光伏系统的设计研究

I 光伏瓦光伏系统的性能研究

摘 要

近年来由于人们对能源、环境问题的日益关注，传统的燃料能源正在一天天减少，与此同时全球还有约20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，人们把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。其中太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。丰富的太阳辐射能，是取之不尽用之不竭、无污染、廉价的能源。本文主要研究。本文主要研究家用光伏陶瓷瓦屋顶系统，它有着相当广泛的应用。本文对该家用光伏系统在生活中的实际利用价值进行深入研究，为了进一步提高系统的性能，实现系统的优化及可靠运行，本文针对日常的光伏瓦测定相关实验数据。这对于国家正大力发展的西部太阳能资源开发来说是具有现实意义的。

本文首先介绍了太阳能光伏发电系统的原理和构成,以及民用建筑中几种常见的光伏系统的浅谈.并详细分析了一套家用太阳能光伏发电系统，包括光伏瓦的模型及输出特性,以及该系统的操作安全注意事项、特点和用途、系统运用介绍。

其次,基于对上述资料的分析,提出了相对完整的家用陶瓷瓦光伏系统设计、实验样机和实验参数。结合应用物理学和光伏材料相关理论进行分析研究，制定光伏系统的整体控制方案，充分利用现有的实验条件测定实验数据，对家用光伏陶瓷瓦屋顶系统进行模拟和实验,研究光伏瓦日常发电的性能，验证和解决光伏材料的相关技术问题。

研究表明：该系统很好的实现了本文提出的实验方案所应完成的各项功能。且光控太阳能照明系统是光伏应用的重要领域，这类光伏系统的工作条件非常苛刻，必须根据其特点，进行仔细的系统优化设计，才能确保其长期稳定地工作。由于系统每天工作的时间长短不一样．在光伏系统谩计时，可以根据当地不同月份的日落和日出之间的无日照小时数减1．来作为光控太阳能照明系统的工作时间，眦确定其各月不同的负载日耗电量。决定蓄电池维持天数时，也是以最大的日耗电量为依据。光伏方阵的最佳倾角也要大于一般的独立光伏系统。

最后给出了实验结果，证明光伏瓦光伏系统设计的合理性,以及能很好应用于各地电力资源匮乏的区域。

关键词：家用光伏系统,照明系统,光伏瓦,蓄电池放电,性能研究

II Performance study of the photovoltaic tile -photovoltaic system

ABSTRACT

In recent years as people have problems of the energy, the environment more and more attention, the traditional fuel energy is to reduce day by day, and at the same time around the world, about 2 billion people do not have the normal energy supply. This time, the people are turning to renewable energy, hope renewable energy can change the human energy structure, maintain long-term sustainable development. Among them with its unique advantage of solar energy is the focus of attention. Rich solar radiation, is the inexhaustible, no pollution, cheap energy. This paper mainly studies. This paper makes a study of the ceramic tile roof photovoltaic (pv) systems, it has a wide range of applications. This paper analyzes the photovoltaic (pv) systems in the life of the actual value of further research, in order to further improve the performance of the system, realize the optimization of system and reliable operation, this article in view of the daily photovoltaic tile determination related experimental data. This country is developing for the western solar energy resources for development is realistic.

This paper first introduced the solar photovoltaic power generation system principle and structure, and civil building in several common photovoltaic system on. And detailed analysis of a home solar photovoltaic power generation systems, including photovoltaic watts model and output characteristics, and the operation of the system safety precautions, characteristics and use, the system is introduced, using the maintenance and repair.

Secondly, based on the analysis of the above information, and puts forward the relative complete ceramic tile photovoltaic system of household design, the experimental prototype and experimental parameters. Combined with applied physics and photovoltaic material related theory analysis, make the whole photovoltaic system control plan, make full use of the present condition of experiment test data, the ceramic tile roof photovoltaic (pv) systems for simulation and experiment, the photovoltaic power generation, the performance of the daily, validation and solve the photovoltaic material related technical problems.

Research shows that the system is very good realized the proposed experiment scheme should make each function. And electric solar lighting system is an important

III field pv-tech application, this kind of photovoltaic system working conditions is very strict, must according to its characteristic, the system optimization design was carefully, to ensure that its long-term stability to work. Because the system work every day the length of time is not the same. In photovoltaic system Man timing, and may, according to the local different months of sunrise and sunset between the hours of sunshine without reducing 1. As a solar lighting system to control the working time of the, angular determine its was produced different load, power consumption. Decided to keep the battery number, which also is the biggest day for the basis for power consumption. The best Angle photovoltaic square than general also independent photovoltaic system.

Finally the experimental results show that photovoltaic (pv), the rationality of the design of the system, and can be used in electric power resources all over the lack of area.

KEY WORDS: Photovoltaic systems, Lighting system, Photovoltaic tile, Battery discharge,Performance study

IV 目 录

摘要 ??????????????????????????????????Ⅰ ABSTRACT ????????????????????????????????Ⅱ 1 绪论??????????????????????????????????1

1.1 课题研究背景???????????????????????????1

1.1.1 能源及环境污染问题?????????????????????1 1.1.2 太阳能及光伏发电的特点及优势????????????????1 1.2 光伏发电产业的现状及其发展????????????????????1 1.2.1 国外光伏发电产业发展现状及其趋势??????????????1 1.2.2 国内光伏发电产业发展现状及其趋势??????????????1

1.3 太阳能光伏发电系统的原理、组成及分类???????????????1 1．3．1 太阳能光伏发电系统的原理?????????????????1

1．3．2 太阳能光伏发电系统的组成?????????????????1 1．3．3 太阳能光伏发电系统的分类?????????????????1 1.4 中国的太阳能资源及评价??????????????????????4 2 光伏瓦光伏系统发电及应用的研究?????????????????????3

2.1 光伏瓦光伏系统的设计???????????????????????3 2.1.1 太阳能光伏瓦方阵的基础设计?????????????????1 2.1.2 蓄电池、光伏控制器、逆变器的设计??????????????1 2.1.3 防雷与接地系统的设计????????????????????1 2.2 针对日常的光伏瓦测定相关实验数据?????????????????3

2.2.1 实验数据的测量和处理????????????????????3 2.2.2 数据归纳和原因分析?????????????????????3 2.3 本章小结?????????????????????????????4 3 结论与展望???????????????????????????????5

3.1 全文总结?????????????????????????????5 3.2 光伏瓦光伏系统的意义???????????????????????5 3.3 实验中的不足及展望????????????????????????5 致 谢 ??????????????????????????????????9 参考文献 ????????????????????????????????10 附录???????????????????????????????????1

1.5 本文的主要工作??????????????????????????4

光伏瓦光伏系统的性能研究

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

能源是社会和经济发展的重要保障，大力开发可再生能源是解决能源问题的重要途径。人类目前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在底下的石化资源，按照目前的开发力度，几十年或一百多年后，地球所储存的这些能源就将枯竭。因此开发和利用可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中水能已经得到了广泛的利用，但水能资源终究是有限的；相反，太阳能和风能是取之不尽、用之不竭的，只要宇宙中太阳系存在，就是如此。而且开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生和产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度审视，还是从特殊用途解决显示能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大的战略意义。

近年来，在不少国家实施“光伏屋顶计划\[l]的推动下，光伏发电得到了迅速的发展，应用范围正从偏远地区进入城镇，开始涉足庞大的电力市场。相应的光伏技术的研究也在不断深入。然而，在我国，人们对高效率、低成本太阳能电池制造技术的改进以及新型太阳能电池的进展给予很大的关注，而对实际应用应用技术的研究却重视不够。 1.1.1 能源及环境污染问题

能源是社会经济和人民生活的主要物质基础，对于社会经济的发展和人民生活水平的提高极为重要。然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，即25年间增长了69．7％，并预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到19亿吨标准煤。根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后40年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。在我国，这一情况也不容乐观，据官方统计，仅在2011年一年，我国就进口原油约1．8亿吨。目前的消耗速度，我国的现有能源储量至多可以使用50年。可见，矿物燃料并不是取之不尽的。同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染。根据相关资料显示，目前，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了污染，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升高口近若干年来全球二氧化碳排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁 .

