2.1單晶光伏組件陣列2.1.1單晶硅光伏板介紹中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)多數(shù)由晶硅光伏組件組成。晶硅

光伏組件是指由晶體硅電池片組成的光伏組件,這類電池片

于1954年被發(fā)明,當(dāng)今仍被廣泛使用。在所有類型的電池片

中,晶體硅電池片在全球市場上的份額占到80%以上。我國

的知名光伏廠商如尚德、英利、晶澳、天合、中電等企業(yè)

都把他們的主要產(chǎn)品定義在晶體硅電池片范疇。那么晶體硅電池片為什么會有如此高的份額呢?其發(fā)展優(yōu)勢

在于以下幾點:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社(1)硅是地球上非常豐富的元素,在地球表層中僅次于氧元

素,所以原料的獲取相對于其他元素比較容易。(2)晶體硅在常溫下的間接帶隙為1.17eV,直接帶隙為3eV,

其光譜響應(yīng)可以很好地與太陽光匹配。(3)硅及硅的化合物是一種化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的材料,而且是

無毒的。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社(4)由于計算機等電子設(shè)備的快速發(fā)展需求,大規(guī)模集成電路

及微電子產(chǎn)業(yè)對于硅原料的獲取和制備有了更高的要求,其

對硅材料的需求標(biāo)準(zhǔn)高于光伏產(chǎn)業(yè)對硅材料的需求標(biāo)準(zhǔn),這

為其后發(fā)展的晶體硅電池片的制造提供了很好的基礎(chǔ)。在

我國很多省份,光伏企業(yè)通常都是半導(dǎo)體芯片或集成電路相

關(guān)行業(yè)協(xié)會的成員。(5)最重要的一點是,現(xiàn)階段晶體硅電池片轉(zhuǎn)換效率遠高于其

他種類的電池片。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社下面就系統(tǒng)中涉及的晶硅光伏組件所用到的單晶硅電池片

進行介紹并闡述其制造工藝。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社單晶硅光伏組件主要由單晶硅電池片構(gòu)成,廣泛應(yīng)用于光伏

發(fā)電系統(tǒng)中,尤其是在光伏追日系統(tǒng)中。其主要的特點是光

電轉(zhuǎn)換效率高,比多晶硅至少高2%,比薄膜材料至少高10%。

而相對應(yīng)地,其造價也更昂貴,所以很適用于占地面積有限,對

發(fā)電功率又有要求的系統(tǒng)中。可以設(shè)想,當(dāng)可以用于建立光

伏系統(tǒng)的地方比較有限,比如只有一個屋頂或幾畝地,而又希

望這個系統(tǒng)能盡可能多地發(fā)電,那代價就是昂貴的初投資。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社在這昂貴的初投資中,單晶硅片是主要的花費點,其高額的費

用一大部分來源于從多晶硅到單晶硅的制造工藝,主要以直

拉單晶的方法將多晶硅變?yōu)閱尉Ч琛＿@種方法提高了光伏

電池的光電轉(zhuǎn)換效率,同時也提升了成本。單晶組件與多晶

組件的最大區(qū)別在電池片上,單晶組件用的電池為單晶電池,

多晶組件用多晶電池。其他原材料及組件規(guī)格沒有區(qū)別。

單晶組件相對多晶組件轉(zhuǎn)換效率高。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社而單晶硅電池片和多晶硅電池片的最大區(qū)別在于單晶硅電

池片的材料是單晶硅,所以制造單晶硅電池片并不像制造多

晶硅那樣有鑄錠環(huán)節(jié),取而代之的是制備單晶硅的方法,主要

有直拉單晶法、區(qū)熔法、磁拉法等。本部分主要介紹直拉

單晶法。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社直拉單晶法是指使用直拉單晶爐,通過將籽晶在熔融態(tài)硅的

