畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-光伏獨(dú)立系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

PAGEPAGEII題目：光伏獨(dú)立系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)專業(yè)：光伏材料應(yīng)用技術(shù)姓名：準(zhǔn)考證號(hào)：指導(dǎo)教師：【摘要】太陽能作為一種巨量的可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)萬噸石油燃燒的能量。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，可以大量減少對(duì)環(huán)境的污染，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無碳生態(tài)，太陽能既是近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。但是由于傳統(tǒng)不太重視光伏組件的搭配問題，造成很多的浪費(fèi)，本文針對(duì)以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的種種缺陷和細(xì)節(jié)，提出了一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和組合。本文概括介紹了光伏系統(tǒng)的組成、運(yùn)行方式及其計(jì)算，著重討論了對(duì)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的建立。主要包括太陽能輻射資源模型、太陽能電池方陣最佳傾角模型、太陽能電池方陣發(fā)電量模型、蓄電池狀態(tài)模型、負(fù)載模型。在此基礎(chǔ)上，本文以光伏系統(tǒng)能量損失最小利用最大化為原則，著重研究了最大功率點(diǎn)跟蹤的問題和逆變電路的選擇、電池板的選用等，做到因地制宜。這些方案具有一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：BUCK斬波電路綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)自做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋺?yīng)用理論【Abstract】Solarenergyasamassiveamountofrenewableenergy,dailyradiationreachingtheearth'ssurfaceenergyequivalenttotensofthousandsoftonsofoilburningenergy.Developmentandutilizationofrich,broadsolar,cangreatlyreducethepollutiontotheenvironment,tofurthertherealizationofnocarbon,solarenergyistherecentmuch-neededenergysupplement,alsowillbethefutureenergystructurefoundation.ButduetothetraditionallessemphasisonPVmoduletie-inproblem,causealotofwaste,accordingtotheprevioussystemdesignmethodinexistenceallsortsofflawsanddetails,putsforwardanewmethodofoptimumdesignandcombination.Onthebasisofthis,thisarticletoPVsystemenergylossminimizationusingthemaximumprinciple,focusesonthestudyofmaximumpowerpointtrackingproblemsandtheselectionofinvertercircuit,batteryplateselection,tosuitone'smeasurestolocalconditions.TheseprogramshaveacertaintheoreticalbasisandpracticalKeywords：BUCKchoppercircuit,integratedoptimizationdesign,sincetheexperimentalmodelanditsapplicationtotheory目錄緒論v一太陽能光伏的發(fā)展現(xiàn)狀及綜合評(píng)價(jià)11.1全球能源與我國(guó)太陽能資源的比較11.2獨(dú)立光伏發(fā)電的研究及其發(fā)展3二獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作原理42.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成42.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理5三獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中各模型的研究及其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用53.1傾斜面上的直接輻射分量和散射輻射分量63.2太陽能電池方陣最佳傾角度的選擇73.3太陽能電池方陣發(fā)電量模型的設(shè)計(jì)思路和原則73.4負(fù)載與儲(chǔ)存元件模型8四太陽能電池MPPT控制器94.1提高系統(tǒng)效率的途徑94.2最大功率點(diǎn)跟蹤的控制9五自做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋺?yīng)用理論125.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)125.2在現(xiàn)實(shí)中的具體應(yīng)用135.3應(yīng)用實(shí)例14結(jié)論15參考文獻(xiàn)16致謝17緒論回顧歷史：20世紀(jì)70年代后，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球約有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展，這之中太陽能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于世界上能耗的40倍。正是由于太陽能的這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，20世紀(jì)80年代后，太陽能電池的種類不斷增多、應(yīng)用范圍日益廣闊、市場(chǎng)規(guī)模也逐步擴(kuò)大。展望未來：20世紀(jì)90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到2006年，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個(gè)兆瓦級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國(guó)是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國(guó)家。