【正文】 不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(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)（ MPP）。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 而且，由于日照強(qiáng)度不變，即陽光投射到電池表面的功率不變，可見光電轉(zhuǎn)換效率可知電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到溫度的影響很大?？梢钥闯?，隨著電池溫度的升高，光伏電池的短路電流 ISC 略微增加，而光伏電池開路電壓降低?？梢钥闯觯?dāng)溫度一定時(shí)，光伏電池短路電 流 ISC 隨日照強(qiáng)度的增加而增加，并與日照強(qiáng)度成正比；開路電壓隨日照強(qiáng)度的增加略有增加，但是增加幅度很 小。 （ 2）日照強(qiáng)度和溫度對(duì)光伏電池的輸出特性的影響 光伏電池的 IU特性曲線與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)。但是，當(dāng)光伏電池輸出電壓較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，光伏電池近似為一個(gè)恒流源；當(dāng)光伏電池輸出電壓超過 Um時(shí)，輸出電流急劇下降，光伏電池又 可近似為一恒壓源。 開路電壓（ UOC）：標(biāo)準(zhǔn)條件下所能輸出的最大電壓； 最大功率點(diǎn)電壓（ Um）：標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)的電壓； 短路電流（ ISC） :標(biāo)準(zhǔn)條件下所能輸出的最大電流； 最大功率點(diǎn)電流 （ Im） ：標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)的電流； 最大功率點(diǎn)功率 （ Pm） ：標(biāo)準(zhǔn)條件下輸出最大功率 Pm=Um*Im。我國應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為：日照強(qiáng)度 1KW/m2,電池溫度為 25℃ ，太陽輻射光譜為。圖 35（ a）為光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，光伏電池的輸出特性是指在一定的溫度和日照強(qiáng)度條件下，光伏電池所呈現(xiàn)的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常簡稱為 IU特性曲線。因此，根據(jù)具體應(yīng)用情況，光伏電池的 IU方程可簡化： shA K TqULshDL RUeIIIIII ????????? ?????? 10 (32) 或 ???????? ?????? 10 A K TqULshDL eIIIIII (33) 簡化的模型結(jié)構(gòu)分別如圖 34（ a）和 34（ b） 所示。 U太陽能電池輸出電壓，單位 V。根據(jù)圖中的電流電壓參考方向，光伏電池的 IU方程為： ? ?shSSLshDL R IRUA KT IRUqIIIIII ???????? ??????? ?????? 1e xp0 (31) 式中： IL光電流，單位 A； I0二 極管反向飽和電流，單位 A； q電子電荷（ 10? C）； A二極管因子； K波爾茲曼常數(shù)（ ?? J/K） 。 光伏電池的數(shù)學(xué)模型 （ 1）光伏電池的理論分析模型 根據(jù)半導(dǎo)體電子學(xué)理論， 單個(gè) 光伏電池的等效電路如圖 33 所示。太陽能跟蹤器又分 為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。將光伏點(diǎn)多吃安裝在特有的定向裝置上，使得光伏電池表面總是面向太陽旋轉(zhuǎn)，以獲得最大的功率輸出。其特點(diǎn)是該光伏陣列表面好太陽光之劍的角度是連續(xù)變化的。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 ④ 固定安裝式光伏陣列。其特點(diǎn)不但能增強(qiáng)太陽的光強(qiáng)，還可用較少的電池得到較多的電能，但與此同時(shí)電池板的工作溫度也會(huì)升的很高。 ③ 聚光式光伏陣列。電池片可以貼在凸面，也可以是凹面。 ② 曲面式光伏陣列。這種光伏 陣列直接收集自然照射來的太陽光，光伏陣列可固定安裝，也可安裝成定向形式。 ① 平板式光伏陣列。 h /m2 表示該 光伏陣列單位面積的能量 質(zhì)量密度 kg/m2 表示該光伏陣列單位面積的質(zhì)量 單位成本 元 /W 表示該光伏陣列單位功率的成本 光伏陣列的分類 按外形結(jié)構(gòu)來分 ,光伏陣列主要有平面式光伏陣列、曲面式光伏陣列以及聚光式光伏陣列，以安裝形式分則分為固定安裝式光伏陣列、定向安裝式光伏陣列及加固定裝式光伏陣列，按使用場(chǎng)合分則可分為地面光伏陣列、高空光伏陣列、宇宙光伏陣列以及潛水光伏陣列。 