家庭式太陽能供電系統的研究與設計

葉遠龍

摘要：當今人類面臨的社會與資源問題日益嚴重，人類在促進社會以及經濟的可持續發展遇到了許多困難，其中對各種能源的使用也越來越多，不可再生能源的使用也越來越緊張，出現眾多問題。隨著科技經濟的不斷進步，人們對半導體技術進行7持續不斷的研究開發，利用太陽能進行發電的技術研究在不斷的提高，太陽能是人們公認的最清潔的能源并得到了廣泛應用，因此將太陽能用于發電對于緩解目前人們遇到的能源短缺的問題是十分有意義的。

關鍵詞：太陽能 蓄電池 控制器

1太陽能供電系統整體結構

1.1光伏供電系統整體結構

本次家庭式太陽能供電系統的設計，各個參數的計算主要是根據現場的實際光照情況來定，為了能夠很好的實現本次設計目的，根據試驗區域光照情況和環境溫度，選擇太陽能板的數量和蓄電池的容量，合理規劃本次設備選取并保證其適應性。對于本次家庭式太陽能供電系統的設計需要從多方面進行規劃，如電氣系統設計，電路設計，機械設計，能量轉換等方面。結合普通家庭每年用電量來合理規劃太陽能電池板數量和蓄電池容量，保證本次設計的實際運用性。

本次家庭式太陽能供電系統包括：

I.I.I能量轉換控制器

本控制器的主要功能是將系統從光能轉化的電能進行控制和調節，通過兩個方面來實現，一方面是將轉換的電能直接輸送到正在運行的負載，如電視、洗衣機等家用電器;另一方面是將多余的能量輸送到蓄電池進行存儲，在負載耗電量較大時，實時轉換的電量不能滿足負載的實際需求，這時控制器就會通過蓄電池對負載進行供電。當電量達到蓄電池最大存儲量時，為了保護蓄電池不被損壞，控制器此時會將充電電路斷開。同樣，在蓄電池中的電能完全耗盡時，為了防止蓄電池因過度放電而損壞，控制器會斷開放電電路，這大大提高了電池的使用壽命，并且整體設計有著至關重要的作用。

1.1.2蓄電池組

蓄電池組的主要功能是存儲光能轉換為的電能，這樣就能保證在夜間和在陰雨天時家庭負載的用電，同時蓄電池也會將多余的電能存儲起來。

1.1.3逆變器

逆變器的主要功能是將太陽能轉換的直流電轉換為交流電以便交流負載正常工作。為了能夠滿足不同的負載使用太陽能電池轉換的電能，逆變器是本系統不可缺少的組件。由于本次家庭式太陽能供電系統設計主要應用于偏遠地區，由于這些地區道路崎嶇，對于系統維護較為困難，為了提高本次太陽能發電系統的穩定性，保證整個電路的平穩運行，這就對逆變器的性能提出了更高的要求。

太陽能供電系統主要產品分類A、光伏組件B、風機C、控制器D、蓄電池組E、逆變器F、支架系統。

本次設計的家庭式太陽能供電系統主要包含太陽能電池板。太陽能控制器、蓄電池組和逆變器等部。太陽能電池板是整個系統的關鍵部件，它可以將照射在板面上的光能轉換為電能。整個系統的正常運行離不開控制器控制，它管理著電能在負載、蓄電池和太陽能電池板之間的轉換。蓄電池主要作用于能量的儲備，可以存儲多余的電能。通過功能原理可知太陽能電池板和蓄電池發出的是直流電源，但是家庭中的很多電器都是使用交流電源，因此逆變器也是本系統不可缺少的一部分。如圖I 1為典型的太陽能供電系統

為了經濟性考慮，本次家庭式太陽能供電系統供電量滿足負載用電的前提下，最大程度的減少太陽能電池板的數量和蓄電池的容量。通過相應的理論數據來看，太陽能電池板的數量和蓄電池容量的確定要符合相應的安全數據。

