【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計 2 2． 光伏發(fā)電的優(yōu)勢 太陽能的開發(fā)利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學利用等三種形式。只要將太陽能電池支撐并面向太陽即可發(fā)電，宜于制成小功率移動電源；一個 的太陽能電池發(fā)電站，占地約 80 2)(km ，不足 10 個月便可建成發(fā)電。 (4)清潔、安全、無噪聲。 3． 太陽能開發(fā)潛力 在中國，太陽能資 源較好的地區(qū)占國土面積 2/3 以上，主要集中在西部地區(qū)，尤其是西北和青藏高原，年平均日照在 2200 小時以上，中國陸地每年接收的太陽輻射量約合 24000 億噸標準煤。一是利用地面上的沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電 站連成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。早在 1980 年美國宇航員和能源部就提出在空間建設(shè)太陽能發(fā)電站設(shè)想，準備在同步軌道上放一個長 10 公里、寬 5公里的大平板，上面布滿光伏電池，這物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 3 樣便可提供 5 610 KW電 力。 1839 年，法國著名物理學家安東尼史密斯 (Wilough )早在 1873 年就 發(fā)現(xiàn)了對光敏感的材料一一硒，并進行了大膽預(yù)測，在陽光照射下，隨著光通量的增加硒材料的導(dǎo)電能力也會隨之增加。 20世紀中期，超薄單晶硅光伏電池又被陸續(xù)開發(fā)出來； 1961 年至 1971 年間，光伏電池的研究側(cè)重于提高電池的抗輻射能力與降低電池的開發(fā)升本上，其技術(shù)上沒有得到顯著的改變與進步；在 1972 年至 1976 年間，空間用光伏電池被成功研發(fā)出來并得到了初步的應(yīng)用。商品單 晶硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率為 11%— 15%。 目前，太陽能電池市場 85%的市場份額由晶體硅太陽能電池占據(jù)，其高昂的晶體硅價格制約了光伏產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。 國外研究綜述 1930 年，朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。 1955 年以色列的 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論，并研制成功選擇性太陽吸收涂層。 1958 年太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒１號衛(wèi)星電源。 1970 年代初期，中東戰(zhàn)爭引發(fā)的能源危機開啟了太陽光發(fā)電系統(tǒng)地面應(yīng)用。 1976 年， Carlson 制作出第一個非晶薄膜太陽電池。弗里茨 (Charles Fritts)開發(fā)出第一塊以硒材料為基礎(chǔ)的太陽能電池。 1986 年美國建成 光伏電站。 20xx 年，波音子公司 Spectrolab 研發(fā)出轉(zhuǎn)換率 41％的砷化鎵太陽能 20xx 年，美國麻 省理工學院 (MIT)研究人員采用了聚合物涂層來改變其性能，在表面覆蓋一層氧化鋅納米線，然后覆蓋一層光感材料 (鉛硫化物量子點 )，研發(fā)出一種基于涂覆一層納米線的石墨烯薄片的新型太陽能電池。但是，在光伏器件及制造技術(shù)方面，自光伏電池問世以來，晶 體硅就作為基本的電池材料一直保持著主導(dǎo)地位，是目前國際光伏市場上的主流產(chǎn)品，在 20xx 年時世界光伏電池產(chǎn)量的 80%以上均采用晶體硅材料。 本文主要工作 1． 緒論部分，闡述了課題背景與選題意義，主要包括能源短缺、環(huán)境污染及太陽能光伏發(fā)電的諸多 優(yōu)點三大方面；其次分別介紹了國內(nèi)外光伏發(fā)電技術(shù)的研究。 5. 并網(wǎng)系統(tǒng)的概述，首先說明了并網(wǎng)原理以及并網(wǎng)條件，其次對逆變器與并網(wǎng)控制策略也進行了研究分析，最后利 用 MATLAB/Simulink 仿真軟件對并網(wǎng)系統(tǒng)進行了建模與仿真。 太陽能控制器：太陽能控制器的基本作用是為蓄電 池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長 蓄電池的使用壽命 。 蓄電池 (組 )：蓄電池 (組 )的作用是將太陽能陣列發(fā)出的直流電直接儲存起來，供負載使用。整個光伏發(fā)電系統(tǒng)都是由以下幾個部分構(gòu)成：光伏電池陣列、控制器、電能變換裝置和電能儲存裝置。在有太陽光照的情況下，如偏遠山村用電設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、航標燈、主要用于偏遠氣象和地震觀光伏陣列產(chǎn)生電能，負載的消耗，那多余的電能就會轉(zhuǎn)換為化學能，并向負載供電。同時，還可以根據(jù)負載的類型，選擇是否加入逆變器。城市中并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝在建筑物表面，并且并網(wǎng)點一般在配電側(cè)。其最大的特點就是，系統(tǒng)中除了光伏發(fā)電，還有其它形式的發(fā)電系統(tǒng)。 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 9 D C / D CD C / A C交 流 負 載GA C / D C蓄 電 池G光 伏 陣 列升 壓 電 路 逆 變 器整 流 器柴 油 發(fā) 電 機風 力 發(fā) 電 機 圖 23 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用 目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用主要在三方面： 以采用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)和建設(shè)小型光伏電站為主，來解決偏遠地區(qū)無電村和無電戶的供電問題，為 200 萬戶偏遠地區(qū)農(nóng)牧民 (即目前我國三分之一的無電人口 )提供最基本的生活用電； 通過借鑒發(fā)達國家建設(shè)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的 經(jīng)驗，在經(jīng)濟較發(fā)達、城市現(xiàn)代化水平較高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公園、車站等公共設(shè)施照明系統(tǒng)中推廣使用光伏電源，建設(shè)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)； 建立大型的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，以便于在光伏發(fā)電成本下降到一定水平時而開展大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用作好準備。左右。