光伏发电系统的能量转换及储能方式研究

第一篇：光伏发电系统的能量转换及储能方式研究

随着环境保护的根本要求及化石能源枯竭带来的能源危机，使得以光伏发电为代表的可再生新能源发电越来越受到重视，但是光伏发电的间歇性及与用电峰谷的非同步性，使得新能源发电的储存及再利用技术受到额外关注，本课题研究除了传统的光伏发电电池储能以外，研究未来可能的能量转化及储能方式，如光伏发电制氢、制气等形式，然后和燃料电池及燃气轮机相结合的可行性及发展趋势。

第二篇：分布式光伏发电系统用储能逆变器技术条件-中国国家认证认可监督管理

分布式光伏发电系统用储能逆变器技术条件

认证技术规范编制说明

一、背景

根据能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》为实现光伏发电较大规模发展目标，到 2015年底，太阳能发电装机容量达到2100万千瓦以上，年发电量达到250 亿千瓦时。重点在中东部地区建设与建筑结合的分布式光伏发电系统，建成分布式光伏发电总装机容量1000万千瓦。在青海、新疆、甘肃、内蒙古等太阳能资源和未利用土地资源丰富地区，建成并网光伏电站总装机容量1000万千瓦。

储能逆变器作为分布式光伏发电系统的最关键电力转换设备，其可靠性与耐久性直接影响着光伏电站的运行安全和收益率。目前，我国光伏并网逆变器质量检测主要依据CNCA/CTS004-2009A、CNCA/CTS0006-2010标准对并网逆变器进行安全、并网和电磁兼容测试。近年来，随着分布式光伏发电系统的建设和使用，分布式光伏发电系统用储能逆变器的安全、性能、可靠性等方面越来越受到企业和用户的关注。然而，国内目前尚没有机构开展针对分布式光伏发电系统用储能逆变器技术条件检测标准研究工作。

二、与相关法律法规的关系

本规范遵守现行法律、法规和强制性国家标准，与它们相符合，无冲突，相关指标符合目前我国光伏产业实际情况。

三、与现行标准的关系

目前，我国还没有光伏并网专用逆变器的国家标准、行业标准，有关光伏并网的标准有 GB/T 19939-2005《光伏系统并网技术要求》、GB/T20046-2006《光伏（PV）系统电网接口特性》，这两个标准主要是从光伏并网系统的角度出发，对逆变器提出了部分有关电能品质、安全保护功能提出了要求，但是并不全面，尤其是缺少绝缘耐压、孤岛效应、电磁兼容以及环境试验，而这些项目直接应到光伏并网系统的持续、安全和可靠运行。光伏并网逆变器金太阳认证所采用标准为CNCA/CTS004-2009A并网光伏发电系统专用逆变器技术条件、CNCA/CTS0006-2010光伏发电系统用电力转换设备的安全。两个标准规定了并网逆变器的安全性能、并网和电磁兼容要求，却不能完全覆盖分布式光伏发电系统用储能逆变器的全部技术要求。

为此，标准起草小组参考了大量国内外有关标准，如UL 1741:1999《独立电力系统用逆变器、变换器、控制器》、IEC 61727:2004《光伏系统 供电机构接口要求》、IEEE 929:2000《光伏系统供电接口操作规程建议》、AS 4777.2：2005《通过逆变器连接的电源系统的并网 第二部分：逆变器要求》、IEEE 1547:2003《分布式电源与电力系统进行互连的标准》、IEEE 1547.1:2005《分布式电源与电力系统的接口设备的测试程序》，特别是IEC刚发布的IEC62116《光伏并网系统用逆变器防孤岛测试方法》制定了此认证技术规范。

四、主要起草单位情况简介

1.中国质量认证中心是由中国政府批准设立，被多国政府和多个国际权威组织认可的第三方专业认证机构，隶属中国检验认证集团。从事太阳能光伏、光热等新能源和可再生能源产品标准研究和产品认证的第三方认证机构，在新能源领域开展的主要认证服务包括：太阳能光伏产品、太阳能光热产品、储能及动力电池等。