1997年又提出“百萬屋頂”計(jì)劃。日本1992年啟動(dòng)了新陽光計(jì)劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國(guó)新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)，大大推動(dòng)了光伏市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。瑞士、法國(guó)、意大利、西班牙、芬蘭等國(guó)，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。但對(duì)于現(xiàn)在的狀況來看，由于太陽能電池的成本價(jià)較高、發(fā)電效率較低、地區(qū)條件限制等因素，所以導(dǎo)致沒有出現(xiàn)大規(guī)模的使用太陽能。就地區(qū)因素而論寫以此文來探討優(yōu)化的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的外來發(fā)展和優(yōu)點(diǎn)。自我覺得由邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)逐漸走向城市化得并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)比較適合太陽能的普及應(yīng)用！PAGE17一太陽能光伏的發(fā)展現(xiàn)狀及綜合評(píng)價(jià)1.1全球能源與我國(guó)太陽能資源的比較太陽是地球永恒的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空發(fā)射約3.8*1020兆瓦能量，其中有22億分之一投射到地球上。達(dá)到地球大氣層外的太陽輻射能在132.8-141.8兆瓦/厘米2之間，被大氣反射、散射和吸收之后，約有70%投射到地面。地球上一年中接收到的太陽輻射能高達(dá)1.8*1018千瓦時(shí)，是全球能耗的數(shù)萬倍。巨大的太陽能是地球上萬物生長(zhǎng)之源，除了其“永恒”和“巨大”之外，還具有“廣泛性”、“分散性”、“隨機(jī)性”、“間歇性”、“區(qū)域性”和“清潔性”等特點(diǎn)。在石油、天然氣和核礦藏終將枯竭的今天，充分利用太陽能顯然具有持續(xù)供能和環(huán)保雙重偉大的意義。在美國(guó)遭遇“9·11”事件后，巨型電網(wǎng)受到挑戰(zhàn)，而利用太陽能的分布式能源系統(tǒng)受到重視。“到處陽光到處電”的美好理想終將伴隨著人們對(duì)于綠色能源的追求而實(shí)現(xiàn)。我國(guó)幅員廣大，有著豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50*1018千焦，全國(guó)各地太陽年輻射總量達(dá)335～837千焦/(厘米2·年)，中值為586千焦/(厘米2·年)。從全國(guó)太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000米以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽總輻射為816千焦/(厘米2·年)，比全國(guó)其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。我國(guó)太陽能資源分布的主要特點(diǎn)有：1.太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯220～350這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。2.太陽年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部。3.由于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯300～400地區(qū)，太陽能的分布情況與一般的太陽能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增加。一、二、三類地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于2200小時(shí)，太陽年輻射總量高于502千焦/厘米2，是我國(guó)太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國(guó)總面積的2／3以上，具有利用太陽能的良好條件。四、五類地區(qū)雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價(jià)值。根據(jù)表1.1中國(guó)太陽能資源的分布和特點(diǎn)，可以對(duì)我國(guó)的太陽能資源作出如下評(píng)價(jià)：除了重慶及其周圍的省市（即四川和貴州）外，我國(guó)的所有區(qū)域均為高太陽能資源區(qū)域，特別是內(nèi)蒙中西部、青藏高原等地太陽能資源更是豐富。所以中國(guó)是太陽能資源豐富的國(guó)家，具有一定的優(yōu)勢(shì)。表1.1中國(guó)太陽能資源劃分地區(qū)分類全年日照時(shí)數(shù)太陽輻射年總量[KJ/(cm2·a)]相當(dāng)于燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤（kg）包括地區(qū)與國(guó)外相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)一3200-3300670-840225-285寧夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部、西藏西部印度和巴基斯坦北部二3000-3200586-670200-225河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部、新疆南部印度尼西亞雅加達(dá)一帶三2200-3000502-586170-200山東東南部、河南東南部、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、天津、北京、臺(tái)灣西南部美國(guó)華盛頓地區(qū)四1400-2220419-502140-170湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江、臺(tái)灣東北部、意大利米蘭地區(qū)五1000-1400335-419110-140四川、貴州、重慶歐洲大部分地區(qū)1.2獨(dú)立光伏發(fā)電的研究及其發(fā)展目前在全世界66億人口中，有超過20億的人口沒有得到足夠的電力供應(yīng)，大約占總?cè)丝诘?/3。而在有些地區(qū)建設(shè)和維護(hù)大面積電網(wǎng)的費(fèi)用太高，比如中國(guó)的西北偏遠(yuǎn)地區(qū)，地廣人稀，將電網(wǎng)引入到每一個(gè)牧民家庭從經(jīng)濟(jì)角度考慮是不合理的。

