【文章內(nèi)容簡介】 。 干擾觀測法的原理是每隔一定的時間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀測之后其輸出的功率變化方向，來決定下一步的控制策略。其優(yōu)點是：模塊化控制回路，跟蹤方法簡單，實現(xiàn)容易，對傳感器精度要求不高，缺點是在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行，導致一定功率損失，跟蹤步長的設定 無法兼顧跟蹤精度和響應速度，并且在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤情況。電導增量法通過比較光伏陣列的電導增量和瞬間電導來改變控制信號。該算法控制精確，響應速度比較快，但是對硬件特別是傳感器的精度要求比較高，因而整個系統(tǒng)的硬件造價也較高。模糊邏輯控制具有較好的動態(tài)特性和精度，具有一定的應用前景。 9 第 2 章 光伏電池的原理及特性分析 光伏電池是利用半導體光伏效應將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的變換裝置。光伏電池的輸出特性易受到光照強度、溫度等外界環(huán)境的影響，而且光伏電池的轉(zhuǎn)換效率較低也已成為制約光伏發(fā)電發(fā)展的瓶頸。光伏電 池由光電轉(zhuǎn)化所獲得的最大功率向后級電路輸送時，造成的能量損失，也成為系統(tǒng)效率低的一個原因，所以，最大功率跟蹤控制技術(shù)的研究已成為解決上述問題的有效方法。深入了解光伏電池的原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及電氣輸出特性對于分析研究光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤技術(shù)有著重要意義。本章介紹了光伏電池的分類、工作原理，分析了光伏電池的等效電路以及工程實用數(shù)學模型，并通過Matlab 建立仿真模型得到了光伏電池輸出特性曲線，為后文光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤技術(shù)的研究奠定了基礎。 光伏電池的工作原理 光伏電池種類介紹 光伏電池是將太 陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的元件，種類很多，根據(jù)電池所用材料的不同分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池等，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在光伏應用中居主導地位。目前，市場上已經(jīng)商品化的硅太陽能電池主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜電池三種。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高、制造成本最高、技術(shù)也最為成熟。實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為 %，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為 15%，但由于所使用的單晶硅材料成本高，大幅降低成本很困難，所以，多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜電池作為替代產(chǎn)品正在 大力發(fā)展。多晶硅薄膜電池的晶體無規(guī)則性使多晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅電池要低的多，然而多晶硅薄膜電池成本低廉，這個優(yōu)勢會使多晶硅薄膜電池在未來的太陽能電池市場上占據(jù)主導地位。 非晶硅電池屬于薄膜電池，因所用的材料可以引發(fā)光電效率衰退效應，所以穩(wěn)定性不高，影響了實際應用。非晶硅薄膜電池多用于弱光性電源，如計算器、手表等。在進一步提高轉(zhuǎn)換率、穩(wěn)定性能之后，非晶硅薄膜電池也將成為太陽能電池行業(yè)的主要發(fā)展產(chǎn)品。 10 光伏電池工作原理 光伏電池是把太陽輻射到地球上的能量轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)化裝置，光電轉(zhuǎn) 換的工作原理是光生伏特效應，也就是通過吸收光輻射產(chǎn)生電動勢。原理如下所示。 （ 1） PN 結(jié)的形成 制造光伏電池的原材料是半導體硅，在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成 N型半導體，另一邊形成 P型半導體，在 P 型半導體和N 型半導體結(jié)合后，由于 N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而 P型區(qū)內(nèi)空穴很多，電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。