电气方面的论文讲解

毕业设计（论文）

作 者：系 部：专 业：题 目：指导者：评阅者：

学 号：

电 气 工 程 系 光伏系统及100W路灯设计

2014年 5 月

毕业设计（论文）中文摘要

所谓光伏，就是通过太阳能电池为媒介，将太阳光直接转化为电能的过程。光伏太阳能电池的能量转换机制不同于太阳热发电，更与太阳能热水系统对太阳能的利用存在本质的差异。光伏技术建立在量子力学和半导体物理学的理论基础上，致力于光电材料与器件的研发与运用，实现常温下光能与电能的转化。首先描述了什么是光伏发电，光伏发电的必要性以及光伏发电的发展前景，其次具体介绍光伏发电系统，从光伏组件到控制器蓄电池再到逆变器等等，并分析了太阳能路灯系统的构成，并对每个系统组成部分进行了分析讲解，其次从具体实例着手系统设计，从软件硬件给出具体设计过程，经测试正常运行后，达到预期效果。 关键词：光伏 组件 蓄电池 控制器 逆变器 目录

1引言 .................................................................. 1 2能源现状及展望 ........................................................ 2

2.1 我国的太阳能资源状况 ............................................................................................................ 2 2.2 我国光伏行业发展特点及前景 ................................................................................................ 2

3 光伏组件 ............................................................. 3

3.1定义 ........................................................................................................................................... 3 3.2太阳能电池的特性 ..................................................................................................................... 4

4 控制器 ................................................................ 6

4.1控制器的功能 ............................................................................................................................. 6 4.2先进的太阳能路灯控制器技术特点 ......................................................................................... 6

5 逆变器 ............................................................... 7

5.1 逆变器的功能和分类 ................................................................................................................ 7 5.2 并网逆变器的保护功能 .......................................................................................................... 7

6 蓄电池 ................................................................ 8

6.1 蓄电池的种类及作用 .............................................................................................................. 8 6.2 蓄电池的效率与寿命 .............................................................................................................. 8

7 设计应用 .............................................................. 9

7.1 系统构成 ................................................................................................................................ 9 7.2 太阳能路灯系统设计注意事项 ................................................................................................ 9 7.3 太阳能路灯系统总体设计方案 ............................................................................................ 10

致谢 ................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................... 21

1引言

太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。随着科学和技术的迅速发展，随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国的重视。1990 年以来，世界太阳能市场的年增长率为 16％， 而同期石油的年增长率只有 1.6％，相差 10 倍之多。同时，以煤、石油和铀作为燃料油面临严重的环境污染；再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。因而，可再生、无污染的太阳能利用又在世界各国崛起。世界光伏产业迅猛发展，从上个世纪到本世纪初，光伏发电以逐渐从解决特殊领域供电转向作为常规能源的一种重要补充，并以分散的形式进入了电力市场。根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。

目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的无处不在，取之不尽。各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速，例如：太阳能热水器、太阳能路灯、太阳能热泵、太阳能交通信号灯、太阳能除湿空调系统等，这些产品显示出了巨大的市场潜力和生命力。

在照明灯具中，作为技术和艺术相结合的太阳能路灯，庭院灯和草坪灯的市场发展较快，据相关资料显示，这个市场还将持续较长的增长过程。太阳能路灯是利用太阳能作为能源的路灯，它比较常规能源供电的路灯具有很多优点，不需要常规能源，适应了能源开发和环境保护的需求，太阳能路灯可以随处安装，不论是在偏僻的山村，还是城市，不用连接公共电网，因此在安装时不必挖掘路面或草地，无须开沟埋设电缆，需要时可以移动位置，重新安装到另外的地点，灵活方便。随着北京申奥成功，绿色环保的太阳能路灯必将成为太阳能开发利用的新亮点。

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2能源现状及展望

世界能源形式紧迫，能源问题是世界10大焦点问题之首。全球人口2006年是65亿，能源需求折合成装机是14.5TW，每日能耗220106BOE ；到2050年全世界人口大概要达到100亿，按照每人每年GDP增长1.6%, GDP单位能耗按照每年减少1％，则能源需求装机将是大约30-60TW，届时主要要靠可再生能源来解决。可是，世界上潜在水能资源4.6TW，经济可开采资源只有0.9TW；风能实际可开发资源2-4TW；生物质能3TW（加起来总共8TW）。只有太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能量来源，其潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW。