在一些建立了主要的高壓輸電網(wǎng)的地方，供電經(jīng)常不穩(wěn)定，而升級(jí)和改造需要龐大的財(cái)政預(yù)算。幸運(yùn)的是許多發(fā)展中國(guó)家擁有豐富的太陽能或者風(fēng)力等可再生能源，在邊遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模使用這些可再生能源的供電系統(tǒng)，比使用大面積的高壓輸電網(wǎng)更劃算。邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)可以應(yīng)用在那些已經(jīng)存在電網(wǎng)，但是單獨(dú)的供電比擴(kuò)容高壓輸電網(wǎng)更劃算的場(chǎng)合，如在高速公路沿線使用獨(dú)立的供電系統(tǒng)用于信號(hào)指示、通信和照明，可以避免鋪設(shè)和維護(hù)地下電纜的昂貴工程。全球太陽能資源豐富的區(qū)域包括非洲、南亞、東南亞、澳洲、中美洲和我國(guó)的青藏高原等地區(qū)，在這些地區(qū)使用太陽能供電系統(tǒng)供電是經(jīng)濟(jì)的選擇。

并且在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響發(fā)電效率的因素有很多，其中包括太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和最大功率點(diǎn)的控制問題，目前來說在最大功率點(diǎn)跟蹤方面主要發(fā)展出了以下幾種算法。（1）恒電壓控制光伏陣列是一種非線性的電源。其輸出特性可以視為由恒電流區(qū)域與恒電壓區(qū)域組成，這兩塊區(qū)域的交接點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。因而在不同的光照強(qiáng)度下，光伏陣列都會(huì)存在著這樣的一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，從功率角度上可以將它們視為當(dāng)前工況下的最優(yōu)點(diǎn)。由于光照強(qiáng)度與溫度的變化將會(huì)分別改變這些恒電流和恒電壓區(qū)域，所以最大功率點(diǎn)也是隨之變化的。（2）改進(jìn)的恒電壓算法為克服使用場(chǎng)合季節(jié)、早晚時(shí)間以及天氣情況和環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響，在恒電壓算法的基礎(chǔ)上可以采取以下幾種折中解決方法：1.手動(dòng)調(diào)節(jié)：通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器按季節(jié)給定不同的，這種方法使用較少，需要人工維護(hù)。2.根據(jù)溫度表調(diào)節(jié)：事先將特定光伏陣列在不同溫度下測(cè)得的最大功率點(diǎn)電壓值儲(chǔ)存在控制器中，實(shí)際運(yùn)行中，控制器根據(jù)檢測(cè)光伏陣列的溫度，通過查表選取合適的值。3.參考電池方法：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中增加一塊與光伏陣列相同特性的較小的光伏電池模塊，檢測(cè)其開路電壓，按照固定系數(shù)計(jì)算得到當(dāng)前最大功率點(diǎn)電壓，這種方法可以在近似恒電壓的控制成本下得到接近MPPT的控制效果。（3）干擾觀測(cè)法干擾觀測(cè)法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少電壓，并觀測(cè)其后功率變化方向，來決定下一步的控制信號(hào)。這種控制算法一般也采用功率反饋，即使用兩個(gè)傳感器對(duì)直流母線電流及其兩端的電壓分別采樣。這種控制方法雖然算法簡(jiǎn)單，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)速度很慢，只適用于那些光照強(qiáng)度變化非常緩慢的場(chǎng)合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅震蕩，因此會(huì)造成一定的功率損失；而光照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。（4）電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法通過比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬時(shí)電導(dǎo)來改變控制信號(hào)。這種控制算法同樣需要對(duì)光伏陣列的電壓和電流進(jìn)行采樣。