【正文】 伏電池及其特性 太陽能電池陣列是將太陽能轉(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。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。 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僅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（ 2SiO ，二氧化硅）。 3． 發(fā)電運(yùn)行受氣候環(huán)境因素影響大 光伏發(fā)電源直接來源于太陽照射，而地球表面的太陽照射受氣候的影響時(shí)有時(shí)無。 20xx 年單、雙晶硅光伏電池組件的價(jià)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。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；增物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。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%。左右。光伏發(fā)電效率指的是光能轉(zhuǎn)化為電能的比率。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 D C / D CD C / A C交 流 負(fù) 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(jī)風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 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(yuǎn)地區(qū)無電村和無電戶的供電問題，為 200 萬戶偏遠(yuǎn)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(dá)國家建設(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。 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。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)。 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)。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(diǎn)一般在配電側(cè)。其特點(diǎn)是輸出端與公共電網(wǎng)相連接。同時(shí)，還可以根據(jù)負(fù)載的類型，選擇是否加入逆變器。當(dāng)負(fù)載消耗大于當(dāng)前光伏陣列產(chǎn) 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 D C / D C D C / A C交 流 負(fù) 載直 流 負(fù) 載蓄 電 池逆 變 器升 壓 電 路光 伏 陣 列 圖 21 獨(dú)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(shí)對負(fù)載供電。在有太陽光照的情況下，如偏遠(yuǎn)山村用電設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、航標(biāo)燈、主要用于偏遠(yuǎn)氣象和地震觀光伏陣列產(chǎn)生電能，負(fù)載的消耗，那多余的電能就會(huì)轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，并向負(fù)載供電。 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示。整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)都是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：光伏電池陣列、控制器、電能變換裝置和電能儲(chǔ)存裝置。當(dāng)日照量小時(shí)，這部分儲(chǔ)存的能量將逐步放出。 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(chǔ)存起來，供負(fù)載使用。如果用戶使用的是直流負(fù)載，通過太陽能控制器可以為負(fù)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 )。 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 。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。 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(jìn)行了研究分析，最后利 用 MATLAB/Simulink 仿真軟件對并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。 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。 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(diǎn)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。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(xué)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(dá)到 %； （ 3）澳大利亞新南威爾士大學(xué)高效單晶硅電池效率己達(dá) %； （ 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(fù)合電池效率達(dá) 18%； （ 7）美國、日本、德國多晶硅鑄錠 240kg/爐，已能規(guī)模化生產(chǎn)。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(shí)世界光伏電池產(chǎn)量的 80%以上均采用晶體硅材料。目前，晶體硅光伏電池仍然主導(dǎo)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(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 的方向。 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(xué)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(diǎn) )，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。 1997 年，單晶硅光伏電池效率達(dá) 25％。 1986 年美國建成 光伏電站。單晶 硅太陽電池效率達(dá) 20％，砷化鎵電池達(dá) ％，多晶硅電池達(dá) ％，硫化鎘電池達(dá) ％。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。 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(dá)到 20%，多晶硅為 %。 1976 年， Carlson 制作出第一個(gè)非晶薄膜太陽電池。 1974 年， COMSAT 研究所提出無反射絨 面電池，硅太陽電池效率達(dá) 18％。 1970 年代初期，中東戰(zhàn)爭引發(fā)的能源危機(jī)開啟了太陽光發(fā)電系統(tǒng)地面應(yīng)用。 1960 年，太陽能首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。 1958 年太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒１號(hào)衛(wèi)星電源。美國 RCA 研究砷化鎵太陽電池。 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。 1941 年，奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。 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。中國科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型薄膜太陽能電池方面研究取得了重要進(jìn)展，制備的電池光電轉(zhuǎn)換效 率率先突破 10%，達(dá)到了 %，是物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 現(xiàn)有國內(nèi)外公開報(bào)道中的最高值。 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(jià)格制約了光伏產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。商品非晶硅光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率為 4%— 6%。商品單 晶硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率為 11%— 15%。 國內(nèi)研究綜述 迄今為止，太陽能光伏發(fā)電還存在一些有待攻克的弱點(diǎn)，例如光電轉(zhuǎn)化率低，所需光照要求復(fù)雜，成本高，最大功率跟蹤技術(shù)不完善等。 20世紀(jì)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(jìn)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。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。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(jìn)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(huì)隨之增加。貝克勒爾 (Antoine Henri Becquerel)在實(shí)驗(yàn)中意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陽光照射伏打電池時(shí)，能夠產(chǎn)生額外的伏打電勢，這就是“光生伏打效應(yīng)” (photovoltaic effect)，通常簡稱為“光伏效應(yīng) ” 。 1839 年，法國著名物理學(xué)家安東尼現(xiàn)已提出用微波束、激光束傳輸?shù)确桨?。早?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(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)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(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 樣便可提供 5 610 KW電 力。 萬平方公里才占全部海洋面積的 %或全部沙漠的 %，甚至才是撒哈拉沙漠的 %。一是利用地面上的沙漠和海洋面積進(jìn)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。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將可能是今后住宅和辦公用電的主要模式。 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(shí)以上，中國陸地每年接收的太陽輻射量約合 24000 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。 (5)可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。 (4)清潔、安全、無噪聲。如遇風(fēng)雨天，只需檢查太陽電池表面是否被粘污、接線是否可靠、蓄電池電壓是否正常即可。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(dòng)電源；一個(gè) 的太陽能電池發(fā)電站，占地約 80 2)(km ，不足 10 個(gè)月便可建成發(fā)電。能獨(dú)立供電的太陽能電池組件和方陣結(jié)構(gòu)都比較簡單，輸出 50W 的晶體硅太陽能電池組件，體積約為 450mm985mm45mm，質(zhì)量為 7kg。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(xué)利用等三種形式。 太陽能的開發(fā)與利用 1． 太陽能的優(yōu)勢 太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大 ，是最理想的可再生能源。 如何在使用能源的同時(shí)，保護(hù)好整個(gè)地球的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為全球各個(gè)國家面臨的重要問題。例如，溫室效應(yīng)、酸雨和臭氧層的破壞就是由大氣污染衍生出的環(huán)境效應(yīng)。例如，由于化石燃料的燃燒，大氣中的顆粒物和二氧化流濃度增高，危及人類和其他生物的身體健康，同時(shí)還會(huì)腐蝕材料，給人類社會(huì)造成損失；工業(yè)廢水和生活污水的排放，使人體質(zhì)量惡化，危及水生生物的生存，給生態(tài)系統(tǒng)造成直接的破壞和影響。而我國化石能源的儲(chǔ)量情況更加嚴(yán)峻，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 next followed by a brief introduction to the principles of maximum power point tracking technology and conventional algorithm. Through MATLAB/Simulink , the MPPT system was modeled and simulated,then draw the appropriate conclusions . Finally, it makes an introduction of the principle and control strategy of photovoltaic (pv) grid system, then a mode