2.1 我国的太阳能资源状况

我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达 960 万km2。 在我国广阔富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为 3340-8400MJ/m2，中值为 5852 MJ/m2。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带的年太阳辐射总量都在 5000MJ/m2 以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。尤其以青藏高原地区最高，达 6000-8000 MJ/m2。从全世界来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在 4 kWh/m2.天 以上，最高达 7 kWh/m2.天。与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。特别是一、二类地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光发电技术，节约能源，发展经济，提高人民生活水平。

2.2 我国光伏行业发展特点及前景

产业规模世界第一，国际化程度高。截止2009年9月，我国共有太阳能电池生产企业123家。已建成项目的产能为6588兆瓦/年，2009年的产量为4011兆

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瓦。我国已经连续3年保持太阳电池产量世界第一，2009年中国的太阳电池产量占到世界总产量的40%。截止2009年初，我国已有12家光伏企业海外上市，13家企业国内上市。

生产成本世界最低。中国目前太阳能电池的成本仅有$1.2-1.4USD/Wp，售价在1.2-1.4欧元/Wp，大约比欧美太阳能电池的平均价格低30%。

晶体硅电池技术领先，薄膜电池差距较大。 我国晶体硅太阳电池的技术水平逐年提高，无锡尚德的“冥王星”（Pluto）技术、保定英利、南京中电常州天合、苏州阿特斯均有使电池效率均超过18%的转悠技术，达到世界先进水平；我国在晶体硅太阳能电池方面已经占有质量和成本的双重优势。我国有38家企业生产薄膜太阳能电池，但总的产量还很低，2008、2009年我国薄膜太阳能电池产量仅占总产量的2%。我国在薄膜电池的技术和装备上与国外还有较大差距，目前我国薄膜太阳能电池的生产企业还并不掌握生产的核心技术。

多晶硅产能并不过剩，在今后几年仍需进口。太阳电池和组件产量最大，成本最低；薄膜电池、多晶硅差距大。

3 光伏组件

3.1定义

光伏电池：将太阳辐射能直接转化为电能的一种半导体器件。

光伏组件：具有封装及内部联结的，能单独提供直流输出的最小不可分割的太阳电池组合装置。

光伏阵列：由若干个光伏组件或光伏构建在机械和电器上按一定方式组装在一起，并具有固定支撑结构而构成的直流发电单元。

光伏组件倾角：光伏组件所在平面与水平面的夹角。

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3.2太阳能电池的特性

太阳电池的I-V特性及功率曲线(图一)

I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压

标准条件： AM=1.5 Q’=1000W/m2 T=25C

温度的影响

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太阳能电池开路电压与温度关系（图二）

随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20-100C范围，大约每升高1C每片电池的电压减少2mV；而光电流随温度的增加略有上升。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型功率温度系数为－0.35%/C。也就是说，如果太阳电池温度每升高1C，则功率减少0.35%。

目前晶体硅温度系数可以控制到-0.3% 薄膜电池温度系数可以控制到-0.2%

光强的影响

光强与电池电流的关系（图三）

光强与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由100W/m2 - 1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光强对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光强在400W/m2 - 1000W/m2范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。

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4 控制器

4.1控制器的功能

控制器（图五）

防止蓄电池被过充电和过放电、电参数监测：电压、充/放电电流、过流/短路保护、蓄电池温度补偿、蓄电池荷电状态（SOC）显示、数据采集、存储和传输

4.2先进的太阳能路灯控制器技术特点

光控开关机、定时工作，到时关机：2 - 12小时可调，手动开关机、PWM三段充电控制可以提高20-30%效率，蓄电池过放电保护、蓄电池SOC放电过程控制大大提高抵抗连续阴雨天的能力，有效延长蓄电池的寿命，其它短路、过流、防浪涌电流、防反接、防反充电等保护功能。