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適合于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)硬件的要求特別是傳感器的精確要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)也會(huì)比較高。（5）模糊邏輯控制由于太陽光照強(qiáng)度的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負(fù)載情況的變化以及光伏陣列輸出特性的非線性特征，要實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確跟蹤需要考慮的因素是很多的。針對(duì)這樣的非線性系統(tǒng)，發(fā)展出了模糊邏輯控制的算法。使用模糊邏輯方法進(jìn)行光伏系統(tǒng)的MPPT控制，具有較好的動(dòng)態(tài)特性和精度，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的發(fā)展，除了以上幾種控制算法，還發(fā)展出了包括滯環(huán)比較法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法、最優(yōu)梯度法等在內(nèi)的多種算法，這些算法實(shí)現(xiàn)MPPT控制的基本原理都是類似的，但具體實(shí)現(xiàn)方法各有差別。二獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作原理2.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅僅依靠太陽能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)或主要依靠太陽能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在必要時(shí)可以由油機(jī)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電網(wǎng)電源或其他電源作為補(bǔ)充。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)。其主要區(qū)別在于系統(tǒng)中是否有逆變器。其系統(tǒng)框圖2-1所示：圖2-1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖2.1.1太陽能電池方陣太陽能是一種低密度的平面能源，需要用大面積的太陽能電池方陣來采集。而太陽能電池組件的輸出電壓不高，需要用一定數(shù)量的太陽能電池組件經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成方陣。根據(jù)負(fù)載功率的不同，需要的方陣多少不同，將在下面的章節(jié)講解。2.1.2蓄電池組當(dāng)前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的貯能裝置是蓄電池，常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和堿性鎘鎳蓄電池。由于鉛酸蓄電池的功率價(jià)格比最優(yōu)，因而應(yīng)用最廣、數(shù)量最多。2.1.3控制器在不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能的多少和復(fù)雜程度差別很大，需要根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定?？刂破饕话阌筛鞣N電子元器件、儀表、繼電器、開關(guān)等組成。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)也可以不用控制器，有些要求有過充放、穩(wěn)壓等功能，而一些復(fù)雜的系統(tǒng)，如并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站(并網(wǎng)發(fā)電不在本文的討論范圍內(nèi))，則要求有自動(dòng)檢測(cè)、控制、轉(zhuǎn)換等多種功能。2.1.4逆變器將直流電DC變換成交流電AC稱為逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路。實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變器。逆變器主電路由大功率晶體管構(gòu)成，采用正弦脈寬調(diào)制工作制，抗干擾能力強(qiáng)，還有很強(qiáng)的過載及限流保護(hù)功能。DC/AC逆變器的逆變效率隨負(fù)載多少而變，優(yōu)質(zhì)逆變器在滿負(fù)荷的20%-80%之間都有較高的逆變效率，平均逆變效率可以高達(dá)90%-96%。隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，各種不同功率逆變器的逆變效率都會(huì)不斷提高。