太阳能光伏发电电源变换系统的设计

1、2014届本科毕业论文太阳能光伏发电电源变换系统的设计:少博学号： 2010274024专业：光信专业导师：董有尔教师二零一四年四月18 / 17太阳能光伏发电电源变换系统的设计学生：少博指导教师：董有尔摘要:本设计实验所设计的光伏发电系统，目的是将光伏电池产生的的不稳定直流电源通过DC-DC变换及DC-AC变换，成为稳定输出的直流和交流电，以至于可以外接蓄电池及负载形成完整的发电系 统。此稳压电源为 DC-DC变换、充电保护、DC-AC变换三个模块构成。开关电源将电池板稳压后的直流电发送给蓄电池，再通过逆变器变换成交流电，实现太阳能发电的家庭或小规模应用。关键词：蓄电池；升压；降压；模数转换

2、；逆变器；开关电源目录第一章绪论11.1全球能源背景简介11.2研究光伏发电电源变换系统的意义11.3论文研究主要容3第二章光伏电池发电的原理和特点32.1光伏电池的开展32.2光伏发电原理 42.3光伏发电特性 6第三章系统设计 103.1系统总体设计 103.2 DC-DC变换电源模块设计103.3充电保护模块的设计103.4 DC-AC变换输出模块的设计16第四章总结与展望17参考文献18ABSTRACT 19致20第一章绪论1.1全球能源背景简介在人类成长的前5000年中，对能量的需求远远比不上最近的三百年需求那么紧。18世纪，最先从英国发起的工业的革命，极促进了世界的开展，从此步入了

3、新的时代，对此，世 界各国急迫需求更多能源以促进社会文明的进步。然而，自然界一次性能源储量有限，遇到能源缺乏只是时间的问题，从世界来看，已经得知的石油只能够20-40年消耗的了，石油气也只能够50-60年消耗，就连现在占绝比照例的煤，最多也只够使用200年左右。另一方面，一次性能源的采集、转移和消耗过程中都会对大气和自然环境造成严重的破坏性后果。 根据调查，目前，每年大量的化石能源消耗平均产生约一亿吨温室气体，已经严重破坏了大气层和严重的温室效应，近 2000年来，世界二氧化氮产生速度的日益加快，如果不尽早的 控制，将使冰川融化，水平面上升，淹没大片陆地，四分之一的人类居住地将受到威胁。就 连

4、近代才开展起来的核能发电的原料放射性元素铀的储量也是极为有限的，而且核能发电最大的问题是平安的不确定性和环境的放射性污染的废料难以处理，也是很难解决全球能源的长久地稳定地供给问题。因此，人类在全力设法解决常规能源缺乏的问题，寻找可持续的替代性能源。太阳能就成了一种稳定、可持续性好、平安干净无污染的理想的替代新能源。光伏电池经过不断的进步，技术日益成熟，转换效率已经提高不少，目前单晶硅电池的效率最高可以到达20%,量产型的也能到达14%，多晶硅效率也能到达 12%了。于是在2000年开场，多晶硅光伏电池 的成品也开场完毕实验室生涯，进入市场，效率的提升，更加促进了太阳能使用的步伐。从中国本身来看

5、，经过数年的开展，我国光伏产业开展迅速，光伏电池技术日益完善，和老牌国家相比，正迎头赶上，而且有超越的潜力。产业化方面，2000年之后，中国的光伏产业不断进步，产业不断扩大，但是和兴旺国家相比仍有不小差距。2003年中国太阳能电池制造大概是20兆瓦，然而中国太阳能电池成品封装本可以到达50兆瓦的，数倍于太阳能电池的制造能力。所以，中国虽然有可以制造20兆瓦太鞥能电池的能力，但是截至2002年，只生产了全球百分之一，也就是4兆瓦的太阳能电池板。在 2002-2003我国进展了“光明工程'，在方案要安装的20兆瓦的太阳能总装机量中，国产太阳能电池仅占10%，国厂商和一次大的商机擦肩而过。近

