國光伏市場政策的變化而先后從美國(1996年以前)轉移到日本(1996—2002年)和歐盟(2002年以來)，即充分反映了全球光伏市場的需求主要是由扶持政策推動的。目前我國還未制定比較系統(tǒng)完善的光伏發(fā)電經濟激勵政策，電價有待于加快制定必要適度的財政補貼和優(yōu)惠上網電價扶持政策。 當今世界各國特別是發(fā)達國家對于太陽能光伏發(fā)電十分重視，針對其制定規(guī)劃，增加投入，大力發(fā)展。20世紀80年代以來，即使是在世界經濟從總體上處于衰退和低谷的時期，太陽能光伏發(fā)電產業(yè)也一直以10%-15%的遞增速度在發(fā)展。90年代后期，發(fā)展更為迅速，成為全球增長速度最快的高新技術產業(yè)之一。 1.4 本文研究內容 本文主要對光伏發(fā)電裝置中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進行了細致科學的設計，此外，論文內容對CPU最小系統(tǒng)設計、DCDC及DCAC轉換電路設計、指示電路部分的設計也進行了詳細說明。具體內容如下： 1) 控制器總體方案：利用結構框圖說明系統(tǒng)組成 2) 太陽能電池板充電接口設計 3) DCDC及DCAC轉換電路設計：逆變功率達到2kW。 4) 蓄電池充放電保護電路設計：防止蓄電池過充、過放影響其使用壽命。 5) CPU最小系統(tǒng)設計：采用單片機、或嵌入式控制器進行充放電管理。 6) 指示電路：利用液晶屏和少量發(fā)光二極管指示蓄電池充、放電的電流電壓狀態(tài)。 7) 軟件設計：系統(tǒng)各部分控制流程圖和具體程序的編寫。 第2章 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結構 2.1 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結構 太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計計算主要依據現場實際情況，為滿足符合能量的需求,在系統(tǒng)設置地點的日照條件和環(huán)境溫度等情況下，優(yōu)選出合適的太陽能電池方陣和蓄電池容量，并使系統(tǒng)中所有設備相互匹配，保證系統(tǒng)的合理性和適用性。一個完善的太陽能光伏電源系統(tǒng)需要考慮多種因素進行設計，如電氣性能設計、熱力設計、機械結構設計等，對地面應用的獨立電源系統(tǒng)來說，最主要的是根據使用要求，決定太陽能電池方陣和蓄電池規(guī)模，以滿足正常工作的需求。 太陽能離網發(fā)電系統(tǒng)包括： （1）太陽能控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發(fā)的電能進行調節(jié)和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當所發(fā)的電不能滿足負載需要時，太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，太陽能控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池?？刂破鞯男阅懿缓脮r，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統(tǒng)的可靠性。 （2）太陽能蓄電池組的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。 （3）太陽能逆變器負責把直流電轉換為交流電，供交流負荷使用。太陽能逆變器是光伏風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。由于使用地區(qū)相對落后、偏僻，維護困難，為了提高光伏風力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證電站的長期穩(wěn)定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發(fā)電成本較高，太陽能逆變器的高效運行也顯得非常重要。 太陽能離網發(fā)電系統(tǒng)主要產品分類 A、光伏組件 B、風機 C、控制器 D、蓄電池組 E、逆變器 F、光伏發(fā)電控制與逆變器一體化電源。 