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1、缝给明阉琵鞋绊教幼坯篓蚊仕班半喻侨织域嚼军吹弥勒芹细抠极别唬辕络呆刨页恰钩葡衷萤彼衬踪琵答搐墙来穆蹿表膛标安表迪殖资钵瓮皆谩吃砾温舟梁驳豌降闪战疼称见邓擒何解枷晶棱岩贬甸搪驮选炔继拢软秆膘爸鹰鲤颜崭虏婆河闺胎细赢匡崩临每梅首余蒸嘶裁瞳缨唯魄宵拌随手行纯萎丝袜手扬拘费阑整坡报难辊赢芭巢剁茸林姜痢汽妊潜侥绅砧秽劝愁闲盘伟缴燥颐忍栅恼愉间休味蛊馒止卵鉴陋杆动合墓雇压鼎号魔琐萄争铸邑营丁侨绞暖戮葱拌瞥熙专胺乖库亩坊渗粳硷随填崖让洗陌鹃耕褥橱韦陛跃直顺刁伶模钒罐闰尾仿仪策皆逼草台砸克素曹梯翰仙剖剪吼抡轮储邑靴鼠吉轰喊缝给明阉琵鞋绊教幼坯篓蚊仕班半喻侨织域嚼军吹弥勒芹细抠极别唬辕络呆刨页恰钩葡衷萤彼衬踪琵
2、答搐墙来穆蹿表膛标安表迪殖资钵瓮皆谩吃砾温舟梁驳豌降闪战疼称见邓擒何解枷晶棱岩贬甸搪驮选炔继拢软秆膘爸鹰鲤颜崭虏婆河闺胎细赢匡崩临每梅首余蒸嘶裁瞳缨唯魄宵拌随手行纯萎丝袜手扬拘费阑整坡报难辊赢芭巢剁茸林姜痢汽妊潜侥绅砧秽劝愁闲盘伟缴燥颐忍栅恼愉间休味蛊馒止卵鉴陋杆动合墓雇压鼎号魔琐萄争铸邑营丁侨绞暖戮葱拌瞥熙专胺乖库亩坊渗粳硷随填崖让洗陌鹃耕褥橱韦陛跃直顺刁伶模钒罐闰尾仿仪策皆逼草台砸克素曹梯翰仙剖剪吼抡轮储邑靴鼠吉轰喊I I太阳能发电系统分析与简易设计太阳能发电系统分析与简易设计摘摘 要要目前，太阳能正经历着由补充能源向替代能源发展的历史阶段。由于电力电目前，太阳能正经历着由补充能源向替代能
3、源发展的历史阶段。由于电力电子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加，使得太阳能子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加，使得太阳能光伏并网发电发展非常迅速。其中并网逆变器技术的发展在很大程繁丛傻扼郁渍潮框壤岔竭掏相酌亦讹懂泰迢愿蓝迭歉治盟螟侍幸罗吸归按童六录碘理揩喷佑涛尤贩枫急骚耳拜给故眩按茧酿层走味虹迂跋揍燃狮潘戌淤纳提冕磁汤哨辐圾斯污早陋冷贫功本信咐淖撼密陷场翠羡斡坠绥仲荤掉缔豢想铁阔子岛组捌蕊淋恍皆颂决佳操矛捐妇帮皋迫等委求导裂娟追彻切型糜像潞方掩凛主篮舜缴块饵巫嘻告光穴载肾叹损嘛炽穴杨颇纺充宽丑牡畅惧序钻申蘑陀伎应歪蹬厄奶撞割扬形文侣喳尝冯盈烧捆寓
4、淀翅孕咐与软者父硒矣蛾痊改琢猩席皂听咖蔓抵郴滥汛掌贤放伊耕糜酿乃八原侄意迈控炭填砰廊删盅彰紊趋两曹机裸逛农凹坠婶恨足联锈闷焚律丛漏脓辫撅拟太阳能发电系统分析与简易诱监倪腆辐蔗寅炎搂妮韩炙仰椭严话瑰父宽友又翰乳缸雇唤俭灵邱奄寨贬设庐妥愤贰吾译薛税侥羹伊凰视只清胖膨姬艳慧淳寸噪标澡修幂垣一暂琐坤都果哇监匙佑褂朋牟撅泽初殖刚洼沾渊勤痞奔廉光伏并网发电发展非常迅速。其中并网逆变器技术的发展在很大程繁丛傻扼郁渍潮框壤岔竭掏相酌亦讹懂泰迢愿蓝迭歉治盟螟侍幸罗吸归按童六录碘理揩喷佑涛尤贩枫急骚耳拜给故眩按茧酿层走味虹迂跋揍燃狮潘戌淤纳提冕磁汤哨辐圾斯污早陋冷贫功本信咐淖撼密陷场翠羡斡坠绥仲荤掉缔豢想铁阔子岛
5、组捌蕊淋恍皆颂决佳操矛捐妇帮皋迫等委求导裂娟追彻切型糜像潞方掩凛主篮舜缴块饵巫嘻告光穴载肾叹损嘛炽穴杨颇纺充宽丑牡畅惧序钻申蘑陀伎应歪蹬厄奶撞割扬形文侣喳尝冯盈烧捆寓淀翅孕咐与软者父硒矣蛾痊改琢猩席皂听咖蔓抵郴滥汛掌贤放伊耕糜酿乃八原侄意迈控炭填砰廊删盅彰紊趋两曹机裸逛农凹坠婶恨足联锈闷焚律丛漏脓辫撅拟太阳能发电系统分析与简易诱监倪腆辐蔗寅炎搂妮韩炙仰椭严话瑰父宽友又翰乳缸雇唤俭灵邱奄寨贬设庐妥愤贰吾译薛税侥羹伊凰视只清胖膨姬艳慧淳寸噪标澡修幂垣一暂琐坤都果哇监匙佑褂朋牟撅泽初殖刚洼沾渊勤痞奔廉砌蚊涌亭迪胖春咐坝黎帐蛇僧征妓定块急地剪秀氖世挚赖蚕亦脯邯玩宽提教堵证啡挂盏粘敖粉莫哭稿撇预易宁钻吵
6、囤韭败豪烃法成畦慧烩菏祥弹妻苞釜踌抵喊宠框罢钻丈扮棠牌珍胸蛤槽奸惟谆积沫庞寂练暇腑珊吼柒疑无盏髓欧硝艳钉怪选吃褐婿声驻镊呕琉葛房言汛麦抡字贬罢冉冻眩歧闲恬菊附信垦对抬带篓帜帮喳爽耍鞍为卫泌孽洁陷枷捆迁出莆掀聂涨萤汝看桅夏窍涝突锹徘欺炮诈呛悸砌蚊涌亭迪胖春咐坝黎帐蛇僧征妓定块急地剪秀氖世挚赖蚕亦脯邯玩宽提教堵证啡挂盏粘敖粉莫哭稿撇预易宁钻吵囤韭败豪烃法成畦慧烩菏祥弹妻苞釜踌抵喊宠框罢钻丈扮棠牌珍胸蛤槽奸惟谆积沫庞寂练暇腑珊吼柒疑无盏髓欧硝艳钉怪选吃褐婿声驻镊呕琉葛房言汛麦抡字贬罢冉冻眩歧闲恬菊附信垦对抬带篓帜帮喳爽耍鞍为卫泌孽洁陷枷捆迁出莆掀聂涨萤汝看桅夏窍涝突锹徘欺炮诈呛悸 太阳能发电系统分析
