【文章內(nèi)容簡介】 屋頂計劃。意大利、印度、瑞士、荷蘭和西班牙都有相關(guān)的政策支持光伏建筑一體化的發(fā)展”2005年《京都協(xié)議書》生效，在國際上推動新能源的發(fā)展，各個國家相應(yīng)制定新能源發(fā)展規(guī)劃，如日本的《可再生能源比例標準》，德國的《可再生能源法》、美國2005年出臺《聯(lián)邦能源政策法案》、《加利福尼亞光伏太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)案》、《總統(tǒng)太陽能美國計劃》，意大利的《Conto Energia》。光電建筑一體化涉及到方方面面的知識，本論文分為7章，主要從太陽能電池特性參數(shù)和電氣控制的角度去撰寫，具體每章的主要內(nèi)容介紹如下：第1章：緒論，介紹了課題研究的背景及意義、國內(nèi)外的研究情況，提出課題研究的主要內(nèi)容。第2章：分析了太陽能電池發(fā)電原理，對比分析了單晶硅、多晶硅、非晶硅的電池特性，給出不同外部環(huán)境條件下的電池特性曲線圖形，如溫度特性、輻射強度特性、最大功率特性。描述熱斑效應(yīng)產(chǎn)生原因以及解決辦法，介紹離網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)。第3章：建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤，介紹了幾種最大功率跟蹤方法，采用電導(dǎo)增量法作為最大功率跟蹤方法，對比了Boost 斬波升壓電路和Buck斬波降壓電路作為最大功率跟蹤的不足之處，提出基于BoostBuck斬波升降壓電路作為最大功率點跟蹤，詳細介紹實現(xiàn)過程和該方法的優(yōu)劣，給出詳細的設(shè)計過程。第4章：建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變實現(xiàn)，介紹對比了幾種采樣方法，采用面積等效法作為SPWM輸出方法，計算出正弦表，給出詳細的單片機輸出SPWM波形程序及實驗輸出波形，驅(qū)動電路的控制時序及驅(qū)動原理，設(shè)計出逆變電路。第5章：交流采樣電路及算法，介紹幾種交流采樣算法，采用均方根算法作為逆變電壓交流采樣方法，給出詳細的硬件采樣電路及采樣輸出波形、采樣保持電路、軟件采樣實現(xiàn)算法，結(jié)合單片機自帶的AD功能轉(zhuǎn)換計算電流電壓值。第6章：逆變器閉環(huán)控制算法，介紹了經(jīng)典PID算法，包括位置式和增量式，各個系數(shù)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。簡單介紹了模糊控制數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識、純模糊控制算法，及其優(yōu)缺點，重點設(shè)計了模糊參數(shù)自調(diào)整PID控制系統(tǒng)，詳細列出各個隸屬度函數(shù)以及控制輸出規(guī)則表，重心法解模糊，整體控制流程圖。第7章：總結(jié)分析，分析了前面六章所用各方法的優(yōu)劣，根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)了基于BoostBuck升降壓電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤技術(shù)、基于面積等效法數(shù)字軟件生成SPWM技術(shù)、基于均方根算法的交流采樣電路、對比了PID控制和論文提出的參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制的優(yōu)劣。第2章 太陽能電池法國物理學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)于1839年發(fā)現(xiàn)光伏電池的光生伏特效應(yīng)[[] (美)漢斯S勞申巴赫， 太陽電池陣設(shè)計手冊—光電轉(zhuǎn)換原理及其應(yīng)用[M]，張金熹等譯， 北京：宇航出版社，1987．]，簡稱“光伏效應(yīng)”，英文名稱：Photovoltaic effect。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量，電壓形成。1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽電池工作原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)，當導(dǎo)體受到光照時，其內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化，進而產(chǎn)生電動勢和電流的。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制且還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點。對晶體硅太陽能電池來說，～，一般不作為直接應(yīng)用，將電池單元按照需要的輸出電壓功率再進行串聯(lián)、并聯(lián)，并封裝成光伏組件，再將光伏組件按不同功率電壓需要進行串并聯(lián)，組成光伏陣列。