1.绪论
1.1.能源与环保
随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：
1.1.1.能源短缺
世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。
1.1.2.环境污染
由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。
1.1.3.温室效应
化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为1180一1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭;天然气储备估计在13180~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为3亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。
1.2.太阳能的特点
太阳是一个巨大的能源，万物生长都要依靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较。有如下的优点:
1.储量的“无限性”
太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75X1021kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73X1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1X1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7X1013kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。
2.存在的普遍性
虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
3.利用的清洁性
太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。
4.利用的经济性
可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。
1.3.国内外太阳能应用的现状
我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960万平方公里，占世界陆地总面积的7%,居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为33408400MJ/(m2.a)，中值为5852MJ/（m2a）。我国太阳能资源丰富和比较丰富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区，年日照时数大于2200h，太阳辐射总量高于50165852MJ/（m2a）,面积约占全国总面积的2/3以上。
太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划,2010年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑,总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5年国家光伏计划和2020～2030年的长期规划,以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度,2010年美国光伏销售达到4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的发展水平,达到1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速,居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW,累计安装量40～50MW。因此,到2010年世界光伏系统累计安装容量将达到14～15GW。
太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式,随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施,太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW，《中华人民共和国可再生能源法》，承诺2010年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看,2006-2020年每年的平均装机容量约60MW。
虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏产业还处于成长期。随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。
1.4.几种主要的太阳能发电装置
1.4.1.塔式太阳能发电系统
塔式太阳能热发电系统的工作过程是：太阳辐射热被定日镜反射集中后，被塔顶的接收器吸收，接收器上的聚光倍率可超过1000倍。在这里把吸收的太阳七能转换成热能，然后由传热介质经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机发电，最后以电能的形式输出，从而将太阳能转换为电能。其概念设计原理系统如图1.1所示，整个系统由4部分组成:聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统。
图1.1塔式太阳能热发电系统
塔式太阳能发电站的聚光子系统是大量按一定排列方式布置的平面反射镜阵列群.它们按四个象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一个巨大的镜场。由于接收器的安装是固定不变的，为了使一天中所有时刻的太阳辐射都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上，反射镜必须设置跟踪装置，跟踪过程当中要确保定日镜的反射光线方向保持不变。