離網光伏蓄電系統(tǒng)是一種常見的太陽能應用方式，一般來說，太陽能離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。太陽能電池陣列是整個系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉化為電能;控制器是整個系統(tǒng)的核心部件之一，其運行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運行；蓄電池的功能在于儲存太陽能電池陣列受光照時所發(fā)出的電能并在無光照時向負載供電;逆變器是將直流電變換為交流電的設備，由于太陽能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當系統(tǒng)向交流負載供電時，逆變器是不可缺少的。常用的太陽能離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.1所示。 圖2.1 離網光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖 太陽能光伏電源系統(tǒng)總體設計原則是在保證滿足負載用電量需要的前提下，確定最少的太陽能電池組件和蓄電池容量。通過技術經濟分析，合理確定太陽能電池組件數量和蓄電池容量、包括安全性、可靠性等諸多方面的要求。 系統(tǒng)配置的設計主要考慮兩種因素： （1）根據負荷需求，環(huán)境參數和太陽能光伏電源系統(tǒng)部件的電氣參數，選擇不同的系統(tǒng)部件。 （2）需要確定的數據主要包括：安裝地點的日照輻射、太陽能電池方陣傾斜面的日照輻射、環(huán)境溫度參數。系統(tǒng)電壓、負荷能量需求，最大和平均的放電電流?？刂破?、逆變器調節(jié)特性與參數，太陽能電池組件和蓄電池的特征參數和系統(tǒng)供電可靠性和供電電源可用率。 2.1.1 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式介紹及選擇 目前離網光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用區(qū)域主要分布在偏遠的山區(qū)和農牧區(qū)以及一些特殊場合。應用形式有戶用式光伏供電系統(tǒng)、太陽能照明、光伏通信電源等。由于我國有很多的海島和偏遠村落，因此離網光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有廣闊的應用市場，其靈活的發(fā)電方式正為改善偏遠地區(qū)人民的生活質量發(fā)揮著積極有效的作用。 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)存在多種系統(tǒng)組成結構和控制方式。市面上最早出現的 一種應用形式是先把光伏電池正負端子直接與蓄電池正負端子相連，再將蓄電池 與負載相連，如圖2.2 所示。這種結構的優(yōu)點是線路簡單、易于搭建。它的缺點很多：負載只能是一種電壓等級的直流負載，且要根據負載電壓等級選擇蓄電池的串聯個數；光伏電池不能實現最大功率輸出，同時還要嚴格匹配蓄電池的充電電壓，使用場合有限。 圖2.2 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式一 為了最大化利用光伏電池發(fā)電能力，需要在光伏電池和蓄電池之間加入一個DC/DC變換器，并且利用最大功率跟蹤技術（MPPT）來進行控制，于是出現了離網光伏發(fā)電系統(tǒng)的第二種應用形式，如圖2.3 所示。這種結構中DC/DC變換器既可以實現蓄電池的充電保護功能，又可以使光伏陣列所發(fā)電能最大化地被蓄電池利用。但是，這種系統(tǒng)結構也只適用于直流負載，使用場合依然有限。 圖2.3 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式二 為了克服以上兩種形式的不足，使離網光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于更多的場合，國內的研究中出現了圖2.4中的形式，稱為直流母線式離網光伏發(fā)電系統(tǒng)。 圖2.4 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)形式三 在圖2.4 中，光伏電池通過DC/DC變換器向直流母線提供電能，并且采用MPPT技術進行控制；蓄電池通過一個雙向DC/DC變換器與直流母線相連，可以根據系統(tǒng)的不同狀態(tài)確定其充放電形式。