因此，环境污染问题成为人们普遍关注的焦点。环境污染对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；

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工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。严重的环境污染还会造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突曰益增加。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。

1.1.2 太阳能及光伏发电的特点及优势

太阳能可以不分地域地辐射到地球的每一个角落，从而成为二十一世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。太阳是个巨大的能源，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。太阳能每秒钟到达地球的能量高达11.2×10千瓦时，如果把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率为5％，那么每年发电量可达5.6×10千瓦时，相当于目前全世界能耗的40倍。 可以预料，今后十年太阳能光伏系统的安装量将会快速增加，随着太阳能光伏系统的应用与普及，将会出现配电系统局部集中太阳能光伏系统并网的情况，将来可以建设地球规模的太阳能发电系统、宇宙太阳能发电系统。全世界人们每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。太阳能作为一种巨量可再生能源，利用太阳能的潜力是十分巨大的[3]。

和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性[4]： (1)取之不尽，用之不竭

太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳象目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射3．286×1028j的辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就说太阳能至少还可象现在这样有60亿年可以稳定地被利用。 (2)就地可取，不需运输

矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。 (3)分布广泛，分散使用

太阳能年辐射总量一般大于5．04×106kJ／m2，就有实际利用价值，若每年辐射量大于6．3×106kJ／m2，则为利用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源，称得上具有分布较广、到处都有的优点。 (4)不污染环境，不破坏生态

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人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如S02、C02等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其他新能源中水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。 (5)周而复始，可以再生

在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。

太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，此外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点[4]：

(1)结构简单，体积小且轻。独立供电的太阳能电池组件结构都比较简单。 (2)容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源。

(3)维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被沾污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。

(4)清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不使用燃料，不向外界排放温室气体和其他废气在内的任何物质，而且无机械传动部件 ，没有机械噪声，运行稳定可靠，是一种理想的能源。

(5)可靠性高，寿命长(30年以上)，并且应用范围广。

(6)光伏发电的能量转换过程简单,是直接从光子到电子的转换,没有中间过程(如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等)和机械运动,不存在机械磨损.根据热力学分析光伏发电具有很高的理论发电效率,可达80%以上,技术开发潜力巨大。

（7）光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上，光伏发电还可以很方便的与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地。可节省宝贵的土地资源。

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。无论是独立运行还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆

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变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。太阳能作为一种可持续发展的新能源，与风能、水能、核能等比较，是最理想的可再生能源。如表1-1所示：

能源类型 太阳能 水能 风能 安装 易 难 难 安装成本 低 高（需建水坝） 高（风车） 每瓦成本价格 高 最低 较低 维修成本 最低 低 较低 使用寿命 长 长 长 是否需要人力操作 否 是 否

地域限制 否 是 是 噪音污染 否 否 是 能量来源 阳光/普遍从在 水/地域限制 风/地域限制 美观 是 是（水坝具有观赏价值） 否 组件是否失效 否 是 是

表1-1 可再生能源的特性比较

太阳能光伏发电虽受昼 夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适用于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。光伏发电有更加激动人心的计划。一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便全球供电。据测算，到2050年，即使全部太阳能发电供给全球用电，占地也不过全部海洋面积的2．3％或全部沙漠的51．4％。另一方案是天上发电，早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可以提供5×10kW电力[5]。

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1.2 光伏发电产业的现状及其发展

近年来，国际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。太阳能电池性能和可靠性有了很大提高，成本和售价不断下降，有经济效益的应用范围不断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自动化阶段。光伏发电的竞争力越来越强。预计不久就可成为火力发电的主要竞争者，前景十分广阔。 1.2.1 国外光伏发电产业发展现状及其趋势

1839年，法国物理学家埃德蒙贝克勒尔意外发现了光伏效应：将两片金属浸人溶液 构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生伏打电动势。他把这种现象称为“光生伏打 效应\，简称“光伏效应\．1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。由于半导体P．N结在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器

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件称为“太阳能电池”(Solar cell)。

自从1954年恰宾(Charbin)等人在美国贝尔实验做出第一块实用光伏电池以来，虽然太阳光伏发电取得了很大的进步，但与计算机和光纤通讯的发展相比要慢得多。这是由于人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。20世纪几次石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。太阳能光伏发电技术的发展过程简列如表1-2所示[1]：

年份 1839 1876 1883

1930 1931 1941 1954 1955 1958 1959 1972 1972 1974 1975 1985 1986 1990 1991 1994 1997 1998 2003 2008

成就

法国物理学家埃得梦贝克尔发现了光伏效应 亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应

制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件

肖特基提出Cu20势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造

“太阳电池”，使太阳能变成电能

布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机

奥尔在硅上发现光伏效应

恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6％。

同年，韦克尔首次发现砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计，美国RCA研究砷化镓太阳电池

太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源

第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5％

罗非斯基研制出紫光电池，效率达16％，同年，美国制定新能源发展计划

美国制定新能源开发计划 日本制定太阳能发电“阳光计划”

非晶硅太阳电池问世。同年，非晶硅电池效率达6％~10%

日本建成1MW的光伏电站 美国建成7MW的光伏电站

德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWP光伏电池

制定再生新能源发电与公共电力网并网法规(德国)

住宅用太阳光发电系统技术规程(日本)

美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装

3~5kWp光伏电池。同年，欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池 荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成

RPS法(新能源法案)(日本)

美国参议院通过了一揽子减税计划，光伏行业的减税政策(ITC)续延2-6年

表1-2 光伏发电技术的发展过程的简列

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从表1-2知，1996年以来，世界光伏发电高速发展，表现在几种主要太阳电池效率不断提高，各国对光伏发电的重视度加大，尤其是各国光伏发电技术的屋顶计划，为光伏发电展现了无限光明的前途。

据世界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，2020年世界光伏发电将占总电力的1％，到2040年光伏发电将占全球发电量的20％，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长率高达25% ~30%，下面为世界各国政府的优惠政策[6]：

(1)德国：德国光伏发电开展始于1993年，开始实施是由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划。德国政府并于1999年开始实施10万太阳能屋顶每户约一户(3kW-5kW)计划。在德国2004年通过的《再生能源法案》和2008年实施的“强制光伏上网定价”政策刺激了德国光伏市场的快速发展，使得德国市场的总装机容量从2006年至今一直稳居全球首位。

(2)日本：日本于1974年开始制定光伏发电“阳光计划\，投资5亿美元，一跃成为世界太阳能电池的生产大国，1994年提出住宅用太阳光发电系统技术规程，也称“朝 日七年计划”，计划到2000年推广16．2万套太阳能光伏屋顶，现已完成。1997年又宣 布7万光伏屋顶计划，2010到年将安装7600MW发电能力的太阳能电池。日本政府2008 年11月发布了“太阳能发电普及行动计划\，确定太阳能发电量到2030年的发展目标 是要达到2005年的40倍，并在3．5年后，太阳能电池系统的价格将降至目前的一半左 右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。

(3)美国：美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶”计 划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到3000MW以上，美国连续三年光伏产业均高于30％的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励。2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策(ITC)续延2-6年。预计2008～20lO年美国新增光伏装机容量将增2600MW。

西班牙、瑞士、法国、意大利、荷兰等国也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度等发展中国家，也制定了国家的光伏发展计划，而且发展迅速。

世界光伏发电高速发展，光伏的装机量也在大幅上升，如图1-1所示。从2001年至 今，世界光伏总装机量年增幅保持在25％~40％之间，截至2010年已经突破20000MW，从世界经济角度看，太阳能光伏发电绝对是一项有发展前景，值得研究的课题。 1.2.2 国内光伏发电产业发展现状及其趋势

我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国太阳能光伏发电技术开始于20世纪70年代，开始时主要用于空间。70年代中期后，光伏发电应用逐渐扩大到地面并形成了我国的光伏产业。光伏发电在改善人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在21世纪可持续发展中发挥更大作用。技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距