6、日中国光伏电池产业销售地区还是以偏远地区为主，看上去有一定的开展，但是实际上前景不容乐观。太阳能发电市场在 2000年前是：通讯业有40%50%，乡村和偏僻地区占 40%左右，其它10%左右。然而07年当年的75%销量都是在乡村 地区。现在国产硅片的理论能力是 4.5兆瓦，在没有电力的县试点全部建立了太阳能发电设 备，其功率的到了 100千瓦。可以看出，中国太阳能电池行业的开展迅速但是市场应用的开 展没有跟上时代。其实，中国的太阳能资源分布十分广泛，而且可利用的总量也是十分巨大的。根据资料显示，太阳能容量到达500万千焦/平方米每年，光照时间至少有 2200小时的区域能有全中 国面积的一半以上

7、以上。太阳能资源中国亟需开发1.2太阳能光伏发电电源变换系统开发的意义光伏发电是应用光生伏特效应，以光伏电池作为工具将太阳能转变为电能的装置。光伏电池是应用光生伏特原理，采用相应半导体材料制成的发电设备。太阳能和其他能源相比拟，是一种很干净，可再生，利用简单高效的新能源。在当代， 世界各国政府和能源部门都认为太阳能是未来新能源利用的方向所在。有关调查表现，到 2010年，全球光伏电池产量将会有14-15GW的总量，这显示光伏产业的未来前景是很大的。总的来说，太阳能光伏发电终将有一日会完全取代传统的不可再生能源。在此发方向来看看，大概到21世纪30年代，全世界总发电量的 5%-20%将会是太阳能

8、发电的产出。以下的特点尤其重要的提醒了其的特征：储量巨大：太阳能是可再生的，使用量几乎无穷大。太阳发出的辐射的能量约是3.75xkW，是利用不完的的。其中辐射到地球上的能量有1.73x，能到达地表的能量有8.1xkW。在陆地上的能量大约为1.7x W,这个数字几乎是全世界一年生产用电总和的四万多倍。太阳这个是个年轻的恒星，还能稳定存在几十亿年，对于人类来讲，太阳能所能利用的时间是无穷无尽的。不需要复杂的开采工艺，运输相对来说也十分简单，不消耗多少能源。干净无污染，不会释放有毒气体和温室气体，也没有辐射的废料产生。本身利用十分简单，不需要复杂的设备占用空间，也没有噪声产生。寿命长，工作稳定并且使

9、用环境无限制。晶体硅光伏电池的工作年限可以到达20-35年，蓄电池也可以工作 10多年。由此可见，在能源紧缺的危机即将出现，全球变暖，环境污染严重的今天，光伏发电应用的重要性异同反常。同时显示出，光伏发电技术的研究意义的重要和应用前景的美好。在偏僻不通电的乡村和远海，该装置能够有效地实现为用户生活供电，国主要生产和研究应用于偏远地区或短时间照明等用途的小型独立式光伏发电系统。图一太阳能电池板1.3论文研究主要容在能源构造与利用新型干净能源开展的背景下，太阳能光伏发电电源变换系统将成为一项热门研究。中国的光伏发电技术起步较晚，在利用太阳能是不是很常见，太阳能光伏发电系统需要合理的设计在不同的地区

10、，条件下能够良好的运作。本文依照大学近代物理实验室的现有的太阳能电池板为条件，设计一套简单实用的光伏发电电源变换系统，配合蓄电池组件，各模块能够组成完整的发电和存贮应用系统，可以到达直接接负载及用电器利用太阳能的目的。文章主要构造如下：第一局部为绪论局部，介绍了太阳能光伏发电在未来能源趋势中的重要地位和光伏发电 系统在中国急需推广和扩大生产的现状。第二局部主要介绍了太阳能光伏电池的发电原理和光伏电池本身的特性。第三局部主要介绍了光伏发电电源转换系统的设计思路。和各个模块的电路设计。第四局部是总结和展望， 为本文的太阳能光伏发电系统的设计操作的分析，总结了设计缺陷。第二章 光伏电池发电的原理和特

11、点2.1光伏电池的开展历程在1839年，法国一个名叫安托万亨利贝克雷尔的人觉察，光照射在半导体材料外 表上，致使不同区域间产生了电位差。这就是光伏效应的由来。1954年，洽彬与匹而宋这两个美国科学家在美国著名的贝尔实验室首次研究成功了单晶硅光伏电池，从此太阳能和电能之间的转变成为了可能。到今天，经过了 170多年的进步，总体来讲，根底研究和技术的成长都起到了积极推动 作用。光伏电池应用革命在三贝尔实验室科学家成功地开发了单晶硅光伏电池，发挥着决定性的作用，在光伏电池开展上有着里程碑一样的作用。然而到今天，光伏电池的根本构造和运作原理没有发生多大的变化。后期的研究主要是围绕薄膜光伏电池来研究的，

