1、21 太阳能离网型光伏发电系统概述 622 太阳能电池 623 铅酸蓄电池 83 太阳能电池最大功率点跟踪 1131 太阳能电池最大功率点跟踪原理 1132 太阳能电池最大功率点跟踪方法 114 太阳能离网型光伏发电系统主电路设计 1341 方框图主电路图以及技术路线图 1342 太阳能离网型光伏发电系统常用DCDC变换器及其特点 1443 带双向变换器的太阳能离网型光伏发电系统 1644 双向BUCK-B00ST变换器 1945 逆变电路 20结束语 23参考文献 24致谢 251 绪论11 世界能源结构和发展新能源的背景自人类社会诞生以来能源一直是人类生存和发展的重要物质基础随着社会的发展
2、能源在社会发展中的重要性越来越突出尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题更加明显地把能源置于社会发展的首要地位根据BP世界能源统2005的统计数据以目前的开采速度计算全球石油储量可供生产40多年天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年而我国的能源资源储量情况更是危机逼人按2000年底的统计探明可开发能源总储量约占世界总量的101我国能源剩余可开采总储量的结构为原煤占588原油占34天然气占13水资源占365我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为1297年自从工业革命以来约80温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的其中CO2的作用约占60而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源随
3、着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电核裂变发电之外的生物质能太阳能风能小水电地热能以及海洋能等一次能源研究和实践表明新能源和可再生能源资源丰富分布广泛可以再生且不污染环境是国际社会公认的理想替代能源新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题还可以解决与能源利用相关的环境污染问题促进社会和经济可持续性发展根据国际权威机构的预测到21世纪60年代全球新能源与可再生能源的比例将会发展到世界能源构成的50以上成为
4、人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源目前世界大部分国家能源供应不足不能满足经济发展的需要各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源使得新能源和可再生能源在全球升温20世纪90年代以来以欧盟为代表的地区集团大力开发利用可再生能源连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15以上以德国西班牙为代表的一些国家通过立法方式促进可再生能源的发展1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30以上西班牙2003年风力发电装机占到全机总量的4德国在过去11年间风力发电增长21倍2003年占全的31瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15以上我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用近十
5、年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用以解决能源题保障能源供应安全近年来由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展并于2005年2月28日通过了再生能源法该法已于2006年1月1日起实施这对于我国可再生能具有十分重要的意义com 太阳能与太阳能光伏发电太阳能是一种能量巨大的可再生能源据估算太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球相当于全球一天的能源在目前的几种新能源技术中太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源有无尽的潜力目前太阳能利用的方式有太阳能光伏发电太阳能热利用太阳能动力利用太阳能光化利用太阳能生物利用和太阳能
6、光-光利用其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展被认为是当前具有发展前景的新能源技术各发达国家均投入巨资竞相研究开发并产业化进程大力开拓太阳能光伏发电的市场应用太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件其功率一般为几瓦到几百瓦这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联构成太阳能电池方阵以满足负载所需要的功率输出太阳能光伏发电之所以发展如此迅速是因为其具有以下优点 l 取之不尽用之不竭地球表面所接受的太阳能约为1071014GWh
7、年是全球能量年需求的35000倍可以说是一种无限的资源 2 无污染光伏发电本身不消耗工质不向外界排放废物无转动部件不产生噪声是一种理想的清洁能源 3 资源分布广泛不同于水电受水力资源限制火电受到煤炭资源及运输成本等影响光伏发电几乎不受地域的限制理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电 4 建设周期短建造灵活方便运行维护费用低光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联达到所需功率所以其建设周期短扩容方便安装于房顶沙漠还可与建筑相结合从而节约占地面积节省安装成本太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染接
8、线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等因而太阳能光伏发电的运行费用很低 5 光伏建筑集成光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿这种产品不仅美观大方还节省发电站使用的土地面积和费用 6 分布式光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性特别是从抗御自然灾害和战备的角度看更具有明显的意义com 太阳能光伏发电系统简介太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立离网光伏发电系统和并网光伏发电系统太阳能光伏发电系统结构该系统中的能量能进行双向传输在有太阳能辐射时由太阳能电池阵列向负载提供能量当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时由蓄电池向系统负载提供能量该系统可为交流负载
