葉遠龍

摘要：當今人類面臨的社會與資源問題日益嚴重，人類在促進社會以及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展遇到了許多困難，其中對各種能源的使用也越來越多，不可再生能源的使用也越來越緊張，出現(xiàn)眾多問題。隨著科技經(jīng)濟的不斷進步，人們對半導(dǎo)體技術(shù)進行7持續(xù)不斷的研究開發(fā)，利用太陽能進行發(fā)電的技術(shù)研究在不斷的提高，太陽能是人們公認的最清潔的能源并得到了廣泛應(yīng)用，因此將太陽能用于發(fā)電對于緩解目前人們遇到的能源短缺的問題是十分有意義的。

關(guān)鍵詞：太陽能 蓄電池 控制器

1太陽能供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1光伏供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本次家庭式太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計，各個參數(shù)的計算主要是根據(jù)現(xiàn)場的實際光照情況來定，為了能夠很好的實現(xiàn)本次設(shè)計目的，根據(jù)試驗區(qū)域光照情況和環(huán)境溫度，選擇太陽能板的數(shù)量和蓄電池的容量，合理規(guī)劃本次設(shè)備選取并保證其適應(yīng)性。對于本次家庭式太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計需要從多方面進行規(guī)劃，如電氣系統(tǒng)設(shè)計，電路設(shè)計，機械設(shè)計，能量轉(zhuǎn)換等方面。結(jié)合普通家庭每年用電量來合理規(guī)劃太陽能電池板數(shù)量和蓄電池容量，保證本次設(shè)計的實際運用性。

本次家庭式太陽能供電系統(tǒng)包括：

I.I.I能量轉(zhuǎn)換控制器

本控制器的主要功能是將系統(tǒng)從光能轉(zhuǎn)化的電能進行控制和調(diào)節(jié)，通過兩個方面來實現(xiàn)，一方面是將轉(zhuǎn)換的電能直接輸送到正在運行的負載，如電視、洗衣機等家用電器;另一方面是將多余的能量輸送到蓄電池進行存儲，在負載耗電量較大時，實時轉(zhuǎn)換的電量不能滿足負載的實際需求，這時控制器就會通過蓄電池對負載進行供電。當電量達到蓄電池最大存儲量時，為了保護蓄電池不被損壞，控制器此時會將充電電路斷開。同樣，在蓄電池中的電能完全耗盡時，為了防止蓄電池因過度放電而損壞，控制器會斷開放電電路，這大大提高了電池的使用壽命，并且整體設(shè)計有著至關(guān)重要的作用。

1.1.2蓄電池組

蓄電池組的主要功能是存儲光能轉(zhuǎn)換為的電能，這樣就能保證在夜間和在陰雨天時家庭負載的用電，同時蓄電池也會將多余的電能存儲起來。

1.1.3逆變器

逆變器的主要功能是將太陽能轉(zhuǎn)換的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以便交流負載正常工作。為了能夠滿足不同的負載使用太陽能電池轉(zhuǎn)換的電能，逆變器是本系統(tǒng)不可缺少的組件。由于本次家庭式太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計主要應(yīng)用于偏遠地區(qū)，由于這些地區(qū)道路崎嶇，對于系統(tǒng)維護較為困難，為了提高本次太陽能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證整個電路的平穩(wěn)運行，這就對逆變器的性能提出了更高的要求。

太陽能供電系統(tǒng)主要產(chǎn)品分類A、光伏組件B、風(fēng)機C、控制器D、蓄電池組E、逆變器F、支架系統(tǒng)。

本次設(shè)計的家庭式太陽能供電系統(tǒng)主要包含太陽能電池板。太陽能控制器、蓄電池組和逆變器等部。太陽能電池板是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它可以將照射在板面上的光能轉(zhuǎn)換為電能。整個系統(tǒng)的正常運行離不開控制器控制，它管理著電能在負載、蓄電池和太陽能電池板之間的轉(zhuǎn)換。蓄電池主要作用于能量的儲備，可以存儲多余的電能。通過功能原理可知太陽能電池板和蓄電池發(fā)出的是直流電源，但是家庭中的很多電器都是使用交流電源，因此逆變器也是本系統(tǒng)不可缺少的一部分。如圖I 1為典型的太陽能供電系統(tǒng)

為了經(jīng)濟性考慮，本次家庭式太陽能供電系統(tǒng)供電量滿足負載用電的前提下，最大程度的減少太陽能電池板的數(shù)量和蓄電池的容量。通過相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)來看，太陽能電池板的數(shù)量和蓄電池容量的確定要符合相應(yīng)的安全數(shù)據(jù)。