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在不断缩小。

图1-1 全球光伏累计装机容量及其增速

在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公‘生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。 近期我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。目前，国内光电池硅片的生产能力己达4．5MW，在西藏7个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的100kW。2002年光伏系统累计装机容量仅40MW，而2004年深圳市已建成870kW光伏发电系统，是目前我国最大的城市光伏景观工程。2003年国内光伏电池的生产能力约20MW，但实际生产量仅仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1％左右。从2000-2002年，特别是2002年基本解决了全国近800个无电乡的乡政府用电问题。规模如此之大，在国际上也是空前的。在接下来的2-3年内，我国解决了11592个自然村和16889个行政村的用电问题。由于所有的这些村庄都处于偏远地区．十分分散，只能建造独立的太阳能发电系统，在2002~2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程”项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10％。在“九五”和“十五”攻关计划中初步开展了屋顶并网光伏发电系统的技术开发和试点示范研究，并取得进展。在深圳和北京分别建成了100kWp、50kWp、17kWp、7kWp和5kWp的光伏屋顶并网发电系统并成功实现了并网发电。表1-3[1]列举了我国光伏产业发展历程中的一些重要事件。

北京申办2008年奥运会，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想。

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年份 1958 1971 80年代 “75”期间

2002

2004 2005 2007 2008 2009

成就

开始对光伏电池的生产和应用进行研究 成功的将光伏电池应用到东方红二号卫星上

光伏组件年产量IOKW左右，建立示范工程如微波中继站、军队通信系统、小型用户

及偏远地区用独立光伏发电系统

加大对光伏发电系统的研究和生产的投入，从国外引进多条光伏电池生产线，生产

能力从原来每年lOkW发展到每年4．5MW

“西部省区无电乡通电计划”启动，共计安装了16．5姗的光伏发电系统，西部780

个乡的无电问题得到解决

广东首座总容量为兆瓦的太阳能发电系统在深圳通过验收 甘肃《敦煌兆8瓦并网光伏发电系统建设预可行性报告》通过专家评审 上海有关部门制订(2005-2007年上海开发利用太阳能行动计划》

甘肃敦煌IOMW光伏电站、青海柴达木佣级光伏电站、云南166MW光伏电站等启动

中国财政部颁发了‘太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法’

表1-3 国内光伏产业的发展简列

要把2008年奥运会办成最成功的一届奥运会，光伏发电应用必然要担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。2008年北京奥运会将建成多个50kW～150kW的光伏发电系统，场馆周围80％的路灯以及部分场馆的照明与空调将利用太阳能电池供电。上海2010年世界博览会已在规划总量1MW～10MW的城市光伏发电系统，还有旨在解决8000万边远地区居民无电缺电问题的国家光明工程、家用太阳能光伏电源系统、乡村太阳能光伏电站、青藏铁路工程光伏电源系统、通信用光伏电源系统等。

综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，世界光伏产业每年以31％的速度发展，而我国每年只有15％的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存[8]。

1.3 太阳能光伏发电系统的原理、组成及分类

1．3．1 太阳能光伏发电系统的原理

太阳能光伏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 理是利用太阳电池半导体材料的光生伏打效应，将太阳光辐射能直接转换为电能。当太 阳光(或其它光)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“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则

光伏瓦光伏系统的性能研究

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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 付诸实用的电能。

1．3．2 太阳能光伏发电系统的组成

本文采用是独立式光伏发电系统，其结构框图如图1-4[4]：

图1-4 独立式光伏发电系统结构图

（1）太阳能电池阵列

太阳能电池阵列一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池阵列分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。 （2）蓄电池组

蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵除了供给负载用电外，还要给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电)，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。

当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如果过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时逆变器自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。 （3）控制器

在不同的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少和复杂程度差别很大，需

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要根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器一般由各种电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。最简单的系统也可以不用控制器，有些要求有过充放、稳压等功能，而一些复杂的系统，如并网发电的光伏电站(并网发电不在本文的讨论范围内)， 则要求有自动检测、控制、转换等多种功能。 （4）逆变器。

逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成负载所需的交流电。逆变器主电路由大功率晶体管构成，采用正弦脉宽调制工作制，抗干扰能力强，还有很强的过载及限流保护功能。 （5）阻塞二极管

阻塞二极管也称防反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导通特性防止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对于阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压，在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0．6～0．8V，对硝特基或锗管为0．3V左右。 1．3．3 太阳能光伏发电系统的分类

从结构特征上来看，光伏发电系统可以分为三种基本类型：独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统。 (1)独立光伏发电系统

独立运行太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图1-2所示，主要由光伏电池，蓄电池组，充电器和逆变器四部分构成。光伏电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。系统一般还需要蓄电池作为储能环节，根据负载的需要，当光伏电池发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。如果负载是交流负载，还需要逆变器将直流电转化为交流电。

图1-2 独立光伏发电系统结构框图

(2) 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统的基本结构如图1-3所示[9][10]，光伏发电系统与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池储能环节的

[11]

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并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关[11]，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。 不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将光伏电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照，光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。

图1-3 并网光伏发电系统结构框图

（3）混合型光伏发电系统

图1-4为混合型光伏发电系统的基本结构图，它区别于以上两个系统之处是除了增加了一台备用发电机组外，它还可以加入风力发电机。当光伏阵列、风力发电机发电不足和蓄电池电量都不足时，可以启动备用的柴油发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统，能量的管理在混合型发电系统中极为重要。混合型发电一般有风光互补发电、光柴混合发电和风光柴混合发电等。

图1-4 混合型光伏发电系统的基本结构图

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1.4中国的太阳能资源及评价

中国地处北半球，幅员辽阔，大部分嫩区位于北纬45以南，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，中国陆地表面每年接收的太阳辐射能约50×10千焦(12×l018千卡)[12]，约相当于1700亿吨标煤。全国各地太阳能辐射总达3340--8400兆焦／(米2·年)[140千卡

[12]／(厘米2·年)] 。从全国太阳能辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南

。

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部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000米以上，大气层薄而清洁，透明度高，纬度低，日照时间长。例如被人们成为“日光城”的拉萨市，1961-1970年间的年平均日照时数为3005.7小时[12]相对日照率为68％，年平均晴天为108．5天，阴天为98．8天，太阳总辐射为8160千焦／(米2·年) [195千卡／(厘米2·年)]。比全国其他省、区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量为最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，1961-1970年，年平均日照时数仅为1152．2小时，相对日照率为26％，年平均晴天为24．7天，阴天达244．6天。其它地方的太阳年辐射总量居中。

中国太阳能的分布具有如下一些主要特点：①太阳能的高值中心和低值中心都处于北纬22。～35。一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；②太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区以外，基本上是难不低于北部；③由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30。～40。地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增 加而增加。为了按照各地不同条件更好的利用太阳能，中国气象专家根据各地接收太阳总辐射量的多少，将全国划分为如表1-4五类地区[12]:

在上述五类地区中，一、二、三

类地区，年日照时数大于2000小时，年辐射总量高于586千焦／厘米2(140千卡／厘米2)，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件；四、五类地区，虽然太阳能资源较差，但也不是均无利用价值，其中有的地方是有可能开发利用的。

根据表1-4中国太阳能资源的分布和特点，并和纬度相当的日本、美国的太阳能资源相比较，可对中国的太阳能资源做以下评价：除四川盆地和与其毗邻的地区外和与其毗邻的地区外，中国绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本优越得多，特别是青藏高原中南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。总之，中国是太阳能资源丰富的国家，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越资源条件。

地区分类 全年日照时数 h 太阳辐射年总量 kJ/cm2 相当于燃烧标准煤kg 包括地区 与国外相当的地区

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一 3200-3300 670-835 230-280 宁夏北部，甘肃北部，新疆东南部，印度和巴基斯青海西部和西藏西部 坦北部 印度尼西亚一带 二 3000-3200 586-670 200-230 河西西北部，山西北部，内蒙古南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部和新疆南部 三 2200-3000 502-586 170-200 北京，天津，山东，河南，河北东南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，四川西部，广东南部，福建南部，江苏北部，安徽北部，黑龙江，台湾西南部 美国华盛顿地区 四 1400-2200 419-502 140-170 湖北，湖南，江西，浙江，广西，意大利米兰地广东北部，陕西南部，江苏南部，安徽南部，台湾东北部，福建北部 区 五 1000-1400 335-419 110-140 四川和贵州 巴黎和莫斯科 1-4 中国太阳能资源分布