SOC蓄电池的剩余容量，即蓄电池中还有多少电，用%表示； DOD 放电深度，即蓄电池放掉了多少电，也用%表示； DOD＝1－SOC

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5 逆变器

5.1 逆变器的功能和分类

逆变器用于将直流电转变为交流电 一般分方波逆变器和正弦逆变器 正弦逆变器分单相和三相逆变器 高频逆变和工频逆变

5.2 并网逆变器的保护功能

5.2.1 关于孤岛效应

“孤岛效应”指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现象 “孤 备仍作为孤立电源对负载供电这 现象。 孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患，体现在以下两方面：一方面是当检修人员停止电网的供电，并对电力线路和电力设备进行检修时，若并网太阳能电站的逆变器仍继续供电，

会造成检修人员伤亡事故；另一方面，当因电网故障造成停电时，若并网逆变器仍继续供电，电网恢复供电 电网电 和并网逆变 的 一旦电网恢复供电，电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异，会在这一瞬间产生很大的冲击电流 从而损坏设备 一瞬间产生很大的冲击电流，从而损坏设备。

5.2.2 孤岛效应的保护

光伏并网逆变器一般均采用了两种“孤岛效应”检测方法，包括被动式和 主动式两种检测方法。

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被动式检测方法指实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网失电时， 会在电网电压的幅值、频率和相位等参数上产生跳变信号，通过检测跳变信号 来判断电网是否失电；

主动式检测方法指对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断 电网是否失电 其中 种方法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在并网点所 电网是否失电，其中一种方法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在并网点所 产生的谐波电压值，从而得到电网阻抗来进行判断，当电网失电时，会在电网 阻抗参数上发生较大变化，从而判断是否出现了电网失电情况。

6 蓄电池

6.1 蓄电池的种类及作用

固定式防酸蓄电池、工业型密封电池、小型密封电池、汽车/摩托车启动电瓶 作用：解决电能储能问题、起着功率和能量调节的作用、向负载提供瞬时的大电流

6.2 蓄电池的效率与寿命

蓄电池效率受很多因素影响，影响蓄电池效率的电能损失主要来自以下三个方面：

1、充电末期产生的电解作用，将水电解为氢和氧而消耗的电能； 2 蓄电池的局部放电作用消耗了部分电能 3、蓄电池的内阻产生热损耗而损失电能

寿命：当蓄电池损失其额定容量的 20 % 时，表明已到寿命。

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蓄电池的循环寿命指在特定的放电深度的情况下，蓄电池充放电的次数。 影响寿命的因素：放电深度 经常采用大电流充电或放电会降低寿命 电解液温度过高或温度过低

7 设计应用

7.1 系统构成

太阳能路灯系统由四部分构成，分别是太阳能组件、太阳能充放电控制器、蓄电

池、照明电路。如（图六）

图六

7.2 太阳能路灯系统设计注意事项

太阳能电池组件：功率、安装倾角、固定；

功率： 太阳能电池组件的功率选择需要计算出太阳能路灯每天消耗的瓦时数，然后在考虑线损、系统效率等进行组件配比。

安装倾角： 太阳能的安装倾角的确定，要在当地气象站掉出所在地区的水平面太阳辐射数据。

固定：支架的安装，要注意计算抗风压值。 蓄电池： 容量、质量、安装；

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容量：蓄电池的容量是根据负载耗电量，连续阴雨天，蓄电池放电深度放电效率及系统电压决定的。

光源：高可靠、光效、寿命、色温、低温启动、散热； 灯具：灯具设计（反光、照射角度、密封性等）； 控制器：功能、效率、可靠性、防水、高低温性能； 灯杆：结构、壁厚、涂覆；

电缆：线路压降小于百分之三，导线温度不高于二十度； 安装施工：避免遮挡、安全、防盗措施；

7.3 太阳能路灯系统总体设计方案

我们以太阳能路灯负载为 100W 系统为例，安装太阳能路灯的地点选

择江苏省常州市。

一、 太阳能路灯系统光伏电源的设计

太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设 计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发电系统，还要有方 阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。

软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法

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太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐

射量决定了它的发电量。因此我们首先确定太阳电池方针面上所获得的辐射量如何确定，太阳电池板怎样放置能获得最佳的太阳辐射。

1 太阳电池板最佳太阳辐射的获得

根据太阳能辐射原理，太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：

当地的纬度、海拔、大气的污染程度或透明程度、一年当中四季的变化、一天当中时间的变化、到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。