12、例如，非晶硅光伏电池，光伏电池 CIS ,CdTe的光伏电池和纳米晶体的染料敏化光电池等，除此之外主要是大规模制造技术的日益 成熟，如丝网印刷技术、多晶硅光伏电池生产技术的应用，尤其强调的减反射膜研发和自动化制造技术的广泛应用，大大提高了工作效率和节约的发电本钱。1990年后，太阳能发电产业成长十分迅速，仅仅经过了16年的开展，就已经实现了大规模的应用，建造了数十座兆瓦级太阳能发电站。美国最先规划了太阳能利用的方案。日本1992也开场了新方案，经过十年就让日本跻身世界光伏电池制造前沿。德国紧随其后制定 了了光伏发电并网电价，规了行业标准。法国，意大利，瑞士，芬兰，西班牙等国，相继开 发太阳能能

13、源开展规划，在投资于技术开发，加快光伏产业生产过程的同时。晶体硅电池仍占光伏电池的主要局部，它虽然是第一代产品，不仅转换效率高，而且技术成熟，发电性能稳定原料资源丰富，因此目前应用较广泛2.2光伏发电原理我们这里说的光伏发电主要是利用光生伏特效应原理，应用半导体原件通过光照产生电势，形成电流加以利用的。光伏效应是光照在太阳能电池外表，光被吸收在光生伏打电池的界面层，所述光子具有足够的能量以激发共价键中的P和N型硅原子，电子，得以形成电子一空穴对。PN结附近的不稳定状态恢复前，其电场是不均衡分布的。电子向带正电荷的N区和空穴向带负电荷的P区方向运动。由别离的电荷层，将产生一个可测量的电压之间的和

14、区。这时在硅片的两边附上电极并接入电路。由光照导致的电子一空穴对越多，电流越大。多个太阳能界面层的承受，能够加大光生伏打电池的界面面积，电流形成的光伏电池也更大。半导体参杂示意图如下图，各种半导体在受到的照射，产生的电子空穴对，会分别朝向P和N区移动,外接成回路就可以形成电流，这就是光伏发电的原理。2.3光伏发电特性的可用于制造光伏电池半导体材料很多，所以光伏电池也有很多种。 截止目前，在光伏电池制造领域，生产能力技术最好，工业产品化最好的是硅太阳能电池。光谱特性实际应用中不是所有波长的光都能够同样效率的转化为电能，实际情况是，由于光的波长不同，电池将光能转换为电能的能力也不一样。一般来说，红

15、光波长段的辐射和蓝光段辐射变换为电能的效率是不一样的。像这样的因光谱不同影响转换效率的特征光伏电池的光谱 特性。光谱特性一般用转化效率来表示，转化效率，即用单光子照到到光伏电池会生成多少电子空穴对。一般来说 1个光子引起电子空穴是小于 1的。温度特性 一般是指太阳能电池本身或者所处位置温度的改变导致的工作效率的改变。光照特性光照辐射对电池的影响中，一般控制两个物理变量：光通量和光照强度。光通是单位时 间吸收的辐射的能量。光照强度是平均每平方米有多少光通量。一般光照强度越大太阳能电池能产生的电流越大，当光照强度为1001000W /怦时，产生的电流和光强的关系是根本上是线性关系；光照强度影响光电

16、压的作用十分有限，温度根本不变的情况时，光强度在4001000W /怦区间时，光伏电池产生的电压根本上保持恒定的。因此，由功率计算可以得出，光强和光伏电池的功率关系是线性的。第三章系统设计3.1系统总体设计本太阳能光伏电力转换系统，主要功能是不稳定的电源光伏电池，实现了稳定控制，通过控制器，现将其变换为稳定的直流电，以便将其输入蓄电池存储， 要使用时可以通过逆变器变换为220V市电输出，到达利用电能的目的。其总体设计概念图如下：总体设计框图可以看出，本设计核心模块分为DC-DC变换模块、充电保护模块、逆变器模块和光伏电池。以下将详细研究设计各模块的细节，以及电路的设计方案。22 DC-DC变换