2.中国赛宝实验室，又称“中国电子产品可靠性与环境试验研究所”、“工业和信息化部电子第五研究所”，简称为“赛宝”或“五所”或“电子五所”，始创于1955年，是中国最早进行可靠性研究的权威机构，直属于工业和信息化部的事业法人单位。

赛宝总部位于广州市天河区，在香港设有专业实验室，在苏州设有华东分所，在重庆设有西南分所，在宁波建有LED专业实验室，在佛山建有光电专业实验室与校准实验室，占地面积20万平方米，科研生产用房面积11万多平方米；有各类试验设备、分析测试和计量仪器7000多台（套），固定资产达到10.14亿元，在广州、海南万宁、西沙群岛、拉萨分别建有不同气候环境条件特点的天然暴露试验站，可按GB标准、GJB标准、ISO、IEC标准等开展电子信息产品的可靠性、环境适应性、能效、环保、安全、电磁兼容、失效分析等综合质量保障，具备从元器件到设备系统、从硬件到软件的产品检测评价、试验分析以及认证、计量、培训、标准、咨询等技术服务能力，综合实力国内领先，是国内电子信息行业最大的支撑政府和服务行业的共性技术服务机构。

五、主要技术内容和数据验证情况

分布式光伏发电系统用储能逆变器技术条件是研究具有储能装置的逆变器在安全、性能、EMC、可靠性方面应具备的最低要求，制定出符合分布式光伏发电系统使用的储能逆变器检测方案或规范。

（1）综合考虑我国分布式光伏发电系统的特点，优选出对储能逆变器性能参数要求高的代表性光伏发电系统，作为试验地点；

（2）调研所选区域的分布式光伏发电系统的性能、安全、EMC、可靠性特征，与不带储能环节的光伏发电系统进行比对分析，确定影响分布式光伏发电系统用储能逆变器安全的关键因素；

（3）建立实验方案并搭建检测平台针对上述确定的关键因素进行评估，最终确定操作性较强的检测规范。

（4）结合并网光伏逆变器的性能、安全、并网、EMC要求，综合考虑储能变器与并网光伏逆变器的异同点，制定分布式光伏发电系统用储能逆变器技术条件、试验方法与判定依据。

中国质量认证中心 2013年4月17日

第三篇：家庭屋顶怎样安装光伏发电系统？

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近年来，太阳能光伏发电这一绿色能源走进了人们的视野，我们看到一些山上排布整齐、大气的蓝色光伏组件。而一些大的工业屋顶、厂房以及一些居民区屋顶上也会发现光伏发电系统。光伏发电开始走进了我们的生活中，有不少朋友很好奇，太阳能也能发电吗?那我们家屋顶能不能也安装一套呢?不要着急，下面PVtrade光伏交易网来给您介绍一下屋顶到底怎么安装太阳能光伏发电系统。

1、安装光伏发电系统的屋顶类型要求

一般情况下分为水平屋顶和斜屋顶，水平屋顶即屋顶是平面的，主要以水泥屋顶为主。斜屋顶包括彩钢斜屋顶和陶瓦屋顶。若以地区划分的话，南方一般以角度大的斜屋顶资源为主;中部地区兼有，而东北地区则大部分是陶瓦屋顶资源。

日常用电单位为千瓦时，安装太阳能光伏发电系统通常以功率单位千瓦来计算。安装设备位置主要以向阳面为主，根据面积可测算安装的光伏发电系统大小，详细参考如下表：

2、光伏发电设备安装条件

www.xiexiebang.com 这些数据是怎么计算的呢?由于水泥屋顶放置光伏组件时，需将组件倾斜一定角度，用以保证光照尽可能垂直入射到光伏组件。所以需使用光伏支架将组件固定，为避免前后排组件间遮挡，要空余一定间隔。间隔大小根据地区有所差异，一般每千瓦光伏组件需屋顶面积为15到20平米左右。斜屋顶可直接敷设于屋顶上，因此可忽略间隔，而斜屋顶每千瓦组件需屋顶面积在10-15平米左右。