（1） 光伏方阵倾角的选取

光伏电源的发电能力与当地太阳电池板接收到的太阳辐照度大小直接有关,为获 得较佳效果，一般需将电池板面与入射阳光垂直，为此可倾斜安装太阳电池板。但是，一般我们能得到当地气象站的太阳辐射数据均是水平面上的年平均日辐射量HL，对于同一地点，一天之内和一年之内的夏天和冬天差异很大。换言之，光强对时间而言是很不均匀的，北方地区尤为突出。因此，对于一个非跟踪的固定方阵而言，方阵电池板选取适当的倾角安装，可兼顾接收太阳辐射量的提高和全年各月辐射的均匀性的改善，从而最充分地利用太阳辐射能。安装太阳电池板的最佳倾角βop 和最佳辐射系数Kop(辐射单位：kJm－2d－1)

采用加拿大环境资源部和美国宇航局（NASA）共同开发的设计软件RetScreen。来选取最佳的光伏方阵倾角。可以直接同NASA数据库相连接。

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我们可以得到当地的气候条件如表一表二。由于数据库里面没有常州的数据，溧阳和常州几乎在同一纬度，我们选取溧阳的气候条件作为本系统设计的依托

纬度 经度 海拔 供热设计温度供冷设计温度土地温度振幅

单位 气候数据地点 项目位置 ˚北 31.4 31.4 ˚东 119.5 119.5 米 8 8 摄氏度 -2.3 摄氏度 33.8 摄氏度 16.9 项目地理位置（表一）

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每月每日的太阳辐空气温月 度 相对湿度 射 - 水平线 大气压力 风速 土地温度 的采暖 度日数 摄氏度/平方 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 年平均数 测量于

供冷 度日数 摄氏度日数 0 0 0 150 335 432 561 536 390 236 摄氏千帕 102.1 101.9 101.5 100.9 100.5 100.0 99.8 100.0 100.7 101.4 米/秒 2.3 2.7 2.9 2.6 2.5 2.5 2.2 2.4 2.2 2.0 度 3.7 5.7 9.9 16.0 20.5 24.1 27.1 26.3 22.4 17.3 度日数 459 367 282 90 0 0 0 0 0 12 摄氏度 3.2 4.9 8.9 15.0 20.8 24.4 28.1 27.3 23.0 17.6 % 77.5% 75.5% 77.5% 77.2% 76.7% 81.0% 82.1% 84.3% 83.3% 80.5% 米/日 2.74 3.12 3.32 4.15 4.72 4.60 5.02 4.67 3.96 3.40 11.3 77.9% 2.85 101.8 2.0 11.5 201 39 5.3 75.7% 2.69 102.1 2.0 5.7 394 0 15.9 79.1% 3.77 101.0 2.4 15.9 1,805 2,679 米 13

10.0 0.0

数据表（表二）

根据地理纬度粗略确定固定太阳能电池方阵倾角，计算方法： 纬度： 0 － 25 度 倾角： 等于纬度； 纬度： 26 － 45度 倾角： 纬度加5 － 10度； 纬度： 45 － 55度 倾角： 纬度加10－15度； 纬度： > 55度 倾角： 纬度加15 － 20度。

常州的纬度是北纬31.4度（根据RETSCREEN可知），所以我们可以确定太阳能电池组件倾角的大概范围36.5—46.5度。根据RETSCREEN软件模拟，我们分别选取36度、37度、38度、39度、40度、41度、42度、43度、44度、45度、46度，十个不同点进行比较数据可知道当太阳能电池方阵为37度的时候，为最佳倾斜角，电池组件朝南，如表三。

最佳倾角年辐射量表（表三）

由上述可知，最佳峰值日照实数为4.02度*平方米*日,连续阴雨天为3D,连续阴雨天间隔为10d.

