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1、毕 业 设 计（论 文）题 目 户用型中小功率独立光伏发电 系统的研究与设计毕业设计（论文）专用纸毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，
2、即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授
3、权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能量直接转化为电能的发电技术，它是可再生能源和新能源的重要组成部分，被认为是当今世界上最有发展前景的新能源技术。 打印部分：8 30 31 参考文献本文系统地介绍了独立光伏系统的结构、工作原理、控制方法等方面的内
4、容，为降低系统体积及提高系统效率，提出“推挽升压+全桥逆变”的设计方案。推挽升压的控制器采用电压型控制芯片SG3525,采用电压反馈，增加了系统的动态响应速度，同时详细讨论了高频变压器的设计、滤波元件参数的选择等。逆变环节采用PWM调制方式，控制芯片为PIC16F73，简化了驱动电路设计。软件设计中，采用瞬时电压反馈，增加了电路保护等功能，论文阐述了软件设计总体思想构架，给出了程序代码。最后,利用单片机仿真软件proteus对系统进行仿真并给出仿真原理图及仿真波形。关键词：光伏发电 推挽升压 单相全桥逆变 PIC16F73 AbstractSolar photovoltaic power ge
5、neration is a kind of technology which can convert solar radiation energy into electricity directly,solar energy is renewable energy and an important part of new energy, which is considered to be the worlds most development prospects of new energy technology.This paper introduces the independent pho
6、tovoltaic system structure, working principle and control methods detailedly. In order to reduce system volume and improve the efficiency of the system, the paper puts forward to an inverter by using the push-pull converter and single-phase full-bridge inverter design proposal. In the push-pull cont
7、roller part,the paper uses the voltage type control chip SG3525,choosing voltage feedback to increase the system dynamic speed of response,at the same time,the paper also discusses the high-frequency transformer design,the filter components parameters choices in detail; in the inverter part ,the pap
8、er use PWM inverter link, and the control chip is PIC16F73,this makes the system simple. In the software design,the paper uses the transient voltage feedback and meanwhile,increase circuit protection function, the paper also elaborates the overall framework of software design and displays program co
9、de. Finally, the paper uses single chip computer simulation software the proteus simulink the system and gives the simulation principle diagram and waveform. Key words: photovoltalc power system Push-Pull Converter single-phase full-bridge inverter PIC16F73目 录1 绪论11.1 太阳能光伏发电技术11.1.1 太阳能光伏发电的概况11.1.
10、2 太阳能光伏发电的发展现状及应用前景11.1.3 太阳能光伏发电的优点21.2 太阳能光伏发电系统21.2.1 太阳能光伏发电的基本原理21.2.2 太阳能光伏发电系统的分类31.3 本文的研究内容52 独立光伏发电系统的研究与设计62.1 独立光伏发电系统的组成62.1.1 太阳能电池62.1.2 蓄电池组62.1.3 逆变器72.1.4 控制器72.2 独立光伏发电系统对逆变电源设计的要求72.3 主电路拓扑结构的设计82.3.1 升压环节拓扑结构比较82.3.2 逆变电源的基本工作原理102.3.3 光伏发电系统中逆变器主电路拓扑结构比较112.3.4 独立光伏发电系统中逆变器控制方法
11、的比较112.3.5 独立光伏发电逆变电源的系统结构框图123 光伏发电电池容量及光伏阵列的设计143.1 太阳能光伏发电蓄电池组的设计143.1.1 蓄电池容量设计的基本原理143.1.2 蓄电池容量的计算163.2 太阳能光伏阵列的设计173.2.1 太阳能电池组件设计的基本原理173.2.2 太阳能电池组件配置计算184 独立光伏发电系统逆变电源的设计204.1 推挽式DCDC变换器原理介绍204.2 推挽式电路变压器的偏磁现象204.2.1 推挽式变压器偏磁现象产生的原因204.2.2 推挽式变压器偏磁的抑制方法214.3 推挽式升压电路设计224.3.1 推挽式DCDC升压电路拓扑结