在安装光伏系统时，首先要保证在避免破坏屋顶的情况下安装。

对于水泥平屋顶来说，对于使用防水层的屋顶，比如覆盖沥青等。要尽量避免在屋顶打孔，可采用放置水泥基础来固定光伏支架。在水泥基础下面垫橡胶垫以保护防水层，并防止水泥基础的滑动。

对于斜屋顶而言，瓦式屋顶需将瓦片掀起，将陶瓦挂钩固定在房梁上或水泥层上。因此部分地区建造房屋顶瓦片下是泥土层，土层松软导致陶瓦挂钩附着力下降，因此要寻找更合理的方式安装;彩钢屋顶可根据彩钢类型进行夹具式或打孔式安装，打孔时需使用防水胶垫防水。

3、光伏发电系统发电量

对一般家庭来说，安装一套3-5kW光伏发电系统即可满足日常用电所需。例如河北地区一套3千瓦系统平均每天可发电12度电左右，足以供给户用个体使用。

由于地区不同，下面以3千瓦光伏发电系统为例，光伏交易网为您整理了各地区3千瓦系统每日发电量汇总，以供参考。详情如下：

城 市

平均每日发电量

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京 天 津 石 家 庄 12.96 13.11 12.87 太 原 呼和浩特 沈 阳 大 连 长 春 哈 尔 滨 上 海 南 京 杭 州 合 肥 福 州 南 昌 济 南 青 岛

13.38 13.65 12.54 13.68 12.15 11.88 11.4 11.64 11.07 11.1 10.62 10.32 12.9 12.69

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州 武 汉 长 沙 12.06 11.01 9.87 广 州 南 宁 海 口 桂 林 重 庆 成 都 贵 阳 昆 明 拉 萨 西 安 兰 州 西 宁 银 川 乌鲁木齐

11.07 11.25 13.29 9.48 9.18 9.54 10.05 14.25 16.59 11.79 13.29 14.01 13.53 12.6

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若您不属于以上城市，可根据就近原则作为参考，由于安装角度不同、光照情况的变化以及设备的差异，可能会导致实际发电量略有差异。若想要系统达到较高的性价比，需要更合理的优化匹配才行。

四、安装光伏发电系统价格

大多数人最关心问题大多集中在价格方面。根据现在光伏市场上光伏发电系统平均价格计算，一套3千瓦的光伏发电系统月3万元左右，而安装环境难度及光伏产品品牌等也会影响价格的高低。

第四篇：浅谈光伏发电系统站内保护配置(继电保护)

2014年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文

光伏发电系统站内保护配置问题探讨

【摘要】随着环境的日益恶化，全球煤储量的日益减少，全世界都越来越注重环境的保护，因此，新能源产业也越来越受到重视，光伏发电行业未来的发展潜力也是相当大的，国家为保护环境，治理空气污染，已经制定了一系列的新能源政策，希望清洁能源能更多地替代化石能源，这有利于扩大国内光伏市场规模。所以，未来新能源尤其是光伏产业的发展会迎来较好的发展环境和机遇，本文着重介绍了光伏电站站内的保护配置以及一些需要改进的地方。为保证光伏电站的安全运行提出一些合理的建议。

【关键词】光伏发电；低电压穿越；静止无功发生器

近年来，随着新能源行业的日渐兴起，光伏发电能源俨然已成为新能源行业的巨头，光伏电站的安全运行也成为维持电网稳定的一个重要因素，电站的站内保护也经过多年的实践有了一套比较完善的标准，像是逆变器的防孤岛保护、低电压穿越，以及站内的静止无功发生装置都成为光伏电站必不可少的配置，光伏发电流程也是比较成熟的，本文主要是依据作者本人在光伏电站从事基建、调试，以及运维的过程中，发现的一些保护配置方面存在的问题做一个简单的分析，希望能有助于光伏产业的日后发展。光伏发电系统站内保护配置