上面緩慢上提,使硅原子按照統(tǒng)一的晶向沿籽晶生長,最后形

成單晶硅棒。其工藝流程為:備料、潔凈、裝爐、抽真空、

熔化、生長、出爐、測試等,其重點就是使多晶硅先熔化成

熔融態(tài)的硅,再在籽晶的引導(dǎo)下生長成單晶硅棒。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社其最大的特點就是晶向的統(tǒng)一,這種統(tǒng)一可以使單晶硅電池

片在發(fā)電過程中電子的移動不用像多晶硅電池片那樣會遇

到晶粒間界,由于單晶硅晶粒間界的消除,電子會攜帶更多的

能量,因此其光電轉(zhuǎn)換效率更高。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社單晶硅電池片的制備是將單晶硅棒滾圓、切片,形成厚度在2

00μm左右、四角保留弧狀的準(zhǔn)方片。而后單晶硅同樣要制

作絨面,但由于其晶面的存在,其絨面腐蝕更偏向于其(100)晶

面,由于其(111)面不易被腐蝕,最后在單晶硅硅片表面會形成

很整齊的四面方錐形結(jié)構(gòu)。其后的工序,單晶硅與多晶硅基

本沒有區(qū)別(詳見3.1節(jié)所述的多晶硅光伏組件制造工藝),由

此可以制造出單晶硅光伏組件。唯有一點不同的是,單晶硅

電池片的色差問題很小。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社在有光照(無論是太陽光,還是其他發(fā)光體產(chǎn)生的光照)的情

況下,電池吸收光能,電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累,即產(chǎn)生

“光生電壓”,這就是“光生伏特效應(yīng)”。在光生伏特效應(yīng)

的作用下,太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢,將光能轉(zhuǎn)換成電

能。太陽能電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力

的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種,如單晶硅、多晶

硅、非晶硅等。它們的發(fā)電原理基本相同,晶體硅的光發(fā)電

過程如下:P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅,形成P-N結(jié)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社當(dāng)光線照射太陽能電池表面時,一部分光子被硅材料吸收;光

子的能量傳遞給了硅原子,使電子發(fā)生躍遷成為自由電子,自

由電子又在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差,當(dāng)外部接通電路時,

在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸

出功率。這個過程的實質(zhì)是光子能轉(zhuǎn)換成電能的過程。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社本系統(tǒng)使用的太陽能電池板為經(jīng)過上述處理后的單晶硅光

伏板。單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨著技術(shù)的不斷

提高,現(xiàn)在最高可達到24%左右,是所有種類的商用太陽能電

池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的,但制作成本很大,以至于它還不能

被普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹

脂進行封裝,因此其堅固耐用,使用壽命一般可達15年,最高可

達25年。2.1.2單晶離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社單體太陽能電池板不能直接作電源使用。作電源必須將若

干單體電池串、并聯(lián)并且嚴(yán)密封裝成組件。太陽能電池組

件(也叫太陽能電池板)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分,也是

太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化

為電能,或送往蓄電池中存儲起來,或推動負(fù)載工作。如圖2.2所示,此子系統(tǒng)采用工作電壓24V、功率250W的單

晶硅光伏組件,共8塊,兩串兩并接入發(fā)電系統(tǒng)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.2單晶離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏組件連接圖中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社單晶光伏板的電性能參數(shù)如表2.1所示。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.1單晶光伏板的電學(xué)性能參數(shù)(詳細數(shù)據(jù)參數(shù)見附錄)型

號參數(shù)

DBM260中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.1單晶光伏板的電學(xué)性能參數(shù)(詳細數(shù)據(jù)參數(shù)見附錄)電學(xué)性能Wp峰值功率輸出(W)260Vmp最大功率所對應(yīng)電

壓(V)31.5Imp最大功率所對應(yīng)電流

(A)8.26Isc短路電流(A)8.83Voc開路電壓(V)37.9Vdc系統(tǒng)最大電壓(V)1000中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2.2光伏組件的發(fā)電原理光伏組件的主要作用就是將太陽光的光能轉(zhuǎn)化為電能,那么