由于系統(tǒng)中加入了DC/AC變換器，所以此種形式既可用于直流負載又可用于交流負載。本文設計的離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)就是基于這種形式。 第3章 電池板及蓄電池的參數計算與選擇 3.1 太陽能電池板參數計算及選擇 太陽能電池技術是太陽能發(fā)電技術的主要組成部分。太陽能電池主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。 晶硅類電池分為單晶硅電池組件和多晶硅電池組件，兩種組件最大的差別是單晶硅組件的光電轉化效率略高于多晶硅組件，也就是相同功率的電池組件，單晶硅組件的面積小于多晶硅組件的面積。單晶硅、多晶硅太陽能電池具有制造技術成熟、產品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點。 非晶硅薄膜太陽能電池具有弱光效應好，成本相對于硅太陽能電池較低的優(yōu)點。而碲化鎘、銅銦硒電池則由于原材料劇毒或原材料稀缺性，其規(guī)?；a受到限制。 目前，薄膜電池的轉換效率達到6％～8％，近兩年內可達到10％～12％，五年內有望達到18%，其功率衰退問題也已解決。薄膜電池對弱光的轉化率十分高，即使在5月天照樣能夠發(fā)電。其技術正在成為太陽能電池主流技術，與晶體硅太陽能電池技術并駕齊驅。 3.2 太陽能電池板性能參數 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實現光電轉換的最小單元是太陽能電池單體。太陽能電池單體實際上是一個PN結，PN結在光照下會產生電動勢，這種效應稱為光生伏特效應。當PN結處于平衡狀態(tài)時，PN結處有一個耗盡層，耗盡層中存在著勢壘電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。當PN結受到光照時，硅原子受光激發(fā)而產生電子空穴對，在勢壘電場的作用下，空穴向P區(qū)移動，電子向N區(qū)移動，從而P區(qū)就有過剩的空穴，N區(qū)就有過剩的電子，這樣便在PN結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢。 太陽能電池的光伏特性曲線，即伏安特性曲線（I-V 特性曲線），是在一定光強、一定溫度下太陽能電池的負載外特性，直接反映在電池輸出功率。可以用其 I-V 特性及 P-V 特性表示，如圖3.1（a)、(b)所示： 圖 3.1 (a) 太陽能光伏電池I-V特性曲線 3.1(b) 太陽能光伏電池P-V特性曲線 太陽能電池的性能參數： （1）開路電壓Uoc，即將太陽能電池置于100mW/cm2的光源照射下，在兩端開路時，太陽能電池的輸出電壓值。 （2）短路電流Isc，就是將太陽能電池置于標準光源的照射下，在輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流。 （3）最大輸出功率，即選擇的負載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，用符號Pm表示。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流，分別用符號Um和Im表示，。 （4）填充因子，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比： （3-1） FF是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標，是代表太陽能電池在帶最佳負載時，能輸出的最大功率的特性，其值越大表示太陽能電池的輸出功率越大。FF的值始終小于l。 （5）轉換效率，太陽能電池的轉換效率指在外部回路上連接最佳負載電阻時的最大能量轉換效率，等于太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比： （3-2） 當光照強度或溫度不同時，太陽能光伏電池的輸出特性有較大的改變，即對應不同的光照強度或溫度有不同的輸出特性曲線，如圖3.2（a）、（b）和圖3.3（a）、（b）所示： 圖3.2（a）不同光照強度下P-V特性曲線 3.2（b）不同光照強度下I-V 特性曲線 從圖中可以看出隨著光照強度的增加太陽能電池的短路電流增大，功率也增大。