1.1 逆变器的保护

低电压穿越功能是指当电网电压跌落时并网逆变器能够正常并网一段时间，“穿越”这个低电压时间(区域)直到电网恢复正常；孤岛效应保护是指当电网断电时并网逆变器应立即停止并网发电，保护时间不超过0.2秒。可以看出，孤岛效应保护与低电压穿越是相互矛盾的，两种功能不能同时并存，需要根据电站规模和要求进行选择，一般原则如下：

对于小型光伏电站，并网逆变器在电网中所占的容量较小，对电网的影响较小，在电网故障时不会对电网的稳定性产生实质性的影响，所以应具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力，即此时并网逆变器应选择孤岛效应保护功能。

对于大中型光伏电站，并网逆变器在电网中所占的容量较大，对电网的影响较大，在电网故障时不会对电网的稳定性产生实质性的影响，所以应具备一定的低电压穿越能力，即此时并网逆变器应选择低电压穿越功能。

对于目前大多数光伏并网发电系统来说，逆变器所配置的都是低电压穿越。大型和中型光伏电站的低电压耐受能力要求 为了实现并网逆变器的低电压穿越功能，并网逆变器需要采用新的软件控 2014年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文 制算法，软件控制算法需实时监测电网，并判断电网是否发生电压跌落（平衡或者不平衡跌落）。当CPU发现电网发生电压跌落故障时，立即启动低电压穿越功能，控制输出电流以及输出的功率，当电网电压在一定范围以内时，逆变器进入低电压穿越阶段；当电网进入电压恢复阶段，此时并网逆变器输出无功功率起到迅速支撑起电网电压的功能。如果电网跌落是不平衡跌落，逆变器会以输出三相平衡电流为目标函数，通过软件控制算法实现在电网电压不平衡阶段，逆变器的电流是平衡的；当电网恢复正常，逆变器迅速转入正常并网状态。

1.2 静止无功发生装置

并网逆变器正常情况下只能向电网输送有功，要是所有光伏电站都只向电网输送有功的话，电网电压必定会很难调节到一个稳定的值上面，造成电网电压波动大，影响到电网的安全，因此，光伏电站必须引入静止无功发生装置来产生无功功率从而调节系统电压。

静止无功发生装置采用可关断电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流。迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。

电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成

工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实事高高率因数运行。

1.3 接地变及消弧线圈

光伏发电系统电压等级往往在35kv及以下，所以一般不采用中性点接地的方式，一般都是在站内配置接地变及消弧线圈，中性点经消弧线圈接地来保障系统的安全。

消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，故障点流过电容电流，消弧线圈提供电感电流进行补偿，使故障点电流降至10A以下，有利于防止弧光过零后重燃，达到灭弧的目的，降低高幅值过电压出现的几率，防止事故进一步扩大。

当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的辐值，同时也最大限度的减小了故障点热破坏作用及接地网的电压等。所谓正确调谐，即电感电流接地或等于电容电流，工程上用脱谐度V来描述调谐程度V=（IC-IL）/IC当V=0时，称为全补偿，当V>0时为欠补偿,V<0时为过补偿。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调至谐振点上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。除此之外，电网的各种操作（如大电机的投入，断路器的非同期合闸等）2014年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文 都可能产生危险的过电压，所以电网正常运行时，或发生单相接地故障以外的其它故障时，小脱谐度的消弧线圈给电网带来的不是安全因素而是危害。综上所述，当电网未发生单相接地故障时，希望消弧线圈运行在远离谐振点。运行在完全状态下的消弧线圈一般都会投入阻尼电阻来抑制谐振过电压，实际运行经验表明，有良好的收效。

1.4 光纤纵差保护

光纤作为继电保护的通道介质，具有不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝缘、频带宽和衰耗低等优点。而电流差动保护原理简单，不受系统振荡、线路串补电容、平行互感、系统非全相运行、单侧电源运行方式的影响，差动保护本身具有选相能力，保护动作速度快，最适合作为主保护。近年来，光纤技术、DSP技术、通信技术、继电保护技术的迅速发展为光纤电流差动保护的应用提供了机遇。