太陽能等效電路如圖21 [[] 周德佳，趙爭鳴，吳理博．基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析[J]．清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版． 2007，47(7):11091112．－[] Gow J A,Manning C of a photovoltaic array model for use in powerelectronics simulation studies[J].IEE Processing Electronics Power Applioations,1999,146(2):193200.]：圖21 太陽能電池等效電路Fig21 Solar battery equivalent circuit由等效電路可得： (21)式(21)中各參數(shù)意義：：輸出負載電流；：正比與日照強度的光生電流；：流過二極管的電流；：太陽能電池漏電流。太陽能電池板三個很重要的參數(shù)，一個是短路電流，一個是開路電壓，一個是最大功率點處的電壓，下面給出短路電流和開路電壓的數(shù)學(xué)表達式，為最大功率點提供依據(jù)。太陽能電池在短路時，忽略不計二極管電流和并聯(lián)等效電阻電流[[] Xiao W,Dunford W G,Capel novel modeling method for photovoltaic cells[C].2004 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004,3:19501956.]，得出短路電流在任意光照條件下的數(shù)學(xué)表達式(22)： (22)式(22)中個參數(shù)表示意義：：光照強度；：溫度參考值，溫度值；：光照強度參考值。太陽能電池在開路時，二極管的電壓即為開路電壓，即，開路電壓值僅與電池溫度有關(guān)[[] Rauschenbach H cell array design handbook[M].New York:Van Nostrand Reinhold,1980.－][[] Hu Chenming,White Richard Cells[M].New York:McGrowHill,1983.][[] ,et PV buildings analysis of future scenarios with an example of Southern :8596.]，開路電壓數(shù)學(xué)表達式如式(23)： (23)短路電流和開路電壓是太陽能電池很很重要的兩個參數(shù)，根據(jù)這兩個參數(shù)值可以了解電池的性能，對控制系統(tǒng)的設(shè)計提供幫助。硅太陽電池是目前使用最廣泛的太陽電池，按照硅材料的晶體結(jié)構(gòu)區(qū)分，有單晶、多晶和非晶硅太陽電池三種。單晶硅和多晶硅太陽電池稱為晶體硅太陽電池，目前占世界太陽電池的大部分市場。單晶硅太陽電池的主要性能：目前國產(chǎn)單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率通常為16%～18%。研究和試驗表明，太陽電池工作溫度升高時，短路電流也會跟隨少量升高，而開路電壓則降低。多晶硅太陽電池是以多晶硅為基體材料的太陽電池。多晶硅材料以澆鑄取代單晶硅的拉制過程，減少了生產(chǎn)的時間和生產(chǎn)成本，是一種較單晶硅廉價的太陽電池。多晶硅太陽電池按材料的厚度分，可分為體電池和薄膜電池，多晶硅體太陽電池一般稱為多晶硅太陽電池。多晶硅太陽電池的性能基本與單晶硅相同，近幾年世界上多晶硅電池的效率和產(chǎn)量在迅速提高，國內(nèi)達到17%，工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率達到16%左右。工業(yè)化生產(chǎn)多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率與國產(chǎn)單晶硅太陽電池效率的差距已很小。晶體硅太陽電池的其他特性與單晶硅太陽電池類似，如溫度特性，太陽電池性能隨入射光強的變化等。非晶硅太陽電池的電性能:目前非晶硅太陽電池的實驗室效率達15%，穩(wěn)定效率為13%。商品化非晶硅太陽電池的效率一般為6%～%。非晶硅太陽電池的溫度變化情況與晶體硅太陽電池不同，溫度的升高，對其效率的影響比晶體硅太陽電池要小。非晶硅太陽電池，由于價格比單晶硅電池便宜，在小功率應(yīng)用市場上已占有較大的份額。但性能不夠穩(wěn)定，尚沒有廣泛作為大功率電源，主要用于計算器、電子表、收音機等弱光和微功率器件。從轉(zhuǎn)化效率、制造能耗、成本等角度，列出幾個不同類型的太陽能電池的特點，如表21所示：表21 不同種類電池特點Tab21 the characteristics of different types battery類型轉(zhuǎn)化效率制造能耗成本資源可靠性公害單晶硅1320%高高中高小多晶硅1018%中中中中小非晶硅812%低低豐富中小砷化鎵1822%高很高稀少高大太陽電池組件電性能測試在規(guī)定光源的光譜、光強以及一定的電池溫度條件下，測試開路電壓、短路電流、伏安特性曲線、填充因數(shù)和最大輸出功率等，地面用太陽電池組件的標準測試條件為：，太陽輻照度，溫度25℃。