9、提供能量也可为直流负载提供能量当太阳能电池阵列能量过剩时可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网该系统功能全面但是系统过于复杂成本高仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构并具有上述全面的功能而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能 一 离网型独立光伏发电系统离网光伏发电系统是指未与公共电网相连接的独立太阳能光伏发电系统其输出功率提供给本地负载 交流负载或直流负载 的发电系统其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村海岛和牧区提供照明看电视听广播等基本生活用电也可为通信中继站气象站和边防哨所等特殊处所提供电源图11离网光伏发电系统图11所示为一
10、种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图该系统由太阳能电池阵列DCDC变换器蓄电池组DCAC逆变器和交直流负载构成DCDC变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经DCAC变换器给交流负载供电该系统由于有蓄电池组因而系统成本增加但可在无日照或日照不足时为负载供电 二 并网光伏发电系统与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅同频同相的交流电并实现与电网连接向电网输送电能它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段成为电力工业组成部分之一重要方向是当今世界太
11、阳能光伏发电技术发展的主流趋势12 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视针对其制定规划增加投入大力发展20世纪80年代以来即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期太阳能光伏发电产业也一直以10-15的递增速度在发展90年代后期发展更为迅速成为全球增长速度最快的高新技术产业之一com 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势到2004年世界太阳能光伏发电装机总容量达到9649MW到2005年底达到496169MW己经商业化实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池多晶硅电池非晶硅电池聚光电池带状硅电池以及薄膜电池等几类在国际市场上目前太阳能光伏电池的
12、价格大约为315美元W并网系统价格为6美元w发电成本为025美元 kwh 光伏电池的发电转化效率也不断提高晶体硅光电池转化率达到15单晶硅光电池转化率是233砷化镓光电池转化率是25在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35-36太阳能光伏电池组件使用寿命大大增长可使用30多年目前太阳能光伏发电主要集中在日本欧盟和美国其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率低成本长寿命美观实用等方向发展专家们预测到2050年太阳能光伏发电在发电总量中将占13-15到2100年将约占64com 我国太阳能光伏发电现状与发展趋势20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展
13、的时期在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强成本不断降低市场不断扩大装机容量逐年增加2004年累计容量达35MW约占世界份额的310多年来我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1左右的份额到2020年前我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展成本将不断下降太阳能光伏发电市场发生巨大的变化2005-2010年我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统发电成本到2010年将约为120元 kWh 2010-2020年太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统发电成本到2020年将约为060元 kwh 到2020年我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列2 太阳能离网型光伏发电
14、系统基本组成和特性21 太阳能离网型光伏发电系统概述一般来说太阳能离网型光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列控制器蓄电池组和逆变器等部分太阳能电池阵列是整个系统能源的来源它把照射到其表面的太阳能转化为电能控制器是整个系统的核心部件之一其运行状态决定着系统的运行状态系统在控制器的管理下运行蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电逆变器是将直流电变换为交流电的设备由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电因此当系统向交流负载供电时逆变器是不可缺少的常用的太阳能离网型光伏发电系统如图11所示22 太阳能电池com 太阳能电池原理及分类在太阳能光伏发电系统中实现光电转换
15、的最小单元是太阳能电池单体太阳能电池单体实际上是一个PN结PN结在光照下会产生电动势这种效应称为光生伏特效应当PN结处于平衡状态时PN结处有一个耗尽层耗尽层中存在着势垒电场电场方向由N区指向P区当PN结受到光照时硅原子受光激发而产生电子空穴对在势垒电场的作用下空穴向P区移动电子向N区移动从而P区就有过剩的空穴N区就有过剩的电子这样便在PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势光生电动势的一部分抵消势垒电场另一部分使P区带正电N区带负电从而在P区与N区之间产生光生伏特效应若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载则负载就有光生电流流过从而获得功率输出由上可知太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原
