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1、2太阳能应急电源系统的原理及组成太阳能应急电源系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳 辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、充电放电控制器、 蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。2.1.1太阳能电池的工作原理光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决 定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的 正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的低端经 过负载流到电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是 太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸
2、收的光子越多，产生的电流也就越大。 光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基 能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损 失的影响将使太阳能电池的效率下降。2.1.2太阳能电池的种类及其区别目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太 阳能电池、非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅 材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂 贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部 被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不 规则
3、而损失，所以多晶体硅太阳能电池的效率一般比单晶体硅太阳能电池低， 多晶体硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶体硅太阳能电池 的低。非晶体硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低， 稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器 等。一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为13%-15% ；多晶硅太阳能电池 的光电转换效率为11%-13% ；非晶硅太阳能电池的光电转换效率为5%-8%。2.1.3太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压，为了 满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含
4、一定 数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池 的标准数量是36片，能提供大约17V电压，正好能为额定电压为12V的蓄电池 进行有效的充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成物理单元被称为太阳能电池组件，具有一 定的防腐、防风、防雨等能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要 较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池 方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性，也称为V-I特性曲线， 如图2-3所示。V-I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压 Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太
5、阳能电池组件电路短路即V=0，此时 的电流称为短路电流Isc ；如果电路开路即1=0，此时的电路称为开路电压Voc。 太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P二V*I。当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从 零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从零开始增加；当电压达到 一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将越过最大点，并 逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非 线性，在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点，该点所对应的电压， 称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的
6、电流，称为最 大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率称为最大功率Pm。太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电 池的温度。太阳的辐照度越强，输出的功率越大；太阳光谱分布越密集，输出 功率越大；太阳能电池的温度越高，开路电压越低，输出功率越低。2.2充电放电控制器充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功 能的电子设备。由于蓄电池组的循环充放电次数及充放电深度是决定蓄电池使 用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电放电控制器是 必不可少的设备。2.2.1充电放电控制器的功能控制器的功能：（1）高压（HVD）断开和恢复功能
7、：控制器应具有输入高压断开和恢复连接 的功能。（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器 应能自动发出声光告警信号。（3）低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种 继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安 全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报 警代替自动切断。（4）保护功能： 防止任何负载短路的电路保护。 防止充电控制器内部短路的电路保护。 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。（5
8、）温度补偿功能：当蓄电池温度低于2 5 C时，蓄电池应要求较高的充电电 压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。通常铅 酸蓄电池的温度补赏系数为-5mv/C/CELL。2.2.2充放电控制器的分类应急充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能 型和最大功率跟踪型。（1）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把应急阵列的输出分流到 内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗 热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在12伏、20安以内的系统。 这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。（2）串联型控制器：利用机械继
9、电器控制充电过程，并在夜间切断应急阵列。 它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容 易制造连续通电电流在45安以上的串联控制器。（3）脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关应急阵列的输入。当蓄电池趋 向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种 充电过程形成较完整的充电状态，它能增加应急系统中蓄电池的总循环寿命。（4）智能型控制器：采用带CPU的单片机（如Intel公司的MCS51系列或 Microchip公司PIC系列）对应急电源系统的运行参数进行高速实时采集，并 按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路应急阵列进行切离/接通控制。对 中
10、、大型应急电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器 进行远距离控制。（5）最大功率跟踪型控制器：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功 率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运 行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并 作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最 大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式，使 充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。2.2.3充放电控制器的工作原理（1）单路并联型充放电控制器并联型充放电控制器充电回路中的开关器件
11、T1是并联在太阳电池方阵的输出端， 当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截 止，则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电， 从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。D1为防“反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时， D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太 阳电池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路 时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电 池电压小于“过放电压”时，T
12、2也关断，进行“过放电保护”。D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路 放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。 检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使 T1导通进行“过充电保护”；当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过 放电保护”。（2）串联型充放电控制器：串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似，唯一区别在于开关 器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串 联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电 池不再对蓄电池进行充电，起到
13、“过充电保护”作用。其它元件的作用和串联型充放电控制器相同，不再螯述。2.3 J流-交流逆变器众所周知，整流器的功能是将50HZ的交流电整流成为直流电。而逆变器与整流 器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程， 被称之为“逆变”由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时， 逆变器是必不可少的。2.3.1逆变器的分类根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据输出 波形的不同，可分为方波逆变器和正弦波逆变器；根据逆变器使用的半导体器 件类型不同，可分为晶体管逆变器、MOSFET模块及可关断晶闸管逆变器等；根 据功率转换电路的不同，又可分为
14、推挽电路、桥式电路和高频升压电路逆变器（1）方波逆变器：方波逆变器输出的交流电压波形为50HZ方波。此类逆变器所使用的逆变线路 也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量少。设 计功率一般在几十瓦至几百瓦之间。方波逆变器的优点是：价格便宜，维修简单。缺点是：由于方波电压中含有大量高次谐波，在以变压器为负载的用电器中将 产生附加损耗，对收音机和某些通信设备也有干扰。此外，这类逆变器中有的 调压范围不够宽，有的保护功能不够完善，噪声也比较大。（2）正弦波逆变器：正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波。正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度低，对通信设备无干扰，噪声也 很低。此
15、外，保护功能齐全，对电感性和电容型性负载适应性强。缺点是：线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。2.3.2太阳能应急电源系统对逆变器的要求采用交流电力输出的应急发电系统，由应急阵列、充放电控制器、蓄电池和逆 变器四部分组成，而逆变器是其中关键部件。应急发电系统对逆变器的技术要 求如下：(1) 要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度 地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。(2) 要求具有较高的可靠性。目前应急发电系统主要用于边远地区，许多电站 无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选， 并要求逆变器具备各种保护功能，如输入
16、直流极性接反保护，交流输出短路保 护，过热、过载保护等。(3 )要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日 照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的 电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压 的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V-16V之间变化，这就要 求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电 压的稳定。(4 )在中、大容量的应急发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。 这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分 量，高次谐波将产生附加损耗，许多应急发电系统的负载为通信或仪表设备， 这些设备对供电品质有较高的要求。另外，当中、大容量的应急发电系统并网