于是，有一些電子要從N 型區(qū)向 P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從 P型區(qū)向 N 型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使 P區(qū)一邊失 去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子， N 區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在 P 和 N 區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，就是所謂的 PN 結(jié)。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個內(nèi)電場，其方向是從帶正電的 N區(qū)指向帶負電的 P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，它是阻止擴散的。 另一方面，這個電場將使 N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向 P 區(qū)漂移，使 P區(qū)的少數(shù)載流子電子向 N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運 動的方向相反。從 N區(qū)漂移到 P區(qū)的空穴補充了原來交界面上 P區(qū)所失去的空穴，從 P區(qū)漂移到 N 區(qū)的電子補充了原來交界面上 N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。當漂移運動和擴散運動相等時， PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。 空 間 電 荷 區(qū)P N電 場 圖 21 PN的形成 11 (2)光伏效應 當 PN 結(jié)受到光照時，太陽光輻射能被半導體吸收后，就光生電子 空穴對。這些非平衡的光光生電子和光生空穴在 PN 結(jié)內(nèi)建電場的作用下會分別向 N 區(qū)和 P區(qū)運動，因此 P 區(qū)的電勢就會 比 N區(qū)的電勢高，形成光生電流IL，光生電流會流過負載電阻，從而產(chǎn)生一個電壓降，而該電壓降反過來會令 PN 結(jié)正向偏置，導致一個正向電流 IF， PN 結(jié)的反向總電流為 IL－ IF，方向和負載流過電流方向一致，這樣就將太陽能轉(zhuǎn)換為電能了，這就是光伏效應。其原理如下圖 22所示 電 場 EILPNIIF+V光 能 圖 22 光伏發(fā)電的工作原理圖 (3) 光伏電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 光伏電池的基本結(jié)構(gòu)是由大面積的 PN 結(jié)和電極引線構(gòu)成。大面積的 PN結(jié)是用擴散法在 P 型硅襯底的基面上形成 N型薄層，再用化 學沉積法在 N型薄層上沉積金屬柵、覆蓋金屬網(wǎng)格作為正面接觸電極，在 P型硅襯底沉積金屬網(wǎng)格作為背面接觸電極，最后引出接觸電極的引線，這樣就得到了光伏電池單體。另外，為了充分利用太陽輻射能，減少硅表面的反射，通常在表面涂上了一層反射系數(shù)非常小的減反射膜，將反射損失減小到 5％甚至更小。如果將光伏電池單體和外電路連接成通路，那么在有光照的情況下，就會有電流輸出，但輸出的電流很微弱、功率很小，所以將很多電池單體通過串并聯(lián)的方式形成太陽電池板，再組成光伏陣列，這樣才能輸出功率可觀的電能，使太陽輻射能得以轉(zhuǎn)化、直接利用。 光伏電池的特性分析 光伏電池特性 12 光伏電池的等效電路如圖 23 所示。考慮到光伏電池的電極表面層存在橫向電流，因此需要在等效電路中串聯(lián)一個電阻 RS， PN結(jié)是由 PN結(jié)合部和串聯(lián)電阻 RS 組成。如圖所示光伏電池電勢產(chǎn)生光電流 Iph，這個量取決于輻照度、電池的面積和本體的溫度 T，且 Iph與入射光的輻照強度成正比，當溫度升高時， Isc會略有所上升， Rsh是分路電阻，用來替代因 PN 結(jié)缺陷產(chǎn)生的漏電流 Ish，其方向與 Iph相反， Id為 PN 結(jié)的正向電流。