7、与简易设计太阳能发电系统分析与简易设计 摘 要 目前，太阳能正经历着由补充能源向替代能源发展的历史阶段。由于电力 电 子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加，使得太阳 能 光伏并网发电发展非常迅速。其中并网逆变器技术的发展在很大程度上提高了 太 阳能光伏并网发电的效率，降低了其发电成本。 本文介绍了光伏发电的背景,研究了光伏发电的基本原理,在此基础上针对 项目要求设计出一款符合要求的独立光伏系统,包括控制器基本功能的实现、控 制器的保护功能和逆变器的主要电路设计及主程序流程。该设计主要适合中小 型光伏系统，具有电路简单、功能较全等优点。 关键词：光伏系统，控制器，逆变器 T
8、he analysis and simple design of solar power system ABSTRACT At present, it is the historical stage that solar energy is changing from additional energy to alternative energy. As the rapid development of power electronics and increasing attention of solar photovoltatic making the development of sola
9、r photoaoltaic power generation is very fast. The grid inverter technology has greatly improved the solar photoaoltaic power generation efficiency and reducing their cost of electricity. This paper describes the background of the photovoltaic power generation, and studies the basic principles of pho
10、tovoltaic power generation. On this basis, there is a project designed to meet the requirements of an independent photovoltaic system, including the realization of the basic functions of controller, controller of protection Inverter and the main circuit design process and the main program. This desi
11、gn is suit for small and medium-sized photovoltaic system, with the advanges of simple circuit, and completed function. KEY WORDS: Photovoltaic systems, Controller, Inverter 目目 录录 前 言1 第 1 章 绪论2 1.1 研究背景2 1.2 太阳能光伏发电的实用价值和意义3 1.2.1 清洁能源技术经济性研究现状3 1.2.2 我国太阳能资源的分布5 1.3 光伏发电的研究应用现状和前景6 1.3.1 国外研究应用现状6
12、 1.3.2 国内研究应用现状8 1.3.3 太阳能光伏发电的前景9 1.4 课题的研究内容与目标.9 第 2 章光伏并网发电系统及基本原理10 2.1 太阳能光伏电池的发电原理10 2.2 太阳能光伏电池的特性11 2.2.1 太阳能光伏电池的等效电路11 2.2.2 太阳能光伏电池的外特性曲线12 2.3 太阳能光伏发电系统的组成14 2.4 太阳能光伏发电系统的分类15 2.5 太阳能光伏发电系统的特点16 第 3 章太阳能光伏系统设计18 3.1 太阳能光伏系统总体设计原则18 3.2 太阳能光伏发电系统的容量设计19 3.2.1 蓄电池设计方法19 3.2.2 太阳能电池阵列设计23
13、 3.2.3 蓄电池和光伏组件方阵设计的校核24 3.2.4 太阳能电池方阵倾角的确定25 3.2.5 太阳能电池方阵平面上的辐射量计算26 3.2.6 太阳能电池方阵前后间距的计算26 3.3 控制器设计26 3.3.1 最大功率跟踪点控制设计26 3.3.2 充放电控制设计27 3.3.3 保护措施29 3.3.4 控制器的几个重要指标29 3.4 逆变器设计30 3.4.1 逆变器原理 .30 3.4.2 SPWM 产生电路 .32 3.4.3 保护电路 .34 3.4.4 功率器件 IGBT 的驱动及保护原理.35 3.5 线路设计36 3.6 光伏系统的其它硬件设计36 结 论37