h 光伏陣列在一天內(nèi)所產(chǎn)生的能量，即為功率對(duì)時(shí)間的積分 輸出安培小時(shí) E A一般光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)乘以每一待并支路的最佳工作電流即為蓄電池的充電電流。光伏陣列串聯(lián)后的伏安特性曲線參考見圖 31。而且光伏電池的輸出電壓隨溫度的升高還會(huì)呈現(xiàn)負(fù)特性，所以在計(jì)算電池組件串聯(lián)級(jí)數(shù)時(shí)，要留有一定的余量，但也不能把串聯(lián)技術(shù)定的過高，造成較大的浪費(fèi)。 確定光伏電池板串聯(lián)數(shù)，及光伏陣列總的輸出電壓時(shí)，主要考慮負(fù)載電壓的要求，同時(shí)考慮蓄電池的浮充電壓、溫度以及控制電路等的影響。所以要選擇工作電流相等或近似相等的電 池組件方可串聯(lián)使用，以免造成電流浪費(fèi)。 在構(gòu)成光伏陣列時(shí)，根據(jù)負(fù)荷用電量、電壓、功率、光照情況等，確定光伏電池的總?cè)萘亢凸夥姵氐拇?、并?lián)數(shù)量。工程上使用的光伏電池板是光伏電池使用的基本單元，其輸出電壓一般在十安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 幾至幾十伏左右。因此要將單體的太陽能電池根據(jù)負(fù)載需要進(jìn)行串、并聯(lián)構(gòu)成組合體，在京啊組合體通過一定的工藝流程封裝在透明的薄板盒子內(nèi)，引出正負(fù)極引線，方可獨(dú)立發(fā)電使用。在使用光伏電池供電時(shí)，光伏電池片容量較小，輸出電壓只有零點(diǎn)幾伏、輸出峰值功率也只有 1W 左右。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低、價(jià)格便宜、輕便，易于 大規(guī)模生產(chǎn)。即采用同質(zhì)結(jié)形式也可以采用異質(zhì)結(jié)形式，既可采用單晶切片結(jié)構(gòu)也可采用薄膜結(jié)構(gòu)以制成光伏電池。硫化鎘分單晶或多晶兩種，它常與其他半導(dǎo)體材料合成使用，如硫化亞銅 /硫化鎘光伏電池、碲化鎘 /硫化鎘光伏電池、銅銦硒 /硫化鎘光伏電池等。 （ 2） 非硅半導(dǎo)體光伏電池。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式。用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。但多晶硅光伏電池成本較低。 多晶硅材料晶體方向無規(guī)律性。 按電池 材料分類： （ 1）硅光伏電池： 包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。鑒于波長短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特點(diǎn)，充分利用太陽光中不同波長 的光，通常是讓波長最短的光線被最上邊的寬禁帶材料電池吸收，波長較長的安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 光線能夠透射進(jìn)去讓下邊禁帶較窄 的材料電池吸收，這就有可能最大限度地將光能變成電能。 （ 5）疊層光伏電池。這種光伏電池大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以 μ m計(jì)）從而大大地降低了光伏電池的成本。 （ 4）薄膜光伏電池。其原理是基于在一定條件下金屬 — 半導(dǎo)體接觸時(shí)產(chǎn)生類似于PN 結(jié)可整流接觸的肖特基效應(yīng)。 （ 3）肖特基光伏電池。 在同一個(gè)半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè) PN 結(jié)。像硫化亞銅光伏電池、硫化鎘光伏電池都為異質(zhì)結(jié)光伏電池。下面以電池結(jié)構(gòu)和材料形式加以闡述 ： （ 1）異質(zhì)結(jié)光伏電池。這 樣如果用導(dǎo)線連接兩個(gè)電極，就會(huì)有“光生電流”流過，從而產(chǎn)生電 能。當(dāng)太陽光照射到 PN 結(jié)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定量的電子和空穴對(duì)， N 區(qū)就有過剩的電子，這樣 就形成了光生電動(dòng)勢(shì)，其方向與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 光伏電池 光伏 電池的工作原理 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，光伏電池陣列是多個(gè)特性相同的電池單體經(jīng)過串并聯(lián)后構(gòu)成的，一般是由半導(dǎo)體材料制成的，其特性與二極管類似。