【正文】 光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系，可以分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立系統(tǒng)常用在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，它利用蓄電池和太陽(yáng)能電池構(gòu)成獨(dú)立的供電系統(tǒng)來向負(fù)載提供電能，當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充，而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能儲(chǔ)存在蓄電池中；并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池控制系統(tǒng)和民用電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由電網(wǎng)來進(jìn)行補(bǔ)充；而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能輸送到電網(wǎng)中。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光伏電池板部分可以采用聚光器，常用的聚光器有拋物槽、菲涅耳透鏡、CPC聚光器、熒光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它們都可以不同程度的提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率。儲(chǔ)能裝置一般采用蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池。控制器為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)預(yù)設(shè)和判斷做出控制指令，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，并工作于最佳狀態(tài)。獨(dú)立光伏發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)主要部分如圖11中A點(diǎn)左側(cè)所示，主要包括聚光器，對(duì)太陽(yáng)的跟蹤，最大功率點(diǎn)的跟蹤，以及對(duì)蓄電池沖放電的控制。針對(duì)這一問題本文主要做了如下工作：，設(shè)計(jì)采用聚光器，提高了光伏電池轉(zhuǎn)換效率。最大效率的利用太陽(yáng)光的輻射，設(shè)計(jì)了兩套自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，使光伏電池始終跟蹤太陽(yáng)光的方向。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。目前大規(guī)模使用的主要是單晶硅和多晶硅電池，因?yàn)槠滟Y源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高（澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到24%），所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。例如，當(dāng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子—電子和空穴。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自N區(qū)流向P區(qū)的光生電流，在PN結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流Isc。如將PN結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，PN結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。圖21為光伏電池的單元模型和外觀。將每個(gè)單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)（Solar Generator）”。圖21單個(gè)光伏電池的模型和外觀 光伏電池的物理模型光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。目前使用的光伏電池可看作PN結(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在PN結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖22表示的等效電路來考慮。 (21) 其中I為電池單元輸出電流；IL為PN結(jié)電流（A）；IO為二極管的反向飽和電流（A）； V為外加電壓（V）；q是單位電荷（10k庫(kù)侖）；K是玻耳茲曼常數(shù)（10J/K）；T是絕對(duì)溫度（K）；n為二極管指數(shù)[5]。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖23來描述，其伏安特性可由22式給出。 光伏電池的輸出特性及其影響因素光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過IV和PV特性曲線來加以體現(xiàn)。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。在一定的光強(qiáng)的照射下，特性曲線完全由電池的PN結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。如圖24所示[6]。在PV特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長(zhǎng)輸出功率先上升然后下降，說明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟IV曲線說明了同一個(gè)問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。（VM）：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓。： （23）：輸出功率Po與陽(yáng)光投射到電池表面上的功率Ps之比，其值取決于工作點(diǎn)。M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流IM為最佳工作電流，VM為最佳工作電壓，PM為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅?。圖26是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的光伏電池的特性曲線。光強(qiáng)從2001000W/m開路電壓變化比較平穩(wěn)。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。由公式可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。