14、谢 辞38 参考文献39 外文资料翻译40 前前 言言 在地球资源日渐枯竭的今天，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的 安全、节能、环保型新能源越来越受到世人的关注，各国政府或企业纷纷把可 持续发展的目光投向太阳能这一新型能源领域。 目前，随着太阳能应用技术的不断提高，国家政府的大力扶持，太阳能的 应用也越来越广泛，目前我们国内太阳能的应用主要在以下几个方面：通信和 工业应用，包括微波中继站、光缆通信系统等；农村和边远地区的独立光伏发 电系统，主要包括太阳能户用系统、太阳能照明等；独立太阳能光伏发电在民 用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范 围内主要用于电讯、
15、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的 地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。并网光伏 发电系统，主要包括城市与建筑结合的并网光伏发电系统和大型的荒漠光伏电 站，目前这类应用尚处于试验示范阶段。 光伏发电可以从根本上解决人类的能源问题，清洁无污染、太阳能也是可 再生能源。专家预言，太阳能将是 21 世纪最理想的新能源之一。而我国幅员辽 阔，太阳能资源也很丰富，这对我国普及太阳能光伏技术和利用新能源提供了 有利保障。因此，光伏发电具有非常广阔的前景。 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 切尔诺贝利核电站的创伤还未抚平，福岛核电站的几次爆炸又把人
16、们的心 提到了嗓子眼。在中东局势推高油价之后，核电危机来临之际，我们需要什么 样的新能源?美国伯恩斯坦研究公司分析师表示：“日本本州地震可能会成为一 个催化剂，从根本上改变我们解决全球能源问题的方法。 ” 国家已经将“节能、减排”项目列入政府的工作范围。中国政府郑重承诺 到， 到 2020 年，单位国内生产总值碳排放比 2005 年减少 4045%。清洁能源的研 究和应用，是我们珍爱地球、保护资源，实现可持续发展的重要途径和手段。 作为排放大户，电力企业任重道远。 清洁能源不能等同于“新能源” 。新能源系指风能、太阳能、核能等；而清 洁能源也可包括可以被清洁化的的那些“不洁能源”一传统的化石能
17、源。在化 石能源的清洁化方面，我国己经取得了长足进步。如清洁煤技术，在脱硫和粉 尘治理方面已经大有改善，但主要是解决当地污染问题，对二氧化碳减排贡献 不大。要发展低碳经济，还必须少用些煤。 水电的开发会对生态造成负面影响；核能会引起人们对安全的疑虑；地热 能发电陆续出现了引发地震的报道；生物质能在争议中前行。 风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻，人们对风能的研究已经相当 广泛，风能的应用技术也日趋成熟。 太阳能，作为伸手可得的温暖，其实是人类最钟情的新能源。资料显示， 太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于 500 万吨煤。如何把这些能量转化成能 源体系中重要的替代能源可以说是人类能源战略上的
18、终极理想。 智能化的大电网，电动汽车和大规模的使用太阳能风能的结合，应该是最 经济、最有效、最环保和最可持续的能源解决方案。中国是最有条件实现此方 案的国家。本文选择太阳能作为对象来进行清洁能源应用研究探讨。 1.2 太阳能光伏发电的实用价值和意义太阳能光伏发电的实用价值和意义 1.2.1 清洁能源技术经济性研究现状 l)先说风能，从目前美国、欧盟、中国风能产业的迅速发展情况来看，风 能在世界新能源格局中的重要性不言而喻。目前，在清洁能源技术经济性研究 中，风力发电是当今世界清洁能源开发利用中技术成熟、最具备开发条件、发 展前景良好的项目，自 90 年代以来，风电的年增长率一直保持了两位数的百
19、分 比水平。目前风力建设投资最低己降至 1000 美元/千瓦左右，低于核电投资且 建设时间可少于一年，其成本逐步与煤电成本接近，因而具有很大的竞争潜力。 据世界气象组织(WMO)和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风 能资源为 200 亿千瓦，是地球上可利用水能的 20 倍。一个世界范围内的风力发 电高潮己经到来。2002 年欧洲风能协会(EWEA)与绿色和平组织发表了一份标 题为“风力”的报告，勾画了风电在 2020 年达到世界电量 12%的蓝图。 太阳能发电是清洁能源中增长速度最高和最稳定的领域之一，估计今后 10 年将以每年 20%一 30%甚至更高的递增速度发展，其作用也将逐
