硅太阳能电池板在生态小区中的应用设计.docx
- 文档编号:4960662
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:837.12KB
硅太阳能电池板在生态小区中的应用设计.docx
《硅太阳能电池板在生态小区中的应用设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《硅太阳能电池板在生态小区中的应用设计.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
硅太阳能电池板在生态小区中的应用设计
景德镇陶瓷学院
《创新设计》
题目:
硅太阳能电池板在生态小区中的应用设计
院(系):
专业:
姓名:
学号:
指导教师:
时间
目录
1、硅太阳能电池板的工作原理……………………………3
2、光伏发电系统组成部分…………………………………4
3、太阳能自动跟踪系统的设计……………………………5
4、家用照明系统……………………………………………10
5、庭院灯光伏照明系统……………………………………11
6、电缆的选择………………………………………………12
7、蓄电池充放电控制………………………………………13
参考文献……………………………………………………14
一、硅太阳能电池板的工作原理
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,接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
一、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,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,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.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1kW的投资为2000~2500美元。
因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
(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于光生伏特效应而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。
当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.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的。
太阳能电池板
二、光伏发电系统组成部分
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中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,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将直接决定整个系统的质量和成本。
(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,并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、时控开关都应当是控制器的可选项。
(三)蓄电池:
一般为铅酸电池,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,到需要的时候再释放出来。
(四)逆变器:
在很多场合,都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。
由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。
为能向220VAC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。
在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DC-DC逆变器,如将24VDC的电能转换成5VDC的电能(注意,不是简单的降压)。
三、太阳能自动跟踪系统的设计
太阳能是已知的最原始的能源,它干净、可再生、丰富,而且分布范围广,具有非常广阔的利用前景。
但太阳能利用效率低,这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及,如何提高太阳能利用装置的效率,始终是人们关心的话题,太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径,从而大大提高了太阳能的利用效率。
