【正文】 疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部；由 于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯30。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。a，比全國(guó)其它省區(qū) 和同緯度的地區(qū)都高。 1．1．2 我國(guó)的太陽能資源 我國(guó)屬于太陽能能源較為豐富的國(guó)家之一，全國(guó)國(guó)土面積 2/3 以上的地區(qū)每年日 照時(shí)數(shù)大于 2000 小時(shí)，僅陸地面積每年接受的太陽輻射能就約等于幾萬個(gè)三峽工程發(fā) 電量的總和。太陽能每秒鐘到達(dá)地球的能量高達(dá) 80 萬 kW，如果把地 球表面 ％的太陽能轉(zhuǎn)為電能， 轉(zhuǎn)換率為 5％， 那么每年的發(fā)電量可達(dá) 1012 kWh， 相當(dāng)于目前全世界能耗的 40 倍。 為了保證大規(guī)模的能源供應(yīng)，當(dāng)前世界各國(guó)都在制訂規(guī)劃、采取措施、組織力量、 增加投資，大力開發(fā)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芤约昂司圩兡艿刃履?源技術(shù)，力爭(zhēng)在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，將日前的以化石能源為基礎(chǔ)的常規(guī)能源系統(tǒng)，逐步 過渡到持久的、多樣化的、可以再生的新能源系統(tǒng)。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√” ） 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 1 緒 1．1 本文研究背景 論 1．1．1 太陽能是化石能源的主要替代能源[12] 目前的世界能源結(jié)構(gòu)中，人類所利用的一次能源主要是石油、天然氣和煤炭等化 石能源，特別是石油和天然氣的消耗量增長(zhǎng)迅速，已占全世界能源消費(fèi)總量的 60％左 右。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和 借閱。 . Quadratic polynomials are used to fit the real PV array’s IV characteristic curve, and it is programmed by assembly language to fulfill the algorithm. Through the simulation under Matlab and the experiments, the exactitude of the system is illustrated. The experimental results show that the output characteristics of the simulator are very close to those of actual solar cells, and the simulator has a good dynamic response as well. It can search the working Point automatically and stabilize the output according to the change of the loads. Therefore， some extent， simulator can be used in replacement of actual to the solar cells in the laboratory condition, provide a good environment for experiment to cut down money and time. Key words:solar cells , characteristics curve , simulator , BUCK ,DSP 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。 通過系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)工作原理的正確性。 本文分析了太陽能光伏電池的輸出 IV 特性， 討論了光伏電池的數(shù)學(xué)模型， 并在此 模型基礎(chǔ)之上建立了簡(jiǎn)單易用的工程數(shù)學(xué)模型。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 華中科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于DSP的光伏電池?cái)?shù)字模擬系統(tǒng)研究 姓名：杜柯 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 指導(dǎo)教師：段善旭 20060429 摘 要 太陽能作為一種新型的可再生資源受到越來越廣泛的重視，光伏發(fā)電則是太陽能 利用中技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的技術(shù)。本文還根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)討論了國(guó)內(nèi)外光 伏電池模擬器的研究狀況，并在這些研究成果的基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計(jì)方案。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文中所設(shè)計(jì)的 光伏電池模擬器，能夠較好的完成設(shè)計(jì)的目的，模擬器的輸出特性符合所要模擬的光 伏電池的輸出 IV 特性，并且模擬器具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，負(fù)載突變時(shí)，模擬器 能夠自動(dòng)跟蹤工作點(diǎn)的變化并在當(dāng)前工作點(diǎn)穩(wěn)定工作。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他 個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。但是，石油和天然氣的儲(chǔ)量是有限的，許多專家預(yù)言，石油和天然氣資源將在 40 年、最多 50—60 年內(nèi)被耗盡。只要應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，廣泛開 發(fā)利用新能源，大力提高能源利用效率，采取合理的能源政策，完全可以避免能源危 機(jī)的山現(xiàn)。 