1.5 本文的主要工作

1．搜集有关太阳能电池、蓄电池和光伏系统的基础知识，掌握国内外对光伏系统的研究状况,以及对中国太阳能资源的的统筹评估。

2.在基于搜集的资料的基础上，研究光伏瓦光伏系统，并制定合理的实验方案，针对日常的光伏瓦测定相关实验数据。

3.总结数据，分析光伏瓦光伏系统的主要影响因素和蓄电池的充放电特性,考察陕西本地的太阳能实际辐射状况,发现该系统的不足之处及在实际应用中出现的前所未有的现象和问题，作出解释和解决对策。

4.评估该光伏瓦光伏系统的性能,以及对光伏瓦光伏系统整个系统实际投入及回收的分析。

5.对全文做出总结和展望。

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第二章 光伏瓦光伏系统发电及应用的研究

2.1 光伏瓦光伏系统的设计

2.1.1太阳能光伏瓦方阵的基础设计

太阳光伏瓦是将太阳能电池板和陶瓷瓦片经过封装工艺很好地结合起来,能够适用家用或大面积屋顶,以及在下雨天能够起到瓦片的作用,在有光照的情况下可以发电,而且此光伏瓦采用镜面设计,容易清理上面的脏污,增加屋顶的美观程度,取代了屋顶的材料耗费,所以光伏瓦是一种绿色,无污染,节能,安装简单,移动不受限制,能适应各种恶劣环境等优势集于一身的发电设计。

太阳能光伏瓦方阵是由3*4太阳能光伏瓦组件串并联而成，面向南方，与水平线成40°倾向角，其光伏瓦的规格如表2-1所示。

工作参数 Performance parameter 开路电压Voc 3.66 V 短路电流Isc 2.47 A 工作电压Vpm 3 V +/-3% 工作电流Ipm 2.33 A +/-3% 最大功率Pmax 1 W +/-3% Irradiance 1000 W/M2 温度系数 25 ℃

产品尺寸（mm） 302*220

表2-1 光伏瓦规格参数

2.1.2 蓄电池、光伏控制器、逆变器的设计

（1）蓄电池和负载的设计

蓄电池的规格采用(65HA.24V.1A)铅蓄电池,其工作参数如表2-2所示，负载采用日用的（220V.105W）白炽灯。

蓄电池参数 取值

输入端峰值电压 34V

输入端峰值功率 220W 输入端峰值电流 6.47A 正常工作电压范围 20～28.8V 过放报警电压 21V 过放断开电压 20V 过放恢复电压 21.6V

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提供的直流电电压 24V

表2-2 铅蓄电池的工作参数

（2）控制器的设计

为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。控制器通过检测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。充放电控制器是离网型光伏发电系统中最基本的控制电路，也是必不可少的电路，任何一个离网型光伏发电系统，不论系统大小，小到一个太阳能手电筒、草坪灯，大到一个几千瓦甚至几百千瓦的太阳能光伏电站系统，都要用到充放电控制器，其控制电路的硬件或软件复杂程度是不一样的，但其基本原理是一样的。

图2-1所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理。在该电路原理图中，由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关Kl、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分，Kl、K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关Kl，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合。开关Kl、K2是广义上的开关，它包括各种开关元件，如各种电子开关、机械开关等。电子开关，如小功率三极管、达林顿管、功率场效应管(MOSFET)、固态继电器、晶闸管(IGBT、GTO)等；机械式开关，如继电器、 交直流接触器等，根据不同的系统要求选用不同的开关元件或电器【】

图2-1 控制器原理

（3）逆变器设计

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是一种比较成熟的技术。目前国内光伏发电系统中主要是以直流DC系统和独立(Stand．alone)型DC-AC系统为主，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，再由蓄电池通过充放电控制器直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及偏远地区的微波基站供电系统均为直流系统，最近几年一些用户相对集中的偏远地区独立型DC．AC系统也发展很快。光伏发电的趋势是进入民用电力，但由于民用电力大多使用交流负载，以直流电力供电的光伏电源系统很难商品化普及推广，因此光伏

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逆变器成为技术关键。图2-2所示为一个可提供交流输出的离网光伏系统原理【】。

图2-2 光伏系统原理

2.1.3 防雷与接地系统的设计 （1）接地系统设计：

电压高于最大设计电压是光伏发电系统的主要危险。这种过电压由外部事件诱发或者由内部故障引起。在并网和独立发电系统中，引起过电压的外部原因主要是大气雷电放电；在并网系统中，和光伏发电系统连接的电网中的电压波动(瞬间)能够在光伏发电系统内产生过电压；在独立系统中，负载的电压波动也能够在光伏发电系统内产生过电压。雷电的危害包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危害。直击雷的危害主要是雷电流的热效应、电效应和机械效应产生的危害。雷击电磁脉冲的危害主要包括静电感应、电磁感应、电磁脉冲、雷电反击所产生的危害。

以往由于光伏发电系统容量很小，且应用范围小对光伏电站的防雷接地技术并不重视。随着太阳能光伏电站规模的增大和应用范围的不断扩大，太阳能光伏电站的防雷接地系统设计也越来越被系统设计人员所重视，接地与防雷技术也成为光伏电站可靠安全运行的一个重要因素。光伏电站大都建在交通运输地带，所以要因地制宜，设计合理的防雷系统和防雷布局以满足光伏电站安全运行。

光伏电站接地系统通常有两大类[4]：一是，强电接地，主要指防雷接地；二是，防电接地，主要指工作接地、安全接地等。不同类型接地，其要求也不一样。防雷接地的接地电阻一般在4～30Ω范围内；工作接地电阻值一般在0.5～10Ω范围内。一般规定低电压电力设备总容量不超过100kVA时，接地电阻允许不超过10Ω。在接地系统用设计时，要保证个接地系统之间避免在地下电位反击，就必须保证个接地系统在地下要有 足够的间距。由于太阳能电站占地面积有限，，要做到这一点有一定的困难，为此在接地系统设计时，我们采用了公用接地系统的设计方案，且接地电阻小于10Ω。 影响接地电阻值的主要因素是土壤电阻率。土壤电阻率的大小于土壤的结构、温度、湿度、图纸的紧密程度以及土壤中含有的可溶性电解质有关。

影响土壤电阻率的最主要因素是土壤湿度。土壤还水量增加时，电阻率急剧下降；当土壤含水率增加到20%～25%时，土壤电阻率保持稳定。也受土壤温度的影响。当土壤温度升高时，其电阻率下降。在0℃时土壤水分冻结而使电阻率迅速下降。另外土壤图

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纸的紧密程度对土壤电阻率的影响也较大，当土壤受压后，内部颗粒较受压前紧密土壤密度增大，其电阻率也减少。

跨步电压和接触电压：通常讲的接地电阻是指埋入地中周围土壤的欧姆电阻，由于接地装置和从接闪器到地面的引线都是有电阻的所以当雷击时电流从接地装置向大地散逸时，各点之间就有电压从在，当人站在接地装置的地面时，由于两脚站的地点电位不同，两脚之间就有电压，该电压称为跨步电压。

当雷电流流经引下线和接地装置时， 由于引下线本身和接地装置都有电阻和电抗， 因而会产生电压降， 这种电压降有时高达几万v， 甚至几十万V， 当人或牲畜接触引下线就会发生触电危险。

接地装置的防腐设计：（1）为了避免避雷装置对人或牲畜造成危害， 在设计接地装置时要按照接地电阻设计规范， 这样可使雷电流放电时，接触电压减小， 并且将引下线和接地装置 尽可能安装在人们不易接触到的地方，同时尽可能将引下线覆盖上绝缘物。（2）埋设引下线和接地装置应尽量放在人们走不到或很少走的地方，避免跨步电压危害， 还应注意使接地体与金属体或电缆之间保持一定的距离， 如果距离不够，应把它们连接成电气通路， 以免发生击穿。（3） 必须保证结构的可靠性，连接部分必须用电焊或气焊，不能使用锡焊， 现场无法焊接时， 可采用铆接或螺栓连接， 要保证有不少于 10cm2 的接触面。（4）接地体埋设深度不应小于0.5～0.8m。（5）回填土必须夯实。

（2）防雷系统设计

若直击雷或云间雷电发生在太阳电池板的附近， 则会在电池板支 架上产生静电感应过电压 （Vc）。

Vc=Ve?t/RC (2-1)

V=Q/C (2-2) 式中：V发生闪电瞬间（t=0）导线对大地间电压V，R导线对大地散流电阻 (Ω) ，C导线对雷云之间的电容 (F)，Q导线上感应积累的电荷量(C)， t以发生闪电瞬间为零，闪击发生后延续时间（S）。

