【文章內(nèi)容簡介】 SP 控制伺服電機的方法，利用空間電壓矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)技術(shù)，形成了閉環(huán)的位置伺服控制，通過 Simulink 進行了速度環(huán)仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)特性。 國外研究綜述 1930 年，朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。 1932 年，奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽電池。 1941 年，奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應。 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 5 1954 年美國貝爾實驗室研制出 6%的實用型單晶硅電池，同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沈積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。 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。同年，吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉(zhuǎn)換 效率優(yōu)化設(shè)計；第一個光電航標燈問世。美國 RCA 研究砷化鎵太陽電池。 1957 年硅太陽電池效率達 8％。 1958 年太陽電池首次在空間應用，裝備美國先鋒１號衛(wèi)星電源。 1959 年，第一個單晶硅太陽能電池問世。 1960 年，太陽能首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。 1969 年薄膜硫化鎘太陽電池，效率達 8％。 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)地面應用。 1973 年，砷化鎵太陽電池效率達 15％。 1974 年， COMSAT 研究所提出無反射絨 面電池，硅太陽電池效率達 18％。 1975 年，非晶硅太陽電池問世，同年，電池效率達 6％。 1976 年， Carlson 制作出第一個非晶薄膜太陽電池。 同年，多晶硅太陽電池效率達 10％。 1978 年美國建成 100KW 光伏電站，隨后太陽能效率不斷提高，其中 1980 年單晶硅太陽能電池效率達到 20%，多晶硅為 %。 1980 年，美國科學家查爾斯弗里茨 (Charles Fritts)開發(fā)出第一塊以硒材料為基礎(chǔ)的太陽能電池。 1980 年消費性薄膜太陽電池的應用。單晶 硅太陽電池效率達 20％，砷化鎵電池達 ％，多晶硅電池達 ％，硫化鎘電池達 ％。 1983 年美國建成１ MWp 光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達 ％。 1986 年美國建成 光伏電站。 1995 年，高效聚光砷化鎵太陽電池效率達 32％。 1997 年，單晶硅光伏電池效率達 25％。 20xx 年，建材一體型太陽電池應用 (BIPV)。 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。 自從實用型硅太陽能電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電很快在全球得到普及。目前，晶體硅光伏電池仍然主導光伏發(fā)電市場，薄膜電池是未來太陽能電池發(fā)展物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 6 的方向。當前國際上最新的研發(fā)熱點主要集中在低成本、高效率、高穩(wěn)定性的光伏器件和光伏建筑集成應用系統(tǒng)等方面，并已取得了可喜的成果。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。論實驗室效率，單晶硅電池最高可 %，多晶硅電池最高可達 %，工業(yè)化產(chǎn)品效率一般在 13%— 15%。各種晶體硅電池技術(shù)發(fā)展情況如下： （ 1）澳大利亞新南威爾士大學多晶硅電池效率突破 %； （ 2）舊本京都陶瓷公司多晶硅電池效率達到 %； （ 3）澳大利亞新南威爾士大學高效單晶硅電池效率己達 %； （ 4）德國 ASE 公司片狀 晶體硅電池效率為 %； （ 5）美國 Astro Power(AP)公司的帶狀多晶硅電池效率為 %； （ 6）舊本三洋公司的 HIT 晶體 /非晶硅復合電池效率達 18%； （ 7）美國、日本、德國多晶硅鑄錠 240kg/爐，已能規(guī)?；a(chǎn)。 從此，光伏發(fā)電技術(shù)不斷得到提高與完善，并逐步降低開發(fā)成本，光伏發(fā)電技術(shù)進一步規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化，并成為當前全世界主要的綠色可持續(xù)資源之一。 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。 2． 太陽能光伏發(fā)電的概述，簡單介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成、分類、應用及尚存在的一些問題。 3． 光伏電池及其特性，簡單介紹了太陽能電池的分類、基本工作原理以及太陽能電池的等效電路和輸出特性。 4． 最大功率點跟蹤，對最大功率點跟蹤技術(shù)的原理進行了簡單介紹，并對常規(guī)的跟蹤算法進行了論述，最后利用 MATLAB/Simulink 仿真軟件對 MPPT 進行了建模與仿真。 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。 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 7 第二章 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池 (組 )構(gòu)成。 太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，供負載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。 