家庭式太阳能系统设计与实现-毕业论文.docx

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1、家庭式太阳能系统设计与实现摘 要20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。本文主要从独立型家庭式太阳能照明系统来研究太阳能光伏发电的，以STC12C5410AD单片机为核心，对家庭式太阳能照明控制系统进行优化设计，解决了控制器如何对蓄电池及负载进行有效管理问题，充分提高太阳能电池板的使用效率，延长蓄电池的使用寿命，防止因线路问题而造成的意外事件的发生；文中也详细介绍了太阳能发电

2、系统的工作原理，还对家庭式太阳能光伏发电系统的各组成部分如太阳能电池，蓄电池，逆变器等各方面进行一个详细的分析，依据当地的气象参数对各部件进行相关的参数计算设计，计划实现能使100W以内的交流负载正常工作的家庭式太阳能发电系统，也计算出该系统每年节约用电量，以及所带来的环境效益，系统整体考虑比较周全，设计比较合理。关键词：光伏发电；家庭太阳能；节能环保；智能控制AbstractThesolar energy is inexhaustible,inexhaustibleandclean and safe,is an idealrenewable energy.After the 1970s,so

3、lar photovoltaicpower generationin the worldhas been attached to andmade considerable progress.Solar photovoltaic technologyastheutilization of solar energyis an importantpart ofand is consideredapower generationofthe twenty-first centurythe most development potential.Solarphotovoltaic power generat

4、ion systemtoalleviate the energy crisisand reduce environmental pollution, andreduce thegreenhouse effectis of great significance. In this paper,to studyfromhomesolar lightingsystems,stand-alonesolar photovoltaic power generationtoSTC12C5410ADmicrocontrolleras the core of householdsolar lightingcont

5、rol systemto optimize thedesign,toaddresshowthe controllerbatteryand loadmanagement issues, improve efficiency in the useofsolar panels, extending thebattery life,andtopreventtheoccurrenceofaccidentscaused due toline problems.Whichthefamilysolarphotovoltaic power generation system, an integral part

6、ofsuchsolar cells,batteries, inverters,andother aspects ofa detailed analysis of thevariouspartswhentheparameters related tocomputational design,plan,100Wor lessAC loadpower generation systemofthenormalwork, calculatedeachyearto savepower consumption, as well asenvironmentalbenefits, System as a who

7、letoconsidera more balanced,thedesignismore reasonableKeywords:photovoltaic;solar home;energy saving and environmental protection; Intelligent Control 目 录1 绪 论11.1 太阳能光伏发电的现状11.2 太阳能光伏发电利用的现状21.2.1 国外太阳能光伏发电利用状况21.2.2 国内太阳能光伏发电利用状况31.3.3 家庭式太阳能发电系统的现状42 家庭式太阳能发电系统的组成和原理52.1 家庭式太阳能发电系统组成52.2 家庭式太阳能发电

8、系统的工作原理52.3 家庭式太阳能发电系统的整体优点63 家庭式太阳能照明系统设计思路73.1 总体设计思路73.2家庭式太阳能照明系统组成原理框图73.3设计需要考虑的因素83.4 各数据计算83.4.1 所在地区的地理概况及基本气象资料83.4.2 太阳能电池组件计算93.4.3 蓄电池计算93.4.4 逆变器计算103.4.5 控制器计算103.4.6 太阳能电池组件安装103.4.7 系统收益(节电费用)分析114 各部件的组成及工作原理124.1太阳能电池组件的组成及其工作原理124.1.1太阳能电池的分类124.1.2硅太阳能电池工作原理与结构124.2 蓄电储能系统144.3

9、逆变器的工作原理154.4 电源控制器的组成及工作原理164.4.1 系统硬件结构164.4.2 电压采集与电池管理174.4.3 负载输出控制与检测电路174.4.4 硬件设计中的注意点184.4.5 系统软件设计18总 结22参考文献23致 谢24附 录251 绪 论1.1 太阳能光伏发电的现状随着常规能源的大量消耗，使得可再生能源越来越多的受到21世纪人类的关注。对能源资源消耗所引发的气候变化等一系列问题，不仅是对中国提出的挑战也是对世界提出的挑战。能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。太阳能之所以受到世界各国越来越多的关注主要是因为其具有以下优点：(1)太阳的历史寿命长，与人类的历史(