顯然風(fēng)能發(fā)電與太陽能發(fā)電具有很好的互補(bǔ)性，其優(yōu)點(diǎn)顯見：利用太陽能、風(fēng)能的互補(bǔ)特性可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出，提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性；在保證供電情況下，可以大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量；對(duì)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，可以基本上由風(fēng) — 光系統(tǒng)供電，不需要啟動(dòng)備用電源 和備用發(fā)電機(jī)，一次獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。較 為常見的混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng) — 光互補(bǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 23所示。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，如光纖通訊系統(tǒng)、微波中繼站、衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)、農(nóng)村程控電話系統(tǒng)、部隊(duì)通訊系統(tǒng)、鐵路安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 和公路信號(hào)系統(tǒng)、燈塔和航標(biāo)燈電源、海洋浮標(biāo)電源、石油和天然氣輸送管道陰極保護(hù)、氣象和地震臺(tái)站、水文觀察、污染檢測(cè)等災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器電源等，甚至還可以用在航空設(shè)備以及飛機(jī)、車輛、船舶等交通 。在方陣工作時(shí)，阻塞二極管兩端有一定的電壓降。 光伏電池組件控制器D C / A C 變換 器D C / D C 變換 器直 流 負(fù) 載交 流 負(fù) 載蓄 電 池 圖 22 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng) 控制器中含有阻塞二極管， 阻塞二極管的主要作用是利用二極管的單向?qū)щ娦宰柚篃o日照時(shí)蓄電池通過太陽能電池方陣放電。 交 流 負(fù) 載蓄 電 池控制器光伏電池組件D C / D C 變換 器直 流 負(fù) 載D C / A C 變換 器電 網(wǎng) 圖 21 并網(wǎng) 光伏發(fā)電系 統(tǒng) 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏電池陣列、蓄電池組、控制器和逆變器及負(fù)載等部分。 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與公共電網(wǎng)相連接的，主要在一些離公共電網(wǎng)太遠(yuǎn)的五點(diǎn)地區(qū)和一些特殊場(chǎng)合所使用，如一些偏僻農(nóng)村、牧場(chǎng)和偏遠(yuǎn)的島嶼，即公共電網(wǎng)難以覆蓋到的地區(qū)，為其提供照明、廣播電視等基本生活用電。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 21 所示是典型的并網(wǎng) 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括光伏 電池陣列、DC/AC 逆變器、 DC/DC 變換器、控制器和電網(wǎng)五個(gè)組成部分。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有帶蓄電池組和不帶蓄電池組之分。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)，將光伏電能饋送給公共電網(wǎng)。提高了系統(tǒng)供電可靠性。 逆變器是將直流電逆變成交流的 220V，供給交流負(fù)載使用。 控制器的主要作用是控制光伏電池的工作狀態(tài)的，使其工作在最大功率點(diǎn)上，同時(shí)控制蓄電池的充放電，對(duì)蓄電池和負(fù)載起到保護(hù)作用。基本的光伏系統(tǒng)主要是由光伏電池陣列、控制器、變換器、逆變器及蓄電池組成。負(fù)載可以是直流負(fù)載，也可以是交流負(fù)載。白天，日照達(dá)到一定強(qiáng)度，由光伏電池陣列直接向負(fù)載和蓄電池提供電能，或者是部分電能直接送到電網(wǎng)。 （ 4）設(shè) 計(jì)通過 TMS320LF2812A 實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋逆變電路的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏離網(wǎng)型逆變器的運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。硬件設(shè)計(jì)包括對(duì)主回路的設(shè)計(jì)以及輔助電路的設(shè)計(jì)，對(duì)濾波電路的設(shè)計(jì)選型以及對(duì)功率驅(qū)動(dòng)模塊 IPM 和 UC3842 的介紹。 （ 2）分析光伏發(fā)電的原理及光伏電池的工作原理及分類，分析了光伏電池的輸出特性，并針對(duì)其輸出特性介紹了 MPPT 方法。本文的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種離網(wǎng)型的光伏逆變器，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)： （ 1）首先介紹光伏發(fā) 電的基本情況及前景。 本課題的內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)圍繞著光伏發(fā)電展開的，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池、逆變器進(jìn)行全面的分析研究，重點(diǎn)對(duì)光伏逆變器做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括對(duì)其硬件電路和軟件編程的設(shè)計(jì)。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)即 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。它 是利用 半導(dǎo)體 界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。 太陽能光伏發(fā)電 的概述 太陽能發(fā)電可分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。 2021 年以后，我國光伏產(chǎn)業(yè)的年增長率超過 100%。接下來的 20212021 年，我國解決了上萬個(gè)自然村和行政村的用電問題。特別是在 2021 年近 800 個(gè)無電鄉(xiāng)政府用電問題被解決。 自 20世紀(jì) 80 年代，我國太陽能光伏技術(shù)得到了迅速發(fā)展，以每年 30%40%的速度持續(xù)高速增長， 尤其是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展年均增長超過了 60%，經(jīng)歷了從小規(guī)模到現(xiàn)在的地面睡覺大規(guī)模利用的時(shí)代。如 2021 年國家實(shí)施的送電到鄉(xiāng)和送電到村的工程，都采用了光伏發(fā)電技術(shù)。第二次飛躍在 2021 年以后，為光伏產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展階段。國內(nèi)先后引進(jìn)多條太陽能電池生產(chǎn)線，太陽 能電池生產(chǎn)能力由原來的幾百瓦升至幾兆瓦。 我國光伏發(fā)電經(jīng)歷了兩次飛躍。 瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。德國政府并于 1999 年開始實(shí)施 10 萬太陽能屋頂 (每戶約 3kW~5kW)計(jì)劃。 1997 年又宣布 7 萬光伏屋頂計(jì)劃，到 2021 年將安裝 7600MW 太陽 電池 。 美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展 規(guī)劃 ， 1997 年又提出 “ 百萬屋頂 ” 計(jì)劃，能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財(cái)政補(bǔ)貼政策，總光伏安裝量已達(dá)到 3000MW 以上，美國連續(xù)三年光伏產(chǎn)業(yè)均高于 30%的年增長率上升，其主要原因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵(lì)引起的。 太陽能 光伏發(fā)電的現(xiàn)狀 近幾年，國際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，美國、歐洲及日本制定了龐大的光伏發(fā)電發(fā)展計(jì)劃。 而隨著我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，尤其是光伏屋頂計(jì)劃的實(shí)施，國內(nèi)對(duì)離網(wǎng)型光伏逆變器的需求將越來越大。而其中的太陽光伏發(fā)電是世界上節(jié)約能源、倡導(dǎo)綠色電力的一種主要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。而綜觀可再生能源種類，風(fēng)能、生物能、太陽能中，太陽能的利用前景最好，潛力最大。同時(shí)由于排放大量溫室氣體而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，已引起全球氣候惡化。而傳統(tǒng)的石化能源所帶來的環(huán)境問題也令人擔(dān)憂。能源是經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的基本動(dòng)力，但由于常規(guī)能源的有限性和分布不均勻性，造成世界上大部分國家的能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。 關(guān)鍵詞：