事實上，開路電壓Uoc隨光照強度的升高呈對數比例增加，短路電流Isc和輸出功率均與光照強度成正比。開路電壓的下降可由下面的關系式表示： （3-3） 式中，Vi表示開路電壓的下降：α是太陽能電池的溫度系數，一般取0.003~0.005；T表示太陽能電池的溫度；Vα表示太陽能電池標稱的工作電壓。 圖 3.3（a）不同溫度下I-V特性曲線 3.3（b）不同溫度下P-V 特性曲線 從圖3.3（a）、（b）中可以看出一定光照下，溫度上升會使太陽能電池開路電壓Uoc下降，太陽能電池的輸出功率下降。 一般的太陽能電池組件生產商均提供上述標準測試條件下的五個參數。當太陽能電池輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，太陽能電池近似為一恒流源，當太陽能電池輸出電壓超過一定的臨界值時，太陽能電池輸出電流急劇下降，太陽能電池可近似為一恒壓源。太陽能電池的輸出特性是非線性的，既非恒流源也非恒壓源(在最大功率點左側為近似恒流源段，在最大功率點右側為近似恒壓源段)，且在一定的電池溫度和日照強度下有唯一的最大輸出功率點。 3.3 太陽能電池板計算及選型 根據太陽能電池發(fā)電原理及其輸出特性，簡單計算選擇依據： 太陽電池組件容量計算，參考公式： （3-4） 式中：P0——太陽電池組件的峰值功率，單位Wp； P——負載的功率，單位W； t——負載每天的用電小時數，單位H； ——為系統(tǒng)的效率（一般為0.85左右）； T——當地的日平均峰值日照時數，單位H； Q——連續(xù)陰雨期富余系數（一般為1.2～2）。 根據公式計算： ＝(2000101.2)/(0.854)≈7059（Wp） 太陽電池組件數量：7059/100≈70(塊) 太陽電池組件串聯數量：10塊 太陽電池組串數量：7串 所以本文選用70塊寧波北侖天尚太陽能公司生產的100W多晶硅光伏板。此類型光伏板的壽命達25年以上，其表面層采用高透光絨面鋼化玻璃封裝，可以減少光的反射并且有很高的透光率，提高了光伏組件的光電轉換效率。使用時采用10塊串聯模式，串聯后組件的開路電壓為220V，最大功率點電壓為180V。 3.4 蓄電池參數計算及選擇 蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能單元，其運行特性的好壞關系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經濟性，因此需要對儲能蓄電池的充放電特性及充電策略進行研究。生活 中選擇蓄電池的參數時要根據所使用的場合來決定，應用在離網型光伏發(fā)電系統(tǒng) 中的蓄電池要求充電效率高、自放電率小，最常用的是免維護鉛酸蓄電池。 3.4.1 儲能元件種類 光生伏特效應只能在光照的條件下才能發(fā)生，因而光伏陣列只能在日間才能發(fā)電，而獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)不與電網相連，而且夜間是用電高峰期，因此，需先將光伏陣列在白天發(fā)出的電能存儲起來，在需要的時候向負載供電。蓄電池是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)供電的保障，對其性能的要求也較高，包括自放電率低、使用壽命長、深放電能力強、充電效率高、少維護或免維護、工作溫度范圍寬、價格低廉。 當蓄電池接入到光伏發(fā)電系統(tǒng)中后，光伏陣列輸出的直流電經充電控制器進入蓄電 池，而蓄電池通過放電控制器輸出直流電或經過變換器輸出交流電，供給負載使用。常見蓄電池的性能參數見表3.1。 表3.1 常用蓄電池性能參數比較 蓄電池種類 電壓 （V） 能量密度（Wh/kg） 價格 (元/Wh) 自放電 (%/月) 能量效率 （%） 備注 鎳鎘蓄電池 1.2 50 1.4-1.8 15-30 67-75 有記憶效應，充放電控制電路簡單 鎳氫蓄電池 1.2 60 2.4-2.6 25-35 55-65 充放電控制電路簡單 鋰蓄電池 3.6 100 4.0-4.5 2-5 95 嚴格防止過充電/過放電 在新能源系統(tǒng)中，用得最多的蓄電池是鉛酸電池。鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池等對于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，價格太貴而且不方便。