10、约30万年)相比，太阳具有长得多的寿命所以对人类来讲太阳能几乎是无限的能源：(2)太阳是十强大的能源供应体，太阳光大约以40G幽的功率倾注于地球，其30min内赐予地球的能量如果能够都为人类所利用的话，估计就能满足全世界一年的能源消耗；(3)太阳能不会造成环境污染、能源损失等社会问题，(4)能量获取简单直接。在使用现场就能从太阳光获得能量。1839年，法围科学家贝克雷尔(Bccquml)发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差这种现象后来被称为“光生伏打效应简称“光伏效席”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔挫在美圈贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池诞生了将太阳光能转换为电能的实用

11、光伏发电技术。在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快最具活力的研究领域之也是其中最受瞩目的项目之一。太阳能光伏发电具有水电、火电、核电所不能比拟的清洁性、安全性、普及性等优点。随着科学进步，光伏发电技术已可用于任何需要电力且有光照的场合。太阳能光伏发电技术是将太阳辐射能转换为电能的发电技术太阳能逆变电源具有寿命长、可靠性高、使用维护简单、安全性能好等特点。 据国际能源署预测，到2020年，全球光伏发电量将占总发电量的2。最近5年，德国、西班牙、日本等许多国家都在鼓励发展包括太阳能光伏在内的可再生能源，光伏电池产量年平均增长率超过40。迅速“发酵”的国际市场也拉动了我国光伏产业

12、的发展。据统计，目前我国已经成为全球第一大光伏电池生产国，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但将替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到2l世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位1。中国已成为继美国之后的世界第二大电力消费大国，但电力对中国经济发展的制约作用已开始

13、显现，国内数以百万计的企业亟待进行节电改造。随着人们生活水平不断提高，社会经济活动和交流日益频繁与扩大，照明用电不断增加，充分利用电能、节约电能、保障电力品质，可以有效支持社会生产和满足人民对高品位生活的需求。随着太阳能光伏发电在人们生活中被逐步认识和大量应用，广泛使用绿色能源对减少二氧化碳和其它有毒气体的排放，防治大气污染，保护生态环境具有重要意义。因此，研究开发太阳能发电的绿色能源具有强烈的紧迫性6。1.2 太阳能光伏发电利用的现状1.2.1 国外太阳能光伏发电利用状况在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家(德国)和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早

14、，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠，同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能利用的研究。欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶计划，其中，在太阳能利用领域领先

15、的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月提出了计划在6年内安装10万套太阳能屋顶系统，总容量在300-500MW，每个屋顶约3-5KW。日本政府的计划目标是，到2010年安装500MW屋顶光伏发电系统2。 在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。2005年，全球太阳能电池年产量达到了1650兆瓦，累计装机发电容量超过5GW，其中，日本太阳能电池产量达到762兆瓦，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到了464兆瓦；美国增加12%，达到了156兆瓦；世界其他地区增加96%，达到了274兆瓦。我们预计，2010年全球太

16、阳能电池的年产量有望达到10400兆瓦，较2005年的年产量增长6.3倍；整个行业的销售收入有望在2005-2010年间，从130亿美元提高至450亿美元，在未来5年内增长3.5倍。同时，受益于规模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。 从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也已遍及几乎所有的用电领域。1.2.2 国内太阳能光伏发电利用状况我国1958年开始研究太阳电池，于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上，

17、1973年开始将太阳电池用于地面一天津港的航标灯。1979年开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池，使太阳电池成本明显下降，打开了地面应用的市场。当时太阳电池面积小，采用真空蒸镀银铝的方法制作太阳电他的电极。80年代中期，引进国外太阳电池生产线或关键设备，使我国太阳电池生产能力达到4.5MW。我国太阳能资源丰富，年日照时数大于2000小时，年太阳能辐射总量高于每平方米1389千瓦时的一、二、三类地区约占全国总面积的三分之二以上，具有太阳能利用的良好础。我国地域辽阔，经济发展不平衡，西部地区尽管具有丰富的电力资源，但是由于受到地理环境、交通和环境保护等因素制约，从经济角度考虑常规电力无法进入