電能是如何由光能產(chǎn)生的呢?眾所周知,光伏組件產(chǎn)生的電能

類似電池產(chǎn)生的電能。它產(chǎn)生的是直流電,所以很多時候稱

光伏組件為“太陽電池”。那么如何去構(gòu)建一個電池呢?中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社首先它需要一個電池的正極和一個電池的負(fù)極,電池的負(fù)極

一端需要存在大量的負(fù)電荷,一般由電子組成,電池的正極的

一端需要存在大量的正電荷。而這些電荷還需要帶有能量,

使之可以在電池的正負(fù)極接觸負(fù)載時產(chǎn)生負(fù)電荷與正電荷

的定向移動。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社所以一個電池系統(tǒng)需要有正電荷與負(fù)電荷,而且這些正電荷

與負(fù)電荷還要具有能量,可以定向移動,電池中這種機制是依

靠電池內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)來完成的,而如何設(shè)計一個系統(tǒng)來實現(xiàn)

類似一般電池的這種特點,是研究光伏電池的科學(xué)家們所要

解決的問題。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社而恰巧有一類物質(zhì)被稱為半導(dǎo)體,其具有上面提到的正電荷

和負(fù)電荷,這兩種電荷分別對應(yīng)半導(dǎo)體中的電子和空穴,而且

電子和空穴的產(chǎn)生機制是依靠光生伏特效應(yīng)的,這意味著找

到的正電荷和負(fù)電荷是可以具有能量的,而且這種能量來源

于光能,這就已經(jīng)完成了設(shè)計。但還存在一個致命的問題:如

何分開電子和空穴,而光生伏特效應(yīng)恰恰可以讓半導(dǎo)體產(chǎn)生

的電子和空穴,很快又會復(fù)合,然后放出能量。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社如何來解決這個問題呢?隨著技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)可以向半

導(dǎo)體中摻入其他雜質(zhì)。雜質(zhì)對于材料制造往往是不希望看

到的,比如純金,一定是純度越高的其價值越高。而在現(xiàn)代材

料領(lǐng)域,發(fā)現(xiàn)摻雜可以解決很多問題。半導(dǎo)體這類材料的導(dǎo)

電性很差,如何改善其導(dǎo)電性呢?人們發(fā)現(xiàn)在正四價的半導(dǎo)體

中摻入正五價或正三價的原子都可以改善其導(dǎo)電性。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社摻雜正五價原子的半導(dǎo)體會有很多自由電子,將其稱為N型

半導(dǎo)體,而摻雜正三價原子的半導(dǎo)體會有很多空穴,將其稱為

P型半導(dǎo)體。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社這兩種半導(dǎo)體最早都是為改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性而設(shè)計的,但

當(dāng)將這兩種半導(dǎo)體放在一起時,會發(fā)現(xiàn)一個有意思的現(xiàn)象,就

是原本用于導(dǎo)電的摻雜電子和空穴由于濃度差的緣故會不

斷向?qū)Ψ降陌雽?dǎo)體擴散,這種基于濃度差的擴散就好像鹽在

水中的擴散。這種擴散的結(jié)果是會形成一個內(nèi)建電場,這個

電場由N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體,將這樣的P型半導(dǎo)體與N型

半導(dǎo)體的組合稱為PN結(jié),其最早用于集成半導(dǎo)體領(lǐng)域。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社利用PN結(jié)所產(chǎn)生的電場來控制電流的導(dǎo)通,當(dāng)把這個結(jié)放在

太陽光下照射時,由光子能量所產(chǎn)生的電子

空穴對則會被由摻雜電子和空穴所產(chǎn)生的內(nèi)建電場所控制,進行定向移動,這

種移動將獲得光子能量的電子和空穴移動到PN結(jié)的兩端,當(dāng)

外接負(fù)載時,這些電子和空穴復(fù)合并放出光的能量。由此光伏組件可以將光的能量轉(zhuǎn)換為電能。2.3光伏組件的參數(shù)測量中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社光伏組件的參數(shù)在其制造工藝中已經(jīng)涉及了很多,在這里更