12、构224.3.2 控制电路的设计224.3.4 电压采样隔离电路254.3.5 独立光伏发电系统推挽升压电路的原理图264.3.6 推挽升压电路环节电路参数的选择274.4 逆变主电路的设计295 系统软件设计与仿真345.1 主程序的设计345.2程序设计原理355.3 PWM波形产生程序355.4 系统仿真366 结 论39致 谢40参考文献41附 录1（程序清单）43附 录2（英文文献）50VI1 绪论1.1 太阳能光伏发电技术1.1.1 太阳能光伏发电的概况随着人类工业化的进程，人类对能源的需求不断增长，与此同时，也带来了不可再生能源的日渐减少和环境污染的日益严重等问题。面对全球范围内
13、的能源危机和环境压力，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点，丰富的太阳辐射能是重要的可再生能源，取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、是人类能够自由利用的能源。太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能量直接转化为电能的发电技术，它是可再生能源和新能源的重要组成部分，被认为是当今世界上最有发展前景的新能源技术。1.1.2 太阳能光伏发电的发展现状及应用前景（1）世界太阳能光伏发电发展现状及前景近几年国际上光伏发电快速发展，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的
14、发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。世界光伏组件在1990年2005年年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%13%提高到13%15%，生产规模从15兆瓦/年发展到525兆瓦/年，
15、并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。（2）国内太阳能光伏发电发展现状及前景中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔，具有巨大的开发潜能。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下
16、，我国光伏发电产业迅猛发展。根据可再生能源中长期发展规划，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。1.1.3 太阳能光伏发电的优点太阳光辐射能经太阳能电池转换为电能，再经过能量存储、能量变换控制等环节，向负载提供合适的直流或者交流电能。与常规发电及其他绿色能源发电技术相比，太刚能光伏发电技术有以优点：(1)是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源；(2)能
17、量具有广泛性，随处可得，不受地域的限制；(3)由于无机械转动部件而运行可靠，故障率低；(4)维护简单，可以无人值守；(5)应用场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并网返行；(6)无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合；(7)建站周期短，规模大小随意，发电效率不随发电规模的大小而变。1.2 太阳能光伏发电系统1.2.1 太阳能光伏发电的基本原理太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏特效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能转化为电能的转换器件就是太阳能电池。当太阳能光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成
18、的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳能电池的受光面有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背光面有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。1.2.2 太阳能光伏发电系统的分类从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可分为三种基本类型：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。(1)独立型光伏发电系统独立型光伏发电系统的结构如图l-1所
19、示。独立型光伏系统一般由屋顶的太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器及控制系统组成，太阳能电池阵列将太阳光能量收集之后由充电系统储存到蓄电池中。在蓄电池没有充满的情况下，一般由蓄电池提供电能进行逆变提供给用户，如果天气晴朗，当蓄电池充满电的情况下，也可以由太阳能电池板直接提供电能进行逆变，用户可以根据天气情况和蓄电池剩余电量的多少来判断是由蓄电池进行逆变还是直接由太阳能电池板进行逆变过程。作为家用的小型系统，独立光伏系统有其独特的优势，它体积小，便于安装使用和维护，成本较小，由于独立光伏系统中有并网系统所没有的蓄电池部分，所以可以应用更长时间，基本能够满足普通用户的需要。独立光伏系统一般将太阳能转化为
20、电能储存在蓄电池中，然后再通过逆变成为普通用户所使用的交流电。(2)并网型光伏发电系统并网型光伏发电系统的结构如图l-2所示。并网光伏系统是指太阳能发出的直流电转化为和电网同频同相的交流电，既向负载供电，也可以向电网发电，可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。(3)混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统的结构如图l-3所示。混合型光伏发电系统是在
21、系统中增加一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池容量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流后给蓄电池补充充电，在混合系统中，还可以由两种可再生能源发电技术构成混合系统。最常见的是风光互补系统。1.3 本文的研究内容本论文研究的目的是开发出一个高性能、价格低廉的修正正弦波输出的独立型光伏逆变系统。针对独立光伏系统进行较为深入的分析，对于系统的工作原理、结构、控制方法、参数选择等方面进行论证，主要有以下几方面内容：(1)在介绍太阳能电池板的分类特点，蓄电池的特性的基础上对太阳能电池板和蓄电池进行选型和设计，并对蓄电池的充放电的控制进行研究。(2)对独立型光伏系