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光伏电源的设计步骤 1） 计算负载日功耗QL

计算出所有负载耗电功率与每天的平均工作时间总和（路灯一般每天工作8小时） QL = Σ Pi × hi=100W×8h=0.8Kw/h

式中，Pi 为各负载的额定功率（W），hi 为相应负载每天平均工作的小时数。 2） 选择方阵倾角 37度 3） 太阳电池组件总用量的计算

容量P=P1+P2

P1:负载的功率 P2:辅助功率

光伏系统充放电效率取0.75(包括蓄电池安时效率、控制器效率、连线和阻塞二

极管损失以及太阳电池温升所导致的功率损失等)，太阳电池组件组合损失修正系数取0.95，灰尘遮挡及其它损失修正系数取0.90。 P1=QL/0.75×0.95×0.90×4.02=310.33914w P2=Q×d/D×4.02×0.75×0.95×0.90=93.10w d:连续阴雨天间隔 D：连续阴雨天

P=P1+P2=403.43914w

若太阳能电池选择常州天合光能公司产的TSM-205DC80组件,组件性能如下： 开路电压： Voc=46.2V 短路电流： Isc=5.73A

最大功率点工作电压： Vmax=38.4V 最大功率点工作电流： Imppa=5.36A 组件效率ηm (%): η=16% 最大功率Pmax: Pmax=205

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（大气质量AM1.5，辐照度1000W/m²，电池温度25°C测得）

所用太阳能电池组件共2快

太阳电池充电为24V充电系统为蓄电池充电，下面给出详细太阳能组件选

用数据表四：

序号12345671011121314151617项目单位年水平面总辐射量Cal/cm2年太阳电池板上的辐射量Cal/cm2年总峰瓦时WpHr日平均峰瓦值WpHr系统电压V组件峰值电压V组件峰值电流A组件峰值功率W组件串联个平均负载电流A负荷容量W负荷平均每天工作时间H日负荷消耗电量Wh需要太阳能电池电流量A需要太阳能组件并联数个需要太阳能电池功率W选定太阳能电池功率W表四

数量1186681775071467.34.022438.45.3620524.1710088002.2403410

蓄电池的选取；

由负载的大小，蓄电池的安时容量，最大允许的放电深度，预定的连续无日 照时间等因素共同来决定蓄电池的总用量。

蓄电池Ah容量计算方法：

按照负载100W，每天工作时间是8个小时，每天负载消耗电量是800Wh,本系统为24V系统，因此每日负荷消耗用电量是：

负载大小×负载每天工作时间×（连续阴雨天+1）/蓄电池放电深度×蓄电池放电效率*系统电压=蓄电池Ah容量

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800Wh×4D÷0.75÷0.75÷24=237.03Ah

这里选取江苏双登集团GFM-300AGM阀控式铅酸蓄电池。2V系列，12个串联在一起。

太阳能充放电控制器选取：

本系统选用的是24V系统，选择的是深圳硕日新能源有限公司生产的控制器 单路输出SR-L-20A。具体参数如下表五：

表五

灯具的选择：

各类光源的发光效率是不同的，我们在选择灯具的时候应该综合考虑各种因素，表六列出各种光源的发光效率等量，综合考虑，选取最优光源。

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表六

综合上表，我们选择直流LED灯作为光源。

我们选择常州吉诺新能源有限公司生产的100W LED 灯（JNLL-100） 太阳能路灯灯杆设计

在设计灯杆的时候必须满足风荷载对组件的影响。

太阳能路灯等杆高度10m(含埋入地下部分)，主管为直径108mm的圆管，壁厚3.75mm，安装时必须保证安全接地。如下图：

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物料清单： 序号 1 2 3 4 物品 组件 控制器 蓄电池 灯杆 型号 TSM-205DC80 SR-L-20A GFM-300AGM 数量 2 1 12 单位 个 个 个 注释 根据设计标准选择厂家定制 6 7 光伏导线 附件 PV-4 25 米 接线工具等

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参考文献

1 王长贵 王斯成 化学工业出版社 《太阳能光伏电实用技术》 第一版 2005年

2 S.R.Wenham M.A.Green M.E.Watt R. Corkish 上海交通大学出版社 《应用光伏学》 第一版 2008年

3 国家发展和改革委员会 国家科学技术部 中国电力出版社 《光伏 风力及互补发电村落系统》 第一版 2005年

4 周志敏 纪爱华 电子工业出版社 《太阳能光伏发电系统设计与应用实例》 2010年7月 第一版 5 王斯成培训资料

6 云南裕昆新能源投资有限公司楚雄光伏发电项目可行性研究报告。

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