光伏电源系统的设计2

摘要系统利用50W太阳能板将太阳能转换为电能，用60Ah蓄电池将电能进行存储，通过所设计的控制器管理蓄电池的充放电，具有过充过放进行报警指示，以保护蓄电池的正常工作。电源具有直流输出和市电交流输出。为监控整个系统的储能和用电情况，设计电路对太阳能电池板输出的电流和电压，蓄电池工作时的电流和电压，逆变器输出的市电交流电流实时采样，低功耗的MSP430F149单片机对电路参数进行数据处理，利用液晶显示蓄电池的剩余电能，做到方便户外合理分配用电。本设计设定输出功率为100W，方便户外小型电器使用，如手提电脑、小电视、电风扇和台灯等。为适于户外需要，安装了热释电红外报警器、亮度可调的节能的LED照明灯，可调节温度的半导体保温垫。系统结构合理，装配简单，使用方便，功能多样，节能环保。为家庭户外使用提供了很好的电源保障。关键词太阳能发电逆变器控制器蓄电池容量检测单片机目录第一章概述....................................................................................................................11.1.系统设计背景...............................................................................................11.2系统设计思想..................................................................................................1第二章系统设计功率计算............................................................................................32.1太阳能电池板..................................................................................................32.1.1光伏效应...............................................................................................32.1.2太阳能电池阵列...................................................................................42.1.3太阳能电池组件选型...........................................................................52.2.蓄电池的选型..................................................................................................52.3.蓄电池实际容量的检测..................................................................................72.4.控制器的选型..................................................................................................82.4.1直流负载电压采样...............................................................................92.4.2.直流负载电流采样...............................................................................92.4.3.交流负载电流采样...............................................................................92.5.充放电控制器的设计....................................................................................11第三章逆变器的设计..................................................................................................133.1.方波逆变电路的设计....................................................................................133.2.变压器的设计................................................................................................153.3.逆变器的效率分析........................................................................................16第四章户外用装置......................................................................................................174.1.直流输出电路................................................................................................174.2.热释电红外报警器........................................................................................184.3.温度可调的半导体保温垫............................................................................204.4.亮度可调的LED灯....................................................................................21结束语.......................................................................................................22致谢...........................................................................................................24.参考文献..................................................................................................251第一章概述1.1.系统设计背景所谓光伏电源系统，就是利用太阳电池半导体材料的光生伏特效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路进入70年代后，二次石油危机的影响，使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持（尤其是工业发达国家）。我国是一个发展中的大国，同时是一个资源消耗大国，而人均资源储量又偏低。因此快速的工业化进程和巨大的消费性需求使我国对资源对外具有很强的依赖性。环境污染和能源短缺已经直接威胁我国的可持续发展。与此同时，我国很多居住在偏远地区的人们还没有用上电。这些客观条件迫使我们更加努力的寻找和开发新能源，而太阳能光伏发电就是其中之一。光伏电源系统相比其他发电系统有许多优点：（1）它的能源取之不尽用之不竭，而且无污染；（2）没有动作部件，不会产生噪声，运行可靠；（3）无论规模大小，其发电效率几乎是相同的；（4）分布及其广泛，凡是太阳能照到的地方就能发电；（5）轻便，易安装维护；（6）能在用电现场发电。近年来，以太阳光为能源的太阳能光伏电源技术不断发展，因其具有环保、节能双重优势，而得到广泛应用。针对边远地区农牧民、哨所和野外作业等，设计一种小型的太阳能光伏电源系统，配置必要的户外用装置，具有拆装移动方便、适于野外的中小功率电器使用和价格低廉等特点，同时对小型电源系统实时监控，显示蓄电池的剩余电能以方便合理使用。1.2系统设计思想系统由太阳能电池阵列、充电放电控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器、2电流电压实时监控、户外用装置（报警器、照明灯和保温垫）等部分组成。其系统组成如图1所示：图1小型独立太阳能光伏电源系统框图各模块设计目标参数如表1所示：组成部分电气参数功能要求太阳能电池板50W太阳能电池单体串联并联结合的单晶硅电池板。蓄电池12V/60AH铅酸蓄电池，它需要定期加蒸馏水。逆变器100W输出为50Hz、220V±5%的交流电（方波）。控制器12V/3A以MSP430F149为核心的控制和显示，具有过流短路保护、过充过放报警灯保护功能。直流输出+12V，+5V提供常用直流输出。实时监控%蓄电池工作时的剩余电能。3户外用装置热释电红外报警器，亮度可调的节能LED照明灯，可调节温度的半导体保温垫。表1基本设计指标第二章系统设计功率计算2.1太阳能电池板2.1.1光伏效应太阳能硅电池原理的基础是基于半导体PN结的光生伏特效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光照射PN结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，相应地还产生了电子空穴对。在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴。于是，就在PN结的附近形成了与势垒电场力方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电，N型区带负电。从而，就使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏特电动势，当接通外电路时便有电能输出，如图2所示：图2光伏效应原理图4在PN结内形成自n区向p区的光生电流LI，有PLLwAqIpnL)(式中：A为pn结面积，q是电子电量，w是势垒区宽度，nL、pL分别为电子、空穴的扩散长度，是量子产额，即每吸收一个光子产生的电子-空穴对数。P表示以光子数计算的平均光强度（即单位时间内单位面积被半导体材料吸收的光子数），dxdxePP00，式中d是pn结的厚度，为半导体材料的吸收系数，0P是在pn结表面的激励光强度。根据爱因斯坦关系式，电子和空穴的扩散长度nL和pL可表示为qTKLnBnn，qTKLpBpp式中：BK为波尔兹曼常数，T为开氏温度，n、p分别为电子、空穴迁移率。2.1.2太阳能电池阵列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20—25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行