16、理可概括为以下四个过程 l 太阳能电池单体吸收光子在PN结两侧产生称为光生载流子的电子一空穴对两者的电性相反电子带负电空穴带正电 2 在太阳能电池单体PN结光生载流子通过扩散作用到达空间电荷区 3 到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离电子被分离到N区空穴被分离到P区 4 被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正负极收集若在太阳能电池单体正负极之间接入负载则有光生电流流过从而获得电能实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元其功率一般为几瓦至几十瓦百余瓦太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列以满足
17、负载功率要求太阳能电池多为半导体材料制造种类繁多形式各样下面按照太阳能电池的材料进行分类介绍 l 硅太阳能电池指以硅为基体材料的太阳能电池如单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池铸锭多晶硅太阳能电池筒状多晶硅太阳能电池和球状多晶硅太阳能电池等多种硅太阳能电池特点是由于硅资源丰富可以大规模生产性能稳定且光电转化效率高是目前应用最多的太阳能电池但其制造过程复杂成本高目前市场上使用最多的是单晶硅太阳能电池转换率为17左右多晶硅转换效率为14左右非晶硅电池转化效率为6左右 2 化合物半导体太阳能电池指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物
18、半导体材料制成的太阳能电池如碲化镉太阳能电池砷化镓太阳能电池硒铟铜太阳能电池磷化铟太阳能电池等化合物半导体太阳能电池具有转换效率高抗辐射性好可在聚光条件下使用等特点但碲化镉太阳能电池带有毒性易对环境造成污染一般用于特定场合如空间飞行器和航空系统 3 有机半导体太阳能电池指用含有一定数量的碳-碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池该种电池虽然转换率低但价格便宜轻便易于大规模制造 4 薄膜太阳能电池指用单质元素无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳能电池目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池化合物半导体薄膜太阳能电池纳米薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能
19、电池等其特点是转换效率相对较高成本降低 尤其是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量 且适合规模生产因此薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的一个重要发展方向com 太阳能电池输出特性 一 标准测试条件下太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的伏安特性即输出电压和输出电流之间的对应关系常简称为I-F特性由于日照强度电池温度等都会影响太阳能电池的特性因此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳能电池性能我国应用的准测试条件定义为日照强度为1000W太阳能电池温度为25太阳辐射光谱为AMI5一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数当太阳
20、能电池输出电压比较小时随着电压的变化输出电流的变化很小太阳能电池近似为一恒流源当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时太阳能电池输出电流急剧下降太阳能电池可近似为一恒压源太阳能电池的输出特性是非线性的既非恒流源也非恒压源 在最大功率点左侧为近似恒流源段在最大功率点右侧为近似恒压源段 且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点 二 温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响太阳能电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关分别为不同日照光强和不同电池温度时太阳能电池的输出特性曲线当温度一定时太阳能电池短路电流Isc随日照强度的增加而增加并与日照强度成正比太阳能电池开路电压Uo随日照强度的增
21、加稍有增加但增加很小当日照强度一定时电池温度升高太阳能电池开路电压Uo降低而太阳能电池的短路电流Isc有轻微的增加23 铅酸蓄电池储能是光伏发电系统的重要组成部分尤其对于独立光伏发电系统而言储能环节更是不可缺少的组成部分储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光伏发电系统中储能部分又是最易受损最易消耗的部分所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能常用蓄电池属于电化学电池蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用一般来讲光伏发电系统白天把太阳能转化为电能通过充电器和蓄电池把电能储存起来晚上再通
22、过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池镍镉蓄电池和镍氢蓄电池目前中国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉蓄电池外绝大多数是采用铅酸蓄电池在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电系统中使用镍镉或镍氢蓄电池比较多com 铅酸蓄电池充电控制方法在太阳能独立光伏发电系统中对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命而电荷量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本造价以及系统的使用寿命因此选择合理的充电控制方法是提高太阳
23、能独立光伏发电系统性能的有效手段目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电恒压充电两阶段和三阶段充电等方法 一 恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电能使落后的铅酸蓄电池的容量易于得到恢复最好用于小电流长时间的充电模式这种充电方式的不足之处在于铅酸蓄电池开始充电电流偏小在充电后期充电电流又偏大充电电压偏高整个充电过程时间长 二 恒压充电法恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低充电电流较大但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高电流逐渐减少在充电末期