主要研究工作包括：在硅體里面增加其他元素，提高價能位置，從而形成更大的 PN結(jié)的空間電荷區(qū)，得到更大的輸出電壓；增物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 10 加受光面的折射度，讓太陽光線能夠在光伏電池板上多次來回折射，以最大程度將光子能量轉(zhuǎn)換為電子能量；尋找對光感應(yīng)更敏感的材料代替硅材料，以獲得更大的 轉(zhuǎn)換效率。 3． 發(fā)電運行受氣候環(huán)境因素影響大 光伏發(fā)電源直接來源于太陽照射，而地球表面的太陽照射受氣候的影響時有時無。制造非晶硅光伏電池所需的能耗少得多，人們正在為提高它的穩(wěn)定性和工作壽命，降低它的內(nèi)阻從而提高它的光電轉(zhuǎn)換效率而不懈努力。 太陽能電池的分類 太陽能電池多為半導(dǎo)體材料制造，發(fā)展至今，己經(jīng)種類繁多，形式多樣。多晶硅電池成本 比單晶硅低，單片電池也可以做得比較大，效率比單晶硅電池低。 3． 有機半導(dǎo)體太陽能電池 指用含有一定數(shù)量的碳一碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體 材料制成的太陽能電池。地面太陽能電池又可分為電源太陽能電池和消費品用太陽 能電池兩種。所謂光生伏打效應(yīng)，簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。 PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子一空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中到一邊，在 PN 結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢，即光生電壓。當接外電路時，便有電能輸出。 U 為太陽能電池的輸出值，當太陽能電池兩端開路時，太陽能電池輸出的電壓值為開路電壓 nrU ，與太陽光輻射強度有關(guān)系，而與電池板面積的大小沒有關(guān)系。 shR 為并聯(lián)電阻，是電池邊緣漏電或者耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。與曲線上的任一點相對應(yīng) 的橫坐標、縱坐標即為太陽能電池的工作電壓和工作電流。 2/1000 mW2/800 mW2/600 mW2/400 mW功 率P / W電 壓 U / V 圖 35 不同光照強度下的 PV 曲線 由圖 35可以看出，在一定的溫度下，隨著太陽光照強度的增加，太陽能 電 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 16 池板輸出的功率也在增加。 C 7 5 186。 C5 0 186。 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 17 第四章 最大功率點跟蹤技術(shù) 通過第三章的分析可知，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況影響。這樣就可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)因結(jié)溫升高而使得陣列輸出功率降低時，仍可以保證整個系統(tǒng)在當前工況下運行于最佳的匹配狀態(tài)。為了能夠跟蹤到最大功率點，可將負載特性曲線由負載 1 改變至負載 2，從而保證系統(tǒng)仍然處于新條件下的最大功率點 B。其中，前三種方法在實際應(yīng)用中較為常見，本章節(jié)主要介紹該三種算法。與光伏陣列的開路電壓 Uoc之間存在近似的線性關(guān)系，即 Umpp=kUOC (41) 其中， k 的值取決于光伏陣列的特性，一般 k 的取值大約在 左右。實際應(yīng)用中，一般可以先采用恒定電壓法來快速的接近最大功率點附近，再結(jié)合其他算法進一步搜索較為精確的最大功率點。O)是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中 MPPT 控制最常用的算法之一。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這 種算法會導(dǎo)致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近小幅震蕩，因此會造成一定的功率損失；而光照發(fā)生快速變化時，跟蹤算法可能會失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。較好的折衷方案是控制器能夠根據(jù)光伏陣列當前的工作點選擇合適的步長，例如，當已經(jīng)跟蹤到最大功率點附近時采用小步長。 缺點為： ④ 只能在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致一定功率損失； ⑤ 跟蹤步長對跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧； ⑥ 在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤情況。 光伏系統(tǒng)工作在最大功率點情況下，系 統(tǒng)輸出功率為 P=UI (42) 將式 (42)兩邊對光伏陣列輸出電壓 U 求導(dǎo)，故 dUdIUIdUdP ?? (43) 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 21 1 02 03 04 05 06 0d P / d U = 0d P / d U 0d P / D u 00 1 0 1 5 2 05 2 5 U / VP / W 圖 44 光伏陣列 PU 特性及 dP/dU 變化示意圖 開始檢測光伏陣列輸出電壓Un、電流In結(jié)束Ur=Ur?UUr=Ur+?UUr=Ur+?UUr=Ur?UUb=Un Ib=IndU=0dI=0dI0dI/dU=
I/UdI/dU
I/U否是是是否否否否是是 圖 45 電導(dǎo)增量法流程圖 將上式整理后得： UIdUdI ?? (44) 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 22 式中： dI 表示增量前后測量到的電流差值 dV 表示增量前后測量到的電壓差值 在實際應(yīng)用中，可以通過判斷 (dI/dU+I/U)的值來判定光伏系統(tǒng)是否處于最大功率點。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適應(yīng)于大氣條件變化較快的場合。這種 MPPT 控制算法最大的優(yōu)點是在光照強度發(fā)生變化時，光伏陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動觀測法小。 05 01 0 01 5 00 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1時 間 t / s功率P/W081 60 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1時 間 t / s電壓U/V2 01 24 (a)系統(tǒng)輸入、輸出功率 (b)光伏陣列輸出電壓0480 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1時 間 t/s電流I/A6202 04 00 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1時 間 t/s電流I/A3 01 0 (c)光伏陣列輸出電流