防护措施：阵列支架与接地系统可靠连接。

太阳电池阵列安装在室外，当雷电发生时太阳电池方阵会受到直击雷的侵入。 其防护措施：一是太阳能电池板四周铝合金框架与支架导通连接；二是所有支架均采用等电位连接接地。

太阳能电池板是由钢化玻璃两层间夹太阳电池并抽取真空。其本身就是绝缘体。四周是铝合金框架。在直击雷发生时，其感应电荷主要集中于铝框架并泄入大地，从而使太阳能电池板得到保护，避免直击雷 冲击而损坏。

正极对地，负极对地间安装过电压保护器；二是在机房直流控制柜内的输入端侧，分别在正极对地，负极对地以及正极对负极间安装过电压保护器。

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对于沿交流输出线侵入的感应雷的保护，是在交流配电柜输出端即架空线的相线（L）与地(PE)间、零线(N)与地(PE)间、相线(L)与零线 (N)安装过电压保护器。

对所有引入机房的电缆线，应将电缆线金属外皮进行可靠接地处理，以削减雷电波侵入的幅。

逆变器的输入端与蓄电池组相连接，输出端与交流配电柜输入端相连接，根据感应雷分配原则，在逆变器的输出端需进行纵横向全模保护。 即在相线（L）与地 (PE) 间、 零线(N)与地(PE)、相线(L)与零线(N)间安装过电压保护器。

2.2针对日常的光伏瓦测定相关实验数据 2.2.1实验数据的测量和处理

实验目的：

1. 针对日常的光伏瓦测定相关实验数据； 2. 验证光伏系统的合理性；

3. 分析数据绘制光伏瓦光伏系统相关特性曲线； 实验原理：

整个实验元器件的配置和规格如2.1光伏瓦光伏系统的设计所表述，实验电路如图2-3所示。

图2-3 实验电路图

图中光伏瓦的伏安特性是在一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P．N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=V I。如图2-4[4]所示。

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图2-4 光伏瓦的I-V特性曲线

光伏电池的几个重要技术参数：

1．短路电流Isd在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 2．开路电压Voc：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。

3．最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 4．最大功率点电压(VM)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 5．最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。 6．填充因子：FF?PMV?OCI[1]

SC

7．光伏电池的转换效率：输出功率Po与阳光投射到电池表面上的功率Ps之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率?，?=?MPP?以上各个参数可以在图2．5中表示如下：

图2．5中，在曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(Max Power Point，MPP)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。

[13]

PPMS[1]

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图2-5 光伏瓦的特性

我们采用恒压充电,恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小、充电时间短、能耗低，充电效率可达80%，此法的不足之处有：

(1)在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，蓄电池可能因过流而受到损伤；

(2)如果蓄电池充电电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电；

(3)蓄电池端电压的变化很难补偿，串联充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。

这种充电方式，在小型光伏系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，而且在这样的系统中蓄电池组串联不多。

控制器除应具有防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能外，还有以下的 几个重要指标[14]。

(1)控制器本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，世界银行的标准是自耗电流小于额定工作电流的1％，因此电路的设计与低功耗器件的选择非常重要。

(2)回路压降要低。世界银行的标准是回路压降应小于系统电压的5％，这跟电路的设计与开关器件的选择密切相关。

(3)放PV组件或蓄电池反接保护。可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功率二极管。

(4)防反充保护。在太阳电池正极输入端串接防反充二极管或者其他开关方式防蓄

[15]

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电池电流倒流。

(5)防雷击保护。PV系统若安装在易遭雷击的地方时可在控制器输入端并接压敏电阻或增设其它防雷措施。

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，有主控制电路周期性地对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升(或降)压、整形滤波就得到我们需要的交流电。一般中小功率的逆变器采用功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)，大功率的逆变器都采用可关断晶闸管(GTO)器件【】。

如图2-5所示，这是一个采用MOSFET功率开关管构成的最简单的逆变电路。其实质是推挽式逆变电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管SWl、SW2交替工作输出得到交流电力。由于功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器效率低，带感性的负载能力较差，可以采用全桥式逆变电路避免这点，在此不做介绍。

光伏逆变器主电路的拓扑结构比较多的是采用三级结构(DC—AC．DC．AC)，也有采用单级(DC．AC)或两级(DC．DC．AC)式结构。一般来说，中小功率的光伏系统其PV阵列的直流电压都不太高，而且大电流的功率开关管其额定耐压值也都比较低，因此逆变电压也比较低，要得到220V或380V的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其输出都必须加升压变压器，其拓扑结构一般采用二级、三级结构。

逆变器的几个重要指标[14]： (1)要有较高的逆变效率

大功率逆变器在满载时，效率必须在90％或95％以上。中小功率的逆变器在满载时 也应在85％或者90％以上。这里电路的设计与器件的选择以及系统负载的匹配性好坏对 逆变器效率有较大的影响。

(2)要有较高的可靠性和可恢复性

目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电 源具备一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力以及各种保护功能，如输入直 流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

(3)要求直流输入电压有较宽的适应范围

由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具 有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄 电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在11\之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保持正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

(4)在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。 这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电

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网品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共 电网的电力污染，也要求逆变器电源输出正弦波电流，并且“孤岛\检测保护相应快、可靠性好。

以上几条是作为逆变电源设计与采购的主要依据，也是评价逆变电源技术性能的重要指标，应高度重视。 实验过程：

(1)按回路法按照图2-3连接电路图，然后检查线路，按回路法仔细检查一遍，看各个回路是否能走通，正负极是否有接反，确认没问题后在通电。

(2)预计实验做两次完整的充放电过程的数据记录，第二次作为第一次实验数据和问题反映的肯定，以及对整个光伏瓦光伏系统在日常生活中应用的有力说明。 (3)实验数据分为5组 ，首先对蓄电池进行放电到最后控制器报警为结束志，然后断开K1、K2、K3、K4四个开关，用万用表测量光伏瓦组件两端的电压U1，然后合上K1、K2开关测定蓄电池端电压U2、U3,再把K1和K2打开接入指针式电流表，测量光电流I1、I2。每隔20分钟重复测试上述五组数据一次以及阳光强度；记录数据如表2-3、2-4、2-5，直到蓄电池充电达饱和状态为止。

(4)放电阶段：打开K1、K2，合上K3、K4，测定放电前蓄电池电压U4，放电结束时蓄电池两端电压U5，以及放电时间长度；记录数据如表2-6所示。 注意事项：

(1)慎重通电，手按开关，眼看电表等元件，通电时看有没有异常现象，比如充电时确认充电的指示灯是否有循环闪亮，表针猛偏或反偏；有的元件过热，甚至冒烟有焦糊味等。遇到异常应立即断开所有开关，重新检查电路和元件。

(2)实验时先观察后测量，即边调节边观察，全面观察一两次，待现象心中有数后再开始记录所需要的数据。避免操之过急，盲目记录。

(3)中途若长时间离开时应关掉充电和放电设备的开关，不允许仪器在通电状态下离开岗位。

(4)电路故障的排除一般采用伏特计法和欧姆计法，此实验遵循先定性、后定量的原则。

(5)实验中时间间隔很难做到准确无误，尽可能把握住时间间隔和测量手法，以免造成严重误差。 备注：

由于此次试验并非采用电脑或自动化设备收集数据，所以从太阳能辐射到蓄电池充电过程中的计算演变并不能和理论值相符合，而且数据采用陕西省西安市当地真实值，由于天气原因，数据的起伏程度比较大，处于对以后光伏瓦在实际生活中的大量使用、数据储备和参考使用方面的考虑，以实际量产为前提的条件下，做出非常重要的几点实际价值研究。