未來幾十年，傳統(tǒng)能源任將是主要的能源，但可再生能源的使用在不斷增加，將 發(fā)揮重要作用。從全國(guó)太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、 山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、 1 福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小。 我國(guó)太陽能資源分布的主要特點(diǎn)有：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯 22?！?0。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部 等地。 二類地區(qū) 全年日照時(shí)數(shù)為3000～3200小時(shí)， 輻射量在586～670104kJ／cm2 三類地區(qū) 全年日照時(shí)數(shù)為2200～3000小時(shí)， 輻射量在502～586104kJ／cm2 相當(dāng)于140～ 170kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括四川、貴州兩省。太陽能熱水系統(tǒng)是目前太陽能熱利用的主要形式。光伏電池受到太陽光照時(shí)能產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽光能轉(zhuǎn)變 成直流電能。整個(gè)光伏系統(tǒng)還要配備控制器等附件。但隨著技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏發(fā) 電的成本將繼續(xù)不斷降低。生產(chǎn)規(guī)模從1~5兆 峰瓦/年發(fā)展到5~20兆峰瓦/年，并正在向50兆峰瓦擴(kuò)大。歐洲和日本也有類似的計(jì)劃。截至1998年， 印度光伏系統(tǒng)安裝容量達(dá)到35兆峰瓦，計(jì)劃1998~2002安裝150兆峰瓦。市場(chǎng)發(fā)展將逐步由邊遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村的補(bǔ)充能源向全社會(huì)的替代能源過渡。2005 年 2 月通過的《中華 人民共和國(guó)可再生能源法》中明確提出，“國(guó)家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝和使用太陽能光 伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)”。 1．2．2研究意義 光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究如果采用真實(shí)的光伏電池陣列，會(huì)產(chǎn)生試驗(yàn)成本高、需要大 量空曠場(chǎng)地和對(duì)日照、自然氣候等依賴性強(qiáng)等一系列的問題，因此研究出低成本的按 照實(shí)際的光伏電池的IV特性輸出的，能夠代替實(shí)際光伏電池陣列在室內(nèi)進(jìn)行各種光伏 實(shí)驗(yàn)，使之不受場(chǎng)地和環(huán)境影響的模擬器成為必須。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)基本 的部分構(gòu)成:光伏組件陣列、控制器、蓄電池組、直流一交流逆變器等部分組成。 常見的太陽能電池主要是硅太陽能電池，目前世界上有三種已經(jīng)商品化的太陽能 電池，即單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。一般可以選用合適的整流二極管作為防反充二極管。蓄電池經(jīng)過過充電或過放電后會(huì)嚴(yán)重影響其性能和壽命，所以充放電控制器一 般是不可缺少的。但脈寬調(diào)制(PWM)控制器，只能用 MOS 晶體管作為開關(guān)器件。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可為獨(dú) 立負(fù)載供電。正弦波逆變器的成本 高，適用于各種負(fù)載情況。獨(dú)立光 伏發(fā)電系統(tǒng)如圖 所示，它由太陽能電池陣列、儲(chǔ)能裝置、直流—交流逆變裝置、控 制裝置與連接裝置等組成。 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是： 太陽能光伏電池陣列吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化成電 能后，在防反充二極管的控制下為蓄電他組充電。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC—AC 逆變 器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電。 當(dāng)太陽能光伏電池十分昂貴時(shí)， BOS 在整 個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中所占的費(fèi)用比例比較小，但隨著太陽能光伏電他的不斷降價(jià)， BOS 所占費(fèi)用比例在逐漸增加。 前者的特點(diǎn)是光伏系統(tǒng)發(fā)的電直接被分配到住宅內(nèi)的用電負(fù)載上，多余或不足的電力 通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)；后者的特點(diǎn)是光伏系統(tǒng)發(fā)的電直接被輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)把 電力統(tǒng)一分配到各個(gè)用電單位。當(dāng)光伏系統(tǒng)電力不夠時(shí)便由電網(wǎng)供電。對(duì)于無倒流系統(tǒng)，即使光伏系統(tǒng)因某種原因產(chǎn)生剩余電力，也只能通過某種手 段放棄。 2．2 太陽能光伏電池簡(jiǎn)介 2．2．1 光伏電池的分類[23] 太陽能光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，光伏電池的種類很多，大致可分為 硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。自從它的優(yōu)良特點(diǎn)被確認(rèn)以來，用這種工藝制作的太陽電池已在實(shí)驗(yàn)室和商用 兩個(gè)方面取得迅速進(jìn)展。 (2)非晶硅光伏電池。化合物半導(dǎo)體光伏電池有IIIV族、IIVI族等許多種 類，砷化鎵光伏電池是其中一種，其轉(zhuǎn)換效率很高，但存在資源缺乏、有公害等問題。第二個(gè)缺點(diǎn)是砷的毒性，使用由毒性材料制作的大型光伏電池系統(tǒng) 時(shí)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)查其對(duì)環(huán)境的影響。