多地涉及其參數(shù)的測量。光伏組件的開路電壓和短路電流

的測量方法比較簡單,而其最大功率的測量方法相對復(fù)雜一

些。測量其參數(shù)要用到的設(shè)備主要有太陽光模擬器、萬用表和

變阻器。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社光伏組件的開路電壓是在無外接負(fù)載的情況下直接測量光

伏組件的電壓值,當(dāng)光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)的太陽光模擬器(AM1.5)

的照射下,其電壓值稱為開路電壓Uoc。光伏組件的短路電流

也是在無外接負(fù)載的情況下直接測量光伏組件的電流值,當(dāng)

光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)的太陽光模擬器(AM1.5)的照射下,其電流值

稱為短路電流Isc。這兩個參數(shù)基本成為光伏組件必須要測量

的兩個參數(shù)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社而一般的光伏組件在出廠時還需要測量其功率值,一般一塊

標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件其出廠的功率值一般在250W左右,是怎么

測量的呢?這就要用到變阻器了。將光伏組件在連接變阻器

的狀態(tài)下同時測量其電壓與電流,不斷改變電阻器的阻值,最

好是從零逐漸增加到最大,在這個過程中記錄多組數(shù)據(jù),然后

作圖。以電壓值為x軸,電流值為y軸,將所有數(shù)據(jù)形成的二維

點畫在圖中,連成曲線,曲線上各點x軸數(shù)值與y軸數(shù)值乘積最

大的那個值即是最大功率點。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社光伏組件在該情況下工作其輸出功率最高。同時光電轉(zhuǎn)換

效率就是用這個功率值去除以太陽能模擬器的功率值得出

的;而填充因子(FF)則是用最大功率值除以開路電壓與短路

電流的乘積得出的。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社在這些參數(shù)中,開路電壓與短路電流往往描述了光伏組件理

論上的最大能力,而最大功率值則描述了光伏組件實際上的

最大能力;光電轉(zhuǎn)換效率描述了到底有多少太陽光的能量變

成了電能,而填充因子往往描述了光伏組件其實際值與理想

數(shù)值的差異。2.4光伏組件的最佳傾角及間距計算中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社如何安放光伏組件?按什么樣的角度安放?如果存在前后排

光伏組件,其間距應(yīng)該是多少?本部分將說明這些問題。光伏組件的最佳傾角一般與光伏組件所在位置的經(jīng)緯度有

關(guān)。總體來說,光伏組件傾斜面上的總太陽輻射可以由傾斜

面上所獲得的散射輻射、地面反射輻射和直射輻射來表

示。由此,光伏組件傾斜面上的逐時總太陽輻射可以表示為

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社其中:Gtt(i)——在i時刻光伏組件傾斜面上的太陽照射的總輻射,W/

(m2·h);Gbt(i)——在i時刻光伏組件傾斜面上的太陽照射的直射輻射,

W/(m2·h);中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社Gdt(i)——在i時刻光伏組件傾斜面上的太陽照射的散射輻射,

W/(m2·h);Gr(i)——在i時刻光伏組件傾斜面上的太陽照射的反射輻射,

W/(m2·h)。對于一個確定的方位角,最佳傾角Z可以通過求解下面的方程

得出:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

其中:m——計算過程中總的小時數(shù)。對于全年的情況,m取8760;

對于一個季度,m取2160;對于一個月,m取720。光伏組件傾斜面上的太陽直射部分Gbt可表示為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

其中:Gbh——水平面上可以獲得的直射太陽輻射,W/(m2·h);θ——入射角,指入射到某表面上的直射輻射和此表面法線的

方向角;中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社θz——水平面的入射角,也稱為太陽的天頂角;Rb——形狀因子。入射角θ可以利用以下公式計算確定:

其中:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社δ——太陽的傾斜角,-23.45°≤δ≤23.45°;φ——當(dāng)?shù)氐木暥?γ——光伏板的方位角,南向為0,東向為負(fù),西向為正,-180°≤γ

≤180°;ω——時角,上午為負(fù)值,下午為正值。太陽的傾斜角δ可以表示為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

其中:n——全年的第n天,取值1~365。光伏組件傾斜面上的地面反射部分可以表示為

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社其中:Gth——水平面上總的太陽輻射,W/(m2·h);ρ0——地面反射系數(shù)。對于有雪表面的反射系數(shù)可以定為0.