負載 R 上的電流用 I表示，則太陽能電池工作于發(fā)電狀態(tài)的 電流方程表達式為 ph skdI I I I? ? ? （ ） P N 結(jié)RS負載RI = Ip h Id Is hIp hId光 伏 電 池 電 勢Rs hUo=U+IRs 圖 23 光伏電池的等效電路 其中， (){ e x p 1}Sdo q U I RII A K T????????? （ ) s+sk skU IRI R? （ ） 而用電壓表示的太陽能光伏電池等效電路的表達式為 osU U IR?? （ ） 綜合以上幾式可得太陽能光伏電池的輸出特性等效模型為 ? ?ph e xp 1s soshq U I R U I RI I I AK T R????? ???? ? ? ????????? （ ） 13 式中， Iph—— 光生電流 (A)； IO—— 光伏電池在無光照時的反向飽和電流 (其 數(shù)量級為 104A)； q—— 電子電荷常數(shù) ( 1019C)； U—— 負載端電壓 (V)； I—— 負載工作電流 (A)； RS—— 串聯(lián)電阻； A—— 二極管常數(shù)因子 (正偏電壓大時 A=1，正偏電壓小時 A=2)； K—— 玻耳茲曼常數(shù) ( 1023J/K)； T—— 絕對溫度 K； Rsh—— 并聯(lián)電阻； 從式 ()可以看出，光伏電池的輸出特性方程為一超越指數(shù)方程，電壓和電流耦合在一起不便于進行下一步的計算。而且對 IO、 Rsh和 RS等參數(shù)缺乏準確有效的測試手段和方法，因此需要對式 ()的模型進行 簡化，獲得適合工程應用的實用化表達式，建立光伏電池的工程用數(shù)學物理模型，以便在 MATLAB/Simulink中建立光伏電池模型進行仿真，對其輸出特性進行分析。 一個理想的太陽能電池，其等效串聯(lián)電阻 Rs很小，一般小于 1Ω，而等效并聯(lián)電阻 Rsh 很大，一般為幾千歐姆，因此通常對表達式進行以下簡化： (U+IRs)/Rsh相對于光生電流 Iph很小，可以忽略。 因此式 (25)可 以簡化為： ? ?ph e xp 1s soshq U I R U I RI I I AK T R????? ???? ? ? ????????? （ ） 其中： 3 11e xpor rrTII T T T? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? （ ） ? ?1 1000p h s c r SI I K T T? ? ????? （ ） 式中 Ir為標準測試條件 (光照強度為 lOOOW/m2，環(huán)境溫度為 25℃ )下二極管的飽和漏電流 (約為 l012A/cm2)， Tr為標準測試溫度 298K(25℃ )， Eg為能帶寬度 (能隙 )， Isc為標準測試條件下的短路電流， k1為短路電流隨溫度變化系數(shù) (℃ )， S 為光照強度 (W/m2)， Uoc為標準測試條件下的開路電 14 壓。 實 際應用中需要將若干太陽能電池屯體經(jīng)過串、并聯(lián)封裝，排列組成光伏陣列，以滿足光伏系統(tǒng)實際電壓和電流的需要。因此可以得到光伏陣列的輸出特性等效模型為： e x p 1p ph p o sqUI N I N I N AK T????? ? ????????? （ ） 由此可以根據(jù)不同的光伏陣列型號得出光伏電池輸出特性等效模型。 光伏電池電氣特性 光伏電池的電氣特性如圖 24所示 P mV mU /VV o cI mI s c0I /A 圖 24光伏電池的輸出特性 由圖 24可以看出，光伏陣列輸出特性，即 I/V 和 P/V 特性，二者都具有非線性，且存在唯一的最大輸出功率點。相關(guān)文獻研究指出：除材料工藝外，影響太陽能最大功率點的因素主要是環(huán)境溫度和日照強度。因此，應采取控制措施使光伏陣列能夠在當前日照強度和溫度不斷變化的情況下不斷追蹤最大功率點。 光伏電池陣列的幾個重要技術(shù)參數(shù)： （ 1）短路電流 ISC ：在給定的日照強度下的最大輸出電流 （ 2）開路電壓 VOC ：在給定的日照強度和溫度下的最 大輸出電壓 （ 3）最大功率點電流 IM：給定的日照強度和溫度下相應于最大功率點的電壓 （ 4）最大功率點電壓 VM：給定的日照強度和溫度下相應于最大功率點的電壓 15 (5)最大功率點功率 PM：給定的日照強度和溫度下輸出的最大功率點 16 第 3 章 最大功率點跟蹤 (MPPT)法 太陽能電池板是一種非線性電源，它的轉(zhuǎn)換效率不僅與光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性有關(guān)外，還會受到外界環(huán)境如溫度、輻照強度、負載等因素的影響。因此光照強度和環(huán)境等溫度的改變，太陽能電池板輸出電壓也會發(fā)生改變，只有達到某一特定的輸出電壓值時，其輸出功率才能達 到最大值，即輸出功率 電壓曲線的最高點，我們把它稱為最大功率點。因為最大功率點是隨著光照強度與溫度的變化而變化，因此要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，其關(guān)鍵就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終保持在最大功率點附近，這一過程就叫做最大功率點跟蹤 (MPPT)。 最大功率點跟蹤方法有許多種，研究最廣且應用較普遍的 MPPT 控制算法主要有固定電壓法、擾動觀察法、增加電導法等。這幾直類算法不需要接檢測外界環(huán)境因素的變化，而是根據(jù)直接測量到的光伏陣列的電壓和電流等信進行最大功息率跟蹤。而近些年來，人工智能如模糊邏輯控制、神 經(jīng)網(wǎng)絡等已經(jīng)滲入到了電氣工程的各個領(lǐng)域，在光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法中的應用也逐漸增多。針