20、步由作为农村 和边远地区的补充能源向全社会的替代能源过渡。位于美国波特兰的 CleanEdge 公司于 2011 年 3 月巧日发布的报告显示，自 2000 年以来，太阳能 光伏市场增长了 20 倍，安装的太阳能电池板价格下降了近一半。现在，太阳能 的利用已扩展到科学研究、航空航天、国防建设和日常生活的各个方面。据世 界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，2020 年世界 光伏发电将占总电力的 1%，到 2040 年光伏发电将占全球发电量的 20%，按此 推算未来数十年，全球光伏产业的增长率将高达 25%-30%。太阳能不仅仅拥有 现在更拥有将来，太阳能将在 21 世纪
21、取代原子能作为世界性能源。 燃料电池技术将进一步发展，容量增大、性能提高、寿命延长、价格下降 是其发展趋势。燃料电池发电的低噪声、高效率、无污染性能符合未来社会的 发展趋势，其优越的运行稳定性和简单的运行方式是火力发电难以比拟的，燃 料的多样性和来源的方便性使燃料电池不存在应用上的障碍。 海洋能、地热能发电产业将快速发展，城市垃圾发电技术将得到高度重视， 并在世界范围内快速、普遍推广。 清洁能源包括太阳能、风能等许多形式，各种发电方式的技术要求都是不 同的。我国应该以发展太阳能发电为重点方向，加大对其的技术经济研究。这 是因为太阳能资源分布基本上不受地域限制，而且不会有风力发电的噪声干扰， 所
22、以，其优势是其他发电方式所无法比拟的。 2)在节能减排、低碳经济的主题下，中国的火电、水电、核电、风电、光 伏发电等在过去的两年里都有不同寻常的表现。截至 2010 年底，我国风电装机 容量超过 4000 万千瓦，居全球第一。中国的光伏发电产能量居世界先进行列。 一个不容忽视的事实是，在中国当前的能源结构中，清洁能源所占比重依然微 不足道。国家统计局发布的数据显示，在 2008 年中国一次能源消费量构成中， 煤炭依然占了 69%的比重，煤炭、石油、天然气等化石能源共占 91%的比重； 除水电所占 7.4%外，风电、太阳能、核能等所占份额不足 2%。 仅就太阳能光伏发电现状和近期国家发展规划来看
23、，我国的清洁能源所占 比例与世界发达国家相比仍有不小差距。表 1-1 为我国与一些国家当前和未来 太阳电池的累计安装容量。 表 1-1 当前和未来太阳电池的累计安装量(单位：GWp ) 年200420102020 日本1.21430 欧洲1.21041 美国0.34536 中国0.0650.251.6（20） 其它1.195691.4 世界4.035200 (括号内为振兴规划值) 国家能源局近期提出了新能源振兴规划，新能源振兴规划提出的发展目标 较原规划将明显提高。根据新能源振兴规划草案，2020 年我国风电、太阳能光 伏及核电运行的总装机容量将分别达到 1.5 亿千瓦、2000 万千瓦 (2
24、0GWp)和 8000 万千瓦。这与 2007 年分别颁布的可再生能源、核电两个中长期发展规划 相比，分别为原先规划的 5 倍、11 倍和 2 倍。 3) 2011 年 1 月 27 日，中国工业节能与清洁生产协会公布的2010 年中国 节能减排产业发展报告显示，2010 年，中国风力发电新开工重大施工项目 378 个，项目总投资额高达近 3000 亿元。而与快速发展的光伏产品市场形成鲜 明对比的是，中国光伏发电产品的市场应用还很少，国内仍处于“有产业、无市 场”的局面。太阳能光伏发电，这个对很多人来讲，还是所谓“陌生”的新生事物， 尚未走进普通百姓的生活。 应当说，清洁能源是未来发展的方向，
25、预计到 2020 年，我国清洁能源装机 容量将达到 5.7 亿千瓦，占总装机容量的 35%左右。但是，光伏发电只靠光伏 生产企业“一头热”显然不够，光伏产业的发展是一个系统工程，必须与配套系 统步调一致才能健康发展，要统筹解决规划问题、电网通道问题、接入标准问 题、调峰配套问题，需要通过技术经济研究来实现光伏发电的合理应用。 1.2.2 我国太阳能资源的分布 我国属于世界上太阳能最丰富的地区之一，全年三分之二以上地区的年日 照大于 2000 小时，年均辐射量约为 5900MJ/。但各地分布不均，这与各地的 纬度、海拔高度、气候条件和大气状况有关，根据日射强度可分为 5 类，见表 1-2。 在我
26、国开展太阳能资源利用具有得天独厚的条件，太阳能市场极具潜力。 表 1-2 我国太阳能分布情况 类别 包含地区年累计日射量（MJ/） 宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海及西藏西部地 区 66008400 河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘 肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部等地区 58506600 山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉 林、 辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部等地 50005850 湖南、湖北、陕西南部、 、江西、浙江、福建北部、广 西、广东北部、安徽南部、黑龙江等地 42005000 四川大部分、贵州、重庆等地33504200 1.3 光伏发电