6,無雪表面的反射系數(shù)可以定為0.2。光伏組件傾斜面上的太陽散射部分可以用Reindl模型來計

算:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

其中:Gdh——水平面上的散射輻射,W/(m2·h);

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

G0——大氣外層所在水平面上可以獲得的太陽輻射,可

以表示為

其中:Gsc——太陽常數(shù),約為1353W/m2。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社根據(jù)以上數(shù)學(xué)公式進行計算,得出了我國一些典型城市的光

伏組件最佳傾角及其相關(guān)數(shù)值,并列于表2.2中。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.2我國20個典型城市光伏組件最佳安裝傾角及其相關(guān)數(shù)值城市緯度最佳傾

角平均日照小時水平面年平均輻射

量斜面年

輻射量kW/(m2

·h)kJ/cm2kW/(m2·

h)(平均)北京39.843.75.011547.31557.031828.55天津39.144.24.651455.54523.991695.43哈爾濱45.6848.774.391287.94463.661605.80沈陽41.7742.684.61398.46503.441679.31中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.2我國20個典型城市光伏組件最佳安裝傾角及其相關(guān)數(shù)值長春43.944.894.751376.05495.381736.49呼和浩

特40.7843.885.571680.42604.952035.38太原37.7842.84.831527.02549.731763.56西寧36.7537.675.451701.01612.361988.95上海31.1734.263.81293.72465.741388.12南京32373.941328.09478.121440.43杭州30.2333.23.431183.01425.881254.38中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.2我國20個典型城市光伏組件最佳安裝傾角及其相關(guān)數(shù)值南昌28.6730.73.81327.59477.931390.45福州26.0830.13.451216.77438.041262.39濟南36.6842.714.441423.81512.571621.62鄭州34.7241.694.041351.72486.621476.02武漢30.6337.563.81338.43481.841389.74長沙28.234.23.211153.51415.261175.00南寧22.8227.793.531268.88456.81291.09成都30.6732.72.881053.61379.311044.71中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.2我國20個典型城市光伏組件最佳安裝傾角及其相關(guān)數(shù)值銀川38.4840.55.451678.29604.191988.74中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社根據(jù)光伏組件安裝的最佳傾角Z(見圖2.3),可以計算當(dāng)太陽電

池陣列前后安裝時的最小間距D。在光伏電站功率較大,需

要前后排布太陽電池方陣,或太陽電池方陣附近有高大建筑

物或樹木的情況下,需要計算建筑物或樹木的陰影,以確定方

陣間的距離或太陽電池方陣與建筑物的距離。一般確定原

則:冬至當(dāng)天早9:00至下午3:00太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.3光伏組件最佳傾角及間距計算示意圖中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社太陽高度角的計算公式為

太陽方位角的計算公式為

其中:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社δ——太陽的赤緯角(傾斜角),-23.45°≤δ≤23.45°,冬至日的太

陽赤緯為-23.45°;φ——當(dāng)?shù)氐木暥?γ——光伏板的方位角,南向為0,東向為負(fù),西向為正,-180°≤γ

≤180°;ω——時角,上午9:00的時角為45°。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社光伏組件間距的公式為

一年內(nèi)任何一天的赤緯角δ可用下式計算:

其中:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社n——日數(shù),自1月1日開始計算。表2.3以北京市為例給出了其光伏組件傾角及間距的計算結(jié)

