家用太阳能光伏发电系统设计

科技创新与应用ｌ　２０１１年１１月上半月刊　科技创新　家用太阳能光伏发电系统设计　高彪　林善法：　何剑峰　李杨　杨建斌，　严思韵　（１、浙江工商大学，，浙江杭州３１００００　２、浙江工商大学信电学院实验老师。浙江杭州３１００１８）　摘　要：太阳能分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭是人类最终可以依赖的能源。为解决边远地方人们日常生活、生产用　电的需要，改善人们的生活水平，进行了家用太阳能光伏发电系统的设计。给出了系统的设计方法及施工要求，包括蓄电池容量的　计算、控制器的选择、基于ＴＩＡ９４对逆变器的设计等。　关键词：太阳能光伏发电；系统设计；控制及逆变电路的实现；ＴＬ４９４　和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为　家用太阳能发电系统是一种可再生的、环保型的新型能源技　储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统　术，人类生存活动更离不开太阳能。全球目前年能源消费的总和只　造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运　引言　相当于太阳在４０分钟内照射到地球表面的能量。太阳能随处可得，　不必远距离输电，无噪声，不污染环境。由于这些独特的优点，太阳　能发电作为新兴的产业正在迅速崛起，正如世界观察研究所的一项　报告所指出：正在兴起的“太阳经济”将成为未来全球能源的主流，　实现以“太阳经济”为主的能源转移将创造新的产业，就像石油帮助　人类形成今天的社会一样，这种新的能源经济也将创造人类的未　来。　１太阳能光伏发电应用历史及现状　自１８３９年发现“光生伏打效应”和１９５４年第一块实用的光伏　电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展　仍然比计算机和光纤通迅要慢得多。１９７３年的石油危机和２０世纪　９０年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着　人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国　政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策　也不断出台。以１９９７年美国总统克林顿的“西万太阳能光伏屋顶计　划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等同也　纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发　展。　中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年１７０００亿吨标准　煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于２Ｏ　世纪７０年代起步，９０年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件　产量逐年稳步增加。经过３０多年的努力，已迎来了快速发展的新阶　段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光　伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。　２００７年，中国光伏电池产量首次超过德国和日本，居世界第一　位。２００８年的产量继续提高，达到了２００万干瓦。近５年来，中国光　伏电池产量年增长速度为１－３倍，光伏电池产量占全球产量的比例　也由２００２年１．０７％增长到２００８年的近１５％。商业化晶体硅太阳能　电池的效率也从３年前的１３％一１４％提高到１６％一１７％。　据欧洲光伏工业协会ＥＰＩＡ预测，太阳能光伏发电在２ｌ世纪会　占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将　成为世界能源供应的主体。预计到２０３０年，可再生能源在总能源结　构中将占到３０％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占　比也将达到１０％以上；到２０４０年，可再生能源将占总能耗的５０％以　上，太阳能光伏发电将占总电力的２０％以上；到２１世纪末，可再生　能源在能源结构中将占到８０％以上，太阳能发电将占到６０％以上。　这些数字足以显示　太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域　重要的战略地位。　２太阳能光伏发电系统组成及运行方式　太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，　将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行　图１太阳能发电系统示意图Ｓｏｌａｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　一ｌ２　行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效　率和更好的环保性能。太阳能光伏发电独立系统主要包括太阳能电　池组件、控制器、蓄电池组、直流／交流逆变器等部分，其结构如图ｌ　所示。　３蓄电池容量　对于独立光伏系统来说，蓄电池是系统中非常重要的一部分。　如果蓄电池　现问题，整个系统都无法Ｔ作。在作为储能的同时，蓄　电池在光伏系统中还起到了稳压的作用。对于系统巾蓄电池容量最　佳值的确定，必须综合考虑太阳能光伏电池板的容量、安装地最长　时间连续无日照期间用电时数、负载容量等。蓄电池容星的计算方　法有多种，一般可以通过式（３－１）算　：　ｒ一　！Ｑ　一Ｖ　１１　Ｋ　ｆ３一ｌ１　其中：ｃ为蓄电池容量（Ａｈ）；ｄ为最长无日照期间的用电时数　（ｈ）；Ｑ为平均负载的功率（Ｗ）；Ｖ为系统电压（Ｖ）；Ｋ为温度系数，一　般取０．５～０．９５；　为蓄电池的放电深度，一般取０．５～０．８。　这个计算公式是根据平均负载功率和最长连续无日照时的用　电时间计算出蓄电池容量的，对于一般系统的设计都适合。　使用电池时还需要安装充电控制器。如果能够妥善使用电池，　避免过度充电或过度消耗，那么电池的寿命会长得多。这上Ｅ是充电　控制器要做的工作。一旦电池充满电，充电控制器就不再允许电流　从光伏模块继续流人电池中。同样，一旦电池电量消耗到一定水平　（通过测量电池电压来控制），很多充电控制器将不允许更多的电流　继续从电池流出，直至对电池进行重新充电。充电控制器的使用对　延长电池寿命起到了重要作用。　由光伏模块产生的电以及从电池中提取（如果选择使用电池）　的电都是直流电，而电网所供应的电（以及房间中各种家用电器使　用的电）是交流电。因此您需要一个换流器，这是一种能将直流电转　换为交流电的设备。大多数大型换流器还允许您自动控制系统的Ｔ　作方式。有　名为交流模块的光伏模块实际上在每个模块中内置了　图２光伏充电控制器电路　科技创新　２０１１年１１　Ｎ　Ｉ－￣ＮＴ０　ｌ科技创新与应用　塔类设备水法正压试漏阐述　程效东　（大庆石化公司腈纶厂聚合车间，黑龙江大庆１６３０００）　摘要：化工装置每年塔类设备必须进行周期性检修，以往拆装后的塔类设备是采用负压保压的方法查漏点。检查过程中需要在　各法兰连接处涂抹肥皂液，由于脱单塔表面粗糙肉眼很难发现漏点。有时开车后脱单塔真空还会发生波动，必须继续查找漏点。　开车后因为脱单塔是连续抽真空的，堵漏后仍然可能存在漏点。真空泵负载变大，需要启动两台真空泵，造成电消耗增高。　关键词：脱单塔水；塔类，设备　１具体实施措施　采用脱单塔水法正压试漏后，漏点排除率：　对拆装后的脱单塔采取了加水正压试漏的方法。脱单塔高度为　２００８年～２０１０年，每年平均拆塔４台次，开车后没有发现漏点，　１２米，从脱单塔底加水，Ａ级水压力为０．５ＭＰａ，当脱单塔内的水加　漏点排除率１００％。　满后，溢流到终止罐出料管线，当管线上方压力表压力为Ｏ－３　ＭＰａ　经济效益：　时，停止加水，避免压力过大将脱单塔下料视镜压坏。观察脱单塔各　每台真空泵功率为４ｋｗ，每台次泵运行５０天，每年减少２台　法兰连接点，如果密封不严就会有水漏出。联系维修人员进行处理，　次，电费０．４４元ｋｗ／ｈ　直到各连接点不再漏水为止。　每年增加效益＝２台次＊４ｋｗ＊５０天＊２４小时　０．４４元ｋｗ／ｈ＝４２２４　２所能达到的效果　兀　未采用脱单塔水法正压试漏前，漏点排除率：　３总结　２００４年一２００７年，每年平均拆塔４台次，开车后有２台次存在　用此法可以简化塔类设备试漏检查过程，准确率高，简单易行，　漏点。漏点排除率５０％。　适用于同类装置和相似装置的塔类设备的密封性检查。　一个换流器，因而无需使用大型的集中型换流器，并简化了接线问　输入端。此接法中，当第１６脚输入大于５ｖ的高电平时，可通过稳压　题。　作用降低输出电压，或关断驱动脉冲而实现保护。在它激逆变器中　４光伏充电控制器电路设计ｆ见图２）　输出超压的可能性几乎没有，故该电路中第１６脚未用，由电阻Ｒ８　５逆变器电路设计　接地。　利用ＴＬ４９４组成的５００Ｗ大功率稳压逆变器电路。它激式变换　该逆变器采用容量为４００ＶＡ的工频变压器，铁芯采用４５×　部分采用ＴＬ４９４，ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＤ３、ＶＤ４构成灌电流驱动电路，驱动两　６０ｍｍ　的硅钢片。初级绕组采用直径１．２ｍｍ的漆包线，两根并绕２×　路各两只６０Ｖ／３０Ａ的ＭＯＳ　ＦＥＴ开关管。如需提高输出功率，每路可　２Ｏ匝。次级取样绕组采用０．４１ｍｍ漆包线绕３６匝，中心抽头。次级　采用３～４只开关管并联应用，电路不变。ＴＩＡ９４在该逆变器中的应　绕组按２３０Ｖ计算，采用０．８ｍｍ漆包线绕４００匝。开关管ｖＴ４～ＶＴ６　用方法如下：第１、２脚构成稳压取样、误差放大系统，正相输入端１　可用６０Ｖ／３０Ａ任何型号的Ｎ沟道ＭＯＳ　ＦＥＴ管代替。ＶＤ７可用　脚输入逆变器次级取样绕组整流输出的１５Ｖ直流电压，经Ｒ１、Ｒ２　１Ｎ４００Ｘ系列普通二极管。该电路几乎不经调试即可正常工作。当　分压，使第１脚在逆变器正常工作时有近４．７～５．６Ｖ取样电压。反相　Ｃ９正极端电压为１２Ｖ时，Ｒ１可在３．６～４．７ｋｎ之间选择，或用１０ｋＳｑ　输入端２脚输入５Ｖ基准电压（由１４脚输出）。当输出电压降低时，１　电位器调整，使输出电压为额定值。如将此逆变器输出功率增大为　脚电压降低，误差放大器输出低电平，通过ＰＷＭ电路使输出电压升　近６００Ｗ，为了避免初级电流过大，增大电阻性损耗，宜将改用２４Ｖ，　高。正常时１脚电压值为５．４Ｖ，２脚电压值为５Ｖ，３脚电压值为　开关管可选用ＶＤＳ为１００Ｖ的大电流ＭＯＳ　ＦＥＴ管。需注意的是，宁　０．０６Ｖ。此时输出ＡＣ电压为２３５Ｖ（方波电压）。第４脚外接Ｒ６、Ｒ４、ｃ２　可选用多管并联，而不选用单只ＩＤＳ大于５０Ａ的开关管，其原因是：　设定死区时间。正常电压值为０．０１Ｖ。第５、６脚外接ＣＴ、ＲＴ设定振　一则价格较高，二则驱动太困难。建议选用１００Ｗ３２Ａ的２ＳＫ５６４，或　荡器三角波频率为１００Ｈｚ。正常时５脚电压值为１．７５Ｖ，６脚电压值　选用三只２ＳＫ９０６并联应用。同时，变压器铁芯截面需达到５０ｃｍ２，　为３．７３Ｖ。第７脚为共地。第８、１１脚为内部驱动输出三极管集电极，　按普通电源变压器计算方式算出匝数和线径，或者采用废ＵＰＳ一６００　第１２脚为ＴＬ４９４前级供电端，此三端通过开关Ｓ控制ＴＬ４９４的启　中变压器代用。如为电冰箱、电风扇供电，请勿忘记加入Ｌｃ低通滤　动，停止，作为逆变器的控制开关。当ｓ１关断时，ＴＬ４９４无输出脉冲，　波器。　因此开关管ＶＴ４～ＶＴ６无任何电流。ｓ１接通时，此ｊ脚电压值为蓄电　ＴＬ４９４是一种固定频率脉宽调制电路，内置了线性锯齿波振荡　池的正极电压。第９、１０脚为内部驱动级三极管发射极，输出两路时　器，振荡频率可通过一个外部的电阻和一个电容调节，其振荡频率　序不同的正脉冲。正常时电压值为１．８Ｖ。第１３、１４、１５脚其中１４脚　如下：　输出５Ｖ基准电压，使１３脚有５Ｖ高电平，控制门电路，触发器输出　±　＝１．１／ＲＴ　ＣＴ　两路驱动脉冲，用于推挽开关电路。第１５脚外接５Ｖ电压，构成误差　输出脉冲的宽度是通过电容ｃＴ上的正极性锯齿波电压与另外　放大器反相输入基准电压，以使同相输入端１６脚构成高电平保护　两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Ｑ１和Ｑ２受控于或非　门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才被选通，即只有在锯齿　波电压控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽　度将减小。　６结束语　对于处在多尘、少雨的地区，定期清洗太阳能电池阵列尤为重　要。有效的清理可以防止热斑效应的发生，并保证阵列的良好的受　光条件。　参考文献　［１］崔容强等．并网型太阳能光伏发电系统［Ｍ】．北京：化学工业出版　社．２００７．７．　［２］董宏等．通信用光伏与风力发电系统［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，　２００８．６．　［３】杨金焕等．独立光伏系统中蓄电池的作用及选择『Ｊ１．新能源，１９９５　（７）　【４］陆均等．太阳能发电地面应用的前景及发展方向Ⅲ．新能源．　１９９５．１７（２）：９￣１　１．　［５］李正家等．通信电源技术手册［Ｍ］．北京；人民邮电出版社，２００９：　图３　５００Ｗ功率稳压逆变器电路　１１５～１４４　—１３—