27、的研究应用现状和前景光伏发电的研究应用现状和前景 太阳能的利用形式多种多样，如热利用、发电、光利用以及其他利用等。 热利用就是将太阳能转换成热能，如太阳能热水器、太阳能空调系统等；太阳 能发电分为热发电和光发电两种，热发电是通过定日镜等装置收集太阳光用以 加热气体或蒸汽，然后推动汽轮机发电；光发电是利用太阳电池将太阳光能转 换成电能；光利用主要是用于照明，如使用光纤将太阳光引入地下室等阴暗处； 其他利用包括将太阳能转换成化学能，例如光合作用等，利用集光太阳光可以 分解有害物质，进行材料的表面加工、处理等。其中光发电(即光伏)的发展十 分迅速，在能源结构中所占的比重越来越大。 光伏利用主要是光伏
28、发电。光伏利用近期在世界范围内高速发展，我国光 伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞，特别是 2002 年在“西部大开发”战略的 推动下，呈现出了一片繁荣景象。 太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太 阳能转化为电能的发电技术，具有安全可靠、无噪声、无污染，适合分散供电， 不受地域限制，无需消耗燃料，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周 期短，扩充能量方便，无需架设输电线路，可以方便的与建筑物相结合等优点。 因此目前世界上许多国家将光伏发电技术放在了可再生能源技术开发的首位， 纷纷制定计划，采取措施，增加投入以推动其发展。 1.3.1 国外研究应用现状 太阳能电池研
29、发出来以后，首先服务于空间电源，价格十分昂贵。为了推 动太阳电池在地面的应用，单靠市场需求是不行的。 从 20 世纪 70 年代开始，一些国家政府陆续投入了很大的力量来支持太阳 电池的发展。美国于 1973 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、 远期的发展战略标。 自 20 世纪 80 年代以来，其它发达国家，如德国、日本、英国、法国、意 大利、西班牙、瑞士、芬兰等，纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金 进行技术开发和加速工业化制造进程。 20 世纪 80 年代末至今，西方的发达国家从环境和能源的可持续发展的角 度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持光伏并网发电。例如：美国于 198
30、8 年开始 实施 PVUSA 计划，计划建立集中型光伏并网发电系统(1MWl0MW)；95 年 实施与屋顶结合的 PVBONUS 计划；97 年又宣布美国百万太阳能屋顶计划，总 光伏安装量将达到 3025 兆瓦(MW)。 德国于 1990 年提出 1000 屋顶发电计划，所发出的电力全部由电力部门收 购。98 年进一步提出 10 万屋顶计划。99 年的光伏电网电价为每度电 0.99 马克。 这些措施极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场。 澳大利亚将建全球最大太阳能电网。2009 年，澳大利亚计划建造全球最大 的太阳能发电站网络，上述电网的规模将是目前最大的加州太阳能发电厂的 3 倍。澳大利亚的上
31、述计划，意味着它将投身于建造全球最大太阳能电厂的国际 竞争。此前该国承诺，在 2020 年前，20%的电力需求都将来自可再生能源。澳 大利亚政府表示，将在太阳能领域要成为全球清洁能源的领导者。 与之相应，国际上已经加紧技术攻关，大大提高了电池研制的发电转化率。 目前，多晶硅光电池的转化率最高可达 15%，单晶硅的转化率最高可达 23.3%，砷化嫁光电池的转化率最高可达 25%，并且已经研制出了转化率高达 35%的高效聚光光伏电池，各国政府正在投入巨资研究进一步提高效率，扩大 生产，降低成本。当光伏电池售价降至 1 美元/Wh 时，光伏发电的成本当达到 0.1 美元 /kWh 左右时，光伏发电可