果。注:后續(xù)章節(jié)中光伏組件的發(fā)電原理、光伏組件的參數(shù)測量

和光伏組件最佳傾角及間距計算不再冗述,以本部分為準(zhǔn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.3北京市光伏組件傾角及間距地區(qū)北京方陣長度(mm)3016緯度(φ)39.8方陣傾角(Z)43.7方陣高度(H)2088赤緯角(δ)-23.50太陽高度角(α)0.243太陽方位角(β)0.669中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.3北京市光伏組件傾角及間距太陽投影長(L)8332方陣間距(D)6265.4625中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2.5匯流箱對于大型光伏發(fā)電系統(tǒng),為了減少光伏組件與逆變器之間的

連接線,方便維護,提高可靠性,一般需要在光伏組件與逆變器

之間增加直流匯流裝置。匯流箱一般具備匯流、防雷的功

能。匯流箱的設(shè)計圖如圖2.4所示。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.4匯流箱的設(shè)計圖中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社匯流箱內(nèi)設(shè)計有防反二極管以及壓敏電阻等,可防雷,可以就

地安裝在光伏陣列附近的室外,具有防水功能。2.6蓄電池組中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社白天太陽光照射到太陽能組件上,使太陽能電池組件產(chǎn)生一

定幅度的直流電壓,把光能轉(zhuǎn)換為電能,再傳送給智能控制器,

經(jīng)過智能控制器的過充保護,將太陽能組件傳來的電能輸送

給蓄電池進行儲存;而儲存就需要有蓄電池,所謂蓄電池即是

諸存化學(xué)能量,于必要時放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社國內(nèi)目前被廣泛使用的太陽能蓄電池主要是:鉛酸免維護蓄

電池和膠體蓄電池,這兩類蓄電池因為其固有的“免”維護

特性及對環(huán)境產(chǎn)生較少污染的特點,很適合用于性能可靠的

太陽能電源系統(tǒng),特別是無人值守的工作站。本系統(tǒng)使用的

是膠體蓄電池。由于本系統(tǒng)是48V系統(tǒng),因此選用了12V的蓄電池共4個,串

聯(lián)后構(gòu)成蓄電池組,每個蓄電池為200AH容量,示意圖如圖2.

5所示。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.5蓄電池連接圖蓄電池的具體參數(shù)如表2.4所示。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.4蓄電池參數(shù)(詳細的數(shù)據(jù)手冊見附錄)標(biāo)稱電壓12V標(biāo)稱容量(10小時率)200Ah外觀尺寸長522mm寬239mm高217mm總高222mm質(zhì)量約66kg端子圓柱銅&引出線中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2.7逆變器逆變器是把直流電能(電池)轉(zhuǎn)變成交流電(一般為220V、50

Hz正弦波)。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。工作

過程一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路

四大過程。1.整流電路中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單

獨的一塊整流模塊。2.平波電路在整流器整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓,此外逆變器產(chǎn)

生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動,采用電感和電容

吸收脈動電壓(電流)。一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有

余量,故省去電感而采用簡單的電容濾波平波電路。3.控制電路中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社現(xiàn)在的變頻調(diào)速器基本都是以16位、32位單片機或DSP為控制核心,從

而實現(xiàn)全數(shù)字化控制的。變頻調(diào)速器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝

置,提供控制信號的回路稱為主控制電路,控制電路由以下電路構(gòu)成:頻

率、電壓的“運算電路”,主電路的“電壓、電流檢測電路”,電動機的

“速度檢測電路”。運算電路的控制信號送至“驅(qū)動電路”以及逆變

器和電動機的“保護電路”。變頻器采取的控制方式,即速度控制、轉(zhuǎn)

矩控制、PID或其他方式。4.逆變電路中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社同整流電路相反,逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓,以

所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在

輸出端U、V、W三相上得到相位互差120°角度的三相交流電壓。太陽能逆變器的主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全

橋電路,一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等,得到與照明負(fù)

載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電,供系統(tǒng)終端使用。有了逆變

器,就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。逆變器的原理圖如圖2.6所示。本系統(tǒng)的逆變器操作面板說明見表2.5,詳