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时间 9:20 9:40 10:00 10:20 10:40 11:00 11:20 11:40 12:00 14:00 14:20 14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:40 17:00 17:20 17:40 18:00 U1/V 38.3 38.4 39.63 39.05 39.7 39.23 39.2 38.83 39.4 39.18 39.1 39.23 39.4 39.98 39.35 39.4 38.8 38.32 38.02 37.73 36.35 U2/V 25.3 25.38 25.49 25.42 25.55 25.63 25.83 25.6 25.86 26.06 25.6 25.95 25.54 25.4 25.66 25.76 25.48 25.46 25.21 25.33 25.26 U3/V 24.88 25.02 25.11 25.06 25.15 25.24 25.41 25.2 25.45 25.65 25.25 25.56 25.2 25.05 25.32 25.4 25.18 25.14 24.9 25.03 24.98 I1/A 1.23 1.305 1.386 1.284 1.665 1.647 1.749 2.016 2.043 1.725 1.533 1.467 1.287 1.05 0.804 0.72 0.375 0.27 0.225 0.159 0.09 I2/A 1.125 1.236 1.245 1.236 1.629 1.626 1.707 2.004 2.007 1.707 1.509 1.488 1.266 1.035 0.786 0.714 0.363 0.264 0.216 0.153 0.066 光照强度/lux 60000 62200 71200 65000 83200 86500 87900 92900 105000 88000 78000 62000 70500 50000 30000 35000 15600 14000 10200 4900 3600 表2-3 充能实验数据

时间 8:40 9:00 9:20 9:40 10:30 U1/V 40.8 40.68 40.25 40.15 40.1 U2/V 24.04 24.33 24.4 24.44 24.57 24.64 24.67 24.8 U3/V 23.68 24.95 24.02 24.06 24.17 24.25 24.27 24.36 I1/A 0.627 0.819 0.945 1.083 1.323 1.395 1.644 1.605 I2/A 0.609 0.81 0.933 1.053 1.314 1.383 1.629 1.59 光照强度/lux 32800 42300 47600 53700 68300 72000 89000 82000 10:10 40.15 11:00 40.05 11:20 39.17

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 24

11:40 12:20 12:40 13:20 15:20 16:00 39.3 38.9 38.6 38.5 38.4 37.8 24.76 24.84 24.67 24.89 24.9 24.93 24.87 24.73 24.66 24.6 24.55 24.51 24.36 24.43 24.27 24.47 24.48 24.51 24.47 24.36 24.31 24.05 24.22 24.18 1.824 1.914 2.1 2.016 1.92 1.92 0.735 1.179 0.42 0.405 0.384 0.333 1.809 1.905 2.097 1.989 1.905 1.899 0.723 1.173 0.414 0.405 0.366 0.324 96500 104300 115000 105000 102500 100200 49000 69000 28500 25500 22300 19000 光照强度/lux 23000 57600 70000 40800 40000 25000 40000 12:00 39.16 13:00 38.25 15:40 39.73 16:20 38.25 16:40 38.47 17:00 38.25 表2-4充能实验数据

时间 9:00 9:20 9:40 10:00 10:20 10:40 11:00 U1/V 39.89 41 41.77 39.85 39.92 39.6 40.15 U2/V 24.44 24.78 25.02 24.8 24.82 24.71 24.74 U3/V 24.08 24.42 24.64 24.44 24.46 24.36 24.4 放电时U4/V 24.7 2.2.3数据归纳和原因分析

所有试验数据都在陕西科技大学2B507测定完成，由于天气原因，表2-3是2012/4/16收集完成，表2-4是2012/4/18收集完成，表2-5是2012/4/19测定完成。随即做放电试验得到表2-6。

(a)由表2-1知道光伏瓦的每片开路电压为3.66V,则此光伏组件的总开路电压U0

为: U0=UOC*总片数=3.66*12=43.92V (2-3)

I1/A I2/A 0.537 0.534 0.933 1.014 1.374 1.359 0.78 0.786 0.57 0.765 0.78 0.561 0.555 0.546 表2-5 充能实验数据

间长度/h 13 20.66 表2-6 放电数据

U5/V

光伏瓦光伏系统的性能研究

25

工作电压:

UP=UPM*12=36V (2-4)

由表2-3知道光伏瓦组件的开路电压VO的变化范围为36.35V～41.77V;可知其光伏瓦工作状态良好。

(b)由于试验的不连续性，我们采用表2-4中上午得出的数据绘制光伏瓦的U-I特性曲线，未采用下午数据是由于环境温度对光伏瓦输出特性的影响比重较大，如充能实验数据中，在下午两点以后光照强度急剧下降，但日常生活中温度却居高不下，导致数据与理论值相比有所偏颇。上午筛选出来的数据为表2-4中时间为8:40～12:20的U1和I1，特性曲线如图2-6。

图2-6 光伏瓦特性曲线

图2-6与图2-5相比较,两者在中间图像上呈相似性,但随着开路程电压的过小或过大,电流发生异常变化,其实质上是由于温度对光伏瓦特性的影响，下面我们将会分析温度和光伏瓦输出特性的关系。

（a） 光伏电池的I-V特性曲线

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 26

（b） 光伏电池的P-V特性曲线 图2-7光伏电池的I-V和P-V特性曲线

温度上升将使光伏电池开路电压下降，短路电流则略微增大，如图2-7所示。随着光伏电池结温的上升，其最大输出功率不断下降，其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池具有负的温度系数。对于常用的单晶硅和多晶硅来说，随着温度的增加其电压、填充因子FF和效率都有不同程度的下降。整体而言当温度升高时光伏电池的额定输出功率会略微下降，工作环境温度的高低对光伏电池的最大输出功率也会有直接影响。

（c）然而观察以上充能的数据,绘制光照强度和电流I1的关系如下图2-8分析图2-8，光照电流和光照强度呈正比例关系

[1]

图2-8 光照强度与电流I1的关系

光伏瓦光伏系统的性能研究

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（d）观察所有表格中的数据，表2-3中的光强起伏的变化是最为规律的，也就是天气的变化最为稳定，光强值由弱变强，到下午又渐渐变弱，数据误差小，参考价值最高，所以以下几点特性研究都以此数据为准。

我们由图2-8知道充电电流随着光强的变大而变大，而我们充电电压在控制器调节下维持在24V,所以充电功率P=U3*I2的值受太阳光照强度的限制。

我们已经知道充电电流是随光照强度的增大而增大的，而且成正比关系，通过拟定对2-7中的直线得知电流强度I2：

I2=0.0002*光照强度

通过上式我们观察表格2-4中光强与蓄电池端电压V3的变化规律，两者关系如图2-9，观察图像，很清楚地看见在U3的最高点有四点积聚在一起，而连接这四点的一点，在光强为1150lux时U3会极度

图2-9 光强与蓄电池端电压V3的关系

下降，当以超出蓄电池能接受能力的电流充电时，将使蓄电池产生较大热量，随着蓄电池电解液温度的增高，一方面使蓄电池能接受充电电流也变得越大，另一方面导致其内阻减小，这样充电电流进一步加大，使蓄电池产生的热量进一步增多，热量的增加使蓄电池电解液温度进一步升高，这样形成了充电电流和温度相互促进，从而将形成“热失控”，使蓄电池变形、开裂而失效，可能在几个小时内损坏整个电池。而过低的充电电压将使蓄电池不能得到足够的充电，造成“欠充”，经常工作在“欠充”情况下，蓄电池内部容易形成酸分层，使极板底部腐蚀，特别是容量较大、高度较高的固定蓄电池，经常以小充电倍率充电时更容易产生这种情况。会使蓄电池的利用率降低，更重要的是使蓄电池的容量难以得到恢复，在相同的负载下，其放电深度加大。蓄电池会有大量的气体析出，这些气体将对极板上的活性物质产生冲击，从而造成活性物质的脱落。同时可能在蓄电池内无法实现气体再结合，从而降低了U3，抑制充电过程,使蓄电池内部压

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 28

力增大、气体溢出、电解液减少、蓄电池干枯。所以蓄电池的最佳充电效果限制光伏发电的有效光强为1050lux。

（e）由蓄电池规格知道蓄电池的储能E:

E=65*24=1.560kw/h (2-5) 参考表格2-6和负载的规格可以得出能够实际应用的电能E′:

E′=pt=13*105=1.365 kw/h (2-6) 则蓄电池的利用率η： ?=EE'=87.5% (2-7)

上式说明蓄电池的放电深度，由于蓄电池放电在供电能力不能满足负载正常工作

的情况下会自动报警而停止放电，因而剩余电量会在下一次充电中累计，但每次放电都会有12.5%的结余。

（f）分析表格2-3和2-4中的数据，惊奇的发现表2-3中的U2比表2-4中的U2在相同光照下要高出1V左右，由于天气和昼夜关系我们采用阶段性充电方式，已知在表2-3是在已经有过充电前提的条件下测定，所以我们为了验证表2-3的可靠性，进行了表2-5的实验；通过比较表2-4和表2-5，我们可以肯定表2-3的准确性。