由几何光学基本知识可知，要使反射光线方向保持不变，当入射光线偏转角度时，平面镜需要偏转/2角度。对于定日镜来说，如果入射光线在太阳方位角和高度角方向分别偏转角度时，定日镜也需要各自在方位角和高度角方向偏转/2角度。
在塔式系统中，各个定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离，因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的两维控制，且各个定日镜的控制各不相同。美国太阳Ⅱ号电站是世界上较为典型的塔式太阳能热发电站，是在总结太阳I号电站试运行的基础上，为推进塔式太阳能热发电站商用化进程而建设的先导性工程。定日镜采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的方式进行跟踪，当定日镜和接收器表面最大距离为300m时，其跟踪误差为0.51m.塔高91m，跟踪角度精度达到19°。
1.4.2.聚光光伏发电系统
聚光光伏发电系统由聚光电池阵列、架体、方位和仰角驱动器、跟踪器、控制器组成。如图1.2所示。聚光电池阵列由若干聚光电池串并联构成，若干阵列的串并联还可构成不同规模的聚光光伏发电系统。
图1.2聚光光伏发电系统的组成
聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的太阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于这种“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。
聚光太阳电池分两类，一般低倍率的聚光，采用晶体硅太阳电池，适当考虑散热条件即可。如果聚光倍率增加到几十倍以上，聚光太阳电池的光电转换效率，一般应大于20%,且需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。这时普通晶体硅太阳电池已无法承受，必须选用专门的材料和电池结构制造聚光太阳电池。
太阳聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅尔透镜，它是利用光在不同介质的界面发生拆射的原理制成的，具有与一般球面透镜相同的作用。特点是直径很大的菲涅尔透镜可以做的很薄，与球面透镜相比可大大减轻透镜的重量。菲涅尔透镜也是聚光电池模块的主要部件，具有体积小、重量轻、加工方便、透光率高等特点。菲涅尔透镜一方面对太阳光进行聚焦，另一方面对电池组件也起保护作用。它是电池模块外罩的一部分，电池组件的散热器位于电池外罩的阴影里(正常跟踪状态)，不被太阳光直射，因而便于散热，使电池的温度低，效率较高。
图1.3聚光太阳电池组件模块的结构
太阳能自动跟踪聚焦光伏发电系统是采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高(400倍以上)，可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。跟踪过程当中就是要确保太阳光线与透镜的中轴线平行。
但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏电池上的光斑能量很强，因此聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400时跟踪精度要求小于0.2°。在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。
1.4.3.碟式太阳能发电系统
碟式系统也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。碟式太阳能发电系统大体上由3部分组成:旋转抛物面反射镜、接收器和跟踪装置。碟式太阳能发电系统工作原理比较简单，利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚焦在一点上，即为点聚焦，其聚光比可以高达数百到数千倍。在焦点处放置阳光接收器，加热工质，驱动动力发电装置发电;或在焦点处直接放置发动机组发电，如斯特林发动机组构成的碟式太阳能斯特林发电装置，技术上更为先进。
这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为10-25kW，聚光镜直径约10-15m;也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。
旋转抛物面反射镜一般有几十块镜面组构而成，用刚结构环作支撑体，整个盘镜通过太阳高度角和方位角齿轮传动机构安装在钢结构机架上，通过双轴跟踪装置控制即时跟踪太阳。由于接收器安装在碟式反射镜的焦点上，那么只要碟式反射镜的中轴线跟太阳光线平行，便能保证碟式太阳能发电系统的太阳能转换效率为最大。图1.4为小型碟式太阳能发电系统装置。
图1.4蝶式太阳能系统发电装置
目前碟式发电系统的跟踪方式和塔式电站中定日镜的跟踪方式完全相同，多采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的跟踪方式。但是这种跟踪方式算法复杂，成本高，对于小型碟式发电系统来说，可以考虑使用高精度传感器跟踪装置来降低成本。
2.太阳能发电系统的整体概述
2.1.太阳能发电的工作原理
太阳能发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏特效应。当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子—空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是“光生伏特效应”。若在内电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有光生电流流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸使用的电能。