2.1.5防反充二極管防反充二極管也稱為“阻塞二極管”或“隔離二極管”。其功能是利用二極管的單向?qū)щ娦裕乐篃o日照時(shí)蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。防反充二極管的最大輸出電流必須大于太陽能電池方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的最高電壓。在太陽能電池方陣工作時(shí)，防反充二極管兩端的電壓降要盡量低（硅二極管一般為0.6V，鍺二極管為0.3V，大功率肖特基二極管可以在0.3V以下），以便降低系統(tǒng)的功耗。2.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是：太陽能電池方陣吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化成電能后，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。直流或交流負(fù)載通過開關(guān)與控制器連接?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過充電或過放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載；當(dāng)蓄電池達(dá)到過充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測(cè)、遙信和遙控的功能。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電。三獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中各模型的研究及其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用為了能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先需要建立一套完整的數(shù)學(xué)模型，下面的章節(jié)就是對(duì)各模塊創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。3.1傾斜面上的直接輻射分量和散射輻射分量（3-1）式中RB傾斜面上的直接輻射分量與水平面上直接分量的比值。由如下公式可以計(jì)算出RB的數(shù)值（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）式中φ——當(dāng)?shù)鼐暥?；β——方陣δ——太陽赤角；ωS——水平面上日落時(shí)角；ωST——傾斜面上日落時(shí)角。表3.1太陽赤角所謂赤角δ是指日地中心的連線與赤道之間的夾角?？捎墒?-6計(jì)算出來。（3-6）式中，n為一年中的日期序號(hào)，從每年1月1日算起。得出如下所示的δ值。3.2太陽能電池方陣最佳傾角度的選擇由前面的敘述可知，在傾角上獲得的太陽總輻射量與方陣傾角β有直接的關(guān)系。太陽能電池方陣通常面向赤道放置，相對(duì)地平面有一定傾角。傾角不同造成各個(gè)月份方陣面接受的太陽輻射量差別很大。對(duì)于全年負(fù)載均勻的固定式光伏方陣，如果設(shè)計(jì)傾角面的輻射量小，意味著需要更多的太陽能電池來保證向用戶供電；如果傾斜面各月太陽輻射量起伏很大，意味著需要大量的蓄電池來保證太陽輻射量低的月份的用電供應(yīng)。這些都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)，因此確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)于方陣傾角的選擇應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行綜合考慮：（1）連續(xù)性。一年中太陽輻射總量大體上是連續(xù)變化的，多數(shù)是單調(diào)升降，個(gè)別也有少量起伏。（2）均勻性。傾角的選擇最好滿足使方陣表面上全年接收到的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接收輻射量過大，造成浪費(fèi)；而冬天接收到的輻射量太小，造成蓄電池過放以致?lián)p壞，降低系統(tǒng)壽命，影響系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。（3）極大性。選擇傾角時(shí)，不但要使方陣表面上輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時(shí)還要兼顧全年日平均輻射量不能太小。（4）特殊性。