組件的測試在專用的組件測試儀上進行。單晶硅太陽電池組件電性能隨溫度和入射光強的變化情況如圖22。圖22 單晶硅電池性能隨溫度變化曲線 Fig22 The performance of single crystal silicon cell changes with temperature curve溫度對太陽能電池電壓電流功率及效率的影響：太陽電池組件的電池溫度較高時，工作效率低。隨著組件溫度上升，工作電壓下降，最大功率點也隨同降低。圖23 太陽能電池在不同溫度同一光照強度下的曲線Fig23 The solar cell curve that under the same light intensity but different temperature　溫度每升高1℃每片單體電池的電壓大約減少5mV，對于太陽電池組件，溫度每升高1℃，%。單晶硅太陽電池組件電性能隨溫度的變化見圖23。太陽電池組件的輸出功率與太陽輻射強度成正比，日照增強時組件輸出功率也隨之增加。日照強度變化對組件影響的曲線見圖24。日照對組件影響的曲線見圖25，從曲線分析，隨著日照強度的變化，太陽電池組件的輸出電壓變化不大，但輸出電流上升很大，最大功率點也隨同上升。 圖24 太陽能電池在不同光照強度 圖25 太陽能電池隨光照強相同溫度下曲線 度變化線Fig24 The solar cell curve that under the Fig25 The solar cell curve that same temperature but different light intensity with the variation of light intensity太陽電池組件的性能主要指電流—電壓特性，稱為太陽電池組件的曲線，標準測試條件下測得曲線，反映出輸出電流與輸出電壓關(guān)系。該曲線上有三個重要的參數(shù)，即最大功率點，開路電壓，短路電流，曲線如圖26所示：圖26 太陽能電池典型曲線Fig26 The typical curve of solar cell 太陽電池組件主要參數(shù)包括最大功率、開路電壓、短路電流、最大工作電壓、最大工作電流、光電轉(zhuǎn)換效率等，其具體內(nèi)容如下： 最大功率： 在一定負載條件下，太陽電池組件輸出的最大功率。在標準測試條件下，太陽電池組件所輸出的最大功率稱為峰值功率。與最大功率點相對應(yīng)的負載，稱為最佳負載。通過最大輸出功率點電壓乘電流可以得到最大輸出功率點的功率值。隨著電壓下降輸出功率減少。超過最大功率點后，大多數(shù)組件隨著電壓的增加，輸出電流或輸出功率將減少，給出最大功率點的具體說明，為本論文后續(xù)MPPT方法的提供理論依據(jù)。開路電壓：太陽電池組件電路開路，即時的電壓。是當無電流從組件汲取時，可能達到的最大電壓。短路電流：太陽電池組件電路短路，即時的電流。是組件在回路阻抗等于零時能夠輸出的最大電流。最大工作電壓：輸出最大功率時的電壓。最大工作電流：輸出最大功率時的電流。光電轉(zhuǎn)換效率：指在外部電路連接最佳負載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率，它的定義是太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池上的太陽光的功率之比，通常用百分數(shù)表示。 負載匹配特性負載阻抗對電池輸出功率有著較大的影響，如果負載阻抗與組件的曲線匹配得好，組件可以輸出最高效率。當負載阻抗增加時，組件將運行在高于最大功率點的電壓上，這時組件效率和輸出電流均會減少。當組件運行在低于最大功率點的電壓時，組件運行效率同樣會降低。當太陽能電池組件或某一單體電池被覆蓋（如鳥糞、樹葉、陰影）的時候，而其他電池組件沒有被覆蓋仍然正常提供電能，這時候被覆蓋部分不但不能發(fā)電，還被當成負載消耗其它有陽光輻射的電池組件所提供的能量，引起局部發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為熱斑效應(yīng)。熱斑效應(yīng)能嚴重地破壞太陽能電池，由于局部過熱，嚴重的可能會使焊點熔化、封裝材料破壞，使整個組件效率嚴重下降，甚至失效。個別劣質(zhì)的電池片混入電池組件，電極焊片虛焊、電池片隱裂或破損、電池片性能變壞等因素，都會引起熱斑效應(yīng)，需要引起注意。（防逆流）和旁路二極管在太陽能電池方陣中，二極管是很重要的構(gòu)成部件，硅整流二極管較為常用，在選擇時要注意各類參數(shù)值，并留有余量，防止反向擊穿損壞。一般選取反向峰值擊穿電壓和最大工作電流是正常工作時對應(yīng)電壓和電流的兩倍。二極管在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要作用分為兩類，一類用作防逆流二極管，一類用作旁路二極管。串聯(lián)二極管作為防逆流二極管，并聯(lián)二極管作為旁路二極管，如圖27所示：圖27 太陽能電池二極管的串并聯(lián)Fig27 Seriesparallel solar diodes（防逆流）二極管防反充二極管在太陽能能電池中有兩個作用：一是防止蓄電池電流在