圖27不同溫度下的光伏特性（a）光伏電池的伏安曲線；（b）光伏電池的功率電壓曲線 第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計(jì)太陽(yáng)能聚光器的工作原理：利用光學(xué)系統(tǒng)（反射或折射器）使較大面積的入射光聚集在較小面積上，提高單位面積上的入射光強(qiáng)度。雖然太陽(yáng)光經(jīng)過會(huì)聚之后會(huì)造成一定的光學(xué)損失，流失一部分能量（相對(duì)較少），但實(shí)驗(yàn)表明在一定程度的光線會(huì)聚之后，工作溫度有一定程度的提高。 聚光比聚光器的聚光比，是反映聚光器聚光性能的一個(gè)重要參數(shù)，在研究聚光器之前，首先要介紹一下太陽(yáng)能聚光器的聚光比。具體公式如下[7]： （31）聚光比影響著聚光器的工作溫度及其成本。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，聚光比越高，聚光器的成本相對(duì)也就越貴。圖31聚光比與聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度的關(guān)系 典型聚光器的性能分析 拋物面反射鏡的聚光性能理論和實(shí)驗(yàn)都已證明拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會(huì)聚于焦點(diǎn)的鏡面。在槽形拋物面反射鏡中，接收器通常為圓管；聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板、也可以是空腔球體。圖32為典型的槽形拋物面反射鏡的光路圖。圖33槽形拋物面反射鏡局部光路分析圖由32式可知，接收器的直徑的大小是由聚光比決定的。；R為拋物面上任何一點(diǎn)到接收器中心的距離，根據(jù)拋物而的方程求解得到： （34） （35）θ—位置角，即任意一點(diǎn)的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。可以將35式理解為接收器的直徑（越小損失越?。┲辽僖扔谟疫吅瘮?shù)的最大值。其它形狀的接收器，可以根據(jù)相同的原理進(jìn)行分析[8]。所以拋物面反射鏡聚光器需要附加跟蹤裝置工作。復(fù)合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設(shè)在底部的接收器構(gòu)成。要分析CPC復(fù)合聚光器的性能，我們引入這樣一個(gè)常量—θmax入射光最大張角。圖34復(fù)合拋物面聚光器的光路分析圖 如圖34，已知拋物線U和拋物線V是軸對(duì)稱的，且拋物線U的焦點(diǎn)fU在拋物線V上，根據(jù)對(duì)稱性原理拋物線V的焦點(diǎn)fV也在拋物線U上；拋物線的主光軸與CPC中軸的夾角為θmax。也就是說，如果拋物鏡是理想的，投射在CPC開口上的在177。根據(jù)已知理論，理想的二維CPC的聚光比為： （38）根據(jù)38式知，CPC的聚光比完全由θmax決定，要得到大的聚光比，θmax就必須減小，但理論及實(shí)驗(yàn)均證明θmax減小會(huì)導(dǎo)致一年之中調(diào)整CPC的次數(shù)增加。 折射式菲涅爾聚光器菲涅爾聚光器是一種使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面為平面，另一面為按照一定寬度和角度設(shè)計(jì)的鋸齒棱角，如圖35所示，它可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)聚焦式（圓盤鏡），也可以設(shè)計(jì)成線聚焦式（長(zhǎng)條鏡）。陽(yáng)光從平面一側(cè)透射到另一側(cè)，經(jīng)過鋸齒棱角折射，會(huì)聚到一個(gè)小的區(qū)域范圍內(nèi)，其光學(xué)原理如圖36所示。當(dāng)材料和焦距確定之后，就可以根據(jù)39式計(jì)算離開主光軸不同距離處每一個(gè)鋸齒棱的棱角Φ。因?yàn)閷?shí)際的鋸齒是有寬度的，所以陽(yáng)光透過鋸齒折射之后并不是會(huì)聚在一點(diǎn)，而是一個(gè)焦斑區(qū)域。 聚光器的選擇和開發(fā) 聚光器的選擇影響太陽(yáng)能聚光器設(shè)計(jì)的有如下幾個(gè)方面：1)制造成本以及使用方便性2)工作溫度及性能3)使用壽命及維修性在已有的理論知識(shí)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)聚光器時(shí)，首先要根據(jù)以上因素選擇聚光器的類型。表31常見太陽(yáng)能聚光器的性能參數(shù)比較常用太陽(yáng)能聚光器的經(jīng)濟(jì)性：拋物面反射鏡聚光器加工工藝復(fù)雜，加工誤差較高，制造費(fèi)用高。而且它在使用過程中還存在著反射層易脫落、隨時(shí)間推移性能明顯下降的問題。而且就復(fù)合拋物面聚光器本身來說，其結(jié)構(gòu)及其制造工藝與拋物面反射鏡聚光器基本相同，使用過程中也存在反射層易脫落、隨時(shí)間推移性能明顯下降的問題。目前的菲涅爾聚光器，基本上都采用透明塑料擠壓成型的加工方法制成，制造方法簡(jiǎn)單，成本非常低。 通過對(duì)以上三種典型的聚光器的分析對(duì)比可知，對(duì)于太陽(yáng)能中溫工業(yè)所需要的基本工作溫度來說，三種聚光器的性能相差不多，選擇的關(guān)鍵就是成本問題。如果有了高精低廉的跟蹤裝置相配合，同時(shí)對(duì)目前存在的一些問題進(jìn)行研究解決，其發(fā)展前景非常廣闊。由于拋物線末端曲率小，反射作用不大，所以對(duì)完整的CPC反光板進(jìn)行截?cái)嗵幚恚梢怨?jié)省反光板材料，而光學(xué)效率并不會(huì)降低很多。這在實(shí)際的制作中帶來極大的方便，而且節(jié)省了材料。對(duì)聚光器進(jìn)行截?cái)鄡?yōu)化處理之后，CPC反光板的橫截面如圖37所示：圖37截?cái)嗪蟮腃PC反光板和真空管CPC截面輪廓上的尖頂與真空管之間的間隙是g= ，r=，則尖頂?shù)秸婵展艿那芯€長(zhǎng)t =，該切線與水平面的夾角Φ0=176。從圖中可以看出，截?cái)嗑劢贡菴隨最大半接收角θa增大而減小的趨勢(shì)較為平緩?！?5176。使用聚光器后使光伏電池的轉(zhuǎn)換率由原來的10%～14%提高到20%～38%。第四章 光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 最大功率點(diǎn)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，要利用光伏電池發(fā)電，為了使其工作于最佳狀態(tài)，就要使其工作于最大功率點(diǎn)上。就某一條曲線而言，光伏電池的端電壓變化時(shí)，其工作點(diǎn)也會(huì)沿著曲線變化。最大功率點(diǎn)跟蹤控制具體到P/V特性曲線上，就是使光伏電池端電壓始終處于VM附近[10]。 電壓反饋法從光伏電池的PV曲線上可以看到，各個(gè)曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說明電池的最大功率輸出點(diǎn)的對(duì)應(yīng)電壓大致在某個(gè)值附近，通過控制輸出電壓的大小，使得光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近?？刂圃韴D如41：光伏電池列陣DC變換器負(fù)載控制器V圖41電壓反饋法原理圖在系統(tǒng)對(duì)MPPT的要求不高的情況下，可以用此特點(diǎn)簡(jiǎn)化控制設(shè)計(jì)。