18、，使得这些地区经济和人们的生活环境极其落后，国家西部大开发战略，给这一地区的经济发展注入了活力。正在实施的“光明工程”解决了部分无电乡生活、办公、学校用电问题，使一大批农牧民结束了无电的历史，改善了生活质量。但是在中国的西部，游牧、半游牧的广大农牧民还有几百万，户用光伏系统市场潜力仍然很大。2008年我国首座利用太阳能自身发电的大厦在河北保定市正式投入运营，总装机容量可达O3兆瓦，相当于一个小型发电站，发出来的电不仅供大厦使用，还可直接并入电网。此座建筑大面积、多角度采用了太阳能发电技术，安装并网容量达03兆瓦，不仅能满足大楼群的公共照明，而且能够并网发电。除此之外，海南省也力争打造“光伏岛”

19、。国家科技部最近发布的太阳能发电科技发展“十二五”专项规划提出“十二五”期间，要实现光伏技术的全面突破，促进太阳能发电的规模化应用，初步建立太阳能发电国家标准体系和技术产品检测平台，形成我国完整的太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运行维护等产业链技术服务体系3。发展改革委能源研究所副所长李俊峰也认为，今后5-l0年内，我国光伏发电系统的应用一方面还将以户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，另一方面，要借鉴发达国家发展屋顶系统的经验，在大中城市的道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用。所以，本课题所研究离网式小型家庭式太阳能发电系统很有现实

20、意义。1.3.3 家庭式太阳能发电系统的现状目前，国内家庭式太阳能光伏发电系统现阶段主要是用于无电、缺电的人口通电。至2010年底，已有大约75万套家庭式太阳能光伏发电系统进入用户家庭。在这些用户之中，大多数都是牧区的牧民家庭，这些家庭的通电水平还比较低，一般只能满足基本的照明需要。除此以外，还有林区和农区的农户和养蜂户以及无电的公路道班、学校、商店等小单位以在使用家庭式太阳能光伏发电系统，还有一些缺电地区的城镇居民，也成为家庭式太阳能光伏发电系统的用户。如果这些家庭式太阳能光伏发电系统的保有量按80%计，加上国家光明工程和送电到乡工程的光伏电站，中国目前至少有100万户家庭主要依靠光伏发电系

21、统解决基本的生活照明用电3。到2010年底，中国的光伏发电市场累计安装量达到70MW，其中约43%为农村电力建设方面的应用，而全国大约还有300万无电户，估计其中至少还有150万户需要在今后的十年内采用光伏或风光互补发电系统来解决。由于居住条件的限制，输电设备很难到达，他们中的大多数只能采用分散的供电方式，即采用家庭式太阳能光伏发电系统。随着光伏期间价格不断下降及国家相关政策的支持，国内光伏发电系统迎来了一个快速发展的时期，但是我国目前投入较大的是大型并网光伏发电系统，在家庭式太阳能系统的应用并未普及。 家庭式太阳能光伏发电系统灵活性和经济性都大大优于大型的并网发电系统，有利于普及。现本人计划

22、设计一种小功率的普通家庭式太阳能发电系统，主要为解决偏远地区用户用电困难的问题，能满足普通家庭用户的用电需求。此外，它还有很好环境效益，一套300W功率的太阳能组件，每年大约发电量250度，每年减少发电消耗标准煤100公斤，减少向大气排放二氧化碳0.3吨；还可以有效地利用建筑屋顶，无需占用宝贵的土地资源。家庭式太阳能光伏发电系统可原地发电，原地使用，减少了电力输送的损耗。由于太阳能发电阵列一般可安装在屋顶及墙面上直接吸收太阳能，因此太阳能光伏发电系统同时降低了墙面及屋顶的温度，减轻了建筑的空调负载，降低了空调的耗能。2 家庭式太阳能发电系统的组成和原理2.1 家庭式太阳能发电系统组成一般来说，