2.2.太阳能发电系统的组成
太阳能发电系统主要由太阳能电池组；充、放电控制器，逆变器，测试仪表和计算机监控等电力电子设备；蓄电池或其它储能和辅助发电设备三部分组成。
图2.1太阳能发电系统的组成
2.2.1.太阳能采集装置——太阳能电池
光伏发电系统的目的即是对太阳能进行有效的吸收，从而尽可能多的把太阳能量转化为可用电能，提供给耗电负载使用，起到节省能源的目的。在本系统的研发中，太阳能电池是太阳能采集装置的首选部件。
但是太阳能电池本身容易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气的环境中，光电转化的效率就会由于环境潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降，最后以至于破碎失效。不能满足本系统经久耐用的研发要求。因此，太阳能电池需要通过胶封、层压等方式封装成平板式结构才能投入使用，如层压的封装方式，即将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、黏结性好的热熔性胶膜封装，并采用透明度高、耐冲击的低铁钢化玻璃做为盖板，用耐湿抗酸的复合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺将电池片、正面盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个使用的太阳能电池发电器件，称为太阳能电池组件。
图2.2.太阳能电池板
1.太阳能电池的特点：
太阳能发电所使用的能量是太阳能，而由半导体器件构成的太阳能电池是太阳能发电的重要部件。太阳能电池具有以下特点：
（1）太阳能无公害，是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能发电不需要燃料费用，因火力发电的石油、煤炭资源是有限的。
（2）
图2.3一般半导体的主要结构
图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。当硅晶体中掺入其他杂志如硼、磷等时，其导电性会增强。当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，其电子排列图如图2.4所示。
图2.4结晶中掺入硼时的电子排列图
如图2.3所示，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。○表示掺入的是硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图2.4所示的空穴（图中，●表示空穴），这个空穴因为没有电子而变得不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有5个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N型半导体。如图2.5所示，○为磷原子，●为多余的电子。
图2.5N型半导体电子排列图
N型半导体中含有较多的电子，而P型半导体中含有较多的空穴，这样当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，如图2.6所示。这是由于P型半导体多空穴，而N型半导体多自由电子，出现了浓度差，使N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区。一旦扩散，就形成了一个由N指向P的“内电场”，以阻止扩散进行。达到平衡后，即形成特殊的电势差薄层，这就是PN结。
图2.6PN结示意图
当晶片受光后，在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，在这种空穴和电子的移动中，PN结形成电势差，这就形成了电源，如图2.7所示。
图2.7PN结光伏效应示意图
由于半导体不是电的良导体，因此如果电子通过PN结后在半导体中流动，电阻就会非常大，损耗也非常大。若在上层全部涂上金属，阳光则不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结（图2.7的梳状电极），以增加入射光的面积。
另外，硅表面非常光亮，会发射掉大量的太阳光，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。
3.太阳能电池的构造：
太阳能电池的构造多种多样，一般的太阳能电池的构造如图2.8所示。现在都使用由P型半导体与N型半导体组合而成的PN结型太阳能电池，他主要由P型和N型半导体、电极、反射防止膜等构成。
图2.8太阳能电池的发电原理及结构
对于由两种不同的硅半导体（N型与P型）组合而成的太阳能电池，当太阳光照射时，太阳的光能被太阳能电池吸收，产生正离子（+）和负离子（-），正离子向P型半导体集结，而负离子向N型半导体集结，当在太阳能电池的表面和背后的电极之间接上负载时，就有电流流过。
4.太阳能电池的种类：
太阳能电池根据其使用的材料不同，可分为硅半导体太阳能电池、化合物半导体太阳能电池以及有机半导体太阳能电池等类型。硅半导体太阳能电池可分为结晶硅系太阳能电池和非晶质太阳能电池，而结晶硅系又可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。
单晶硅太阳能电池：
自太阳能电池发明以来，单晶硅太阳能电池开发的历史最长。人们最早使用的太阳能电池是单晶硅太阳能电池。观察单晶硅太阳能电池的外观，其硅原子的排列非常规则，它是硅太阳能电池中转换效率最高的，转换效率的理论值达24%~26%，实际产品的单晶硅太阳能电池的转换效率为15%~18%以上。从宇宙世界到住宅、街灯等，单晶硅太阳能电池应用广泛，目前它主要用于发电。
图2.9单晶硅太阳能电池
与其它的太阳能电池进行比较，单晶硅太阳能电池具有以下特点：取材比较方便、制造技术比较成熟、结晶中的缺陷较少、转换效率较高、可靠性较高、特性比较稳定等，通常可使用20年以上，但制造成本较高。
多晶硅太阳能电池：