本次設(shè)計參數(shù)的選取主要有兩個影響因素：

（1）整個系統(tǒng)負載用電量、環(huán)境溫度、光照強度、光照時間來設(shè)定電氣系統(tǒng)的參數(shù)。

（2）主要的數(shù)據(jù)有：太陽能電池板的傾斜角、環(huán)境溫度變化量、最大電壓、最大負載和系統(tǒng)最大電流，太陽能控制，逆變器、蓄電池電氣參數(shù)等。

1.2太陽能供電系統(tǒng)簡介

太陽能供電系統(tǒng)有離網(wǎng)型并網(wǎng)性兩種形式，離網(wǎng)型太陽能供電系統(tǒng)主要應(yīng)用于偏遠的地區(qū)，由于該地區(qū)交通不便，地理形式復(fù)雜很難建設(shè)基礎(chǔ)的供電設(shè)施同時這些地區(qū)又有充足的光照，建設(shè)離網(wǎng)型太陽能供電系統(tǒng)較為適宜。該系統(tǒng)可以對照明系統(tǒng)，通信系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施進行供電。這種靈活且穩(wěn)定的供電方式可以大大提高偏遠地區(qū)人民的生活水平。

太陽能離網(wǎng)型供電系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)和控制方式多種多樣，在早期較為常見的一種方式是直接將太陽能電池板與蓄電池相連，將轉(zhuǎn)換的電能存儲在蓄電池中，然后蓄電池的輸出端來接負載，對負載供電。該鏈接方式最大的優(yōu)點是連線簡單，但是單一的連線方式只能輸出一種直流電壓級別，同時還要根據(jù)負載的用電的級別來串聯(lián)多個蓄電池供電，同時還要監(jiān)控蓄電池的充電電壓，使用范圍較窄。

一般在太陽能電池的設(shè)計過程在都會在太陽能電池板和蓄電池之間添加一個DC/DC轉(zhuǎn)換器，有了該組件這就會使太陽能供電效率大大提高。該轉(zhuǎn)換器需要通過最大功率跟蹤技術(shù)進行有效控制，這就是太陽能供電系統(tǒng)另一種鏈接方式。DC/DC轉(zhuǎn)化器的運用在蓄電池充電時有效的保護蓄電池不被過充，同時提高了太陽能電池板的供電量存儲效率，但是該系統(tǒng)仍然只能滿足直流負載的使用，不能應(yīng)用于交流負載。

2太陽能電池原理

2.1太陽能供電原理

在太陽能供電系統(tǒng)中，實現(xiàn)從光能轉(zhuǎn)換為電能的最小單位是太陽能電池單體，晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展促進了光伏供電的進步，太陽能電池單體是由一個PN結(jié)組成，單體在陽光的不斷照射下，會產(chǎn)生電動勢，這種特性被稱為光生伏特效應(yīng)。一般在晶體管PN結(jié)中，當PN結(jié)處于平衡時，在P結(jié)和N結(jié)中間會產(chǎn)生一個耗盡層，在該層中會出現(xiàn)一個勢壘電場，在該電場中，電場方向是從N級到P級。在陽光的照射下，晶體管中的硅原子活性增強產(chǎn)生電子空穴，在電動勢的作用下，空穴和電子分別向不同的方向移動，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，這樣會使P區(qū)的空穴數(shù)量遠大于電子數(shù)量，N區(qū)電子數(shù)量遠大于空穴數(shù)量，此時在PN結(jié)周圍形成了光生電動勢，該電動勢的方向和勢壘電場方向相反。在光的作用下使晶體管中的P區(qū)帶正電荷，N區(qū)帶負電荷，兩區(qū)之間就會產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。如果此時在晶體管兩側(cè)連接線纜，此時線纜上就會有電壓，可以帶動負載做工，從而就會有功率的輸出。太陽電池的工作原理可以分為以下4個過程：

（1）在陽光的作用下，晶體管中的PN結(jié)會產(chǎn)生電子空穴對，電子和空穴電性相反。

（2）晶體管中的PN結(jié)產(chǎn)生光生載流子，并且載流子會擴散到空間電荷區(qū)域。

（3）空間電荷區(qū)域中的勢壘電場會將進入的載流字分開，電子會進入N區(qū)，空穴會進入到P區(qū)。

（4）電子和空穴被分開后使晶體管產(chǎn)生電動勢，此時如果在太陽能單體的兩端接人負載，就會產(chǎn)生電壓，負載中就會有電流流過。

每個太陽能電池單體產(chǎn)生的電量十分微弱但是在實際的運用中，太陽能電池板是將成千上萬個太陽能電池單體串聯(lián)起來，在足量陽光的照射下，發(fā)出的功率能有百余瓦，完全可以帶動負載進行做功。

參考文獻

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