22、统的不同主电路结构拓扑结构，工作原理，控制策略进行详细的分析，并根据设计要求选择合适的拓扑结构。(3)对系统进行可靠性设计，提出对系统的保护方法和系统设计可靠的辅助电路。(4)根据系统设计目标，用高频技术研制了500W修正正弦波输出逆变电源，具体设计指标如下：输入电压：12V输出电压：220V输出频率：50Hz输出功率：500W效率：80%过载能力：110%-120%2 独立光伏发电系统的研究与设计2.1 独立光伏发电系统的组成独立太阳能光伏发电系统的典型结构框图如上图2-1所示，主要由太阳能电池方阵、太阳能控制器、蓄电池组、逆变器四部分构成。图2-1 独立光伏发电系统的组成2.1.1 太阳能
23、电池太阳能电池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。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光能通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程是通过“光生伏特效应实现的，因此又被称为“光伏电池”，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。2.1.2 蓄电池组蓄电池是独立光伏发电系统中必须的储能部件。在设计选择光伏系统蓄电池时需要考虑的指标因素很多，如容量、电压、放电深度、循环寿命、充放电性能、自放电率、运行温度及维护要求等等。光伏系统对蓄电池组的要求是：（1）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
24、）少维护或免维护；（6）工作温度范围宽； （7）价格低廉。综合考虑以上各因素，本系统采用市场上普遍使用的VRLA蓄电池。2.1.3 逆变器光伏电池阵列所发出电能为直流电，而大多数用电设备需交流供电，所以系统必须将直流电转换为用户所需要的交流电。逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压电路和逆变桥式电路构成。升压电路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式电路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。对逆变器的基本要求是：（1）能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载发生变换，都要能达到
25、一定的电压精度；（2）具有一定的过载能力，一般能过载120%-150%；（3）输出电压波形含的谐波成分应尽量少；2.1.4 控制器控制器是光伏发电系统的核心部件之一，主要用于实现整套系统地充、放电管理控制。对于蓄电池部分，太阳能光伏阵列发出的直流电能，经过控制器对蓄电池进行充放电控制，如MPPT控制；但由于本文设计的的光伏逆变系统低电压输入，太阳能电池板满足输出电流小，蓄电池组处于充放电的循环状态，综合考虑成本，经济效益等方面，因此不考虑对蓄电池的控制，只进行基本的稳压措施即可。2.2 独立光伏发电系统对逆变电源设计的要求逆变电源部分将太阳能电池或蓄电池的直流电转化为交流电供用户使用，是光伏系
26、统的关键部件。光伏发电系统对逆变电源有较高的要求：（1）具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。（2）具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。（3）直流输入电压具有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电
27、压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V16V之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。（4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。2.3 主电路拓扑结构的设计2.3.1 升压环节拓扑结构比较升压环节实际上是DC-DC开关电源，DC-DC变换
28、器的拓扑结构有很多，但本设计的是作为逆变电源的直流升压环节，需要有电气隔离。故此，只介绍以下几种结构：(1)正激式 如图2-2所示，电路拓扑简单，在变压器绕组中加一去磁绕组就可以实现去磁，是中小功率变换器常用的设计方案。但是，这种拓扑存在许多不足之处。首先变压器铁芯单向磁化，利用率低，主功率管承受两倍的输入电压，只能适合低压输入电路。其次，主功率管一般占空比小于0.5。另外，由于添加了去磁绕组使变压器的结构复杂化，变压器工艺水平的高低将直接影响到电路的性能。图2-2 正激式变压器电路结构(2)推挽式 如图2-3所示，电路结构简单，可以看成两个完全对称的单端反激式交换器的组合。因此变压器铁芯是双
29、向磁化的，相同铁芯尺寸下，推挽电路比正激式电路输出更大的功率。但电路必须有良好的对称，否则铁芯容易引起电流偏磁饱和。另外，由于变压器原边漏感的存在，使主功率管必须承受超过两倍电源电压，因此功率管电压尖峰很大，承受较大电压应力。适合低压大电流场合。图2-3 推挽式变压器电路结构(3)半桥式 如图2-4所示，变压器铁芯不存在直流偏磁现象，变压器两象限工作，利用率高，功率管只承受电源电压，适合高压中功率场合。图2-4 半桥式变压器电路结构(4)全桥式 如图2-5所示，功率管只承受电源电压。并且铁芯利用率高，易采用软开关的工作方式，但功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且存在直通现象，适合大功率场合。图
30、2-5 全桥式变压器电路结构 (5)反激式 如图2-6所示，它的电路形式与正激式变换器相似，主功率管的承受的电压也相同，只是变压器的接法不同。从输出端看，反激式是电流源，不能开路。图2-6 反激式变压器电路结构此外，目前市场流行的升压方式为BUCK-BOOST，但本系统输入端电压12V，属于低压，若想得到工频220V输出电压，必须含有变压器升压环节，综合考虑上述各拓扑结构的优劣，选择推挽变换方式。推挽电路结构简单，适用于低压大电流的场合，正好满足本文独立光伏系统的设计要求。2.3.2 逆变电源的基本工作原理逆变电源的拓扑结构有很多，根据结构不同，可分为单相半桥、单相全桥、三相桥式逆变器；但是，