對(duì)特定的情況要做具體分析，有時(shí)要針對(duì)連續(xù)陰雨天最長(zhǎng)的時(shí)段獲取最多的太陽輻射能；夏天消耗功率多，方陣傾角的取值應(yīng)使方陣夏日接收輻射量相對(duì)于冬天要多才合適；也有時(shí)考慮冬季積雪負(fù)重，故意將β增大；還要考慮到建筑整體的協(xié)同美觀來確定方陣的β值等。3.3太陽能電池方陣發(fā)電量模型的設(shè)計(jì)思路和原則如上所述，太陽能電池是一種能夠利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?，又叫光伏器件。為一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏陣列，與其他工程設(shè)計(jì)過程一樣，都要經(jīng)過了解設(shè)計(jì)要求和限定條件，然后進(jìn)行綜合分析、確定方案、選型研制、試驗(yàn)調(diào)試。設(shè)計(jì)思路原則：在設(shè)計(jì)過程要注意兩個(gè)問題，一個(gè)是量化不定因素，另一個(gè)是優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)遇到許多涉及環(huán)境、材料和工藝等的不定因素。為了減少不定因素，避免因它們帶來的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)偏差，在設(shè)計(jì)中要盡可能地將這些不定因素進(jìn)行定量化處理，所謂優(yōu)化設(shè)計(jì)是指根據(jù)用戶的要求、材料的變更、試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和新技術(shù)的涌現(xiàn)，不斷地修改設(shè)計(jì)方案，力求使某些特定的指標(biāo)（如效率最大、成本最低或重量最輕等）達(dá)到最佳，或者是在若干個(gè)相矛盾的設(shè)計(jì)目的之間實(shí)現(xiàn)平衡。但光伏陣列的最優(yōu)化設(shè)計(jì)一定要與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，最終要服從于整個(gè)系統(tǒng)。3.4負(fù)載與儲(chǔ)存元件模型（1）負(fù)載元件：當(dāng)?shù)赜脩舻挠秒娯?fù)載模型是設(shè)計(jì)光伏電站的必要條件，應(yīng)當(dāng)盡量準(zhǔn)確地把預(yù)計(jì)的日負(fù)載變化曲線和月負(fù)載變化曲線設(shè)定下來。如圖3-1所示為幾種典型的每日用電負(fù)載模型。圖3-1（a）24h用電負(fù)載恒定的情況；（b）在終日恒定負(fù)載中有1h負(fù)載突然增大的情況；（c）每日用電負(fù)載的變化情況。每min曲線涵蓋的面積即為該時(shí)段負(fù)載的耗電量QL（3-7）若以類似的方法畫出各月及全年的用電負(fù)載曲線，并將時(shí)段取為一個(gè)月或全年，則很容易獲得各月負(fù)載耗電量或全年負(fù)載耗電量。（2）儲(chǔ)存元件：本文選用的是鉛酸蓄電池，在地面獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏組件的最重要部件，所以合理配置蓄電池容量十分重要。由蓄電池的知識(shí)可知，如果蓄電池長(zhǎng)期處于過充狀態(tài)，這個(gè)過充量將引起水的過量損失或汽化。而且能夠引起正極板活性物質(zhì)的松動(dòng)和剝落，因而減少蓄電池的容量和預(yù)期的壽命;相反如果蓄電池長(zhǎng)期處于過放或虧電狀態(tài)，極板上增長(zhǎng)著大晶粒硫酸鉛就會(huì)代替正常情況下的微小的晶粒，產(chǎn)生硫化狀態(tài)，硫化將使蓄電池的重新充電極為困難。本文的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)負(fù)載的用電量來確定蓄電池的容量。（3-8）在式中，B表示蓄電池容量，d表示最大供電天數(shù)，一般取5-7天，QL表示負(fù)載日耗電量，K表示蓄電池發(fā)電容量修正系數(shù)，SOCmin表示蓄電池深放電限度。四太陽能電池MPPT控制器4.1提高系統(tǒng)效率的途徑在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤。如圖4-1所示為太陽能電池方陣的光照伏安特性曲線的主要參數(shù)即開路電壓、短路電流、最佳工作電壓、最佳工作電流、最佳輸入功率。為此找到最佳工作點(diǎn)就需要一種算法，圖4-1太陽能電池方陣的光照伏安特性曲線4.2最大功率點(diǎn)跟蹤的控制本文所研究的系統(tǒng)主電路采用Buck變換器來實(shí)現(xiàn)MPPT，用于負(fù)載端48V鉛酸蓄電池的充電，如圖4-2所示。為便于分析，將太陽能電池的輸出電壓-電流特性和功率-電流特性重新簡(jiǎn)單表示為圖4-3所示。圖4-2最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)主電路