17、电源模块设计降压升压电路原理降压电路Q1fVYY卜 * " 1 '1S D1=C1图五 降压电路工作原理：将功率开关管作为开关元件，在PWM信号控制下，使输入电压交替接通和断开储能电感。当 MOS管翻开时，二极管 D的状态是反向截止，输入电流经功率开关管M与电感L形成回路，输入电压和输出相比其差值加在电感L上，使电流Il线性增加，这时侯电源不仅提供给负载， 也同时有局部能量以其它的形式贮存在电感L和电容C里。当功率管截止时，由于电感特性，Il不能瞬间突变，所以会产生反向电场来维持流过电感时保持不变。 此时二极管D翻开，存储在L中的能量经D构成闭合回路输出，以至于维持了电压不变

18、。升压电路图六升压电路工作原理：和降压变换器原理一样，也是通过脉宽调制信号控制MOS管通断，来实现对输出电压的动态控制到达稳压的效果。当M断开时，二极管 D此时截止，电感元件Il上的电流线性持续增加， 进展存储电能，当电容C放电时，流过负载电流经过负载， 负载两端 电压为U0;开关管闭合时电感两端电压极性翻转，通过电感的电流不变，电感中的储能与 输入电源一起为负载供电，电容C同时进展充电，电感放电完成，伴随电容充电完毕， 当输出电压下降时，电容 C将释放存储的能量，以至于维持了电压不变。降压斩波的典型波形如卞图所示。b)f aEh图3降压电路波形图了解了开关稳压电源的原理，我经过查阅资料得知，

19、搭建开关稳压电路， 在工作稳定性能上不如继承稳压电路。后者有工作稳定，易于维护，使用简单的特点，尤其在本钱上和原始电路相比，有绝对优势。我在这里选择 XL6009型开关电源芯片，XL6009为400KHZ的固定频率PWM降压直流转换器， 额定电流为4A。基于XL6009设计的稳压电路:搭建此电路相对容易，配合使用的电子元件较少。XL6009本身自带过流保护，过温度保护，输出短路保护，整个模块运行效率也能得到保证。电路中，经过 R1，R2测量输出电压同时可以电压模式控制使能端CV, EN脚可以通过对上下电平控制整个电路的运行与否，当EN脚为高电平即大于1.4V时或者悬空时，芯片有输出；0.8V以

20、下的低电压时，芯片不工作。输出电压是可以控制的，通过预设R2和R1的比例即可。如：R2=16K R1= 1.82K VOUT=1.25* 1+R2/R1可以算出输出电压为 12.25V。XL6009技术特点1芯片是可以用于升压降压或者升降压的通用方案，系统本钱很低，可靠比拟高；2电源变换系统用此芯片设计比拟简单，效率也可以得到保证；2.3充电保护模块的设计光伏电池板经过稳压后,3置了大功率开关管，自带有电流、电压、温度保护电路，平安性高；同时，芯片置固 定频率时钟、软启动电路、环路频率补偿电容等，使得芯片有很高的可靠性和平安性。经过充电控制器，可以直接连到蓄电池上进展能源存贮，所述控制器控制的

21、太阳能电池存储充电， 电能可以被转换成交流电流被用于逆变器，或者直接接蓄电池将电能存储， 实现对太阳能的利用和使用。 电路主要元件包括 UC3906电压比拟器、 稳压芯片等。1芯片 UC3906蓄电池在众多储能设备中，有优良的性价比，免维护，长达十年的使用期，在国外得到UC3906就是蓄电池充电专门研制的控制集成电路芯片，因此广泛认可和应用，这里使用的 选取它是再适宜不过的了。SOIC-16（頂視圈）J/N BEC/S OUTC/S -C/S +C/Lcc<3®OUNDFQWERINDICATEMIN ATEDRIVER SINK DRIVER SOURCE COMFENSAn