光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的，基本保护原理也是基于基本电流定律，它能够理想地使保护实现单元化，原理简单，不受运行方式变化的影响，而且由于两侧的保护装置没有电联系，提高了运行的可靠性。目前电流差动保护在电力系统的主变压器、线路和母线上大量使用，其灵敏度高、动作简单可靠快速、能适应电力系统震荡、非全相运行等优点，是其他保护形式所无法比拟的。光纤电流差动保护在继承了电流差动保护优点的同时，以其可靠稳定的光纤传输通道，保证了传送电流的幅值和相位正确可靠地传送到对侧。时间同步和误码校验问题，是光纤电流差动保护面临的主要技术问题。在复用通道的光纤保护上，保护与复用装置时间同步的问题，对于光纤电流差动保护的正确运行起到关键的作用，因此目前光纤差动电流保护都采用主从方式，以保证时钟的同步；由于目前光纤均采用64Kbit/s数字通道，电流差动保护通道中既要传送电流的幅值，又要传送时间同步信号，通道资源紧张，要求数据的误码校验位不能过长，这样就影响了误码校验的精度。目前部分厂家推出的2Mbit/s数字接口的光纤电流差动保护，能很好地解决误码校验精度的问题。光伏发电系统保护配置存在的问题

据本人在光伏电站从事运维的角度来看，并网光伏发电系统在逆变器，母线及出线方面的保护配置都是比较完善的，但有的方面还是具有一些不太合理的地方，具体如下：

a、光伏电站发电流程是太阳能板件通过汇流箱、直流配电柜等装置汇集到一起再送至逆变器，逆变器将直流逆变成交流再送至升压变将电压升高再送至电网。其中，在升压变上的保护就有点薄弱了，一般光伏电站的升压变容量都不会特别大，大概在1000kVA左右，所以大都为干式变压器及小型的油浸式变压器，这种变压器不带有电压互感器及电流互感器，所以在保护配置上也不存在电量保护，所具有的只是温度保护及三相高压熔断器，这比起电量保护可靠性也大大降低了。以某光伏电站事故为例，该站由于变压器本身存在问题，三相高压电缆烧毁，B相接地，B相的熔断器烧 2014年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文 断，但是变压器的负荷开关却未能及时跳开，导致母线B相接地，幸亏运行人员及时发现并断开进线开关柜，所以未能造成较大事故。这次事故也体现出来了变压器保护对于电站安全运行的重要性，要是变压器存在电量保护，也就不会出现类似的事故了。同样也可将熔断器的熔断信号接入变压器的分合闸控制回路当中，当熔断器熔断时，变压器能及时跳开负荷开关，减小事故范围。

b、光伏电站中开关柜不存在电压保护，电站开关柜保护只配有一、二段过流保护，低周、高周保护，母线PT的二次出现只接有测量和计量两对绕组，而PT的保护量直接接入了故障解列装置，一旦故障解列装置检测到PT断线或是低压，不管是哪条进线发生故障，必定是跳出线开关柜，这样就极大的扩大了事故范围，因此给每条进线开关柜引入一个电压量保护还是非常有必要的。

c、静止无功发生装置对电网的调节，光伏并网发电系统一般都是由逆变器自主实现自动并网和自动退网的，当光照达到一定强度，电压、电流值达到逆变器并网的条件时，逆变器便会自行并网，反之，当电压降低到一定范围时逆变器又会自动退网，这一整个过程都不需要人为控制的。而当一个电网有很多光伏发电系统接入时，在每天的清晨和半晚所有的光伏电站都在并网和退网的过程，并且因为光照强度忽强忽弱，所以大多数时候逆变器都不是一次就能并上，因此，在这个时刻，整个电网的电压波动都特别大，电压升高和降低的频率也变的非常快，这个时候对于电站的静止无功发生置就是一个很大的考验，IGBT不停的通断通断，容性无功和感性无功交替着改变，所以很容易造成静止无功发生装置跳闸并且在这段时间内都无法再次投入。此时，电网的无功就需要靠火电厂或是电网本身的无功调节装置来进行调节，但是，如果一个电网接入的光伏过多，火电厂及电网不能满足光伏并网时所需的无功调节，就很有可能导致一个电网的奔溃。当然，这类事故只是个人假设出来的，但也可以作为一个警钟，在以后电网的光伏与火电的配置当中可以适当进行平衡。结束语