圖4-3太陽能電池的輸出電氣特性圖4-3中，和分別為太陽能電池的開路電壓和短路電流，和分別為太陽能電池最大功率點(diǎn)(MPP)的電壓和電流，對(duì)應(yīng)其輸出的最大功率。也即在其輸出電流時(shí)對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)(MPP)，此時(shí)斜率，太陽能電池輸出最大功率。為了實(shí)現(xiàn)圖4-3系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，相對(duì)于傳統(tǒng)的Buck電路，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，需要在太陽能電池輸出側(cè)并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電容，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，可以保證太陽能電池輸出電流連續(xù)，不會(huì)造成其工作時(shí)斷時(shí)續(xù)，始終處于最佳工作狀態(tài)，從而避免功率的損失。通過控制Buck變換器開關(guān)管的通斷來控制儲(chǔ)能電容的充放電，使太陽能電池輸出電壓達(dá)到，也即最終實(shí)現(xiàn)。在圖4-3所示太陽能電池最大功率點(diǎn)左側(cè)，，如果和同時(shí)減小(且)，或者同時(shí)增大(且)，此時(shí)開通開關(guān)管，電容被放電，則輸出電壓將減小至，輸出電流將增加至；在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，，如果增大而減?。ㄇ遥?，或者減小而增大（且），此時(shí)關(guān)斷開關(guān)管，電容被充電，則輸出電壓將增加至，輸出電流將減小至。其運(yùn)行原理可歸納為表4.1所示。表4.1MPPT控制原理?xiàng)l件同或門輸出開關(guān)管1開通放電減小增加1開通放電減小增加0關(guān)斷充電增加減小0關(guān)斷充電增加減小需要指出的是，系統(tǒng)不可能恰好工作在最大功率點(diǎn)。因?yàn)槿绻ǎ?，開關(guān)管關(guān)斷使增加，但隨后控制器又會(huì)使開關(guān)管開通使減小，因此（）會(huì)在()附近作小幅振蕩而帶來微功率損失。MPPT控制器可以通過硬件電路來簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，由一個(gè)模擬乘法器、兩個(gè)微分器、兩個(gè)比較器和一個(gè)“同或”邏輯門(XNOR)組成，如圖4-5所示。圖4-5最大功率點(diǎn)跟蹤模擬控制器matlab仿真驗(yàn)證圖五自做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋺?yīng)用理論5.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)將入射的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并且不與公共電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。使用的條件的選取要考慮以下幾點(diǎn)地域的溫度、氣候的適宜、光照的強(qiáng)度、日照時(shí)間的長(zhǎng)短，應(yīng)避免選多雷地區(qū)、有腐蝕性的起氣地區(qū)、有金屬導(dǎo)電粒子的地區(qū)、爆炸性塵埃的地區(qū)。5.1.2太陽能發(fā)電系統(tǒng)的要求基本要求：獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的共電率應(yīng)該保持在86%以上，并且能夠保持在連續(xù)1—2星期的陰雨天時(shí)能夠提供用戶的正常用電。在整個(gè)外觀要看起來漂亮但要考慮不影響太陽的光照面積等，使用時(shí)的開關(guān)和要簡(jiǎn)潔方便、不能有外露的電線，注意核心系統(tǒng)的碰撞、放腐蝕和向外漏電等情況（注：防止外漏點(diǎn)對(duì)人體造成傷害等事故的發(fā)生）太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。在目前，光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用更為廣泛。太陽能光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由太陽能電池組太陽能控制器、蓄電池組成。由太陽能電池組成。（1）太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能、或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來、或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。（2）太陽能控制器：太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中控制多路太陽能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備。太陽能控制器的作用有：功率調(diào)節(jié)功能、通信功能、簡(jiǎn)單指示功能、議通訊功能、完善的保護(hù)功能。（3）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來的交流電源。（4）逆變器：在很多場(chǎng)合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。逆變器在某些場(chǎng)合，能將發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，逆變器需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器。5.2在現(xiàn)實(shí)中的具體實(shí)用5.2.1邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站供電系統(tǒng)選擇

邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)一般包括發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、能量變換和管理設(shè)備。發(fā)電設(shè)備有柴油發(fā)電機(jī)、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者水力發(fā)電機(jī)。儲(chǔ)能設(shè)備一般有蓄電池組或者儲(chǔ)能水池。能量變換和管理設(shè)備有直流變換器、逆變器等設(shè)備。

柴油發(fā)電機(jī)是許多邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)的能量來源，為了獲得最大燃料效率和減小維護(hù)，需要負(fù)載率保持在發(fā)電機(jī)額定負(fù)載容量的60％～70％。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可以達(dá)到250W~500kW，但是需要選取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)場(chǎng)，具備穩(wěn)定的風(fēng)速。水輪發(fā)電機(jī)雖然發(fā)電成本相對(duì)較低，但是需要選取建設(shè)在適度和穩(wěn)定的河流上，水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本相對(duì)較低，但是發(fā)電機(jī)的成本較高。

通信網(wǎng)絡(luò)要求基站等設(shè)備提供7×24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，基站設(shè)備除分布在市區(qū)外，還大量分布在沙漠、海島、山頂?shù)雀鞣N環(huán)境中，覆蓋面積寬廣，一般無人值守，對(duì)電源可靠性和壽命具有高要求。太陽能供電系統(tǒng)的光伏電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過光伏組件的串并聯(lián)方式提供基站需要的-48V電壓，實(shí)現(xiàn)能量的靜止變換，與具備機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的發(fā)電機(jī)相比較，維護(hù)工作量很少。對(duì)小于2kW的基站負(fù)載，是合適的邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)方案，尤其在全球原油價(jià)格高企的發(fā)展趨勢(shì)下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)日益明顯。

5.2.2通信基站光伏供電系統(tǒng)

通信基站太陽能供電系統(tǒng)由光伏組件、陣列支架、匯線盒、充放電控制器、蓄電池組、逆變器

組件一般采用單晶硅或多晶硅電池，每個(gè)電池輸出電壓大約為0.5V，一般組件采用72個(gè)太陽電池串聯(lián)，所以為了得到43.2~56.4V電壓范圍，需要兩塊組件串聯(lián)使用。功率等級(jí)盡量選取產(chǎn)量較大的規(guī)格，如165W、170W和175W等幾種規(guī)格。太小的組件規(guī)格導(dǎo)致支架設(shè)計(jì)成本增加和占地面積增加，而過大的組件規(guī)格使用的太陽電池成品率較低，電池成本相對(duì)較高。根據(jù)負(fù)載容量和當(dāng)?shù)靥柲苜Y源情況選取組件并聯(lián)數(shù)。

多個(gè)光伏組件并聯(lián)構(gòu)成陣列，采用鍍鋅鋼材支架支撐組件，使組件具備一定的傾斜角度，同時(shí)固定組件，抵抗風(fēng)吹。對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，為了降低蓄電池用量和系統(tǒng)成本，需要在冬季獲得最大的太陽能輻照，這樣就需要將組件的傾角設(shè)置成比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°~20°。

當(dāng)陰雨天氣或者夜間，無太陽光或者輻照變?nèi)?，無法提供負(fù)載需要的能量時(shí)，蓄電池組繼續(xù)為負(fù)載提供所需能量。蓄電池組的容量根據(jù)負(fù)載容量、連續(xù)陰雨天時(shí)的自給天數(shù)、放電深度確定。5.3應(yīng)用實(shí)例

圖3是中興通訊在布基納法索農(nóng)村地區(qū)提供的一個(gè)光伏供電系統(tǒng)實(shí)例。

當(dāng)?shù)鼐暥仁潜本?1°59′，連續(xù)陰雨天自給天數(shù)為5天，基站負(fù)載類型是BTS和微波，負(fù)載功率為550W。根據(jù)這些信息，系統(tǒng)配置如下：

光伏組件：monocrystalline165W30塊組件；

蓄電池組：2V

1000AhOPzV膠體蓄電池2組；

充放電控制器：-48V150A控制器。

該項(xiàng)目配置了22個(gè)太陽能供電的BTS站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的負(fù)載功耗范圍400～900W，容量相對(duì)較小