鉛酸蓄電池造價便宜、使用簡單、維修方便、原材料豐富，能夠實現大規(guī)模生產。目前在大中型光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用最多。 目前常用的鉛酸蓄電池主要分為三類： 1）普通蓄電池：普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優(yōu)點是電壓穩(wěn)定、價格便宜；缺點是比能低、使用壽命短和日常維護頻繁。 2）干荷蓄電池：即干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點是負極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，20-30分鐘之后即可使用。 3）免維護蓄電池：免維護蓄電池由于自身結構上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小等特點。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。 3.4.2 儲能元件的作用 蓄電池在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用主要有三點： 1）儲存能量，為負載提供可持續(xù)供電電源。由于晝夜交替，陽光的輻射是不連續(xù)的，而一般獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載都需要能夠持續(xù)供給電能的電源。而且，即使在白天，陽光輻射的自然變化也無法保證供電連續(xù)。所以蓄電池的一個重要作用就是當陽光輻射充足時，即光伏陣列產生的電能大于負載消耗的要求時，將多余的電能儲存在蓄電池中，以備夜晚或光照不足時使用。 2）穩(wěn)壓和鉗位。當光伏陣列直接連接負載時，由于光伏電池的工作特性受光照強度、電池溫度等因素影響較大，使負載常常不能工作在最大功率點附近，系統(tǒng)的效率很低。而如果利用蓄電池作為電源給負載供電，隔離了光伏電壓陣列輸出電壓對負載的影響，使負載穩(wěn)定在最大功率點附近，從而大大提高了整個系統(tǒng)的效率。 3）提供啟動電流。有些設備的啟動需要很大的啟動電流，可能會達到設備額定電流的5~10倍，而受到最大短路電流和光照強度的限制，光伏陣列可能無法滿足負載對于啟動電流的需求，這就要求蓄電池在短時間內提供大電流給負載啟動。 3.4.3 鉛酸蓄電池的充電特性 儲能是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，尤其對于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，儲能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成部分。儲能系統(tǒng)的好壞直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能在實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲能部分又是最易受損、最易消耗的部分。所以獲得最佳的儲能系統(tǒng)成為光伏系統(tǒng)設計的重要組成部分。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常使用蓄電池實現儲能，常用蓄電池屬于電化學電池。蓄電池在充電時把電能轉化為化學能儲存起來，放電時把儲存的化學能轉化為電能提供給負載使用。一般來講，光伏發(fā)電系統(tǒng)白天把太陽能轉化為電能，通過充電器和蓄電池把電能儲存起來，晚上再通過放電器把儲存在蓄電池里的電能放出來使用。 其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。目前中國用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘蓄電池外，絕大多數是采用鉛酸蓄電池。 鉛酸蓄電池在制造時的單格電壓為2V，所以一個額定電壓為12V的鉛酸蓄電池由6個單格串聯組成。如果設計光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能蓄電池組端口額定電壓為96V，則需要8塊額定電壓為12V的鉛酸蓄電池串聯。