細的數(shù)據(jù)參數(shù)見附錄。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.6逆變器的原理圖中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.5本系統(tǒng)的逆變器操作面板說明表(詳細的數(shù)據(jù)參見附錄)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.5本系統(tǒng)的逆變器操作面板說明表(詳細的數(shù)據(jù)參見附錄)船形開關(guān)“1擋”節(jié)電模式自動檢測負(fù)載,當(dāng)負(fù)載

≥30W時,逆變電源開

機;反之待機“0擋”關(guān)機不工作,關(guān)機“2擋”正常開機逆變電源正常工作模式節(jié)電第一個綠色指示燈亮表

示在節(jié)電模式下(節(jié)電

時負(fù)載≤30W)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.5本系統(tǒng)的逆變器操作面板說明表(詳細的數(shù)據(jù)參見附錄)市電第二個綠色指示燈亮表

示在交流市電供電模式

下逆變第三個黃色指示燈亮表

示在電池逆變供電模式

下充電第四個綠色指示燈亮表

示市電在給電池充電中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.5本系統(tǒng)的逆變器操作面板說明表(詳細的數(shù)據(jù)參見附錄)故障第五個紅色指示燈亮表

示逆變電源有故障電池類型“10擋撥碼開關(guān)”可以

設(shè)置電池型號2擋撥碼50/60請選擇對應(yīng)的逆變輸出

頻率:50Hz或60HzAC/DC請選擇合適的供電方

式:交流主供(AC)或直

流主供(DC)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社表2.5本系統(tǒng)的逆變器操作面板說明表(詳細的數(shù)據(jù)參見附錄)翻頁背光按鍵輕輕按一下,可以翻頁,

也可以開背光中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2.8系統(tǒng)控制柜系統(tǒng)控制柜的主要功能是完成整個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、蓄

電池充放電以及電氣設(shè)備保護等。系統(tǒng)控制柜內(nèi)安裝有自

制的監(jiān)控控制器、監(jiān)控觸摸屏、逆變器以及各傳感器與執(zhí)

行器。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社系統(tǒng)控制柜是保證整個系統(tǒng)正常運行的“大腦”。其原理

圖、布局圖、接線圖分別如圖2.7(請登錄http://www.press.

/網(wǎng)站下載)、圖2.8(請登錄http://www.press.ustc.e-

/網(wǎng)站下載)、圖2.9所示。控制柜內(nèi)主要元件包括霍爾

傳感器、采集板(大、小)、觸摸屏、交流接觸器、逆變器

等。1.霍爾傳感器中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)從本質(zhì)

上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。在半導(dǎo)

體上外加與電流方向垂直的磁場,會使半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同

方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集,在聚集起來的電子與空穴之間會

產(chǎn)生電場,電場強度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后,不再聚集,此時電場將會使

后來的電子和空穴受到電場力的作用而平衡掉磁場對其產(chǎn)生的洛倫茲

力,使得后來的電子和空穴能順利通過不會偏移,這個現(xiàn)象稱為霍爾效

應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。根據(jù)霍爾效應(yīng),人們用半導(dǎo)體材料制成的元件稱為霍爾元件。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2.直放式(開環(huán))電流傳感器當(dāng)原邊電流IP流過一根長導(dǎo)線時,在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場,這一磁場的

大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比,產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi),通過磁環(huán)

氣隙中的霍爾元件進行測量并放大輸出,其輸出電壓VS精確地反映原邊

電流IP。直放式(開環(huán))電流傳感器的原理圖如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.9系統(tǒng)控制柜接線圖中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.9系統(tǒng)控制柜接線圖(續(xù))中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.9系統(tǒng)控制柜接線圖(續(xù))中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.9系統(tǒng)控制柜接線圖(續(xù))中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.9系統(tǒng)控制柜接線圖(續(xù))中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.9系統(tǒng)控制柜接線圖(續(xù))圖2.10所示。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社圖2.10直放式(開環(huán))電流傳感器的原理圖3.磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版