31、其基本原理相同，都是把直流电变为交流电输出，因此本文对结构简单的电压型单相全桥逆变电路为例进行介绍,电路如图2-7所示。图2-7 电压型单相全桥逆变电路结构全控型开关器件T1、T4同时导通与关断；T3、T2同时导通与关断；T1（T4）与T2（T3）的驱动信号互补，即T1、T4和T2、T3周期性地改变通断状态，周期T对应2弧度，输出电压基波频率f=1/T。在每个周期各对开关管通断半个周期就产生180度的方波电压。2.3.3 光伏发电系统中逆变器主电路拓扑结构比较（1）工频变压器（DC-AC)将直流电压逆变成有效值基本不变的PWM波形，由工频变压器升压得到220V交流电压。这种电路方式效率比较高(
32、可达90以上)、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而噪声大。由于采用工频变压器，体积大，质量大，价格也较贵。（2）高频变压器构(DC-AC-DC-AC)首先将直流电压逆变成高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的高压直流电(一般300V以上)。然后高压直流通过逆变电路实现逆变得到220V或者380V交流电。系统逆变效率可以达到90以上，由于这种电路形式采用了高频变压器，体积、重量、噪音等均明显减小。该电路的缺点是电路相对复杂。2.3.4 独立光伏发电系统中逆变器控制方法的比较光伏逆变器实现输出正弦波的工频电压，控制方案的实
33、现通常分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有以下几种：(1)模拟控制。控制脉冲的生成，控制算法的实现全部由模拟器件完成。优点是技术前常成熟。但存在很多固有缺点：控制电路的元器件比较多，体积庞大,结构复杂；灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变；由于元器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移。会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。（2)由单片机实现数字控制。为改善系统的控制性能，通过模拟、数字(AD)转换器，将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口(PWM)发出开关控制信号。但单片机控制也存在一些缺点，比如控制灵活行不
34、够，由于程序执行的时间限制导致在升压及逆变环节的稳压控制跟随性差，不能有效起到稳压作用；另外，当系统复杂时，对单片机要求比较高，芯片发热问题等等都是设计时需要考虑的因素。(3)由DSP实现数字控制。数字信号处理（DSP-digital signal processing）是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理器芯片也获得了飞速发展。数字信号处理器是在模拟信号变换为数字信号后对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大
35、工具。但DSP入门门槛较高，开发成本高，造价也较高。本系统的逆变拓扑是两级变换，前级DC-DC推挽式升压部分采用PWM控制，利用专用集成芯片SG3525对输入电压进行稳压；逆变部分采用单相全桥的PWM控制，考虑本设计性能指标以及开发能力，价格成本等因素，采用PIC16F73单片机对逆变环节进行PWM调制，具有成本小，易于生产制作的特点。2.3.5 独立光伏发电逆变电源的系统结构框图太阳能电池板将太阳能转换成源源不断的直流电，经过单片机对其充放电进行控制，使输出为稳定的12V，12V的直流电经过推挽升压后滤波，进行全桥整流得到360V的高压直流电，再经过逆变电路输出工频交流电。直流升压采用推挽电
36、路，工作频率在100kHz。升压变压器采用高频磁芯材料，因而具有体积小、重量轻的特点；后级的单相全桥逆变电路，采用PWM调制，经滤波电路得到220V 50Hz的工频交流输出。3 光伏发电电池容量及光伏阵列的设计本文设计的目标是开发出500W的户用型中小功率光伏发电系统，在考虑设计指标和开发成本的基础上，基于目前比较普遍的容量计算方法，对本系统的蓄电池容量以及太阳能电池板的设计如下：3.1 太阳能光伏发电蓄电池组的设计3.1.1 蓄电池容量设计的基本原理设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。为了量化评估太阳光连续低于平均值的情况，首先需要引进一个参数：自给天数，即系统
37、在没有任何外来能源的情况下，负载仍然能正常工作的天数。一般来说，自给天数由两个因素决定：负载对电源的要求程度和光伏发电系统安装处的最大连续阴雨天数。本文的光伏系统中使用的蓄电池为VRLA铅酸蓄电池。(1)基本公式将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量，再除以蓄电池的允许最大放电深度即可得到所需的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中使用的蓄电池的性能参数，通常情况下，深循环型蓄电池推荐使用80%的放电深度（DOD）；浅循环型蓄电池推荐使用50%的放电深度（DOD）。基本公式如下： （3-1）每个蓄电池都有它的标称电压，为了达到负载工作的标称电压
38、，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。当蓄电池总容量大于单个蓄电池容量时，我们需要将单个蓄电池并联起来组成总容量。公式如下： （3-2） （3-3）(2)公式的修正对于铅酸蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的与两个重要因素有关：蓄电池的放电率和环境温度。放电率对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随放电率的降低（即蓄电池放电时间变长）而相应增加，这样就会对我们的容量设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是10小时放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中
39、存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100200小时。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。公式如下： （3-4）对于多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间。公式如下： （3-5）根据上面两式就可以算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。温度对蓄电池容量的影响。一方面，蓄电池的容量随温度的下降而下降 通常，铅酸蓄电池容量是在25时标定的，随着温度的降低，0时的容量大约下降到额定容量的90%,而在-20的时候