23、家庭式太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。家庭式太阳能光伏发电系统的结构如图2.1所示。太阳能电池组件蓄电池控制器逆变器110/220V AC12/24/48V DC交流负载直接供LED灯等图2.1家庭式太阳能光伏发电系统的结构图太阳能电池组件是整个系统能源的来源，它把照射到其表面的太阳能转化为电能；控制器是整个系统的核心部件之一，其运行状态决定着系统的运行状态，系统在控制器的管理下运行；蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电；逆变器是将直流电变换为交流电的设备，由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电，因此当系统向交

24、流负载供电时，逆变器是不可缺少的。2.2 家庭式太阳能发电系统的工作原理太阳能发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的内静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂;另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统

25、通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。本文所研究的家庭式太阳能光伏发电系统就是一种独立式太阳能发电系统。白天的时候，太阳能电池吸收太阳光子能产生电能，通过控制器把电能储存在蓄电池里，当夜幕降临或者灯具周围的亮度较低时，蓄电池开始放电，点亮照明灯具4。2.3 家庭式太阳能发电系统的整体优点1、安全可靠、无噪声、无辐射、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、寿命长；2、环保

26、美观、不受地理位置限制、建设周期短、规模大小随意、拆装简易、移动方便；3、即装即用、拆装损毁成本低、可以方便地与建筑物相结合，无需预埋架高输电线路，可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏及工程费用； 4、电压稳定、电源质量高，非常适用于乡村、农场、山头、海岛、高速公路等偏僻地方的用电，也是非常优秀的应急备用电源。为更深入地研究家庭式太阳能发电系统，本设计从家庭式太阳能照明系统起，计划实现平均功耗为100W的灯具照明系统，初步设定每天工作时数12h,保证阴雨天能连续供电7天。3 家庭式太阳能照明系统设计思路3.1 总体设计思路太阳能光伏发电系统的基本原理相同，因而家用太阳能照明系统的设计思路也

27、可依据一般的太阳能发电系统，先确定太阳电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。另外，在设计家庭式太阳能照明系统时，要尽可能的掌握当地的气象、环境状况，要考虑用户的用电需求情况通过综合考虑和计算，对系统各部件的性能做到尽可能最大优化设计，目前家庭式太阳能发电系统大多都用于偏远落后地区,交通不便,用户维护水平不高，这就要求系统具有很高的可靠性。目前我国太阳能发电系统一般应用在较大型的发电系统上，在小功率家庭式控制器的研究上投入较少，技术并不完善，缺少较好的行业标准，很多控制器都需要专业技能才能操作和管理，因此很难使家庭式太阳能发电系统得到普及化的推广使用。在家庭式太阳能照明系统研究中，本人计划设计出

28、一种智能化控制系统，可以自动实现；白天充电靠太阳能电池吸收光能产生电能，而负载照明灯具熄灭；夜晚照明灯具点亮进行照明，用简单有效的电路能对蓄电池进行管理，能发挥太阳能电池板的最大效率，也要考虑到控制系统电路的稳定性能。3.2家庭式太阳能照明系统组成原理框图太阳能电池组件光控单元计时单元智能控制器发光负载蓄电池逆变器图3.1 家庭式太阳能照明系统的工作原理方框太阳能电池组件蓄电池逆变器交流负载智能控制器熔断丝+-+-图3.2 家庭式太阳能照明系统的接线图3.3设计需要考虑的因素问题1：太阳能照明系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？问题2：系统的负载功率多大？问题3、系统的输出电压是多少，直流还

29、是交流？ 问题4、系统每天需要工作多少小时？ 问题5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？3.4 各数据计算3.4.1 所在地区的地理概况及基本气象资料为了研究方便，本设计所选相关参数依据我市驻马店地区的气象资料。驻马店市地处亚热带与暖温带的过渡地带，具有亚热带与暖温带的双重气候特征，是典型的季风型半湿润气候。这里阳光充足，热量丰富，雨量充沛，四季分明。全年平均气温15，极端最低气温-21，极端最高气温达44。雨量比较适中，全市累年平均降水量为850-980mm，雨量最多的是4-9月。夏季过于炎热，冬季比较寒冷。年日照时数约为2516小时，峰值日照时数约为4.75h，最小峰值日