在当今这个能源缺乏，环境恶化的状态下，光伏的重要性也日益体现出来了，在做好新能源的同时，也同样要保障安全发电，保障光伏发电系统以及电网的安全，在光伏电站保护配置这一方面也还有许多值得我们去深思的问题，只有让这套系统越来越完善，将来才会能更好的为我们所用。

第五篇：太阳能光伏发电系统照明系统的设计报告

太阳能光伏发电系统—照明系统的设计

摘 要：本文介绍一种基于光伏发电的多电源智能管理系统——太阳能照明系统的设计。这个设计，从根本上对太阳能得到全面的了解，掌握太阳能照明的优势，并阐述了太阳能路灯与普通路灯的本质区别，从中了解到太阳能是一种潜力无限的清洁、高效而且可持续的可再生能源，是全人类节能环保的首选。本文还对太阳能路灯照明的太阳能电池，蓄电池，支架等各方面作了一个详细的分析，比较，再根据光伏发电的原理特性，系统采用了智能化控制器，对智能控制器编程序，使得程序可以满足太阳能LED路灯的自动蓄电，自动照明，自动熄灭等一系列工作过程，使太阳能照明更加智能化。最后，本文还举出例子，对现在正使用的太阳能路灯进行了分析，研究，明确太阳能发展的趋势及前景。

关键字：光伏发电，太阳能，节能环保，智能控制 绪

论

1.1太阳能照明是发展的趋势

太阳的能源非常巨大，可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。太阳能照明本质上是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位。随着太阳能光伏技术的发展和进步，在民用方面首先应用在照明灯具上。据了解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。1.2太阳能路灯与普通路灯相比较

1.大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算

2.偷盗难，也不划算，太阳能路灯灯杆一般都在8米高以上，偷盗电线不合算 设计思路

太阳能光伏发电系统的基本原理相同，因而太阳能路灯的设计思路也可依据一般的太阳能发电系统，先确定太阳电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能路灯又有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠，所以在设计时需要特别注意。

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。

现本人想设计一个太阳能路灯的电路.白天充电靠太阳能电池吸收光能产生电能.而LED照明熄灭.夜晚LED点亮进行照明.并有电路保护电池不会过充过放。3 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 3.1太阳能路灯的组成

太阳能路灯由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、光源等组成。如图3.1

图3.1 太阳能原理方框

3.2太阳能路灯的工作原理

太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。白天的时候，太阳能电池吸收太阳光子能产生电能，通过控制器吧电能储存在蓄电池里，当夜幕降临或者灯具周围的广度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电设定的时间后切断，这样就可以照明了。4 各部件的组成及工作原理 4.1硅太阳能电池工作原理与结构

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图4.1。

图4.1 图4.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电 势差，这就形成了电源，如图4.5所示。

图4.5 由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结，以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。4.2蓄电池的组成及工作原理

太阳能照明必须配备蓄电池才能工作，这是因为：

（1）太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须储备在蓄电池内，储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。

（2）太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯等负荷才能正常

工作。

由于太阳能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 1.充电：

蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。

在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。化学反应过程如下：

（正极）（电解液）（负极）（正极）（电解液）（负极）PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb（充电反应）(硫酸铅)（水）（硫酸铅）2.放电

蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时，硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅”，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低。化学反应过程如下：

（正极）（电解液）（负极）（正极）（电解液）（负极）PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4（放电反应）(过氧化铅)（硫酸）（海绵状铅）

从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。

4.3电源控制器的组成及工作原理

4.3.1系统硬件结构

太阳能路灯智能控制系统硬件结构，如图4.6所示，该 以STC12C5410AD单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口，用于工作模式参数的设置。