跟踪太阳的方法可概括为两种方式:
光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。
光电跟踪是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机,计算机运行程序调整采光板的角度实现对太阳的跟踪。
光电跟踪的优点是灵敏度高,结构设计较为方便;缺点是受天气的影响很大,如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况,会导致跟踪装置无法跟踪太阳,甚至引起执行机构的误动作。
而视日运动轨迹跟踪的优点是能够全天候实时跟踪,所以本设计采用视日运动轨迹跟踪方法和双轴跟踪的办法,利用步进电机双轴驱动,通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制,实现对太阳的全天候跟踪。
该系统适用于各种需要跟踪太阳的装置。
该文主要从硬件和软件方面分析太阳自动跟踪系统的设计与实现。
(1)系统总体设计:
本文介绍的是一种基于单片机控制的双轴太阳自动跟踪系统,系统主要由平面镜反光装置、调整执行机构、控制电路、方位限位电路等部分组成。
跟踪系统电路控制结构框图如图1所示,系统机械结构示意图如图2所示。
任意时刻太阳的位置可以用太阳视位置精确表示。
太阳视位置用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。
太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角。
太阳方位角即太阳所在的方位,指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角,可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。
系统采用水平方位步进电机和俯仰方向步进电机来追踪太阳的方位角和高度角,从而可以实时精确追踪太阳的位置。
上位机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算,并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数,将数据送给跟踪系统驱动器,单片机接收上位机送来的数据,驱动步进电机的运行。
系统具有实现复位、水平方位的调整,俯仰方向的调整,太阳的跟踪及手动校准等功能。
(2)硬件电路设计
1.跟踪系统驱动器接口电路
跟踪系统中微处理器选用89系列性价比高和功耗低的89C52。
74HC14芯片是6非门施密特触发器,与P1.1和P1.2口相连,控制方位限位信号。
74HC240芯片,八反相三态缓冲器/线驱动器,用于数据缓冲及总线驱动。
系统使用两片74HC240芯片,通过P0口引脚控制,两片74HC240的16个输出引脚作为步进电机驱动电路的输入控制信号,分别控制步进电机俯仰方向和水平方位的正反转。
系统与上位机的通信选用MAX485接口芯片,由P1.0口控制其收发状态。
驱动器接口电路如图3所示。
2.步进电机驱动电路
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应角位移的执行器。
在跟踪系统中,以74HC240的16个输出信号作为步进电机驱动器的输入控制信号,用以控制步进电机俯仰方向和水平方位的正反转。
图4所示的是步进电机一路驱动电路图,系统共有四路驱动电路,分别驱动步进电机俯仰方向和水平方位的正反转。
其中,水平方位电机由D7,D6,D5,D4驱动;俯仰方向电机由D3,D2,D1,D0驱动。
跟踪装置中步进电机选用42BYG250C型,步矩角1.8°。
水平俯仰方向步进电机运行的最大角度是360°,共需运行20000步。
减速器的传动比为1:
100,即电机转动100°时水平转台相应转动1°。
以步进电机1.8°的步距角计算,当镜面装置的水平转台转动1°时,步进电机发出100/1.8个脉冲,由此可以计算平面镜法向量的方位角为a时步进电机发出的脉冲数为100α/1.8个。
步进电机动作频率可手动设置,默认情况下,步进电机每隔15s动作一次。
3限位信号采集电路
采用光电耦合器与电压比较器电路组成的微机步进电机限位电路,其电路图如图5所示。
限位电路中利用双三态门来控制步进电机的脉冲通路。
工作原理是:
在到达限位位置之前,光耦导通,电压比较器LM393的反向输入端有信号,允许步进电机控制脉冲从此通过。
当限位杆到达限位位置时,挡住了光耦的光通路,使LM393的反向输入端无信号,步进电机就停止。
软件设计
太阳自动跟踪系统的软件分为两部分,一是步进电机控制部分,主要由单片机完成。