30、照时数约3.75h。全年大风=6级的日数平均为58.5天。其中春季27.0天占全年的46.2%。=8级的日数34.2天。其中春季18.7天。占全年的57.6%。表3-3 驻马店市 (1991-2005)年平均基本气候资料驻马店基本气候情况（据1991-2005年资料统计）月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均温度（）1.33.68.415.420.625.427.226.021.516.09.33.5平均最高温度（）6.48.913.721.226.430.831.930.926.921.814.88.9极端最高温度（）21.825.530.635.137.740.04

31、0.540.638.834.330.121.7平均最低温度（）-2.8-0.73.59.815.120.223.322.317.211.44.8-0.8极端最低温度（）-18.0-18.1-10.0-1.24.410.716.014.48.5-1.5-8.7-14.8平均降水量（毫米）21.425.051.358.284.3130.0194.4180.5106.771.839.216.4降水天数（日）5.35.98.67.99.89.212.711.39.58.76.24.9平均风速（米/秒）2.32.52.62.62.42.42.21.91.82.02.32.43.4.2 太阳能电池组件计算

32、初步计划照明设备的平均功耗为100w,整套系统采用24V直流蓄电,再逆变成交流220V供电,每天工作时数12h,保证连续阴雨天数7天。驻马店地区太阳能年辐射总量约为5000-5800MJ/m2a,该地区峰值日照时数约为4.75h参考,经计算负载日耗电量=1002412=50AH。 所需太阳能组件的总充电电流=(500.9)(4.750.7)=16.7A,其中,逆变器的转换效率为0.9 ,蓄电池充电效率为0.7，太阳能电池组件填充因子0.7。太阳能组件的最少总功率数=240.716.7= 287W,所以太阳能电池板设计为300W,采用24V 100W的电池板3块并联安装。3.4.3 蓄电池计算根

33、据上面的计算知道,负载日耗电量为50AH。在蓄电池充满情况下, 可以连续工作7个阴雨天,再加上第一个晚上的工作,蓄电池容量=50(7+1)0.8=500(AH),0.8为蓄电池的放电深度,因此选用12V 500AH 的深循环型免维护铅酸蓄电池2只串联安装。本设计使用富瑞特公司生产的12V 500Ah胶体密封铅酸蓄电池，根据厂家提供的蓄电池充电参数,浮充电压取13.8V,充电使能电压取10.8V; 浮充临压值13.2V ，过压充电电压14.7V。本设计中过充保护电压取15V，过放保护电压取11V，浮充临界电压取13.2V。3.4.4 逆变器计算当工作电流超过额定值150%时, 逆变器应能自动保护

34、。当电流恢复正常后,设备应能正常工作。本系统的总功率为100W,考虑到负载启动的瞬间冲击电流,逆变器的功率应该选择为24V 300W。本设计所用逆变器转换效率取理想化数据0.9。3.4.5 控制器计算本次设计中选择的太阳能电池板峰值功率为300W,充电电压是24V,通过这个数据可以计算出太阳能充电控制器最大的工作电流是300W24V=12.5A。3.4.6 太阳能电池组件安装为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次设计选定的驻马店地区位于北纬32.58o，查阅相

35、关资料，依据我国主要城市辐射参数表知，选定太阳能电池组件支架倾角为40o，；比较理想的安装位置是将太阳能电池板直接安装在屋顶上，依据屋顶的倾角合理安排，依托不锈钢支架安装太阳能电池板5。 一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约1020。通常，在电池组件周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的围会存在阴影，因此在选择铺设太阳能组件的地方时应尽量避开阴影。如图3.4与图3.5 为家庭式太阳能照明系统的初步设计框图 3.4 家庭式太阳能照明系统的初步设计框图充电控