图4.6

蓄电池电压采集，用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能，对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护：万一蓄电池开路，若在太阳能电池正常充电时，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。4.3.2电压采集与电池管理

太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断，因而可以做为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。

蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。当充电电压高于保护电压（15V）时，自动关断对蓄电池的充电；此后当电压掉至维护电压（13.2V）时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压（13.2V）后浮充关不，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压（11V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。4.3.3负载输出控制与检测电路

本系统设计了两路负载输出，每路输出均有独立的控制于检测，具有完善的过流、短路保护措施，电路原理如图4.7所示。

图4.7 注：P1.6为单片机18引脚；P1.7为单片机19引脚；

P3.2为单片机6引脚

负载过流及短路保护：设计了两级保护。第一级采用了R7(0.01Ω康铜丝)以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现，这里使用了硬件+软件的方式，LM358的输出送P1.7(A/D转换)口，用作过流信号识别，当电流超过额定电流20%并维持30s以上时，确认为过流；短路电流整定为10A，响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护，当流经电子保险丝的电流骤然增加时，温度随之上升，其电阻大大增加，工作电流大幅降低，达到保护电路目的，响应时间为秒数量级，过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体，无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后，在长达数小时时间负载短路实验后，控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护，一旦烧毁必须人为更换的问题，同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比，也具有明显的优点，简化了维护，提高了系统的安全性能。4.3.4系统软件设计 1..单片机软件编程

本设计方案的硬件电路对应的软件程序包括：主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。单片机的软件编程上，以KeilC编译器的Windows集成开发环境μvision2作为软件开发平台，采用C51高级语言编写。按键处理流程如图4.8所示，电压检测子程序如图4.9所示。

图4.8 按键程序流程图

图4.9 电压检测子程序流程图

1.ADS子程序

INT8U ADC(INT8U number)using 2 {number=number&0x0.7；//通道号不超过7

ADS_CONTR= ADS_CONTR e0； //清ADC_FLAG、AD不启动 While（（ADS_CONTR&0x10）=0x10）； 等待A/D转换结束 return（ADC_DATA）；//结束返回 } 2.外部0中断响应子程序

void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1 {if（P3_2）//高电平，认为是干扰信号触发中断 return delay 1（5000）； //10ms 延时 if（P3_2=0）

{load_switch_1=LSTOP；//负载开关1关 LOOP1_DL=1； 置负载短路标志 } } 这个太阳能路灯控制器可适用12V或24V工作光伏系统，可以直接驱动只留节能灯或通过逆变器驱动无极灯等作为照明光源，也可以驱动一些直流低压负载用于城市亮化。控制器的两路负载输出可以用于电动车道和人行道的照明，照明时间和工作模式可以灵活设置。着重解决了如何对蓄电池及负载进行有效管理问题，提高了太阳能电池板的使用效率，延长了蓄电池的使用寿命，防止因线路问题而造成的意外事件的发生。4.4各数据计算

4.4.1太阳能电池组件计算

设计要求：负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。

（1）湖州地区近二十年年均辐射量Kcal/cm2，经简单计算湖州地区峰值日照时数约为3.424h；

（2）负载日耗电量=12.2AH（3）所需太阳能组件的总充电电流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A 在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。

（4）太阳能组件的最少总功率数= 17.2×5.9 = 102W 选用峰值输出功率110Wp、两块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。4.4.2蓄电池计算

蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。

根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：

12.2×（7+1）= 97.6（AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。4.4.3太阳能电池组件支架 1.倾角设计

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。2.抗风设计

在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。

（1）太阳能电池组件支架的抗风设计

依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。（2）路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下：

电池板倾角A = 16o

灯杆高度= 5m 设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 4mm灯杆底部外径= 168mm 焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3×730 = 949N。

所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。

根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。破坏面抵抗矩 W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）

=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3 =88.768×10-6 m3

风荷载在破坏面上作用矩引起的应力= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa，其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。