单片机的软件设计采用模块化设计的方法,主要分为如下几个软件模块:
主程序模块、串行口中断处理模块、正常跟踪处理模块、串行口中断复位处理模块等。
单片机主程序流程图如图6所示。
软件的另一部分为PC机部分,PC机软件部分主要是负责任意时刻太阳位置的计算并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向步进电机运行的步数,并将数据送给跟踪系统驱动器。
与单片机通信的部分使用VC++中的MSComm控件来编译串口通讯的应用程序,采用MSComm32.OCX控件。
使用控件的属性进行串口设置,使用控件的事件驱动进行串口响应,使用控件的方法完成串行口接收和发送数据。
PC机通信流程图如图7所示。
上位机控制系统具有实现复位、水平方位的调整,俯仰方向的调整,太阳位置的跟踪、手动校准及计算当日数据等功能。
其中“设置”按钮,可进行地方经纬度、波特率、步进电机动作频率等的设置。
上位机可执行程序控制界面如图8所示,图9所示的是控制主界面下“设置”按钮的对话框。
四、家用照明系统
(1)设计原理
白天,发电系统对蓄电池进行充电;晚间,发电系统对蓄电池储存的电能进行逆变放电,实现对住户负载的供电。
(2)功率计算
下面以100W输出功率,每天使用8个小时为例,介绍一下计算方法:
1.首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗):
若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%=111W;若按每天使用8小时,则耗电量为111W*8小时=888Wh。
2.计算太阳能电池板:
按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为888Wh/6h/70%=211W。
其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。
(3)发电系统组成
1、太阳能电池方阵
太阳能电池方阵是由若干太阳能电池板串联或并联而成。
2、蓄电池组
由于太阳能电池只是起到光电转换,是随着阳光强弱而变化,本身并不能储存电能。
所以需要用蓄电池来作为储能装置,户用太阳能发电系统用蓄电池容量的设计应能够满足两方面的需要。
3、太阳能控制器
用于实现整套系统的充、放电等全自动控制,当蓄电池电量充足时切断太阳能电池大电流充电,改为涓流充电,当蓄电池电量不足时报警并切断输出。
确保蓄电池组不被过充电和过放电而损坏。
4、直流—交流
逆变是将直流电转换为交流电的设备,由于太阳电池阵和蓄电池组产生的是直流电,当用电设备是交流负载时,逆变器是不可缺少的。
当直流输入电压在标定范围内,输出负载在额定功率范围内,逆变部分能够在220V或110V正常工作,当负载功率超过额定功率或输出端短路,自动保护电路工作,切断交流输出,以保证逆变器不受损坏。
(4)系统示意图
户用光电系统示意图
五、庭院灯光伏照明系统
庭院光伏照明系统主要使用节能灯和金属卤化物灯。
节能灯其照明功率相对较小,多用于景观、庭院等的低亮度照明。
每支节能灯功率在几瓦到几十瓦左右,光伏系统使用的金卤灯容量一般为几十瓦。
小功率的光伏照明系统,其控制系统相对比较简单,有些甚至不使用单片控制。
如工作点采用CVT控制,供电可以用直流供电。
如图为庭院光伏照明系统图:
蓄电池充电电路可以采用直流降压电路。
通过控制开关期间的开通占空比,改变充电电流从而改变母线电容电压以及光伏电池输出电流,从而实现光伏电池的输出电率点控制。
可以使用MPPT或CVT方式,跟踪光伏电池输出的最大工作点电压。
照明供电电路可采用直流升压电路,可以使用Cúk电路、半桥电路以及推挽电路。
采用两个开关器件的推挽电路实现直流——交流变换,并通过变压器实现升压。
PWM控制器可以有两种方案:
第一,使用单片机控制,用其自带的PWM或I/O端口进行开关器件的PWM驱动,输出电压的稳压反馈由单片机AD采样实现;其二,使用开关电源专用的PWM芯片控制。
其自带电压反馈输入端,好处是不需要占用单片机的PWM和A/D资源。
对允许直流供电的节能灯,只要保证直流供电电压即可,免除其后的逆变环节。
交流逆变可采用单相全桥逆变电路,其中含有4个开关器件,两路互反PWM分别驱动。
PWM信号可用单片机产生,正弦交流控制可以用三角波比较法实现。
负载控制可由单片机或逻辑电路数字化控制。
控制原理如下:
避免蓄电池过度放电;天黑后定时供电点灯、定时关闭;对蓄电池充电和发电的剩余电量进行管理。
六、电缆的选择
电缆是连接光伏阵列与电力电子变换器、电力电子变换器与负载的媒介,是传输电能功率的载体,应具有:
1、能最佳的传输电流----即导电能力。
2、能把电流限制在特定的电路之中----即绝缘能力。
3、良好的物理与化学特性。