观察多晶硅太阳能电池的外观，它是由单晶硅颗粒聚集而成的。多晶硅太阳能电池的转换效率的理论值为20%，实际产品的转换效率为12%~14%。与单晶硅太阳能电池的转换效率相比，多晶硅太阳能电池的转换效率虽然略低，但由于多晶硅太阳能电池的原材料较丰富，制造比较容易，因此其使用量已超过单晶硅太阳能电池，占主导地位。
图2.10多晶硅太阳能电池
目前市场上的太阳能电池基本都为封装后的成品，通过封装处理的太阳能电池就可以应对各种气候条件，并且耐冲击，可以适应各种应用条件，达到了长期使用的目的，从而很好的满足了本太阳能光伏发电系统的研发要求。
2.2.2.太阳能控制器
控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。PWM）开关，脉冲充电电路。针对不同的光伏发电系统可以选用不同的充电控制器，主要考虑的因素是要尽可能的可靠、控制精度高及低成本。所用开关器件，可以是继电器，也可是MOS晶体管。但采用脉冲宽度调制型控制器，往往包含最大功率的跟踪功能，只能用MOS晶体管作为开关器件。此外，控制蓄电池的充电过程往往是通过控制蓄电池的端电压来实现的，因而光伏发电系统中的充电控制器又称为电压调节器。
控制器可分为并联控制器和串联控制器两种，本设计中选择并联控制方式。
2.2.3.贮能装置——蓄电池组
本系统的制造目的是对太阳能进行采集，并加以利用，因此需要将太阳能电池组件产生的电能储存起来，用于其他耗电场合.蓄电池组是本太阳能光伏发电系统的贮能装置，它的作用是将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来，以供应用。
普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大,所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能,但由于其价格较高,仅适用于较为特殊的场合。随着太阳能光伏发电系统的广泛使用,作为与其配套的蓄电池也越来越受到人们的关注。太阳能蓄电池应该具备以下特性1比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力。
2长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池。
3适用不同的环境要求，如高海拔，高温，低温等不同的条件下都能正常使用的电池。太阳能蓄电池的工作原理
白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。
构成铅蓄电池之主要成份如下：
阳极板(过氧化铅.PbO2)--->活性物质
阴极板(海绵状铅.Pb)--->活性物质
电解液(稀硫酸)--->硫酸(H2SO4)+水(H2O)
电池外壳
隔离板
其它(液口栓.盖子等)太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。太阳能蓄电池：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池
1.铅酸蓄电池
铅蓄电池不仅具有化学能和电能转换效率较高、充放电循环次数多、端电压高，容量大（高达3000Ah）的特点，而且还具备防酸、防爆、消氢、耐腐蚀的性能。同时随着工艺技术的提高，铅蓄电池的使用寿命也在不断提高。铅酸蓄电池
（1）开口式固定型铅蓄电池
开口式固定型铅蓄电池主要用于通信电源、发电厂和变电所开关的合闸、事故用电、备用电源以及其它固定场所，具有容量大，寿命相对长的特点。与起动用蓄电池（汽车起动用铅蓄电池，不适宜在光伏发电系统中使用）相比固定型蓄电池的性能更贴近光伏系统的要求，因此目前在功率较大的光伏系统中多数采用开口式固定型铅酸蓄电池。
（2）密封型铅蓄电池
20世纪80年代国外已开始使用密封型铅蓄电池，近年来国内也在开发蓄电池的密封和免维护技术，同时引进了密封型铅蓄电池生产线。因此，在光伏发电系统中也开始选用密封型铅蓄电池。密封式铅酸电池，维护简便，运输方便，但价格较贵，一般是开口铅电池的2～
目前，便携式及户用光伏电源已开始选用密封型铅电池，由于成本高，国内10千瓦级以上的光伏供电系统尚未大量采用这种电池。但是，随着工艺技术的不断提高和生产成本的降低，密封型铅蓄电池在光伏发电领域的市场将不断扩大。
（3）免维护铅酸蓄电池
目前市场上很多移动设备使用的是全密封，免维护的铅酸蓄电池，这类电池已经成功使用了多年，其中的电解液硫酸是由硅凝胶固定或被玻璃纤维隔板吸付的
（4）胶体蓄电池
胶体蓄电池是阀控铅酸蓄电池的一个分支，它的电解液由硫酸、硅胶、除离子水和磷酸添加剂等组成，呈触变胶形态；电池即使倾斜或被刺破也不会流出电解液，理论上可任意放置。与贫液式的阀控铅酸蓄电池相比，可容许深度放电和偶然过充电。由于其无泄漏、彻底免维护和自放电率极低，特别适用于作为通讯等领域的后备电源。近年来行业内外普遍认为使用硅胶技术的阀控电池将是电源发展的必然趋势。
2．碱性蓄电池
碱性蓄电池按其极板材料，可分为镉镍蓄电池、铁镍蓄电池等。碱性蓄电池与铅蓄电池相比具有体积小，可深放电，耐过充和过放电，以及使用寿命长，维护简单等优点。碱性蓄电池的主要缺点是内阻大，电动势较低，造价高（约为铅蓄电池4～小微型系统
由于铅蓄电池的性能价格比仍优于镉镍电池，目前在光伏系统中铅蓄电池仍有一定的优势。只有在对储能的可靠性、安全性、机械强度和使用寿命等有较高要求的情况下，才选用碱性蓄电池（主要指镉镍蓄电池）。
在该光伏发电系统中考虑使用的蓄电池可以选用铅酸蓄电池和碱性蓄电池。比对两种蓄电池的特点，铅酸蓄电池价格低廉，原材料易得，维护方便，原材料丰富，但体积较大。碱性蓄电池维护容易，寿命较长，结构坚固，不易损坏，但价格昂贵，制造工艺复杂。从技术和经济方面综合考虑，在本系统中贮能装置应采用铅酸蓄电池为宜。
2.2.4.逆变器
本系统能对太阳能量加以吸收和转化，并将其产生的电能贮存起来，但是因为铅酸蓄电池提供的是直流电，不能直接给交流用电器供电，普通的用电器的电压为220V交流电，因此必须采用逆变器将蓄电池的直流电转化为普通用电器可以使用的交流电。
逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变器技术在电力电子技术中已经较为成熟。
作为在本太阳能光伏发电系统中应用的逆变器，要满足以下要求：