所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。太阳能路灯的实际应用

日前，浙江省质量技术监督局审核通过了由湖州勤上光电股份有限公司提出并组织起草的《浙江省太阳能LED灯地方标准》，将于09年7月1日起实施。“以前没有行业标准，生产什么、怎么生产、产品达到什么技术要求没有明确规定。标准出台后，行业门坎提高了，肯定要淘汰一批不符合标准的企业，企业要做好准备。”国家照明电器标准化技术委员会负责人表示，标准的出台将使太阳能LED产业提前进入规范化调试期，引导行业由无序、无标准状态，向有序、有标准状态转变，“山寨灯”横行的局面将得以改变。

即将实施的《浙江省太阳能LED灯地方标准》是中国大陆地区LED行业首个地方标准，适用于250V以下直流电源或1000V以下交流供电的道路、街路、隧道照明和其它室外公共场所照明用太阳能LED灯。对于照明领域来说，这是一次不小的革命。

本次设计的太阳能路灯的总电路图如图5.1所示，其工作原理：太阳照射在硅光板上，太阳能电池开始工作，使二极管D1跟三极管Q1工作，蓄电池开始蓄电，待蓄电池蓄电完毕后，根据程序的设定，Q1反作用，停止蓄电；到晚上天色昏暗时，设定的程序启动，使蓄电池开始放电，二极管D2，D3，D4，D5，导通，三极管Q2，Q3工作，使LED灯照明，直到第二天早上，预先设定的程序又作用，使LED灯熄灭；当有

太阳照射硅光板的时候，蓄电池又开始蓄电，这样，无限的循环，就可以使路灯自动蓄电，自动照明，自动熄灭，大大减少了人力物力，而且这样的设计，能节约更多的电能。

图5.1 太阳能路灯的总电路图

如图5.2所示，下面是本次设计的实际应用例子。

图 5.2 头顶太阳能板，晒一天太阳能照明6天的新式太阳能路灯，近期出现在了肇庆园区星港街上。从园区城管部门了解到，今年园区将改造多处路灯，推广绿色照明。

在基本完成改造的湖滨街上可以看到一批造型简洁的新式太阳能路灯已经竖立了起来。据路灯施工方相关负责人介绍，这批路灯头顶有一块太阳能板，将光能转换为电

能后自动存储在路灯的蓄电池中。太阳能板晒一天太阳后，可以在蓄电池内储存供路灯正常工作6天所需的电量，即使接下来6天都是阴雨天，路灯照样还能亮起来。

为了保证路灯的照度，这批太阳能路灯还安装了一个特殊的控制转换器，当太阳能发电不能满足路灯照明需要时就会自动切换到普通电源。有了太阳能板、蓄电池和控制转换器的路灯，在造价上自然比普通路灯要贵一些。据该负责人介绍，星港街沿线共要安装1500套太阳能路灯，部分景观带上的照明灯也将使用太阳能灯。

从园区城管部门了解到，今年园区将着手改造部分道路照明，全部使用节能灯具和绿色能源。首期老路灯改造，要把园区8到10条主要道路的老式路灯灯头更换为LED路灯灯头，预计可节电三分之二。另外，中新科技城今年也将改造安装太阳能LED路灯3500套。园区在亮化工程建设中，将尽可能地采用以LED为主的节能型光源和灯具，可比传统光源节能约30%。

据了解到，在厦门，北京，甘肃，上海，广东等城市也开始着手安装新式的太阳能LED灯，这对我国推行节能照明迈出了一大步。结 论

整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。

目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。参考文献：

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致 谢

历时三天，在我参考、收集大量资料和本班同学讨论研究之下，太阳能路灯课题设计总算完成了。

由于设计课题较为困难，期间，我花了较多的时间去收集相关资料，对其进行学习了解。在写这一设计的时候，我对我们的专业有了更深一层的了解和认识，同时也使我对太阳能光伏发电这个领域有了进一步的了解。

感谢指导老师郑老师，在我设计论文期间给了我很多的启蒙及指导。她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。从课题的选择到最终完成，都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向邵师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！