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電能是社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要保障，它和高科技的緊密結(jié)合創(chuàng)造了豐富多彩的人類生活，同時(shí)電能的廣泛應(yīng)用也導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的電力供應(yīng)不足現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。從世界范圍內(nèi)來看，火力發(fā)電是目前發(fā)電的最主要形式，但是由于石油、天然氣、煤炭等化石燃料的大量燃燒，不僅帶來了能源枯竭問題，也使環(huán)境污染，尤其是大氣污染問題日益嚴(yán)重。從2013年年初開始，PM2.5這個(gè)詞匯不斷被人們所關(guān)注，惡劣的霧霾天氣已經(jīng)影響到我國的絕大多數(shù)城市，而且在2014年又有加重的趨勢。為了緩解經(jīng)濟(jì)增長、能源短缺以及環(huán)境污染之間的矛盾，我國政府相關(guān)部門出臺(tái)了很多政策，比如提高能源利用率、搬遷高污染行業(yè)、完善各區(qū)域間大氣污染聯(lián)控機(jī)制等。但是從實(shí)施效果上來看，這些措施都是治標(biāo)不治本，只有轉(zhuǎn)變目前能源的使用方式，大力發(fā)展和普及太陽能、風(fēng)能等清潔能源，徹底改變以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，才能從根源上緩解能源短缺和環(huán)境污染問題，進(jìn)而消除電力供應(yīng)不足和大氣霧霾等現(xiàn)象
光伏裝機(jī)容量的迅猛發(fā)展離不開光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在國際上對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的研究側(cè)重于高效穩(wěn)定且成本低廉的光伏直流變換器、光伏并網(wǎng)逆變器以及分布式光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)等方面。依托于光伏屋頂計(jì)劃和國家法規(guī)的支持，許多歐美發(fā)達(dá)國家相繼成功研發(fā)了針對(duì)不同場合的光伏發(fā)電裝置。與世界光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展相比，我國的光伏產(chǎn)業(yè)才起步不久，而且相關(guān)政策的不健全使得我國的光伏發(fā)電工程存在應(yīng)用面窄、技術(shù)不規(guī)范和閑置率高等問題。另外，我國的光伏板制造產(chǎn)業(yè)從2012年開始進(jìn)入冬天，歐美對(duì)我國光伏廠商制定的雙反政策使得國內(nèi)生產(chǎn)的大部分光伏電池都無法出口，而此時(shí)國內(nèi)滯后的光伏發(fā)電市場又不能消化如此高的產(chǎn)能。因此，為了促進(jìn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國一方面要完善光伏發(fā)電政策來擴(kuò)大國內(nèi)市場，另一方面要大力推進(jìn)光伏應(yīng)用技術(shù)研發(fā)來保證光伏發(fā)電項(xiàng)目的順利開展。
目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種形式。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看光伏并網(wǎng)發(fā)電形式是光伏發(fā)電應(yīng)用的趨勢，但是目前光伏并網(wǎng)發(fā)電成本過高，而且電網(wǎng)對(duì)光伏電能的收購政策還不完善，使得并網(wǎng)發(fā)電無法大規(guī)模推廣。相比之下，離網(wǎng)發(fā)電形式因具有安裝方便、不受電網(wǎng)政策限制、成本相對(duì)較低等特點(diǎn)而同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。
離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)家庭用戶和遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電區(qū)以及一些特殊場所有極其特殊的意義，本文將要研究的離網(wǎng)型光伏發(fā)電裝置首先可以為不在電網(wǎng)供電范圍內(nèi)的居民解決用電問題，從而改善他們的生活條件、提高生活品質(zhì)。其次，有電網(wǎng)覆蓋的區(qū)域也可以采用此系統(tǒng)來緩解用電高峰時(shí)的電網(wǎng)壓力，做到綠色能源的良好利用。在產(chǎn)品創(chuàng)新方面，本論文將蓄電池充電技術(shù)與正弦波逆變功能相結(jié)合，并引入能量管理策略設(shè)計(jì)了離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，目前市場上同類產(chǎn)品較少，有一定的市場潛力