1）对输出功率和瞬时峰值的要求；
2）对逆变器输出效率的要求；
3）对逆变器输出波形的要求；
4）对逆变器输入直流电压的要求。
逆变器与正变换正好相反，它使用具有开关特性的全控功率器件，通过一定的控制逻辑，由主控制电路周期性的对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升（降）压、整形滤波就可得到交流电。通过逆变器产生的交流电，就可以广泛应用于普通的交流用电器。
2.3.太阳照射规律
2.3.1.地球围绕太阳的运行规律
众所周知，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15°。
地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成23°27′的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。
假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。
每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占=0°)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90°-(为观察者当地的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。
夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值90°-+23°27′，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。
秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬=0°)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。
秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值90°--23°27′，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。
2.3.2.太阳高度角和方位角的确定
（1）Coper方程
太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士23°27′的范围。夏天最大变化到夏至日的+23°27′;冬季最小变化到冬至日的-23°27′.太阳赤纬随季节变化，按照Coper方程，
由式(41)计算
=23.45sin(360)(1.1)
式中，n为一年中的天数，如:在春分，n=81，则δ=0，自春分日起的第d天的太阳赤纬为:
=23.45sin(1.2)
（2）太阳角的计算
如图1.15所示，指向太阳的向量与天顶Z的夹角定义为天顶角，用表示；向量与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用表示。太阳的时角用表示，它定义为:在正午时=0，每隔一个小时增加15°，上午为正，下午为负。
图1.15太阳角的定义
1）太阳高度角
计算太阳高度角的表达式为
sinh=sinsin+coscoscos（1.3）
式中，沪为地理纬度；占为太阳赤纬；口为太阳时角。
正午时，=0，cos=1，(4.3)式可以简化为：
sinh=sinsin+coscos=cos(-)
因为，cos（-）=sin[90士（-）]，所以
sinh=sin[90土（-）]（1.4）
正午时，若太阳在天顶以南，即>，取
sinh=sin[90一（-）]
从而有，
h=90+-（1.5）
在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有=，从而h=90°。
2）太阳方位角
太阳方位角按下式计算，
cos=(1.6)
也可用下式计算，
sin=(1.7)
根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式(4.6)或者式(4.7)中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。
3）日照时间
太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的
影响，根据式(4.3)，可得出日出日没时角表达式
cos=-tantan(1.8)
式中-日出或日没时角，以度表示，正为日没时角;负为日出时角。对于北半球，当-1-tantan+1，解式(1.8)，有
=arccos(-tantan)(1.9)
求出时角后，日出日没时间用t=求出。
一天中可能的日照时间由下式给出
N=arccos(-tantan)（1.10）
利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。
3.太阳能发电系统的设计
3.1.太阳能电池板的设计安装原材料特点电池片采用高效率16.7以上的多晶硅太阳能片封装保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃采用低铁钢化绒面玻璃又称为白玻璃厚度3.2mm在太阳电池光谱响应的波长范围内320-1100nm透光率达91以上对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射透光率不下降。EVA采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT太阳电池的背面覆盖物―氟塑料膜为白色对阳光起反射作用因此对组件的效率略有提高并因其具有较高的红外发射率还可降低组件的工作温度也有利于提高组件的效率。当然此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框所采用的铝合金边框具有高强度抗机械冲击能力强。