由于 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而 產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡 電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要 光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，P－N 結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的 基本工作原理。 2．2．3 光伏電池的特性 2．2．3．1 光伏電池的輸出特性 太陽能電池具有獨(dú)特的 IV 特性，該特性由太陽能電池材料的物理特性所決定。 為了能更加具體的說明， 圖看出。不同的曲線代表不同的光強(qiáng)下的變化。顯然，二極管的正 向電流 ID 和旁路電流 Ish 都要靠 IL 提供， 剩余的光電流經(jīng)過一個(gè)串聯(lián)電阻 Rs 流出太陽能 電池而進(jìn)入負(fù)載 RL。 I 0 — 反向飽和電流(A)。 K — 玻耳茲曼常數(shù)，1. 38 10－23J/K。如太陽能電池 的光生電流IL與電池片的表面反射、柵線的遮光面積和光譜響應(yīng)等相對(duì)應(yīng)。 式(2－1)是基于物理原理的最基本的解析表達(dá)式，已被廣泛應(yīng)用于太陽電池的理 論分析中，但由于表達(dá)式中的 5 個(gè)參數(shù)，包括 IL、I0, Rs、Rsh 和 A，它們不僅與電池溫 度和日射強(qiáng)度有關(guān)，而且確定十分困難，因此不便于工程應(yīng)用，也不是太陽電池供應(yīng) 商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)。 以下將在基本解析表達(dá)式（2－1）的基礎(chǔ)上,通過兩點(diǎn)近似,即 1) 忽略(V+IRs)/Rsh項(xiàng),這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下該項(xiàng)遠(yuǎn)小于光電流。光伏電池I—V 特性曲線是由(2－2) 確定。C）； β :在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/176。在國(guó)內(nèi) 合肥工業(yè)大學(xué)用變壓器隔離的斬波電路加上位機(jī)控制所完成的仿真電源，也能夠較好 的仿真系統(tǒng)，同時(shí)可以在上位機(jī)系統(tǒng)上對(duì)所仿真的曲線以及仿真時(shí)實(shí)際的情況做出顯 示。 為了模擬太陽光強(qiáng), 采用一個(gè)白熾燈作為人造太陽, 通過調(diào)節(jié)白熾燈的電流強(qiáng)度, 控制其亮度, 達(dá)到模擬太陽輻照度的目的, 其控制原理如圖 所示。 圖 陽光模擬裝置控制原理 16 把光伏電池模擬器的輸出電壓經(jīng)過線性降壓轉(zhuǎn)換后作為給定值, 使樣品光伏電池 的電壓跟隨模擬器輸出電壓的變化, 然后把樣品光伏電池的輸出電流作為模擬器輸出 電流的控制值, 以控制模擬器的輸出電流, 其電壓調(diào)節(jié)原理如圖 所示。W1 和 W2 分別用作電壓和電流的控制, 當(dāng)模擬器輸出 短路時(shí) W2 可調(diào)節(jié)短路電流大小, 當(dāng)輸出開路時(shí) W1 可調(diào)節(jié)開路電壓大小。結(jié)合圖 的電壓控制原理, 對(duì)圖 分析后可知: 當(dāng)負(fù)載 增大即 IL 增加時(shí), 會(huì)引起下列過程: ↗IL↓= Ig (內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)通道) IL↑→If↑→UL↓ ↘U0↓→Ig↑→UL↑→U0↑(外環(huán)調(diào)節(jié)通道) 實(shí)踐證明,這種模擬式太陽電池陣列模擬器存在以下嚴(yán)重不足: (1)．樣品光伏電池在機(jī)內(nèi)光源照射下,機(jī)箱內(nèi)小范圍的“環(huán)境溫度”及樣品光伏電池P 17 N 結(jié)的結(jié)溫隨照射時(shí)間的增加而強(qiáng)烈變化,這足以使模擬器實(shí)際輸出的IV特性遠(yuǎn)非 設(shè)定條件下的特性,其誤差往往大到不可接受的程度。數(shù)字光伏電池模擬器多以功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)、 單片機(jī)或DSP為控制器，基于第二章所述的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的控制算法，控制直流斬 波電路，達(dá)到控制光伏電池模擬器輸出符合光伏電池輸出IV及PV 特性的目的。 圖 主電路結(jié)構(gòu)圖 （2）軟件結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)的控制方式如圖 所示，根據(jù)第二章提供的光伏電池陣列 IV 特性解析 表達(dá)式,通?？梢栽谟?jì)算機(jī)內(nèi)存中建立對(duì)應(yīng)于 IV 特性的數(shù)據(jù)表格,系統(tǒng)模型跟蹤控制 及數(shù)據(jù)處理均由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算完成,這種實(shí)時(shí)控制必須保證模擬器系統(tǒng)的快速性和 準(zhǔn)確性。 (2).當(dāng)外電路負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠盡快變化到新的工作點(diǎn)并穩(wěn)定在該點(diǎn)。它們的基本思路 是基于由普通微處理器完成控制部分或基于上位機(jī)的控制，而對(duì)于主電路尤其是斬波 電路采用較為成熟可靠的PWM控制方法，電路瞬時(shí)電壓、電流作為反饋信號(hào)送入控制電 路， 控制器基于不同的算法完成電壓、 電流參考指令的計(jì)算， 控制PWM發(fā)生電路發(fā)出PWM 波，使斬波電路輸出滿足光伏電池輸出IV特性的電壓、電流。LF2407內(nèi)部有豐富的資源，并能夠較為容易的 完成高頻采樣計(jì)算和PWM控制波的生成。主電路同時(shí)還有電壓、電流檢測(cè)，IGBT功率 器件的吸收緩沖回路。DSP根據(jù)外電 路的電壓、電流計(jì)算出負(fù)載電阻值，光伏方陣特性曲線上每一點(diǎn)都 有對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻，DSP中事先存有光伏方陣特性曲線的數(shù)據(jù)或者計(jì)算公式。隨后，DSP完成主電路要求輸出電壓值的占空 比計(jì)算，然后產(chǎn)生PW