24、只有很小的电流通过这样充电过程中就不必调整电流相对恒流电来说此法的充电电流自动减少所以充电过程中析气量小充电时间短能耗低这种充电方法不足之处在于在充电初期如果铅酸蓄电池放电深度过深充电电流会很大不仅危及充电器的安全而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤如果铅酸蓄电池电压过低后期充电电流又过小充电时间过长不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电铅酸蓄电池电压的变化很难补偿充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多 三 两阶段充电法这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充
25、电策略它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电铅酸蓄电池充电到达一定容量后然后采用恒压充电方式充电采用这种充电方式在充电初期铅酸蓄电池不会出现很大的电流在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过高使铅酸蓄电池产生析气 四 三阶段充电法三阶段充电法是在两阶段充电完毕后铅酸蓄电池容量己经达到额定容量时再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自放电损失的电量这种以小电流充电的方式也称为浮充在浮充时铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低在太阳能光伏发电系统中综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充电电流的影响铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素使用三阶段充电法对铅酸蓄电池充电较为合理3 太阳能电
26、池最大功率点跟踪目前太阳能电池阵列在太阳能光伏发电系统造价中占很大比重而且太阳能电池的转化效率本身就不高因此有必要研究提高太阳能电池利用效率的方法以降低系统单位价格的成本促进太阳能光伏发电系统的应用推广太阳能电池最大功率点跟踪 imum Power Point Tracking 简称MPPT 是其中的途径之一它能最大程度的利用太阳能电池转化所得的电能31 太阳能电池最大功率点跟踪原理由第二章可知太阳能电池的输出特性受电池温度和日照强度等因素的影响电池温度主要影响太阳能电池的开路电压日照强度主要影响太阳能电池的短路电流在一定日照强度和温度下太阳能电池有唯一的最大输出功率点太阳能电池只有工作在最大
27、功率点才能使其输出的功率最大32 太阳能电池最大功率点跟踪方法目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有恒电压法观察扰动法电导增量法以及其它的一些跟踪方法1 恒电压法简称CVT温度一定时在不同的日照强度下太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率恒电压法具有控制简单易于实现稳定性好可靠性高等优点比一般太阳能光伏系统可望多获得20的电能较之不带CVT的直接藕合要有利得多然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响一般
28、硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影响以常规单晶硅太阳能电池而言当太阳能电池温度每升高1时其开路电压下降率约为035-045这说明太阳能电池的最大功率点对应的电压也随电池温度的变化而变化其中对太阳能电池温度影响最大的因素是环境温度和日照强度因此对于四季温差或日温差较大的地区CVT方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点从而导致系统功率损失研究结果表明虽然许多太阳能光伏系统仍然采用这种最大功率点跟踪方法但这种方式所带来的功率损耗相比于微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价已经显得很不经济2 扰动观察法扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出改变的步长是
29、一定的方向可以是增加也可以是减少控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流这一过程称为扰动然后通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率如果输出功率增加那么继续按照上一周期的方向继续干扰过程如果检测到输出功率减少则改变干扰的方向扰动观察法的最大优点就是结构简单被测参数少容易实现但是即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点由于扰动的存在下一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点因此太阳能电池阵列实际是在最大功率点附近振荡运行从而导致部分功率损失其次难以选择合适的变化步长步长过小跟踪的速度缓慢太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区步长过大太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大
30、跟踪精度下降从而导致更多的功率损失另外当外部环境突然变化太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中会出现误判现象 3 增量电导法为了解决扰动观察法导致的功率损失问题comein在1995年提出了增量电导法由太阳能电池阵列输出电气特性知太阳能电池阵列的输出功率-电压 P-V 曲线是一个单峰曲线在最大功率点处功率对电压的导数为零增量电导法的优点是在日照强度发生变化时太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小增量电导法的缺点是太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点如同扰动观察法一样增量电导法的变化步长也是固定的步长过小会使跟踪速度变慢太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区步长太长又会使系统振荡加剧影响跟踪精度在实际的光伏系统中增量电导法的实现对硬件的要求相对较高控制系统需采用高速微处理器完成数据处理4 太阳能离网型光伏发电系统主电路设计41 方框图主电路图以及技术路线图本设计的总体方框图为 图41太阳能离网型光伏发电系统总框图主电路图为 图42主电路 图43 技术路线图42 太阳能离网型光伏发电系统常用
