太阳能逆变电源设计 - 图文

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图2.6 混合型光伏发电系统

以上为光伏系统的一般分类。如果根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将其分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（Small DC）；大型太阳能供电系统（Large DC）；简单直流系统（Simple DC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（Utility Grid Connect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。因和本设计无直接联系，在此就不做一一介绍了。

2.2太阳能电池及其工作特性

2.2.1太阳能电池板的选择

本文设计的为可提供5KW的太阳能逆变电源，太阳能电池板的种类和性能各不相同，理论下太阳能电池板的功率能达到1KW/m2，但是要考虑温度变化，阴雨天气以及其本身的能量损耗等问题，标准光强下一平方米最多也只能达到约150多W，考虑到本设计的具体要求，以及和逆变器型号的匹配，在这里我们选择效率最高的单晶硅太阳能板，采用北京中西泰安技术服务有限公司出产的HL10-S-50B型太阳能板，其额定电压为12V，标称功率为50W， 电池组件尺寸746*572*28 4.5mm，正方。需要约100块左右。其技术参数可与主电路匹配。 2.2.2太阳能电池的工作原理及组成

太阳能电池板分类：晶体硅电池板：多晶硅、单晶硅太阳能电池。

非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。 化学染料电池板：染料敏化太阳能电池等

电池板的组成原料：玻璃，EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池

等，如下图：

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其主要原理为太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1） 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，还不能与普通的火电站或核电站竞争。

（2） 光—电直接转换方式，该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。在半导体器件中，光能转换化电能的效率特别高，因此工程上常利用半导体中的光电效应来制造半导体太阳能电池。半导体太阳能电池的发电过程可以概括为如下几点:

(1)、首先收集太阳和其他光源照射到太阳能电池表面的光线。

(2)、太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子(光生载流子)--电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。

(3)、这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池PN结内电场的作用下，电子-空穴对将被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在PN结两边产生异性电荷积累，从而产生光电电动势，即光生电压。

(4)、在太阳能电池的PN结的两侧引出电极，接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)转换为电能了。

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：

（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。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。太阳能电池板的质量和成本直接决定整个系统的质量和成本。

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（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关等都是控制器的可选项。

（三）蓄电池：一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候释放出来。

（四）逆变器：很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。

2.2.3太阳能电池电压—电流特性

太阳能电池理想等效电路如图2.7所示，由恒流发生器、二极管和负载电阻组成。Iph是太阳能电池受光辐射产生的光电流，它的值正比于太阳能电池的面积和入射光的辐射强度。ID为暗电流，是太阳能电池在无光照情况下，通过P-N结的电流。IL是太阳能电池的输出负载电流，Uoc则是太阳能电池输出开路时测得的电压值。考虑到太阳能电池的内阻，太阳能

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电池实际等效电路图如图2.8所示：Rs为串联电阻，一般小于1Ω，主要由电极导体电阻、扩散层横向电阻、基体材料电阻和前后电极与基体材料的接触电阻等组成。Rsh为旁路电阻，一般为几千欧姆，主要包括P-N结内漏电阻、电池边缘漏电阻和P型区和N型区各种导电膜的电阻等。另外，等效电路还应包括由P-N结形成的结电容和其它分布电容，由于太阳能电池是直流设备，没有高频交流分量，因此这些电容可以忽略不计。

图2. 7太阳能电池理想等效电路

图2. 8太阳能电池实际等效电路

所谓的太阳电池I-V特性是指在某一确定日照强度和温度下，太阳电池的输出电压和输出电流之间的关系。图2.9显示的I-V特性曲线，表明太阳电池既非恒压源，也非恒流源，不可能为负载提供任意大的功率。它是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相对保持恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降到零。

图2.9 太阳电池的I-V特性曲线

根据特性曲线可以定义出太阳电池的几个重要技术参数: