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1、多功能太阳能停车棚设计 摘要：本项目利用太阳能光伏阵列发电，电能可用于给电动车辆的充 电，也可用于给笔记本电脑、手机等便携设备充电和使用，夜间还可 提供节能照明。系统节能环保，减少二氧化碳排放，符合低碳经济、 绿色环保的全球性发展趋性。本项目需要完成多功能太阳能停车棚的设计，其中包括结构设计、 电能变换系统、节能照明及控制系统、储能及充放电控制系统和总体 设计。 关键词：太阳能、光伏阵列、电动车充电、逆变器、蓄电池。Abstract: We use solar energy photovoltaic array to generate electricity, the electricity
2、can be used to charge for electrically driven vehicle, laptop, mobile phone and other portable equipment. It can also provide power for illumination at night. The system is energy saving and environmentally friendly. It lets out less carbon dioxide and accords with the trend of low carbon(LC) econom
3、ic and the globalization of green environment.We will achieve the designing of multifunction solar motor pool which includes structure design, electric energy transformation system, energy conservation illumination , control system, energy storation and charge-discharge control system and the totall
4、y design.Keywords: Solar energy, photovoltaic array, charging for electrically driven vehicles, iverter and storage battery.一、结构设计在进行光伏阵列设计时，为了能让光伏阵列更多地获取太阳辐射能 量和更多的日照时间，除了提高光伏阵列材料的能量转换效率等问题 外，还要考虑放置光伏阵列方位和倾斜角的最佳设计方案。这些设计 都要涉及相关的各种太阳角等变量的计算问题。太阳光线与光伏阵列表面法线之间的夹角，称为太阳入射角。对 于光伏阵列表面来说，从任意角度入射的太阳光线均可分解为垂
5、直分 量和水平分量两部分，其中只有垂直分量的辐射可以被有效吸收，而 平行分量则对于获取太阳能能量毫无价值。所以通常希望太阳光入射 角。越小越好。下面用三角函数的计算形式分别列出各种有关太阳角变量之间的 关系。公式中符号对应变量如下：太阳入射角。、光伏阵列倾斜角B、 光伏阵列方位角Y、太阳赤纬度 （赤纬度是地心与太阳中心的连线 与天赤道之间的夹角，反应了地球绕太阳公转的规律，春分或秋分时 候，太阳直射在赤道，为0，夏至时6=23 27，冬至时=-23 27）、当地纬度、太阳时角太阳高度角a、太阳方位角叫。1.1高度角任意条件下的太阳高度角a为sin a = sin 9 sin 5 + cos 9
6、 cos 5 cos 0h (1)在这里我们不考虑时角。h，令其为0（即正午时候的角度）。这样就 得到sina=sinpsin5 +cospco5 = cos9-5) =sin90t(p-5)(2)若96,则正午时分太阳在天顶的北方,该地区3)a = 90 o - 9 + 54)若9 6,则正午时分太阳在天顶的南方，sina = sin9O +（9-5）该地区5)a = 90 o +9-56)sina = sin9O -（9-5）1.2 方位角太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏 设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南即方阵垂直面与正南的夹角为0）时
7、，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30度时，方阵的发电量将减少约10%15%； 在偏离正南（北半球）60。时，方阵的发电量将减少约20%30%。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此 方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在 不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量 最大的时候。1.3位置安放阴影对发电量的影响一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵 面完全没有阴影的前提下得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直 接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减 少约10%20%。因此选择一个无阴影遮挡的地区尤
8、其重要。考虑 到十二块电极板所占地是比较大的，学校又多有树木、楼房等遮挡， 故经过多方面考察，选取理学院楼顶作为地址。1.4抗风性虽然极板放在南侧建筑顶层，周围的建筑可以起到一定的挡风作 用，但到了风大的冬季，这远远是不够的。电池板的面积较大，受风 很大，所以应将支架在楼顶用水泥浇筑固定。二、电能变换系统光伏阵列产生的电一般需经过一定的变换使用，电能变换系统的主 要工作方式包括直流变换为交流和直流变换为直流两种，利用逆变器 直流变换为交流，利用Boost-Buck电路直流变换为直流。 2.1逆变器逆变器是把蓄电池输出的直流电变成交流电的装置，照明负载为交 流负载时须使用，直流时不必使用，我国室
9、外照明一般为220 V、50 Hz 交流，因此，逆变器多为DC 24 V （或12 V、36 V） /AC 220 V的电压 形式逆变器也应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保 护及雷电保护等功能。按隔离方式逆变器可分为独立光伏逆变器和并网光伏逆变器。在这里我们所米用的是后者。通过光伏组件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，经过逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频、 同相的正弦交流电流。逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。QtjC滤波器2.2 Boost-Buck 变换器直流变换电路是依靠半导体
10、开关器件的开关动作将某一直流电压变换为另一个直流电压的电路。这里的变换电路相当于交流电源变压式的变压器，它通过开关器件的导通和关断时间，配合电感和电容 器件以连续的改变直流电压。直流变换电路分为直接变换和间接变换 两类，前者没有中间变压器的介入，直接进行直流电压的变换；后者 将先将直流变换为交流电压，经变压器转换后再变为直流电压。直流变换电路可分为两大类。一类是直流斩波器，其包括：1. Buck 变换器、2. Boost 变换器、3. Buck-Boost 变换器、4. Boost-Buck 变 换器。另一类是开关电源型DC/DC变换器，其包括：1.单端正激变换 器、2.单端反激式变换器、3.
11、推挽变换器、4.桥式变换器。我们分析了各个电路的有缺点，再根据实际的情况选择了Boost-Buck电路进行升直流降压变换。下面具体的分析Boost-Buck 变换器。Boost-Buck电路是在Boost电路后面串联一个Buck电路构成的,其电路图如图2.1所示。经等效简化，其电路由开关管T、二极管D、 电感器L和L2和电容器C和C等组成，如图2.2所示。1 2 1 2DiT(CH图 2.1 Boost-Buck 变换器7ll_*i冷 T X T 、1hCihTSz DG 二二 R4+1f丄2图2.2 Boost-Buck变换器简化电路工作原理:将Buck-Boost变换器进行对偶变换，可以得
12、出Boost-Buck 变换器。Buck-Boost变换器是由电压源、电流源转换器、电压负载 组成的一种拓扑，而Boost-Buck变换器是由电流源、电压源转换器、 电流负载组成的，中间含有一级电容储能的电压转换器。电路能量的 存储和传递是同时存在于开关期周期的t和t阶段，分别在两个环 onoff路中进行，如图2.3所示。S G Lx rwJ+ + -(H)Cb)(c)图2.3 Boost-Buck变换器中电流和电压的分配设开关控制周期为T,导通占空比为D,则导通期为t二DT, s on s截止期为 t =(1- D) T 。当经过若干周期进入稳态后： off s 在t期间(图2.2中T导通)
13、，把输人输出环路闭合，二极管Don反偏而截止，构成如图2.3 ( a)所示的等效电路。这时输入电流i1使电感L储能；C经T放电，放电电流i使C和L储能，并供电给1 1 2 2 2负载R。T中流过输人、输出电流之和为i + i。12 在t期间(图2.2中T截止)，二极管D正偏而导通，将输人、off输出环路闭合，构成如图2.3(b)所示的等效电路。这时电源输人和L的释能电流i向C充电，同时L的释能电流i以维持负载。流过D 1 1 1 2 2的电流亦为输人、输出电流之和i + i。12 这个电路无论在t及t期间，都能够从输人向输出传递功率,on off只要输人、输出电感L、L及电容器C有足够大容量，
14、则L和L中 1 2 1 1 2的电流基本上是恒定的。在t期间，输入电流i使C充电储能;而 off 1 1在t期间，C向负载放电释能，C是个能量的传递元件。电流i和 on 1 1 1i波形如图2.3c)所示。2该电路的输出、输入电压关系如下：1)其中D为开关管T导通的占空比。显然，调整D可以改变输出电压U和输入电压U的关系。 os设输出电压U加在纯电阻负载两端。从太阳能电池端口看进去，虚o线后Boost-Buck电路和负载可视为一个等效输入电阻R，且它在数eq值上等于U与I的比值。若以理想情况考虑，忽略中间环节的能量ss损耗，设光电输出100转换为负载消耗，则由功率平衡可得：U I 二U I （
15、2）s s 0 0而纯电阻负载消耗的功率可表示为：U2(3)= j0联立（1）（2）（3）式得：UI 二 D2U2s s (1 D)2r(4)上式稍作变形即得：ReqUsIs由此可见，改变D,就就可以改变变换电路输入端的等效电阻值, 相当于改变了负载特性曲线的斜率，于是负载曲线与太阳能电池I -U 曲线的交点也随着改变， 而此交点正是太阳能电池的工作点。因 此，通过调节D，就可在限定范围内调节太阳能电池的输出电压, 使其有最大功率输出。Buck-Boost 变换器输出电压可高于或低于输人电压，提供一个反极 性不隔离的输出电压，其输入和输出电流都是连续的，具有较小的纹 波分量，可输出较平稳的波形。三、光伏照明及控制系统太阳能车棚光伏照明及控制系统主要由太阳能电池组件、智能控制 器、蓄电池和照明光源等组成，它们构成了一个独立的照明系统 3.1 智能控制器智能控制器的作用是控制太阳能灯系统的工作状态，如照明灯的光 控或设置开关、调光、雷电保护、电路短路保护、最大功率点跟踪等，