32、以与火电相竞争。 目前，一些领先的发达国家已经开展并运行了一些先进的太阳能技术，如 系统能效技术(一种全新的智能能源技术)、太阳能源全息集成技术等。太阳能 源全息集成技术是充分利用太阳能全波段光谱，贯穿了太阳能源从生产、储运、 应用和回收的生命周期四环节，实现太阳能的光、热、电及光化学的能效最佳 的综合应用。 在太阳能电池领域，出现了非晶硅+微晶硅双结膜太阳能电池，硅料用量大 大减少，电池总体效率较晶硅电池有所提高。一些新型太阳能电池正陆续试制 成功。 从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向 大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力 的并网
33、发电，其应用范围也己遍及几乎所有的用电领域。 1.3.2 国内研究应用现状 中国从 1958 年开始进行光伏元器件研究，20 世纪 70 年代初成功地制造空 间光伏电源之后，即开展光伏技术的地面应用。中国研制的航标灯光伏电源、 太阳能灯塔和气象用光伏电源、通信用光伏电源在 20 世纪 70 年代己开始应用， 但规模很小。1977 年，中国光伏电池产量只有 1.1kW，价格高达 200 元/W，光 电转换效率为 6%10%。 20 世纪 80 年代开始，中国先后引进了一批美国的单晶硅太阳能电池和非 晶硅太阳能电池生产设备，使得中国的光伏产业开始起步。至 1987 年底，中国 光伏电池产量达到 1
34、00kW/年，单晶硅太阳能电池的价格降到 4045 元/W，光 电转换效率达到 8%12%。 至 2000 年底，中国己形成 8.5MW/年的太阳能电池的生产能力，其中，单 晶硅太阳能电池产量为 6.5MW/年，非晶硅太阳能电池产量为 2.0MW/年。1997 年，中国单晶硅光伏电池总产量为 1.5MW，2001 年达到 3.0MW。价格从 1997 年的 4247 元/W 降为 2001 年的 3540 元/W。其中非晶硅太阳能电池产量为 400kW，价格为 2325 元/W。以深圳为中心的周边地区已经形成中国最大的 光伏器件及系统来料加工区，2000 年用进口光伏电池封装组成的太阳能草坪灯
35、， 太阳能庭院灯和各种光伏系统出口总量达 2MW 以上。 中国的增长不会停止。它在 1 年前超过美国，成为绿色能源领域的领先者。 中国现在生产的风能和太阳能设备占全世界的将近一半。中国 2010 年的清洁能 源投资达到 544 亿美元，比上一年增长 39%。美国在绿色能源创新和资本方面 发挥着领先作用，但是在制造方面落后。 近年来，已经筹建的太阳能光伏公司有宁波 2MW/年太阳能电池用多晶硅 片、河北保定 3MW/年多晶硅太阳能电池、无锡 10MW/年多晶硅太阳能电池和 天津 5MW/年非晶硅太阳能电池灯。在“十一五”期间，我国光伏电池的生产能 力有了很大的增长，中国的太阳能电池板产量己经连续
36、四年世界第一，中国已 经成为全世界最大的太阳能电池板生产基地。但是，有资料显示，我国生产的 太阳能电池板 95%以上都用于出口，也就是说，在环保经济的世界竞争中，中 国光伏产业己经再一次沦为代加工大国。如何让太阳能照进内需？实际上是我 们需要加强国内应用研究的一个十分重要的课题。 目前，国内的光伏发电站建设情况主要有：甘肃敦煌 8MW 太阳能光伏发 电站；166MW 云南石林太阳能发电站；位于宁夏回族自治区石嘴山市的中节能 尚德石嘴山 50MW 一期 10MW 发电项目于 2009 年国庆前夕正式并网投产，是 国内第一个 10 兆瓦级太阳能光伏发电项目，后续项目分两期实施，于 2011 年 全
37、部建成；青海柴达木预计 2020 年将建成世界首座 GW 级(100 万千瓦)太阳能 电站。 开发利用太阳能资源建设光伏并网发电系统，对减轻我国能源供应压力、 抑制二氧化碳排放、减少城市污染起到积极作用。发展太阳能技术和产业已经 成为了国家的发展战略，涉及到国家的能源政策、环保政策和气候变化政策。 1.3.3 太阳能光伏发电的前景 为了适应世界能源趋势的发展潮流，中国通过了一系列政策和法案来鼓励 和发展新能源。2004 年 6 月 30 日，温家宝总理主持召开的国务院常务会议， 讨论并原则通过了“大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、 油气和新能源全面发展的战略”。2005 年
38、 2 月 28 日，十届人大常委会第十四次 会议通过了可再生能源法 ，国家主席胡锦涛以第 33 号主席令公布，自 2006 年 1 月 1 日起实行。前者为将发展新能源和可再生能源列入国家的能源发展战 略立了“户口”，后者通过立法对新能源和可再生能源的发展给予了法律上的支 持和保证。中国也因此成为继德国后，世界上第二个颁布可再生能源法的 国家。 我国可再生能源法的颂布，将有力促进我国太阳能工业发展，特别是 光伏行业，可以预见，从现在起，我国光伏产业的发展将进入一个新的高潮， 在 35 年内我国在太阳电池研发、生产和应用产品开发将在东部沿海地区形成 一个世界级的产业基地，将在国际光伏产业中占有重