22、ON VOLTAGE SENSE CHARGE ENABLE TWCKLE BOAS SOMEB LEVELCONTOOL图3-4 UC3906引脚图2电压比拟器LM339电压比拟器，可以实际根据需要进展选择。3稳压芯片LM317,光伏电池板输出稳压到 18V，进而对电池充电。4芯片UC3906的工作特性UC3906作为专用充电集成电路芯片，对可密封铅酸电池可以充电状态三大电流充电,控制充电，浮充提供控制，根据电池温度电压电流状态变化控制充电电压，从而蓄电池在 不同的环境和变化的电压和温度下都能到达最正确充电状态以到达延长使用期限和减小电 池损耗，其控制可分别对充电电流、电压实现控制，其本身工

23、作消耗比拟低，能对密封铅酸 蓄电池提供控制和检测的效劳。根据工作时间的电池充电周期分为三个工作状态:當一一一一过充电擁it!输入心 1由刖U* I欄祥工横U衣寺1* -4 十_三种充电工作状态大电流快速充电状态： 充电电池的充电电路开场使用一个大的恒流充电，那么充电电流根本上是保持在一个稳定的数值，电压继续上升。过充电状态：当电池充电一段时间后，电池电压到达95%的额定电压时，控制芯片转换电流充电状态，进入过充电状态，然后电压保持充电的充电电压，电流开场缓慢下降。浮充电状态：当充电电流弱到一定数值，充电电路进入浮动充电， 并保持电池的电压，由于充电电流检测放大器的输出信号来控制引脚充电终止电位

24、升高。假设蓄电池外接负载开场消耗电量，导致蓄电池电压减小到过充电压以下，芯片又控制状态变换为充电状态。 5整体电路的根本设计LM317hput output7r-a -QTIM前图3-6充电系统电路图开场充电时，电压与功率晶体管翻开，开场一个大的恒流充电,然后充电电流恒定不变,电池电压逐渐增加。 当电池电压到达充电电压的电池过充电状态时,然后充电电压维持在过充电电压，充电电流开场下降。当给电池充电电流小到截止电流，芯片10脚输出高电平,比拟器产生低电平,电池成浮动充电状态。与此同时，充足后的电力LED指示灯导通，表示电池已充满电。2.4 DC-AC变换输出模块的设计太阳能电池能够将太转化为直流

25、电并存储于存储设备中，到达保存能源的目的，然而,我们日常所用的市电是 220V 50Hz的交流电，这就需要逆变器来实现蓄电池或者光伏发电到 市电的转化。当然我们在DC/DC升降压变换的过程中都必不可少的需要先进展DC/AC逆变后，对交流电实现升降压，再通过镇流滤波输出所需电平。因此，对逆变器的相关研究在开展和新能源利用领域，在应用上至关重要的作用。在该实验中，以12V直流电源作为TL494芯片的供电电源，同时作为逆变电路的输入端， 提供电能供给。TL494芯片作为全桥逆变电路的驱动，工作于推免状态，输出两组互补的方 波信号，作为后部全桥电路的控制信号，电流通过变压器反应到TL494芯片实现的脉

26、冲宽度调制电路，逆变器电路二级线圈输出稳定的交流电。总体框架图如下列图所示：二设计b总F体框1TL494功能介绍JTLA94是 一个脉冲宽度调制集成电路，很多计算机电源中心控制单元被使用时，如下图。此芯片是16脚两排直插型的集成芯片，其中自集成PWM比拟器、振荡发生、标准电压变换、空闲调节、自动停顿等电路以及一对误差放大器标准的输出接口，构造及引 脚图如下。TL494构造图各引脚的功能及有关参数如下：1:误差放大器电流输入接口，额定电压41V。2:误差放大器电流反向输入接口，额定电压41V。3:反应端，补偿误差型号放大器的接口，额定4.5V。4:死区时间控制端，进展脉宽调制，控制在49% -0%区间5:振荡器的定时电容端。6:振荡器的定时电阻端。7:接地端。&集电极，输出第1路调制波形。9:发射极，为输出第1路调制波形。10:发射极，输出第2路调制波形。11：集电极，输出第2路调制波形。12:电源端，提供保护，低于 7V自动关闭。13:输出方式控制端14:标准电压产生端口，为 5伏特。2TL494的工作原理TL494为一种固定频率的脉冲看度调制原件，部带有开关电源所必须的主要控制电路，部振荡器频率大小由外部一个电容和一个电阻数值决定，RT和CT。振荡频率可以由下面公式