在使用鉛酸蓄電池時，首先要掌握它在工作時表現出來的充放電特性，然后才能根據特性表現選擇合適的使用方法，從而延長蓄電池使用壽命。鉛酸蓄電池的充放電特性一般體現在其充放電時端口電壓的變化上，下面將分別從充電過程 和放電過程對蓄電池特性進行分析。 1. 充電時端電壓的變化 在蓄電池充電過程中，其端電壓會隨著電池剩余電量的變化而發(fā)生規(guī)律性的 改變。為了便于分析，下面以蓄電池的一個單格（2V）為例分析其恒流充電時 端口電壓的變化情況。 圖 3.4 額定充電率充電時蓄電池端電壓變化曲線 以額定充電率為蓄電池充電時，其單格端口電壓的變化曲線如圖3.4所示。從圖3.4中可以看出，蓄電池的端口電壓在充電初期上升很快，此過程對應充電曲線的oa段，出現此現象是因為極板活性物被還原為絨狀鉛和二氧化鉛時在活性物質微孔內形成的硫酸迅速集聚造成的。蓄電池的充電中期對應于曲線的ab段，由于此過程中硫酸在極板活性物微孔中的擴散速度和集聚速度趨于平衡，所以ab 段期間的端口電壓變化很小。蓄電池充電后期對應曲線的bc段，在此過程中當大部分極板活性物被還原為絨狀鉛和二氧化鉛時時，蓄電池端電壓上升到2.35V 左右。如果繼續(xù)充電，則端電壓上升至曲線的cd段，此過程中大量水被電解成氫氣和氧氣，其中負極產生的氫氣吸附在極板表面使電池內阻增加，而正極產生的氧氣吸附在極板表面使電池正極的電位升高。在cd段的末期，極板上的活性物逐漸被完全還原，且水的電解也趨于飽和，當蓄電池端口電壓到達點后其幅值不再增加，穩(wěn)定2.7V左右。d點之后如果繼續(xù)充電，則所耗電能都用在了電解水的過程，如果此時停止充電，則端口電壓會因蓄電池內阻電壓降為0 而驟降至2.3V左右。de段是停止充電后的端口電壓變化曲線，此過程中極板上活性物質微孔中的硫酸比例逐漸降低，等到極板內外的電解液濃度相等時端口電壓也降至穩(wěn)定狀態(tài)，e點的電壓約為2.06V。 3.4.4 鉛酸蓄電池的放電特性 與充電過程類似，在蓄電池的放電過程中其端電壓也會隨著電池剩余電量的變化而發(fā)生規(guī)律性的改變。下面同樣以蓄電池的一個單格（2V）為例分析其恒流放電時端口電壓的變化情況。 圖3.5 恒定電流放電時的蓄電池端電壓變化曲線 以恒定電流放電時，蓄電池的單格端口電壓變化曲線如圖3.5所示。從圖中 可以看出，蓄電池的端口電壓在放電初期下降很快，此過程對應放電曲線的 oa 段，出現此現象是因為極板微孔內的水分迅速集聚使電解液的濃度驟降造成的。 蓄電池的放電中期對應于曲線的ab段，由于此過程中水的生成速度與極板外電解液的滲入速度趨于平衡，所以ab段期間的端口電壓變化很小。蓄電池的放電后期對應曲線的bc段，此過程中大部分的極板活性物質已變?yōu)榱蛩徙U，由于硫酸鉛的積累使極板外的電解液滲入微孔的速度減慢，致使微孔內的電解濃度降低，從而引起了蓄電池端電壓的快速下降，c點的端口電壓為1.8V左右。如果繼續(xù)放電，則極板微孔內大量生產成的水會使電解液濃度變的極低，進而導致端口電壓迅速下降，此過程對應放電曲線的cd段。如果在c點之后停止放電，伴隨著極板外的電解液慢慢滲入微孔內的過程，蓄電池端口電壓將緩慢上升并最終穩(wěn)定在2V左右，此過程對應放電曲線的ce段。 在實際使用中，如果蓄電池的放電電壓到達放電曲線的c點后要立刻停止放電，否則蓄電池會因過度放電發(fā)生反極現象或者極板硫酸化。 3.4.5 鉛酸蓄電池充電方式 鉛酸蓄電池充電方法有很多，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法。最基本的是以下幾種： 1）恒流充電 恒流充電是指以恒定的電流給蓄電池充電，在蓄電池允許最大電流情況下，充電電流越大，充電時間就越短。恒流充電的特性曲線如圖3.6所示。 圖3.6 恒流充電特性曲線 此充電方法適合于串聯方式組成的蓄電池組，并且在充電過程中最好采取長時間、小電流的模式。這種充電方法的弊端是：（1）剛開始充電時進入蓄電池的 電流由于大小不變，所以不能滿足低電量的蓄電池對吸收電流大小的要求，充電 速率較低；（2）在充電后期進入蓄電池的電流值又超出了接近飽和狀態(tài)的蓄電池 對電流的接收能力，從而使端口電壓大幅升高，此時常伴有大量析氣現象出現并且對極板造成很嚴重的破壞。因此，閥控式密封鉛酸蓄電池不適合采用此方式充電。 2）恒壓充電 恒壓充電是指以恒定的電壓給蓄電池充電，恒壓充電較容易實現，但初始電流很大，嚴重時可能損壞蓄電池，但隨著蓄電池端電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小。