家庭式太阳能供电系统的研究与设计

叶远龙

摘要：当今人类面临的社会与资源问题日益严重，人类在促进社会以及经济的可持续发展遇到了许多困难，其中对各种能源的使用也越来越多，不可再生能源的使用也越来越紧张，出现众多问题。随着科技经济的不断进步，人们对半导体技术进行7持续不断的研究开发，利用太阳能进行发电的技术研究在不断的提高，太阳能是人们公认的最清洁的能源并得到了广泛应用，因此将太阳能用于发电对于缓解目前人们遇到的能源短缺的问题是十分有意义的。

关键词：太阳能 蓄电池 控制器

1太阳能供电系统整体结构

1.1光伏供电系统整体结构

本次家庭式太阳能供电系统的设计，各个参数的计算主要是根据现场的实际光照情况来定，为了能够很好的实现本次设计目的，根据试验区域光照情况和环境温度，选择太阳能板的数量和蓄电池的容量，合理规划本次设备选取并保证其适应性。对于本次家庭式太阳能供电系统的设计需要从多方面进行规划，如电气系统设计，电路设计，机械设计，能量转换等方面。结合普通家庭每年用电量来合理规划太阳能电池板数量和蓄电池容量，保证本次设计的实际运用性。

本次家庭式太阳能供电系统包括：

I.I.I能量转换控制器

本控制器的主要功能是将系统从光能转化的电能进行控制和调节，通过两个方面来实现，一方面是将转换的电能直接输送到正在运行的负载，如电视、洗衣机等家用电器;另一方面是将多余的能量输送到蓄电池进行存储，在负载耗电量较大时，实时转换的电量不能满足负载的实际需求，这时控制器就会通过蓄电池对负载进行供电。当电量达到蓄电池最大存储量时，为了保护蓄电池不被损坏，控制器此时会将充电电路断开。同样，在蓄电池中的电能完全耗尽时，为了防止蓄电池因过度放电而损坏，控制器会断开放电电路，这大大提高了电池的使用寿命，并且整体设计有着至关重要的作用。

1.1.2蓄电池组

蓄电池组的主要功能是存储光能转换为的电能，这样就能保证在夜间和在阴雨天时家庭负载的用电，同时蓄电池也会将多余的电能存储起来。

1.1.3逆变器

逆变器的主要功能是将太阳能转换的直流电转换为交流电以便交流负载正常工作。为了能够满足不同的负载使用太阳能电池转换的电能，逆变器是本系统不可缺少的组件。由于本次家庭式太阳能供电系统设计主要应用于偏远地区，由于这些地区道路崎岖，对于系统维护较为困难，为了提高本次太阳能发电系统的稳定性，保证整个电路的平稳运行，这就对逆变器的性能提出了更高的要求。

太阳能供电系统主要产品分类A、光伏组件B、风机C、控制器D、蓄电池组E、逆变器F、支架系统。

本次设计的家庭式太阳能供电系统主要包含太阳能电池板。太阳能控制器、蓄电池组和逆变器等部。太阳能电池板是整个系统的关键部件，它可以将照射在板面上的光能转换为电能。整个系统的正常运行离不开控制器控制，它管理着电能在负载、蓄电池和太阳能电池板之间的转换。蓄电池主要作用于能量的储备，可以存储多余的电能。通过功能原理可知太阳能电池板和蓄电池发出的是直流电源，但是家庭中的很多电器都是使用交流电源，因此逆变器也是本系统不可缺少的一部分。如图I 1为典型的太阳能供电系统

为了经济性考虑，本次家庭式太阳能供电系统供电量满足负载用电的前提下，最大程度的减少太阳能电池板的数量和蓄电池的容量。通过相应的理论数据来看，太阳能电池板的数量和蓄电池容量的确定要符合相应的安全数据。