40、大约下降到额定容量的80%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，也就是无法满足系统负载的用电需求。在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。这样，设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（25）下蓄电池参数计算出来的容量要大，只有选择安装相对于25时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于25的情况下，还能完全提供所需的能量。蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度-容量修正曲线在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数。另一方面，蓄电池的最大放
41、电深度受低温的影响 在寒冷气候条件下，如果蓄电池放电过多，电解液凝结点上升，电解液就可能凝结，以致损坏蓄电池。如图二给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度与蓄电池温度的关系。图3-1 蓄电池最低温度与最大放电深度关系图修正后公式如下： （3-6）3.1.2 蓄电池容量的计算根据上述蓄电池容量的设计原理及分析，对每个参数设计时的分析总结如下：（1）最大允许放电深度：一般而言，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50，而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80。如果在严寒地区，就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正。设计时可以适当地减小这个值扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。例如，如果使用深循环蓄电
42、池，进行设计时，将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为60而不是80，这样既可以提高蓄电池的使用寿命，减少蓄电池系统的维护费用，同时又对系统初始成本不会有太大的冲击。根据实际情况可对此进行灵活地处理。（2）温度修正系数：当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25标准情况算出来的容量值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求。（3）指定放电率：指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。使用供应商提供的数据，可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。本文设计的光伏发电系统为中小功率的小型系统，假设负载每天耗电
43、为5kWh天，负载平均工作时间lOh，系统所处地平均最低温度为典型温度-10，选择自给天数为5天，蓄电池选用深度循环电池，放电深度为80。设逆变器效率为85，输入直流电压为12V。则计算的日平均负载需求为5kWh(85x12V)=490.196Ah系统所在地平均最低温度-10，则根据相关文献资料的铅酸蓄电池最大放电深度-温度曲线，选放电深度为70，典型温度-放电率一容量变化图中，在平均放电率接近50小时率，-10时的放电率下，温度修正因子为08。 由公式（3-4）得平均放电率为：由公式（3-6）得蓄电池容量为：经分析计算可知，本系统设计可选用蓄电池规格为12V 100Ah，则串联蓄电池数量为1
44、，并联蓄电池数量为4376.75Ah/100Ah=43.7675，取整为44块。3.2 太阳能光伏阵列的设计3.2.1 太阳能电池组件设计的基本原理太阳能电池组件设计的主要原则是满足负载的每日用电需求，当设计的太阳能电池组件输出等于全年负载需求的平均值时，太阳能电池组件将提供负载所需要的所有能量，但这意味着每年将有近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间处于亏电状态将使蓄电池的极板硫酸盐化。而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大影响，使整个系统的运行费用也将大幅度增加。所以在计算系统容量过程中要以该地方光照最恶劣季节里的负
45、载需求来计算，也就是保证在光照最差的情况下蓄电池也能够完全的充满电，这样蓄电池全年可达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命减少维护费用。3.2.2 太阳能电池组件配置计算(1)基本公式计算太阳能电池组件数量的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳能电池组件在一天中可以产生的能量即组件日输出（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳能电池组件数，其中组件日输出的计算为太阳能光伏组件最大工作点电流（安）乘以每日太阳辐照最小时数（小时），使用这些组件并联可以产生系统负载所需要的电流。用系统的标称电压除以太阳能组件的标称电压，就可以得到需要串联的太阳能组件数，使用这些太阳能电池组件
46、串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本公式如下： （3-7） （3-8） （3-9）(2)公式的修正太阳能电池的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳能电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正，首先对引入的几个术语进行说明：库仑效率 在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，所以太阳能电池组件产生的电流中将有一部分不能转换存储起来而是耗散掉。我们用蓄电池的库仑效率来评价这种电流损失，不同的蓄电池库仑效率不周，通常认为有5%-10的损失，设计中一般将负载增加10以应付库仑效率。衰减因子 由于太阳能电池实际工作中会受到外界环境的影响。将太阳能电池组件输出降低10% 在实际工作情