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 。同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。如果用戶使用的是直流負載，通過太陽能控制器可以為負載提供穩(wěn)定的直流電 (由于天氣的原因，太陽電池方陣發(fā)出的直流電的電壓和電流不是很穩(wěn)定 )。 逆變器：逆變器的作用就是將太陽能電池陣列和蓄電池提供的低壓直流電逆變成 220V 交流電，供給交流負載使用。 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。在光伏發(fā)電 系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，當日照量大時，除了供給負載用電外，還對蓄電池充電 。當日照量小時，這部分儲存的能量將逐步放出。 太陽能光伏系統(tǒng)的分類 光伏發(fā)電是通過利用光伏電池板來實現(xiàn)太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電方式。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。一般情況下，我們可以把光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立型系統(tǒng)、并網(wǎng)型系統(tǒng)和混合型系統(tǒng)。 獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示。其特點是不和電網(wǎng)相連接，無電 地區(qū)和特殊領(lǐng)域的供電，測站等遠離電網(wǎng)的用電設(shè)備。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。當光伏陣列的發(fā)電量大于存儲在蓄電池中。當負載消耗大于當前光伏陣列產(chǎn) 物理電氣信息學院 本科畢業(yè)設(shè)計 8 D C / D C D C / A C交 流 負 載直 流 負 載蓄 電 池逆 變 器升 壓 電 路光 伏 陣 列 圖 21 獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 生的電能，那么光伏陣列和蓄電池同時對負載供電。如果當前沒有太陽光照 ，則由蓄電池單獨供電。同時，還可以根據(jù)負載的類型，選擇是否加入逆變器。 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) D C / D C D C / A C交 流 負 載直 流 負 載逆 變 器升 壓 電 路光 伏 陣 列 圖 22 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22所示。其特點是輸出端與公共電網(wǎng)相連接。按照電網(wǎng)接入點的不同可以分為輸電側(cè)和配電側(cè)并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。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)。而輸電側(cè)的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝在沙漠地區(qū)。 其工作原理為：首先通過光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再通過逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)相位、頻率都相同的交流電，并將所產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)。 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 混合型光伏發(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)。當光伏陣列產(chǎn)生的電能不能滿足負載需求的時候，可以通過其它形式的發(fā)電系統(tǒng)作為電能補充。 目前應用比較多的就是風光互補發(fā)電系統(tǒng)，這樣組合可以使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性比單獨的光伏發(fā)電系統(tǒng)或者風力發(fā)電系統(tǒng)有了很大的提 高。通過合理的配置和設(shè)計，可以基本滿足負載的需求。 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)的應用 目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用主要在三方面： 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)模應用作好準備。 光伏發(fā)電尚存在的問題 目前，光伏發(fā)電仍存在下列幾個主要問題 : 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)。并且由于對光電轉(zhuǎn)化管理不力，真正太陽能的利用率只有 50%～ 70%。目前，科學家們正在加緊研究，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。 20xx 年單、雙晶硅光伏電池組件的價格約為 36～ 40 元 / pW ，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。成本高是當前制約光伏發(fā)電市場快速發(fā)展的主要原因。 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。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 而阻擋了陽光的照射，減少了光線的投入量，進而減少了光電的轉(zhuǎn)換。 4． 制造單晶硅和多晶硅光伏電池需要消耗相當多的能源 硅是地球上各種元素中含量僅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（ 2SiO ，二氧化硅）。從沙子變成多晶硅和單晶硅要經(jīng)過多道化學和物理工序，其間，要消耗相當多的能量，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