本次设计参数的选取主要有两个影响因素：

（1）整个系统负载用电量、环境温度、光照强度、光照时间来设定电气系统的参数。

（2）主要的数据有：太阳能电池板的倾斜角、环境温度变化量、最大电压、最大负载和系统最大电流，太阳能控制，逆变器、蓄电池电气参数等。

1.2太阳能供电系统简介

太阳能供电系统有离网型并网性两种形式，离网型太阳能供电系统主要应用于偏远的地区，由于该地区交通不便，地理形式复杂很难建设基础的供电设施同时这些地区又有充足的光照，建设离网型太阳能供电系统较为适宜。该系统可以对照明系统，通信系统等基础设施进行供电。这种灵活且稳定的供电方式可以大大提高偏远地区人民的生活水平。

太阳能离网型供电系统在组成结构和控制方式多种多样，在早期较为常见的一种方式是直接将太阳能电池板与蓄电池相连，将转换的电能存储在蓄电池中，然后蓄电池的输出端来接负载，对负载供电。该链接方式最大的优点是连线简单，但是单一的连线方式只能输出一种直流电压级别，同时还要根据负载的用电的级别来串联多个蓄电池供电，同时还要监控蓄电池的充电电压，使用范围较窄。

一般在太阳能电池的设计过程在都会在太阳能电池板和蓄电池之间添加一个DC/DC转换器，有了该组件这就会使太阳能供电效率大大提高。该转换器需要通过最大功率跟踪技术进行有效控制，这就是太阳能供电系统另一种链接方式。DC/DC转化器的运用在蓄电池充电时有效的保护蓄电池不被过充，同时提高了太阳能电池板的供电量存储效率，但是该系统仍然只能满足直流负载的使用，不能应用于交流负载。

2太阳能电池原理

2.1太阳能供电原理

在太阳能供电系统中，实现从光能转换为电能的最小单位是太阳能电池单体，晶体管技术的不断发展促进了光伏供电的进步，太阳能电池单体是由一个PN结组成，单体在阳光的不断照射下，会产生电动势，这种特性被称为光生伏特效应。一般在晶体管PN结中，当PN结处于平衡时，在P结和N结中间会产生一个耗尽层，在该层中会出现一个势垒电场，在该电场中，电场方向是从N级到P级。在阳光的照射下，晶体管中的硅原子活性增强产生电子空穴，在电动势的作用下，空穴和电子分别向不同的方向移动，空穴移向P区，电子移向N区，这样会使P区的空穴数量远大于电子数量，N区电子数量远大于空穴数量，此时在PN结周围形成了光生电动势，该电动势的方向和势垒电场方向相反。在光的作用下使晶体管中的P区带正电荷，N区带负电荷，两区之间就会产生光生伏特效应。如果此时在晶体管两侧连接线缆，此时线缆上就会有电压，可以带动负载做工，从而就会有功率的输出。太阳电池的工作原理可以分为以下4个过程：

（1）在阳光的作用下，晶体管中的PN结会产生电子空穴对，电子和空穴电性相反。

（2）晶體管中的PN结产生光生载流子，并且载流子会扩散到空间电荷区域。

（3）空间电荷区域中的势垒电场会将进入的载流字分开，电子会进入N区，空穴会进入到P区。

（4）电子和空穴被分开后使晶体管产生电动势，此时如果在太阳能单体的两端接人负载，就会产生电压，负载中就会有电流流过。

每个太阳能电池单体产生的电量十分微弱但是在实际的运用中，太阳能电池板是将成千上万个太阳能电池单体串联起来，在足量阳光的照射下，发出的功率能有百余瓦，完全可以带动负载进行做功。

参考文献

[1]赵争鸣，孙晓瑛，刘建政，太阳能光伏供电及其应用[M].科学出版社，2005.

[2]王长贵.太阳能光伏供电实用技术[M].化学工业出版社，2009.

[3]赵玉文.太阳能利用的发展概况和未来趋势[J]中国电力，2003，36（9）：63—69.

[4]戴欣平.太阳能供电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法[J].中国电机工程学报，2005，25（S）：0-99.