本次設計參數的選取主要有兩個影響因素：

（1）整個系統負載用電量、環境溫度、光照強度、光照時間來設定電氣系統的參數。

（2）主要的數據有：太陽能電池板的傾斜角、環境溫度變化量、最大電壓、最大負載和系統最大電流，太陽能控制，逆變器、蓄電池電氣參數等。

1.2太陽能供電系統簡介

太陽能供電系統有離網型并網性兩種形式，離網型太陽能供電系統主要應用于偏遠的地區，由于該地區交通不便，地理形式復雜很難建設基礎的供電設施同時這些地區又有充足的光照，建設離網型太陽能供電系統較為適宜。該系統可以對照明系統，通信系統等基礎設施進行供電。這種靈活且穩定的供電方式可以大大提高偏遠地區人民的生活水平。

太陽能離網型供電系統在組成結構和控制方式多種多樣，在早期較為常見的一種方式是直接將太陽能電池板與蓄電池相連，將轉換的電能存儲在蓄電池中，然后蓄電池的輸出端來接負載，對負載供電。該鏈接方式最大的優點是連線簡單，但是單一的連線方式只能輸出一種直流電壓級別，同時還要根據負載的用電的級別來串聯多個蓄電池供電，同時還要監控蓄電池的充電電壓，使用范圍較窄。

一般在太陽能電池的設計過程在都會在太陽能電池板和蓄電池之間添加一個DC/DC轉換器，有了該組件這就會使太陽能供電效率大大提高。該轉換器需要通過最大功率跟蹤技術進行有效控制，這就是太陽能供電系統另一種鏈接方式。DC/DC轉化器的運用在蓄電池充電時有效的保護蓄電池不被過充，同時提高了太陽能電池板的供電量存儲效率，但是該系統仍然只能滿足直流負載的使用，不能應用于交流負載。

2太陽能電池原理

2.1太陽能供電原理

在太陽能供電系統中，實現從光能轉換為電能的最小單位是太陽能電池單體，晶體管技術的不斷發展促進了光伏供電的進步，太陽能電池單體是由一個PN結組成，單體在陽光的不斷照射下，會產生電動勢，這種特性被稱為光生伏特效應。一般在晶體管PN結中，當PN結處于平衡時，在P結和N結中間會產生一個耗盡層，在該層中會出現一個勢壘電場，在該電場中，電場方向是從N級到P級。在陽光的照射下，晶體管中的硅原子活性增強產生電子空穴，在電動勢的作用下，空穴和電子分別向不同的方向移動，空穴移向P區，電子移向N區，這樣會使P區的空穴數量遠大于電子數量，N區電子數量遠大于空穴數量，此時在PN結周圍形成了光生電動勢，該電動勢的方向和勢壘電場方向相反。在光的作用下使晶體管中的P區帶正電荷，N區帶負電荷，兩區之間就會產生光生伏特效應。如果此時在晶體管兩側連接線纜，此時線纜上就會有電壓，可以帶動負載做工，從而就會有功率的輸出。太陽電池的工作原理可以分為以下4個過程：

（1）在陽光的作用下，晶體管中的PN結會產生電子空穴對，電子和空穴電性相反。

（2）晶體管中的PN結產生光生載流子，并且載流子會擴散到空間電荷區域。

（3）空間電荷區域中的勢壘電場會將進入的載流字分開，電子會進入N區，空穴會進入到P區。

（4）電子和空穴被分開后使晶體管產生電動勢，此時如果在太陽能單體的兩端接人負載，就會產生電壓，負載中就會有電流流過。

每個太陽能電池單體產生的電量十分微弱但是在實際的運用中，太陽能電池板是將成千上萬個太陽能電池單體串聯起來，在足量陽光的照射下，發出的功率能有百余瓦，完全可以帶動負載進行做功。

參考文獻

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