铅酸蓄电池是把电能转换变成化学能的装置。根据电化学理论，铅酸蓄电池的两组极板插入稀硫酸溶液里就会发生化学变化而产生电压。铅酸蓄电池放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成硫酸铅，当两种极板上大部分活性物质都变成了同样的硫酸铅后，蓄电池的电压就下降到不能再放电了。蓄电池放完了电，这时就要马上对它充电，使之恢复成为原来的二氧化铅和绒状铅，这样，蓄电池就可以继续放电。铅蓄电池这种充电和放电过程中的可逆的电化程序的理论“双硫酸化理论”，总的化学反应过程是可逆的，用方程式表示如下：

Pb02(正)+2H2S04(电解液)+Pb(负)≒PbS04(正)+2H20(电解液)+PbS04（负)[15] 活性物质微孔中的硫酸浓度与极板外主体溶液浓度相同，电池的开路电压与此浓度相对应。充电一开始，活性物质表面处(包括孔内表面)的硫酸增多，硫酸浓度上升，而硫酸主体溶液向电极表面的扩散是缓慢的，不能立即补偿所消耗的硫酸，故活性物质表面处的硫酸浓度继续上升，而决定电极电势大小的是活性物质表面处的硫酸浓度，结果导致电池端电压明显上升。随着活性物质表面处的硫酸浓度继续上升，与主体溶液之间的浓度差减小，阻碍了硫酸向电极表面的扩散过程，所以活性物质表面处的硫酸浓度变化缓慢，电池端电压比较稳定。但是，由于硫酸被增多，整体的硫酸浓度上升，又由于充电电过程中活性物质的增多，其作用面积不断增大，真实电流密度不断减小，超电势不断减小，故放电电压随时问还是缓慢的上升。所以当蓄电池在第一个阶段充电后，蓄电池本身就作为一个电压源形成自我保护状态，充电过程被阻碍而变得缓慢，但观察表2-3和表2-4光强在10560时的电流是相似的，这是因为控制器对充电过程的调节，比如

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对最佳充电电流的保护，使得蓄电池两端的电压升高，这也更好说明了此系统在最好工作时的光强为1050lux。

（g）最后我们观察任意一个表格都发现下午的数据和上午的数据在相同光强下不同数据有不同差异。我们通过分析蓄电池和光伏瓦在不同温度下的情况来说明这个问题。

我们都知道上午的气温随着光强增大而上升，但下午光强减弱，然而气温却居高不下，上述过程我们已经解释过温度对光伏瓦的影响，这里我们主要说明蓄电池和温度的关系。

温度对铅酸蓄电池的电解液粘度和电阻有很大的影响，当电解液温度升高时其扩散 增加、电阻降低，因此蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。在环境温度 10～45℃范围内，铅酸蓄电池容量随温度升高而增加，如阀控密封铅蓄电池在40℃下 的放电电量比在25℃下放电的电量大10％左右。但是，超过一定温度范围情况将发生变 化，如在环境温度45～50℃条件下放电，蓄电池容量明显减小。低温(<5℃)时，电池容 量随温度降低而减小，低温还会导致负极活性物质利用率下降，影响蓄电池容量，如电 池在-IO℃环境温度下放电时，负极板容量仅达35％额定容量。从这方面来看，因为蓄 电池的容量会随着温度升高而增加，所以在蓄电池放电时，对于相同放电容量，温度升 高时其放电深度降低，因此温度升高在一定范围内对蓄电池寿命延长是有利的，然而温 度升高同时会引起蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等加速，这些都将影 响蓄电池寿命。有文献(16)显示，对于铅钙合金板栅蓄电池正常工作温度每提高8℃，蓄电池浮充寿命减少一半。低的工作温度也会对蓄电池的寿命有影响，低温(<5℃)会引起负极失效，温度波动会加速枝晶短路等等，低温时充电，则会造成氢气产生，增大内部压力，缩短电池寿命。

所以综合考虑在设计太阳能光伏系统时对蓄电池安置应最大可能的保证蓄电池有一个良好的工作环境，工作温度控制在20\℃内，这样能够延长铅酸蓄电池的寿命。

2.3本章小结

本章在光伏系统总体设计原则的基础上，详细阐述了光伏发电系统的容量设计，包括太阳能电池方阵的设计，蓄电池容量的设计，并结合大西安当地实际天气验证了了光伏系统硬件的选型设计，经实践证明，此案例选型具有合理性与可行性。

第三章 结论与展望

3.1 全文总结

本次试验更多的是验证，发现问题，和解决问题。通过太阳能资源数据的开发整理和计算并建立太阳能光伏发电评估用的太阳能资源数据表，可以对太阳能光伏发电系统的参数计算及发电量的评估进行正确的指导，在非常方便地得出参数及发电量后，可以

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 30

进一步得出光伏发电项目投资量，确定技术经济评估结果，为光伏发电项目建设及未来发电状况提供了一套科学有效的评估方法．本文所作的工作主要有：

1．分析了光伏电池的工作原理和输出特性，并分别讨论了光照强度、温度和负载

对其输出特性的影响。为进一步将光伏瓦光伏系统应用到实际生活中打下了理论基础。

2．对光伏瓦光伏系统在日常生活中出现的异常现象和数据进行分析和说明，对优化后的系统做出尝试说明。

3．介绍了影响蓄电池寿命和性能的几个因素，着重讨论了充放电过程中电压、电流对蓄电池的影响。然后介绍几种常用的蓄电池充电策略，并比较了它们的优缺点，并结合过充保护和过充放护实现对蓄电池的充放电管理。

4．给出了本文中独立光伏系统的设计，另外进行了实验并给出实验结果，包括实验特性曲线和实验数据，实验验证了本文所设计的独立光伏系统的正确性和可行性。

3.2 光伏瓦光伏系统的意义

太阳能作为一种可持续利用的洁净能源，有着巨大的开发应用潜力。人类赖以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯到人类的起源时代。太阳能是人类得以生存和发展的最基础的能源形式，从现代科技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。目前，虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远来看，随着技术的进步，以及其它能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可能在2030 之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。

光伏发电着有许多特殊优势，尤其是它可以为边远地区、特殊场合供电。考虑到光伏发电的附加价值，它的综合经济效益大大提升，因此不能单纯与传统发电模式去比较单位发电成本。光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，发展光伏发电在经济、社会和环境保护等方面都有着积极的意义，下面来具体讨论光伏发电的发展意义。 3.2.1保护气候和改善环境

太阳能光伏发电最重要的特征是在发电过程中只排放很少的CO2，而CO2 作为最主要的温室气体，是导致气候变化的罪魁祸首。同时，电池板可循环使用，系统材料可再利用，光伏的能源投入可进一步降低。如果广泛使用光伏发电技术，可以为减缓气候变暖做出贡献。

我国能源消费占世界的10%以上，同时我国一次能源消费中，煤占到70%左右[i]，比世界平均水平高出40 多个百分点。燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占排放总量的70%~80%，二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的1/3。目前，环境质量的总体水平还在不断恶化，世界十大污染城市我国一直占多数。环境污染给我国社会经济发展和人民健康带来了严重影响。世界银行估计2020 年中国由于空气污染造成的环境和健康损失将达到GDP 总量的13％。而光伏发电不产生传统发电技术（例如燃煤发电）带来

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的污染物排放和安全问题，没有废气或噪音污染。系统报废后也很少有环境污染的遗留问题。

3.2.2 节省空间

光伏发电是一种简单的低风险技术，几乎可以安装在任何有光的地方。这意味着在公共、私人和工业建筑的屋顶和墙面上都有广泛的安装潜力。在运行中，这个系统还可以降低建筑的受热，增加通风。光伏电池板还可以作为隔声板装在公路两侧。光伏发电在提供大量电力供应的同时，避免占用更多的土地。 3.2.3 增加就业