本文主要對(duì)光伏發(fā)電裝置中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進(jìn)行了細(xì)致科學(xué)的設(shè)計(jì)，此外，論文內(nèi)容對(duì)CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DCDC及DCAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、指示電路部分的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了詳細(xì)說明。具體內(nèi)容如下： 1) 控制器總體方案：利用結(jié)構(gòu)框圖說明系統(tǒng)組成 2) 太陽能電池板充電接口設(shè)計(jì) 3) DCDC及DCAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：逆變功率達(dá)到2kW。 4) 蓄電池充放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)：防止蓄電池過充、過放影響其使用壽命。 5) CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用單片機(jī)、或嵌入式控制器進(jìn)行充放電管理。 6) 指示電路：利用液晶屏和少量發(fā)光二極管指示蓄電池充、放電的電流電壓狀 態(tài)。 7) 軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)各部分控制流程圖和具體程序的編寫。
離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，為滿足符合能量的需求,在系統(tǒng)設(shè)置地點(diǎn)的日照條件和環(huán)境溫度等情況下，優(yōu)選出合適的太陽能電池方陣和蓄電池容量，并使系統(tǒng)中所有設(shè)備相互匹配，保證系統(tǒng)的合理性和適用性。一個(gè)完善的太陽能光伏電源系統(tǒng)需要考慮多種因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，如電氣性能設(shè)計(jì)、熱力設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，對(duì)地面應(yīng)用的獨(dú)立電源系統(tǒng)來說，最主要的是根據(jù)使用要求，決定太陽能電池方陣和蓄電池規(guī)模，以滿足正常工作的需求。 太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括： （1）太陽能控制器(光伏控制器和風(fēng)光互補(bǔ)控制器)對(duì)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲(chǔ)存，當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，太陽能控制器要控制蓄電池不被過放電，保護(hù)蓄電池。控制器的性能不好時(shí)，對(duì)蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統(tǒng)的可靠性。 （2）太陽能蓄電池組的任務(wù)是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負(fù)載用電。 （3）太陽能逆變器負(fù)責(zé)把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負(fù)荷使用。太陽能逆變器是光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。由于使用地區(qū)相對(duì)落后、偏僻，維護(hù)困難，為了提高光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證電站的長期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發(fā)電成本較高，太陽能逆變器的高效運(yùn)行也顯得非常重要。 太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要產(chǎn)品分類 A、光伏組件 B、風(fēng)機(jī) C、控制器 D、蓄電池組 E、逆變器 F、光伏發(fā)電控制與逆變器一體化電源。 離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)是一種常見的太陽能應(yīng)用方式，一般來說，太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。太陽能電池陣列是整個(gè)系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉(zhuǎn)化為電能;控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運(yùn)行；蓄電池的功能在于儲(chǔ)存太陽能電池陣列受光照時(shí)所發(fā)出的電能并在無光照時(shí)向負(fù)載供電;逆變器是將直流電變換為交流電的設(shè)備，由于太陽能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當(dāng)系統(tǒng)向交流負(fù)載供電時(shí)，逆變器是不可缺少的。常用的太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.1所示。
太陽能光伏電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則是在保證滿足負(fù)載用電量需要的前提下，確定最少的太陽能電池組件和蓄電池容量。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，合理確定太陽能電池組件數(shù)量和蓄電池容量、包括安全性、可靠性等諸多方面的要求。 系統(tǒng)配置的設(shè)計(jì)主要考慮兩種因素： （1）根據(jù)負(fù)荷需求，環(huán)境參數(shù)和太陽能光伏電源系統(tǒng)部件的電氣參數(shù)，選擇不同的系統(tǒng)部件。 （2）需要確定的數(shù)據(jù)主要包括：安裝地點(diǎn)的日照輻射、太陽能電池方陣傾斜面的日照輻射、環(huán)境溫度參數(shù)。系統(tǒng)電壓、負(fù)荷能量需求，最大和平均的放電電流。控制器、逆變器調(diào)節(jié)特性與參數(shù)，太陽能電池組件和蓄電池的特征參數(shù)和系統(tǒng)供電可靠性和供電電源可用率。
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