此充電方式的特性曲線如圖3.7所示。 圖3.7 恒壓充電特性曲線 充電電流的計算公式如式3-5所示： (3-5) 其中： U：被測電池的端電壓； E：被測電池電動勢； R：充電電路的內阻。 在恒壓充電的初期，由于蓄電池的電動勢E較小，所以會產生較大的充電電流；當充電到達中后期時，由于蓄電池極板的極化作用會使電動勢E增大，所以充電電流會逐漸減小。與恒流充電方法相比，恒壓充電在充電后期的充電電流會自動減小，所以在充電后期不會破壞蓄電池極板。但是恒壓充電模式同樣存在很多弊端： （1） 剛開始充電時，如果蓄電池的剩余電量很少，則會產生超出蓄電池接收能力的大電流； （2）如果充電器輸出的恒壓值過低，則蓄電池進入中后期充電時的電流過小，會導致蓄電池組的充電時間過長且難以充滿?；诤銐撼潆姷奶匦?，實際應用中一些小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)常采用此模式，由于小功率光伏電池的輸出電流有限，所以即使在系統(tǒng)滿功率工作時產生的充電電流也不會使蓄電池在充電過程中遭到破壞。 3）階段充電 為了克服恒流與恒壓充電各自的缺點，提出了階段充電，階段充電包括兩階段充電和三階段充電，如圖3.8所示。兩階段充電是采用恒流和恒壓相結合的快速充電方法，先以恒流充電至預定的電壓值再改為恒壓充電，三階段充電則是在兩階段充電的基礎上，再加上浮充充電階段，蓄電池在浮充工作方式下，充放電循環(huán)次數減少，浮充電流除了維持自放電外，還維持蓄電池內部的氧循環(huán)，這樣就大大延長了蓄電池的壽命。 圖3.8 階段充電充電特性曲線 4）脈沖充電 脈沖充電是指以周期性脈沖電流給蓄電池充電，這樣在充電期間會有一段停止充電時間，使得蓄電池內的電解液均勻擴散，提高了電能轉化為化學能的效率。作為系統(tǒng)的儲能部分，對蓄電池進行合理的配置非常重要。對蓄電池進行選型時要考慮負載功率、使用時間、天氣狀況以及工作效率等多方面因素。 3.5 蓄電池容量計算及選型 蓄電池的容量計算公示3-6如下： (3-6) 由于在表示蓄電池容量時習慣用“安時（Ah）”作為單位，故蓄電池容量計 算公式應該為3-7： (3-7) 其中： ：蓄電池容量（Wh）； ：蓄電池容量（Ah）； ：負載的日平均用電量； A ：安全系數，取值在1.1-1.4之間； ：蓄電池端電壓 ：連續(xù)陰雨天數； ：溫度修正系數，一般在-10℃以下取1.2，-10℃以上且0℃以下取1.1，在0℃以上取1； ：充放電效率，一般鉛酸蓄電池取0.85。 ：蓄電池的放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75； 參考普通家庭的用電狀況，設家用電器的日平均用電量=3000Wh，取連續(xù)陰雨天數=3，假設蓄電池的充放電效率為h =0.85，蓄電池放電深度為=0.75，溫度修正系數 =1，安全系數取A=1.1，則得到蓄電池的容量為: (3-8) 本系統(tǒng)蓄電池端口電壓為96V，為了在容量上留有一定裕量，選用8節(jié)12V180Ah的免維護鉛酸蓄電池串聯使用。 第4章 蓄電池充放電控制器的設計 在整體方案的指導下，依據工程設計的常見思路，本論文從硬件電路設計和軟件設計兩個方面入手，運用模塊化的設計方法去進行控制器的設計。 硬件電路主要由以下幾部分組成：單片機最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅動電路、A/D轉換電路、LCD顯示電路、串口通信電路等。下面先從控制器框圖入手，對系統(tǒng)原理進行詳細的分析，然后再對具體電路地進行一一介紹。 4.1 控制器部分框圖 系統(tǒng)層次原理圖如圖4.1所示，電路設計以STC89C51單片機作為主控芯片構成控制電路模塊對整個電路控制。首先采用并聯分壓方式對蓄電池電壓采集后，送到AD模塊中的A/D轉換器進行轉換得到一個數字信號的電壓值，再將此信號送入到控制模塊中單片機進行處理；然后在軟件程序控制下，單片機輸出控制信號送到充放電模塊中，經光耦驅動電路來控制MOSFET。控制MOSFET管導通的方式是脈沖寬度調制(SPWM)，根據載荷變化來調制MOSFET管柵的偏置，達到實現開關功能。 圖4.1 系統(tǒng)原理圖 最后通過通信模塊實現數據的傳送和保存。串口通信模塊采用MAX232芯片進行TTL電平和RS-232電平之間的轉換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)