光伏发电可以提供大量的就业机会。安装阶段创造大量的就业机会（安装工人、零售商和服务工程师），促进地方经济发展。根据欧洲光伏发电行业信息显示，生产每兆瓦光伏产品大约产生10 个就业机会，安装每兆瓦光伏系统创造大约33 个就业机会。批发和间接供应可提供3～4 个就业岗位，研究领域提供1~2 个就业机会。整个产业链中，每兆瓦的生产、安装和使用，

可提供50 个就业机会。在未来几十年，随着规模的扩大，自动设备的使用，这些数据会有所降低。但是，光伏发电产业不仅仅是一个资金密集型的产业，同时也是一个劳动密集型的产业。目前中国光伏技术及产业的就业总人数近万。到2020 年将达到10 万人左右。按照中国电力专家的研究，2050 年，光伏发电将达到装机容量10 亿kWp，年生产和安装量1 亿kWp，就业人数将超过500 万人。 3.2.4 提供农村电力

太阳能光伏发电系统可以很容易地在偏远的农村地区安装，这些地区可能多年无法架设电网。光伏发电等可再生能源特别适用于远离电网、零星分布的社区。离网农村电力以家庭为单位或设立小电网可提供照明、冷藏、教育、通讯和卫生等所需电力，提高经济生产力，增加创收的机会。光伏发电系统结实耐用、易于安装和具有灵活性等特征，使其可满足世界任何地方的农村电力需求。2006 年底，中国还有无电人口1100 万，使用光伏发电系统可以解决大部分无电人口的用电问题。 3.2.5 电力普遍服务

在欧洲光伏产业协会和绿色和平政策模式中，全球2030 年太阳能光伏发电可生产1500TWh电，可满足目前欧洲电力需求一半以上，替代300 家燃煤电厂（平均装机容量750MW）。2030年，全球太阳能光伏发电装机容量可能会达到1300GWp，大约2/3 是并网发电。假设80％的系统装在居民楼上，每3 口人的家庭年平均电力消费为3500kWh，使用并网太阳能的人口将达到10 亿。

目前，太阳能光伏发电的主要市场在工业化国家，但是，未来光伏发电的主要市场是广大的发展中国家，在那里还有20 多亿人没有电力服务，而电力普遍服务是人类社会文明和谐发展的重要因素，也是联合国千禧年发展的重要目标，2004 年的《波恩世界可再生能源大会宣言》提出了要利用太阳能为10 亿无电人口提供电能的号召。无电

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 32

人口供电是目前太阳能光伏发电技术最具吸引力的市场。 3.2.6 中国的特殊需求

中国是一个能源生产和消费大国。2006 年能源消费总量为246 亿吨标准煤，比2005 年增长9.3%。2006 年各种一次能源的构成比例为：煤炭占69.7%、石油占20.3%、天然气占3.0%、水电等占6.0%、核电占0.8%。2006 年，中国的原油进口达到1.5 亿吨，大约是中国原油总需求量的50％。中国能源开采和利用技术落后，传统高能耗产业比重大，单位GDP 能耗落后于发达国家，甚至比世界平均水平落后许多。中国又是世界上最大的发展中国家，经济高速发展，中国能源消耗增长速度居世界首位，加剧了中国能源替代形势的严峻性和紧迫性。中国电力科学院的研究表明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010 年和2020 年电力供需的缺口仍然分别为6.4%和10.7% ，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光伏发电可能在未来中国的能源供应中占据主要位置。

3.2 实验中的不足及展望

本文对太阳能光伏发电系统分三方面进行研究，由于时间和现有条件等种种原因， 尚有一系列包括本文所研究的方面值得进一步深入研究和完善。为了使太阳能光伏发电 系统成本进一步降低，早日推广应用，还需进一步进行以下方面的工作：

(1)由于时间关系，未能使用实际光伏系统的各种条件，对蓄电池组进行本文蓄 电池管理策略的验证。

(2)所有测量数据是在日常生活下测量得到，在实际应用中难免还有新的问题。 (3)光伏瓦光伏系统的优化还需采用进一步的改进最小生成树算法，即考虑现实环境中的道路、数目等障碍因素，这就需要进一步的改善，以提高其应用性。

太阳能光伏发电系统的使用尚处于初级阶段，目前实用化程度还不高，离广泛使用推广还有较大的距离，虽然目前的太阳能光伏发电系统仅仅是在没有市电供给的地区等特殊场合使用，但相信随着相关研究工作的继续深入开展，其整体价格会不断下降，效率也会得到进一步的提高，并具有光明的市场前景。最后，谨祝开展这方面工作的研究者在今后的研究中取得更多的硕果!

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致 谢

光阴似箭，即将告别这短暂的研究生生活。回首两年的研究生学习生活，感触颇多， 不能一言概之，但在这期间受到的指导和帮助是不能忘却的。

首先向我的指导老师符老师以最诚挚的感谢!论文是在符老师的精心指导和关怀下完成的。在整个攻读学士学位期间，在学业和生活上自始至终得到符老师的悉心关怀，使我在知识能力和学术水平上都得到了很大的提高，并将终身受益。符老师的学识渊博，思维开阔，治学态度非常严谨，特别对工作废寝忘食，一丝不苟，对人处处关心，诲人不倦的作风，为我树立了为人与治学的榜样，并将激励我不断前进。再次向导师表示诚挚的敬意和深深的谢意!

其次，也向平时指导和帮助过我的物理专业的老师们致以诚挚的谢意!

衷心感谢我的室友，以及所有物理081的同学无微不至的关怀，给予我生活的帮助，良好的休息环境!

衷心感谢我的父母。多年来，为了我的成长和学业，他们所付出的巨大牺牲，竭此 一生无以回报。没有他们的支持和鼓励，我也许学无所成!

衷心感谢评审论文的各位专家、教授为本文的研究提出宝贵意见和建议!

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 34

参 考 文 献

[1] 冯垛生,张淼,赵慧,林珊编著.太阳能发电技术与应用.人民邮电出版社.2009 [2] 孔力．太阳能光伏发电．机械工业出版社，2000：186-188． [3] 赵争鸣等．太阳能光伏发电及其应用．科学出版社，2005：97-98． [4] 李忠实编著.太阳能光伏发电系统.人民邮电出版社.2010.

[5] S．R．Wenham，C．B．Honsberg，J．E．Cotter,R．Largent，A．G：Aberle，M．A．Green．Australian Educational and Research Opportunitiesarising through Rapid Growth in the Photovoltaicindustry．Solar Energy Materials&Solar Cells，2001，67(1)：647—654．

[6] 王龚南．基于太阳能发电技术的交通警示照明系统的研究[D]．西安：西安理工大学，2007．

[7] Weidong Xiao，William GDunford．A Modified Adaptive Hill Climbing MPPT Method for Photovoltaic Power Systems[C]．IEEE Power Electronics Specialists Conference，Gremany．2004：1957—1963．

[8] Chih-Chiang Hua，Pi—Kuang Ku．Implementation of a Stand-Alone Photovoltaic. Lighting System with MPPT,Battery Charger and High Brightness LEDS[J]：IEEE PEDS．2005，1601-1605．

[9] 赵为，太阳能光伏并网发电系统的研究，［博士学位论文］，合肥：合肥工业大学，2003 .

[10] 蒋子晴，单相光伏发电并网系统的研究，［硕士学位论文］，镇江：江苏大学，2008. [11] 汪进进，光伏并网控制方法和系统的研究，［硕士学位论文］，合肥：合肥工业大学，2002.

[12] 李俊峰，中国光伏发电商业化发展报告，中国环境科学出版社，2001.

[13] KangBJ，LiawCM．Robusthy steresiseurrent controlled PWM scheme with fixed Switching frequency j．IEE Proceedings Eleetri Power APPlieations，20(1)， 148(6)：503-5 12．

[14] 郝立颖, 太阳能光伏发电系统设计及供电系统优化方法研究. 东北大学信息科学与工程学院.2008.

[15] 侯聪玲,吴捷,李金鹏,张淼.铅酸蓄电池充电方法的研究.2007.

[16] James EDualop Brian N．Farhi．RECOMMENDATIONS FOR MAXIMIZING BATTERY LIFE IN PHOTOVOIJ’AIC SYSTEMS：A REVIEW OF LESSONS LEARNEDProceedings of Forum 2001 Solar Energy[C]，The Power to Choose April 21-25，2001.Washington,KC：1—7．

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