【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖23所示。其最大的特點(diǎn)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)。當(dāng)光伏陣列產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求的時(shí)候，可以通過(guò)其它形式的發(fā)電系統(tǒng)作為電能補(bǔ)充。目前應(yīng)用比較多的就是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，這樣組合可以使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性比單獨(dú)的光伏發(fā)電系統(tǒng)或者風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有了很大的提高。通過(guò)合理的配置和設(shè)計(jì)，可以基本滿足負(fù)載的需求。 圖23 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用目前我國(guó)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(lái)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電村和無(wú)電戶的供電問(wèn)題，為200萬(wàn)戶偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民(即目前我國(guó)三分之一的無(wú)電人口)提供最基本的生活用電；通過(guò)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家建設(shè)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、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(shí)而開展大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用作好準(zhǔn)備。 光伏發(fā)電尚存在的問(wèn)題目前，光伏發(fā)電仍存在下列幾個(gè)主要問(wèn)題:1． 光伏陣列發(fā)電效率低 光伏陣列是光伏發(fā)電的最基本元件。光伏發(fā)電效率指的是光能轉(zhuǎn)化為電能的比率。一般來(lái)講，晶體硅光伏電池效率為10%～15%左右，非晶體光伏電池效率為5%～8%，薄膜光伏電池目前的轉(zhuǎn)化效率僅為2%～4amp。左右。由于光電轉(zhuǎn)換效率太低，從而使光伏發(fā)電功率密度低，難以形成高功率發(fā)電系統(tǒng)。并且由于對(duì)光電轉(zhuǎn)化管理不力，真正太陽(yáng)能的利用率只有50%～70%。目前，科學(xué)家們正在加緊研究，希望能大幅度提高光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換率。主要研究工作包括：在硅體里面增加其他元素，提高價(jià)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；增加受光面的折射度，讓太陽(yáng)光線能夠在光伏電池板上多次來(lái)回折射，以最大程度將光子能量轉(zhuǎn)換為電子能量；尋找對(duì)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。2． 系統(tǒng)造價(jià)成本高由于光伏發(fā)電效率低，要發(fā)出足夠的電則需要許多光伏電池板。2003年單、雙晶硅光伏電池組件的價(jià)格約為36～40元/，相比于目前的火力和水力發(fā)電，光伏發(fā)電的成本約為后者的6～20倍。成本高是當(dāng)前制約光伏發(fā)電市場(chǎng)快速發(fā)展的主要原因。3． 發(fā)電運(yùn)行受氣候環(huán)境因素影響大 光伏發(fā)電源直接來(lái)源于太陽(yáng)照射，而地球表面的太陽(yáng)照射受氣候的影響時(shí)有時(shí)無(wú)。另外，由于環(huán)境污染的影響，特別是空氣中的顆粒物灰塵降落在光伏電池板上，從而阻擋了陽(yáng)光的照射，減少了光線的投入量，進(jìn)而減少了光電的轉(zhuǎn)換。4． 制造單晶硅和多晶硅光伏電池需要消耗相當(dāng)多的能源硅是地球上各種元素中含量?jī)H次于氧的元素，主要存在形式是沙子（，二氧化硅）。從沙子變成多晶硅和單晶硅要經(jīng)過(guò)多道化學(xué)和物理工序，其間，要消耗相當(dāng)多的能量，這也是他們生產(chǎn)成本高的原因。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。5． 其他因素 由于太陽(yáng)光存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的特點(diǎn)，因此發(fā)電受外界環(huán)境的影響較大。第三章 光伏電池及其特性 太陽(yáng)能電池陣列是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，它決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。太陽(yáng)能電池板輸出的功率受溫度、光照強(qiáng)度的影響比較大。 太陽(yáng)能電池的分類 太陽(yáng)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。下面按照材料進(jìn)行分類并且加以介紹。1． 硅太陽(yáng)能電池 指以硅為基體材料的太陽(yáng)能電池，有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池等。其中，單晶硅太陽(yáng)電池效率高、壽命長(zhǎng)、性能優(yōu)良，但成本高，而且限于單晶的尺寸，單片太陽(yáng)電池面積難以做得很大。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。非晶硅太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收系數(shù)大，因而非晶硅太陽(yáng)電池可以做得很薄，通常是單晶硅或多晶硅電池的五百分之一，所以制作非晶硅太陽(yáng)電池資源消耗少。非晶硅太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換率偏低，目前效率一般在6%左右。2． 化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池 指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導(dǎo)體特性的化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)能電池，如硫化福太陽(yáng)能電池、砷化嫁太陽(yáng)能電池等。3． 有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)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(yáng)能電池。4． 薄膜太陽(yáng)能電池 指用單質(zhì)元素、無(wú)機(jī)化合物或有機(jī)材料制成的薄膜為基體材料的太陽(yáng)能電池。目前主要有非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池、納米晶薄膜太陽(yáng)能電池、微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池等。 此外，按照應(yīng)用還可將太陽(yáng)能電池分為空間太陽(yáng)能電池和地面太陽(yáng)能電池兩大類。地面太陽(yáng)能電池又可分為電源太陽(yáng)能電池和消費(fèi)品用太陽(yáng)能電池兩種?？臻g太陽(yáng)能電池的主要要求是耐輻射性好、可靠性高、光電轉(zhuǎn)換效率高、功率面積比和功率質(zhì)量比優(yōu)等。 太陽(yáng)能電池的基本工作原理 太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。 太陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)?，F(xiàn)將半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的發(fā)電過(guò)程概括成如下4點(diǎn)： 。 ，激發(fā)出非平衡載流子(光生載流子)一一電子一空穴對(duì)。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在它們被分離之前不會(huì)復(fù)合消失。 ，電子一空穴對(duì)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(dòng)勢(shì)，即光生電壓。 ，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過(guò)，從而獲得功率輸出，這樣太陽(yáng)能電池就把太陽(yáng)能(或其他光能)直接轉(zhuǎn)換成了電能。 當(dāng)太陽(yáng)光(或其他光)照射到PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)，并在勢(shì)壘電場(chǎng)的作用下，電子被驅(qū)向N型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而使N區(qū)有過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，于是就在PN結(jié)的附近形成了與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)，其余部分使P型區(qū)帶正電、N型區(qū)帶負(fù)電，于是就使得P區(qū)與N區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，即光生伏打電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)接外電路時(shí)，便有電能輸出。這就是PN結(jié)太陽(yáng)能電池發(fā)電的基本原理。如圖31所示： 圖31 光生伏打效應(yīng)原理圖 太陽(yáng)能電池的等效電路太陽(yáng)能電池的等效電路如圖32所示： 圖32 光照時(shí)太陽(yáng)能電池的等效電路其中： :是短路電流，就是將太陽(yáng)能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過(guò)太陽(yáng)能電池兩端的電流。它的值與太陽(yáng)能電池的面積大小、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度成正比。 為太陽(yáng)能電池的輸出值，當(dāng)太陽(yáng)能電池兩端開路時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出的電壓值為開路電壓，與太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度有關(guān)系，而與電池板面積的大小沒(méi)有關(guān)系。開路電壓值隨著光照強(qiáng)度的升高而升高。 為通過(guò)PN結(jié)的總擴(kuò)散電流。 為串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面間接接觸電阻所組成。 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。根據(jù)太陽(yáng)能電池等效電路和電子學(xué)理論，太陽(yáng)能電池的電流方程可以用下式表示： (31)式中： ——太陽(yáng)能電池輸出電流，A； ——電子電荷常數(shù)，為； ——反向飽和電流，A； ——常數(shù)因子(正偏電壓大時(shí)A值為1，正偏電壓小時(shí)A值為2)； ——波爾茲曼常數(shù)，； ——絕對(duì)溫度，K。 通常情況下，一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，串聯(lián)電阻很小，而并聯(lián)電阻很大。由于和分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中，所以在進(jìn)行理想的電路計(jì)算時(shí)，它們可以忽略不計(jì)，太陽(yáng)能電池的電流方程可化為： (32) 當(dāng)電路外接負(fù)載接時(shí)，設(shè)太陽(yáng)能電池輸出電流為，則輸出功率為： (33) 太陽(yáng)能電池的IV特性 在特定的太陽(yáng)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，由公式33可知，當(dāng)外接電阻R，從0變化到無(wú)窮大時(shí)，可以得出太陽(yáng)能電池負(fù)載特性曲線，曲線如圖33所示。與曲線上的任一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)即為太陽(yáng)能電池的工作電壓和工作電流。當(dāng)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R到某一值時(shí)，太陽(yáng)能輸出功率為最大值，此工作點(diǎn)即為太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)。該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率稱為最大功率點(diǎn)功率，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為最大功率點(diǎn)電壓，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流稱為最大功率點(diǎn)電流： = (34) 太陽(yáng)能電池的IV特性曲線對(duì)于分析太陽(yáng)能電池非常重要，由圖可以看出太陽(yáng)能電池是一個(gè)既非恒壓源又非恒流源的非線性直流電源。 圖33 太陽(yáng)能電池負(fù)載曲線 根據(jù)太陽(yáng)能電池的IV特性曲線，在給定溫度和日照強(qiáng)度下，可以定義出幾個(gè)重要的技術(shù)參數(shù):(1)短路電流：電池板所能輸出的最大電流() (2)開路電壓：電池板所能輸出的最大電壓 (3)最大功率點(diǎn)電流：電池板最大功率點(diǎn)上的電流 (4)最大功率點(diǎn)電壓：電池板最大功率點(diǎn)上的電壓 (5)最大功率點(diǎn)電壓：電池板最大功率點(diǎn)上的功率 太陽(yáng)能電池的輸出電流直接受到日照強(qiáng)度的影響，在特定溫度下，太陽(yáng)能電池在不同日照強(qiáng)度下的IV特性曲線如圖34所示: 圖34 不同日照強(qiáng)度下的太陽(yáng)能電池板的IV特性曲線 由圖34可以看出在一定的溫度下，隨著太陽(yáng)光照強(qiáng)度的增加，太陽(yáng)能電池板輸出電流增加比較大，而輸出電壓變化卻比較小，可以看出光照強(qiáng)度對(duì)太陽(yáng)能電池輸出電流的影響比較大。 圖35 不同光照強(qiáng)度下的PV曲線 由圖35可以看出，在一定的溫度下，隨著太陽(yáng)光照強(qiáng)度的增加，太陽(yáng)能電池板輸出的功率也在增加。 在特定的太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池板的輸出電壓直接受到環(huán)境溫度的影響，太陽(yáng)能電池在不同的溫度下的IV特性曲線如圖36所示： 圖36 不同溫度下太陽(yáng)能電池板的IV特性曲線 由上圖可以看出在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的變化，太陽(yáng)能電池板輸出電壓變化比較大，輸出電流變化比較小，隨著溫度的增加，輸出電壓在減小，輸出電流在增加。 圖37 不同溫度下太陽(yáng)能電池板的PV特性曲線由圖37可以看出太陽(yáng)能電池具有負(fù)溫度系數(shù)。在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的升高，太陽(yáng)能電池板輸出的功率也會(huì)相應(yīng)地減小。 第四章 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù) 通過(guò)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(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在輸出某一電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這是光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point, MPP)。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱為最大功率點(diǎn)跟蹤。 MPPT算法的原理 最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)策略通過(guò)不斷地檢測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，運(yùn)用