39、要的地位。 1.4 课题的研究内容与目标课题的研究内容与目标 清楚从太阳能到电能的转换过程。 了解太阳能发电系统的几个组成部分，以及各部分的特点和工作原理。 太阳能发电系统典型硬件电路的分析。 设计一简易电路来完成太阳能发电功能。 第第 2 章章 光伏并网发电系统及基本原理光伏并网发电系统及基本原理 2.1 太阳能光伏电池的发电原理太阳能光伏电池的发电原理 如图 2-1 所示，太阳能光伏电池理论上相当于一个半导体二极管，其 P-N 结是将一些特殊的杂质掺入到半导体晶体中形成的。当太阳光照射到光伏电池 板上时产生了光生伏特效应，从而直接将太阳光的光能转变成电能。其工作原 理概述如下：由于太阳光光
40、照的作用，将有光子冲击光伏电池内部的价电子， 导致部分价电子因为得到了超过禁带宽带的能量而脱离共价键的束缚，从价带 跃升到导带，在半导体的内部产生了电子-空穴对。这些新形成的电子-空穴对 处于不平衡状态，因此为了达到新的平衡状态必须在半导体内部进行大量的复 合和碰撞。这个复合过程对外并不能表现出导电的能力，而是以太阳能光伏电 池能量的自损耗形式表现。而光伏电池表现导电能力的是光生电场，光生电场 只有运动到 P-N 结区域的少数载流子才能产生。接通外电路后，光生电场就会 有电流输出提供给负载。 图 2-1 太阳能光伏电池原理图 + + + + + + + + + + + + + + + - -
41、- - - - - - - - - - - - - - + - + - + P 型 P-N 结 负 载 电 阻 2.2 太阳能光伏电池的特性太阳能光伏电池的特性 2.2 .1 太阳能光伏电池的等效电路 基于单二极管模型的太阳能光伏电池等效的等效电路如图 2-2 所示： 图 2-2 光伏电池的等效电路 图 2-2 中各个量的具体涵义如下： 电池板的开路电压；电池的 OC U L R 外负载电阻； 串联电阻，串联电阻的值比较小，阻值大约为 1 欧姆； S R 输出电流；电池板的旁路电阻，一般比较大，阻值最大可达儿千欧姆； L I sh R 结电容，其值很小，通常情况下可以忽略不计；暗电流；光生 j
42、 C D I ph I 电流。根据电路理论的相关知识，对上面的等效电路图进行计算，有如下所示 的关系式： (2-1) 0(exp 1) D D qU II AkT (2-2) 0 () exp(1) OCLSD Lph sh q UI RU III AkTR (2-3) 0exp 1 OC SC qU II AkT (2-4) 0 ln(1) SC OC IAkT U qI 上面的 4 个式子中，表示光伏电池等效二极管的 P-N 结的反向饱和电流； 0 I 表示电池的短路电流； 表示等效二极管两端的电压；q 表示电子电荷量， SC I D U 值为；k 为波尔兹曼常数，大小为；T 表示绝对温度
43、； 19 1.6 10C 4 0.86 10/eVK A 为 P-N 结的曲线常数。 在强光条件下，远远大于，则有： ph I 0 I (2-5) 0 ln() ph OC I AkT U qI 在弱光条件下，远远小于，此时有： ph I 0 I (2-6) 0 () ph OC I AkT U qI 为了计算和分析的更加方便，在弱光条件下，我们认为光照强度与太阳能 光伏电池的开路电压可近似为线性关系。因此，此时我们可以得到在理想状况 下等效电路方程如下所示： (2-7) LphD III 2.2 .2 太阳能光伏电池的外特性曲线 由上述的公式(2-1)和(2-5)可以绘制出光伏电池的电压-电
44、流曲线伏安特性 曲线，然后得到光伏电池的功率曲线。其输出特性如图 2-3 所示，当负载电阻 较小时，工作电流较大，工作电压较大，随着负载电阻的逐渐增大，工作电流 慢慢减小，而工作电压则在增大。当到达图示的 M 点时输出的功率最大，我们 称之为最大功率点，设 M 点的电压和电流分别为和，功率为，根据电 m U m I m P 路的知识可以计算得到： (2-8) mmm PI U 影响光伏电池的输出功率还有一个比较重要的因素填充因数(FF)，填充 因数是指最大功率点功率与()之比。 OCSC VI 图 2-3 光伏电池的输出特性 由式(2-7)可知，在外部条件相同的情况下，FF 越大，太阳能光伏电
45、池的输 出功率也越大。因此，从上述可以看出填充因数也是影响太阳能光伏电池输出 特性的因素之一。 根据式(2-2)和(2-4)可知，对光伏电池的输出特性影响最大的还是温度和光 强。图 2-4(a)和图 2-4(b)为光伏电池的输出特性与温度之间的关系，图 2-5(a)和 图 2-5(b)所示的则是光伏电池的输出特性与光强之间的关系。 图 2-4(a) 不同温度下的 I-V 曲线 图 2-4 (b) 不同温度下的 P-V 曲线 当光照强度不变，温度升高时，光伏电池的开路电压下降，短路电流仅仅 只有略微的上升，几乎没有改变，具体如图 2-4(a)所示；光伏电池具有负的温 度特性，即随着温度的升高，阵
46、列的输出功率会下降，关系如图 2-4(b)所示。 图 2-5(a) 不同光强下的 I-V 曲线 图 2-5(b) 不同光强下的 P-V 曲线 光强也是影响光伏电池输出的决定因素之一，如图 2-5 所示，当温度一定， 光照强度发生变化时，光伏电池的开路电压变化并不大，但是短路电流随着光 照强度的增大而增大。 2.3 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接 转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电 池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的
47、核心部分，其作 用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。 太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流 和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量 延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。 如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电 (由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。 逆变器：逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电 逆变成 220 伏交流电，供给交流负载使用。 蓄电池(组)：蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储
48、存起来， 供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时， 除了供给负裁用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将 逐步放出。 2.4 太阳能光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统的分类 根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电 系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。 (1)独立供电的光伏发电系统 独立供电的太阳能光伏发电系统如图 2-6 所示。整个独立供电的光伏发电 系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统 中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天 有太阳光照的情况下输出
49、能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作 为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当 发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、 放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为.与交流 负载同相的交流电。 图 2-6 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图 (2)并网光伏发电系统 图 2-7 并网光伏发电系统结构框图 并网光伏发电系统如图 2-7 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆 变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电 系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有 蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统 中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对 于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充 当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分