基本参数标准测试条件AM1.5辐照度1000W/m2电池温度25绝缘电压:≥600V边框接地电阻:≤10hm迎风压强:2400Pa填充因子:73短路电流温度系数0.4mA/开路电压温度系数:-60mV/工作温度-4090℃组件接线说明安装所需要的工具M4一字螺丝刀十字螺丝刀各一把。接线盒盖的打开将M4一字螺丝刀按照接线盒上的标示插入盒盖上的安装孔内将其一脚轻轻抬起如此这般先将边上四角抬起即可打开盒盖。盒内有接线护盖将其提起则可看到三个接线端子。电池板的接线在左右两个接线端子的旁边有正负极标志它代表电池在工作状态下输出电压的正负极按照用电需求正极接正接负极接负极。接线采用机械压紧方式用M4十字螺丝刀将接线柱的压紧螺丝旋开将电线去皮后穿过电缆密封接头插入接线孔中将线压紧。电线接好后将防护盖盖上用M4十字螺丝刀将自攻螺丝拧入螺丝孔固定好后在将接线盒盖盖上即完成电池板的接线。电池板的接地在电池板的背面安装有接地螺丝将接地线固定在接地螺丝上即可安全接地。3.2.蓄电池组的设计安装太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配要求蓄电池工作寿命长且维护简单。1.蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点很适合用于性能可靠的太阳能电源系统特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能但由于其价格较高仅适用于较为特殊的场合。2.蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份要靠蓄电池的电能给以补足在超过用电需要的月份是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值是确定蓄电池容量的依据之一。同样连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此蓄电池的容量BC计算公式为:BCA×QL×NL×TO/CCAh穴1雪式中:A为安全系数取1.11.4之间QL为负载日平均耗电量为工作电流乘以日工作小时数NL为最长连续阴雨天数TO为温度修正系数一般在0以上取1-10以上取1.1-10以下取1.2CC为蓄电池放电深度一般铅酸蓄电池取0.75碱性镍镉蓄电池取0.85。3.3控制器的设计安装3.3.1太阳能电池的输出特性它的输出特性曲线图
可知太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性即当日照强度改变时其开路电压不会有太大的改变但所产生的最大电流会有相当大的变化所以其输出功率与最大功率点会随之改变。然而当光强度一定时电池板输出的电流一定可以认为是恒流源。因此必须研究和设计性能优良的太阳能发电控制器才能更有效地利用太阳能。3.3.2系统的硬件结构太阳能控制器硬件结构图如图所示该控制器以AVRmega32为控制核心外围电路主要由蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路、电池板电压检测与分组切换电路、负载电流检测与输出控制电路、状态显示电路、串口数据上传和键盘输入电路构成。电压检测电路用于识别光照的强度和获取蓄电池端电压。温度检测电路用于蓄电池充电温度补偿。该系统采用PWM方式驱动充电电路控制蓄电池的最优充放电。电池板分组切换控制电路用于不同光强度和充电模式下电池板的切换该系统实现对3组电池板阵列控制。负载电流检测电路用于过流保护及负载功率检测。状态显示电路用于系统状态的显示包括电压、负载状况及充放电状态的显示。串行口上传数据电路用于系统运行参数的上传实现远程监控。键盘输入电路用于充电模式设定及LCD背光开启。该控制器在有阳光时接通电池板向蓄电池充电当夜晚或阴天阳光不足时蓄电池放电以保证负载不停电。3.3.3AVR单片机AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器具有高性能、高保密性、低功耗等优点。程序存储器和数据存储器可独立访问的哈佛结构代码执行效率高。系统采用的mega32处理器包含有32KB片内可编程FLASH程序存储器1KB的E2PROM和2KBRAM同时片内集成了看门狗8路10位ADC3路可编程PWM输出具有在线系统编程功能片内资源丰富集成度高使用方便。AVRmega32可以很方便地实现外部输入参数的设置蓄电池及负载的管理工作状态的指示等。3.3.4蓄电池的充放电控制阀控密封铅酸蓄电池具有蓄能大安全和密封性能好寿命长免维护等优点在光伏系统中被大量使用。由阀控密封铅酸蓄电池充放电特性图见图3可知蓄电池充电过程有3个阶段初期OA电压快速上升中期ABC电压缓慢上升延续时间较长C点开始为充电末期电压开始上升接近D点时蓄电池中的水被电解应立即停止充电防止损毁电池。所以对蓄电池充电通常采用的方法是在初期、中期快速充电恢复蓄电池的容量在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。蓄电池放电过程主要有三个阶段开始OE阶段电压下降较快中期EFG电压缓慢下降且延续较长的时间在最后阶段G点后放电电压急剧下降应立即停止放电否则将会给蓄电池照成不可逆转的损坏。因此如果对阀控密封铅酸蓄电池充放电控制方法不合理不仅充电效率降低蓄电池的寿命也会大幅缩短造成系统运行成本增加。在蓄电池的充放电过程中除了设置合适的充放电阈值外还需要对充放电阈值进行适当的温度补偿并进行必要的过充电和过放电保护。根据阀控密封铅酸蓄电池的特点控制器利用MCU的PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路控制器将关断负载以保证负载不被损伤若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路由于自身控制器得不到电力不会有任何动作。当充电电压高于保护电压15V时自动关断对蓄电池的充电此后当电压掉至维护电压132V时蓄电池进人浮充状态当低于维护电压132V后浮充关闭进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压108V时控制器自动关闭负 |
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