36、制器直流负载电池逆变器交流负载图3.5 家庭式太阳能照明系统的初步设计框图3.4.7 系统收益(节电费用)分析该家庭式太阳能发电系统每年节约的用电量约： 0.30.70.70.94.75365=229.4Kw.h其中0.3为太阳能电池组件的额定功率即300W；0.7为太阳能电池组件的填充因子；0.7为铅蓄电池的充电效率；0.9为逆变器的逆变效率；365为每年天数每年节约电费约：A1=229.4kWh0.6元=137.64元此外还有个对应电价上调节约的增加额G1=229.4kWh0.04元=9.176元 每年对国家，它可节省发229.4度电所消耗的标准煤87.12公斤，减少二氧化碳排放0.27吨

37、，大面积推广会有很好的环境效益。4 各部件的组成及工作原理4.1太阳能电池组件的组成及其工作原理4.1.1太阳能电池的分类太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，

38、为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位10。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。下面对硅太阳能电池进行详细介绍。4.1.2硅太阳能电池工作原理与结构太阳能

39、电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图4.1。图4.1图4.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图4.2所示。图4.2图4.2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而实心的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以当它们与周围的硅原子形成共价键时，就会产生入图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有

40、一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。实心的为磷原子核，小的为多余的电子，如图4.3所示。图4.3 图4.4N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。如图4.4所示。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特

41、殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源 ，如图4.5所示。图4.5由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结，如图4.5，以增加入射光的面积7。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕

42、竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。4.2 蓄电储能系统蓄电储能系统是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于离网型的家庭式太阳能照明系统而言，蓄电储能环节更是不可缺少的组成部分。家庭式太阳能照明系统必须配备蓄电池才能工作，这是因为：太阳能电池只能在白天进行光电转化储能工作，电能在夜晚才能用于照明，因此需要储备在蓄电池内，储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要；太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，照明灯具才能稳定地正常工作。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时

43、把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。蓄电池的种类及特点类别特性锂电池镍氢电池免维护铅酸电池胶体普通酸液充放电特性无记忆效应,使用时间长,重复充电可达1200次以上。2小时的急速充电。可以重复500次以上充放电,但是记忆效应明显,使用一定时间后,需完全放电后,才可充电。没有明显的记忆效应,随充随用，可以重复500次以上充电。1.2小时的急速充电。耐深放电,亏电状态下恢复能为极好,不会因若干次亏电而失去容量.寿命长,可达10年。注：若干次亏电而失去容量,易使电池报废

44、.使用寿命一般为23年。容量同等容量的锂电池重量比镍电池要轻50%,单体电压为3.6V单体电压为1.2V.容量在200mAh14000mAh单体电压为1.2V,容量是同体积的镍镉电池的1.52倍单体电压有2V,6V,12V,容量5.5Ah180Ah,2V可达3000AH适用范围移动通信、报警系统、仪器仪表、日用品等。太阳能系统、UPS、通信设备（2V）、电动车、发电等4.3 逆变器的工作原理由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是将直流电转换成交流电的必不可少的设备。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

45、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。逆变器按输出波型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9。逆变器是一种电源转换装置，太阳能逆变器的作用是将太阳能电池产生的DC电压转换成为电网兼容的AC输出。太阳能发电系统对逆变器的主要要求是可靠、效率高、波形畸变小、功率因数高。在可靠性和可恢复性方面，要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能。逆变器的效率指的是逆变器把直流电转换为交流电的效率，在逆变器输出效率方面，由于现在常用的太阳电池矩

46、阵的光电转换效率小于15%，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，则十分可惜，这样势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加太阳能发电设备的投资和土建费用。所以，要求逆变器效率要大于90。大功率逆变器在满载时，效率必须在90或95以上，中小功率的逆变器在满载时，效率必须在85或90以上。在逆变器额定功率10的情况下，也要保证90以上的转换效率(大功率逆变器)。4.4 电源控制器的组成及工作原理4.4.1 系统硬件结构家庭式太阳能照明智能控制系统硬件结构，如图4.6所示，该以STC12C5410AD单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。