采用電壓反饋法控制的比不帶MPPT的直接耦合工作方式可獲得多至20%的電能。這種辦法不夠精確，而且需要人工干預(yù)，不利于生活上使用，但具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；b）事先將不同溫度下測(cè)得的VM值存儲(chǔ)于微處理器中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，微處理器通過陣列上的溫度傳感器獲取陣列溫度，通過查表確定當(dāng)前的VM值。 擾動(dòng)法擾動(dòng)法主要根據(jù)光伏電池的PV特性，通過擾動(dòng)端電壓來尋找MPP，是目前實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法之一。通過不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。但仍有下列缺點(diǎn)：a)始終有△U的存在，其輸出會(huì)有一定的微小波動(dòng)，在最大功率跟蹤過程中將導(dǎo)致些微功率損失。c)有時(shí)受電壓、電流的突變影響，會(huì)發(fā)生程序在運(yùn)行中的失序（“誤判”）現(xiàn)象。如下所示，通過光伏電池陣列PV曲線可知最大功率點(diǎn)PM處的斜率為零，即（41）、（42）式成立，將（42）式進(jìn)行推算便得到（43）式。其控制的流程圖如圖44 。圖44電導(dǎo)增量法的流程圖 最大功率點(diǎn)控制方法的選擇及改進(jìn)—斷續(xù)擾動(dòng)法如前面所述，電壓反饋法雖然簡(jiǎn)單無擾動(dòng)，但不能對(duì)最大功率點(diǎn)電壓VM參考值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍受到很大的限制。針對(duì)這些問題，根據(jù)最大功率跟蹤的要求，本文將兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出一種改進(jìn)方法—斷續(xù)擾動(dòng)觀察法。通過不斷擾動(dòng)使陣列工作于最大功率點(diǎn)附近。當(dāng)溫度的變化幅度超過所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。第五章 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)太陽(yáng)在一天中東出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定。實(shí)踐表明，一般平板光伏電池采用跟蹤裝置后，平均輸出能量可提高30%以上。 自動(dòng)跟蹤器的研究概況 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器的研究現(xiàn)狀目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的跟蹤器基本有兩大類：一類是根據(jù)地球繞日運(yùn)行規(guī)律計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡的主動(dòng)式跟蹤器；另一類是實(shí)時(shí)探測(cè)太陽(yáng)對(duì)地位置，控制對(duì)日角度的被動(dòng)式跟蹤器。1）控放式跟蹤器控放式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖51所示，其原理為：在太陽(yáng)光接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽(yáng)光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。該機(jī)構(gòu)成本低廉，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。而且跟蹤器不能自動(dòng)復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu)，這又使得跟蹤器的成本提高。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但由于時(shí)鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低；系統(tǒng)需外接電源，日夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，浪費(fèi)能源。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)或者大型發(fā)電廠，面向的是多個(gè)采光設(shè)各組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。1）壓差式跟蹤器壓差式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖52所示，其原理為：當(dāng)入射太陽(yáng)光發(fā)生偏斜時(shí)，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。圖52壓差式跟蹤器工作原理圖2）光敏元件比較式跟蹤器光敏元件比較式跟蹤器利用光敏元件在光照時(shí)性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個(gè)完全相同的光敏元件分別放置于采光板的東南西北方向邊沿處。當(dāng)太陽(yáng)光線與采光板的法線有一夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路采集到光敏元件的信號(hào)差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。但是這類跟蹤器價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)自然界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。跟蹤的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟蹤效率低，跟蹤裝置還額外提高了成本，在太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中添加跟蹤器就失去了原來的意義。被動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)不受地理位置的限制，跟蹤精度較高，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５@種跟蹤器只是從理論上來看比較理想，要把理論變成實(shí)際產(chǎn)品，要開發(fā)出真正廉價(jià)、高精、實(shí)用的自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，在理論基礎(chǔ)上還得解決以下的問題：1）光敏元件比較式跟蹤器雖然原理簡(jiǎn)單，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格相對(duì)于民用來說還是很高。如何在保證跟蹤效果基礎(chǔ)上盡量的降低成本，是本課題組重點(diǎn)研究的問