导电能力的选择应考虑电阻率、截面积额、长度和温度系数;绝缘性能的的选择应考虑良好的绝缘能力、不漏点和良好的屏蔽性能。
另外要根据其应用场合,如弯曲、移动等特性考虑使用多芯软绞线而不是单股硬线。
多芯线机械特性柔软,比实心线具有更高的绕曲寿命,但耐腐蚀能力不如硬线。
在进行电池阵列的导线布设时,除了要考虑导电率和绝缘能力外,还应该遵循下列原则:
1、不得在墙和支架的锐角边缘布设电缆,以免切、磨损伤绝缘层引起短路。
2、应为电缆提供足够的支撑和固定,防止风吹等机械损伤。
3、布线松紧度要适当,过于张紧会因热胀冷缩造成断裂。
4、考虑环境因素影响,绝缘层应能耐受风吹日晒,雨淋和腐蚀。
5、电缆接头要特殊处理,要防止氧化和接触不良,必要时镀锡。
6、同一电路馈线和回路应尽可能搅合在一起。
电缆有绝缘电缆和裸电缆之分。
罗电缆通常用于架空导线,如村落集中式光伏发电站向村庄输电线路,其特点成本低、散热特性好,但绝缘能力较差户内则必须使用绝缘电缆。
选择电缆也要根据导线的电流密度来确定其截面积,适当的截面积可以在降低线损和降低电缆成本方面求得平衡。
导线绝缘材料一般带有颜色,使用时应加以规范,如火线、零线和地线颜色要加以区分。
通常光伏阵列到光伏发电控制器的输电线路压降不超过5%,输出支路压降不超过2%。
七、蓄电池充放电控制
本系统的制造目的是对太阳能进行采集,并加以利用,因此需要将太阳能电池组件产生的电能储存起来,用于其他耗电场合.蓄电池组是本太阳能光伏发电系统的贮能装置,它的作用是将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来,以供应用。
蓄电池在太阳能光伏发电系统中的充电方式为:
当太阳能电池板的电势大于蓄电池的电势时,电能充入蓄电池,蓄电池处于充电状态。
当太阳能电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时,由于阻塞二极管的作用,蓄电池不会通过太阳能电池方阵放电。
在本光伏发电系统中考虑使用的蓄电池可以选用铅酸蓄电池和碱性蓄电池。
比对两种蓄电池的特点,铅酸蓄电池价格低廉,原材料易得,维护方便,原材料丰富,但体积较大。
碱性蓄电池维护容易,寿命较长,结构坚固,不易损坏,但价格昂贵,制造工艺复杂。
从技术和经济方面综合考虑,在本系统中贮能装置应采用铅酸蓄电池为宜。
在实际光伏发电系统的充电器中,为实现设定的充电模式,必须对充电过程进行控制。
充电控制主要包括充电程度判断,充放电状况的自由转换,充电各阶段模式的自动控制转换及停冲控制等方面。
掌握正确的控制方法,有利于提高蓄电池充电效率和使用寿命。
充电程度的判断:
1、检测蓄电池去极化后的端电压变化。
一般来说,在充电初始阶段,蓄电池电压的变化很小;在充电的中间阶段,蓄电池端电压的变化率很大;在充电末期,端电压的变化率极小。
因此,通过观测单位时间内端电压的变化情况,就可以判断蓄电池所处的充电阶段。
2、检测蓄电池的实际容量值,并与其额定容量值进行比较,即可判断其充电度。
3、检测蓄电池电电压。
当蓄电池端电压与其额定值相差较大时,说明处于充电初期;当两者差值很小时,说明充电过程已接近结束。
充电个阶段的自由转换:
1、时间控制,即预先设定各阶段充电时间,由时间继电器或CPU控制转换时刻;2、设定转化点的充电电流或蓄电池端电压值,当实际电流或电压值达到设定的值时,及自动转换;3、采用积分电路在线检测蓄电池的容量,当容量达到一定值时,则发信号改变充电电流的大小。
上述方法中,时间控制比较简单但这种方法缺乏来之蓄电池的实时信息,控制比较粗略;容量监控方法控制电路比较复杂,但精确度高。
参考文献
【1】王长贵.世界光伏发电技术现状和发展趋势.新能源,2000
【2】赵争鸣,孟塑等.太阳能发电中和应用系统.电力电子,2003,7-10
【3】黄锡坚.硅太阳能电池及其应用.北京:
中国铁路出版社,1985
【4】毛爱华.太阳能电池研究和发展现状.包头钢铁学院学报,2002,94-98
【5】李安定.太阳能光伏发电系统工程.北京:
北京工业出版社,2001,9-11
【6】赵玉文.太阳能利用的发展概况和未来趋势.中国电力,2003,63-69
【7】赵福鑫,魏彦章.太阳能电池及其应用.北京:
国防工业出版社,1985
【8】吴理博,王健等.电力电子在太阳能路灯照明系统中的应用.电力电子,2003,15-19
【9】王宝辉,陈颖.电池新技术的发展与应用.大庆石油学院学报,2001,24-29
【10】林忠岳.电力电子变换技术.重庆:
重庆大学出版社,1991
【11】刘建政,赵争鸣等.太阳能最大功率点跟踪与蓄电池伏化充电.电力电子,2003,20-23
【12】由世俊,孙贺江等.中国太阳能资源及应用潜力.城市环境与城市生态,2002,57-59
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 太阳能 电池板 生态 小区 中的 应用 设计