《户用独立光伏发电系统控制电路的设计与研究_硕士学位毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《户用独立光伏发电系统控制电路的设计与研究_硕士学位毕业论文.doc（116页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、摘 要随着人口的持续增长和工业的不断发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，人类认识到必须走可持续发展的道路，开发利用可再生能源和各种绿色能源。因此，深入研究利用太阳能，对我国乃至全世界的可持续发展都有极其重要的现实意义及战略意义。本文详细介绍了光伏发电技术的国内外研究动态、工作原理，重点介绍了独立光伏系统，包括其组成、类型和应用领域。对光伏电池的种类、工作原理、输出特性以及常用的最大功率跟踪(MPPT)方法进行了深入分析和研究，并在此基础上提出了融合闭区间套的干扰观察法，变其步长，缩小扰动范围。仿真结果表明，该算法具有跟踪速度快、精度高、准确性强等优点。根据系统要实现的预期目标，对光伏电池
2、和蓄电池进行选型，并设计了Boost电路、控制电路、MOSFET驱动电路及其电量检测电路和A/D转换电路；运用单片机80C196KC做主控制器，对系统蓄电池的充放电控制电路进行设计，控制电路同时实现了最大功率跟踪和蓄电池的充电电压、放电电压极值及充电电流的控制，有效地防止过充过放现象发生，保证了系统可靠运行。关键词：光伏发电；最大功率点跟踪；蓄电池；控制电路AbstractBecause of the fast population increase and the steady industrial development, the global energy crisis and air
3、pollution have been a critical problem. In order to tackle it, human beings have recognized that we must take the sustainable development road and exploit renewable energy and a variety of green energy. And the deep research and exploration about it has become noticeable and practical significance f
4、or the development of our nation, even for the whole world. This article describes the international researching trends and the working principle of the photovoltaic system. Highlight is the classification of independent photovoltaic system, which including its composition, sorts and applications. T
5、ypes of solar photovoltaic cells, working principle, output characteristics and the maximum power point tracking (MPPT) methods have been analysised and researched. On its basis, the article presents a new interference observation combining the closed interval sets theorem, and changes the step size
6、, narrow range of the disturbance. Simulation results show the new control algorithm has characters of tracking speed, high precision and strong accuracy.According to the systems target, we select the photovoltaic cells and the batteries, and the parameters of the Boost are designed. MOSFET driver c
7、ircuit, the power detection circuit and the A/D converter circuit are also completed. SCM 80C196KC call the shots controller, the systems energy storage device battery charge and discharge control circuit is designed. The control circuit achieves MPPT and control function of charging voltage and dis
8、charging voltage of the batter to ensure reliable operation of the system.Keywords: Photovoltaic power generation; Maximum Power Point Tracking; Battery; Control Circuit目 录第一章 绪论11.1 本课题的目的和意义11.2国内外研究动态21.2.1光伏发电历史21.2.2国外光伏发电技术的现状21.2.3我国光伏发电的现状31.3本文的研究内容和设计要求4第二章 光伏发电系统62.1光伏发电系统工作原理及组成62.2 并网光伏
9、发电系统62.3独立光伏发电系统72.3.1独立光伏发电系统的结构72.3.2独立光伏系统的应用领域92.3.3独立光伏系统的发展趋势102.3.4户用独立光伏发电系统11第三章 光伏电池和最大功率跟踪133.1光伏电池133.1.1光伏电池的工作原理133.1.2光伏电池的分类143.1.3太阳能电池的输出特性143.1.4光伏电池数学模型163.1.5光伏电池仿真模型193.2最大功率点跟踪253.2.1光伏电池最大功率点跟踪原理253.2.2恒定电压跟踪法273.2.3干扰观察法283.2.4电导增量法323.2.5 间歇扫描跟踪法353.2.6与闭区间套相融合的干扰观察法37第四章 蓄
10、电池选择研究434.1蓄电池的分类及应用434.2 VRLA的工作原理444.3 VRLA的特性参数454.4蓄电池的充电控制分析464.4.1蓄电池的充电控制方法464.4.2本文采用三阶段充电方式494.5影响蓄电池容量的因素50第五章 控制电路设计515.1控制电路预期指标和总体设计方案515.1.1预期指标515.1.2控制电路总体设计方案515.2系统容量的设计525.2.1 光伏电池的选用525.2.2 蓄电池容量的选择545.3 DC/DC变换电路555.3.1 Boost电路的结构和工作原理555.2.2 参数计算575.4 控制电路设计585.4.1 80C196KC芯片的主
11、控制器595.4.2 74LS373锁存器和2864存储器605.4.3电量检测电路605.4.4 A/D转换电路615.4.5驱动电路625.5系统软件设计635.5.1软件系统平台635.5.2系统软件流程图645.5.3 各模块部分软件实现69第六章 结论与展望726.1 本文结论726.2未来展望72参考文献73攻读硕士研究生期间发表的学术论文75致 谢76学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明77第一章 绪论第一章 绪论1.1 本课题的目的和意义 在20世纪的世界能源结构中，人类所能利用的一次性能源主要是煤炭、石油和天然气等化石能源。近百年来，随着经济的发展、人口的增加和社会生
12、产的不断扩大，世界能源消耗持续增长。全世界对能源的消耗1970年约为83亿吨标准煤，1995年达到了140亿吨标准煤，25年时间增长了69.7%，预计到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤。根据估算，人类对于化石能源的消费以目前的速度增长，全世界的石油还可使用40年，而天然气和煤也最多分别能维持60年和230年1。与此同时，大量使用化石能源，严重污染人类生存环境。因此，采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。为了解决能源危机和环境污染问题，世界各国都在极力探索可再生能源，其中包括水能、风能、太阳能、地热能、生物能等
13、。水能资源指水体的动能、势能和压力能等能量资源，水能是清洁的可再生能源，但和全世界能源需要量相比，水能资源十分有限；风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带；从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的能量最初来源于太阳能，所以生物能是太阳能的一种；地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，开发潜力较大的地热田一般出现在偏远的山区，它的可输送性比较低。在各种可再生能源中，太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，利用前景最为广阔，无疑是符合可持续发展战略理想的绿色能源，
14、是未来能源结构的基础3。利用可再生能源发电方式主要有水力发电、风力发电、生物质发电、太阳能发电、海洋能发电和地热能发电等。其中光伏发电系统有着建设周期短，安装模块化，易于根据负荷大小进行建设等优势，应用前景十分广阔。不仅在偏远山区可以使用，而且随着城区住宅业的发展，户用独立光伏发电系统将越来越显示出其重要性和发展潜力6。1.2国内外研究动态1.2.1光伏发电历史对于光伏发电技术的研究，始于100多年前。其发展历史如表1.1所示9：表1.1 早期的光伏发电技术发展历史发现的科学家发现时间现 象法国物理学家A.E.贝克勒尔1839年光生伏打效应：用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的
15、伏打电势英国科学家Wifough B.smith1873年对光敏感的硒材料，推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量Charles Fritts1880年光伏器件：能够产生光生伏打效应的器件光伏电池：半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高20世纪中期，超薄单晶硅光伏电池问世，但是从1961年到1971年十年间，光伏发电技术的研究重点一直在提高其抗辐射能力和如何降低成本方面，硅光伏电池技术并没有取得很大的进展。1972年到1976年之间，出现了各种各样的新研制出的光伏电池。20世纪后期，光伏技术得到不断完善，成本不断降低，形成了光伏技术产业链。21世纪，光伏技术成为能源舞台上的主要成员
16、之一3。1.2.2国外光伏发电技术的现状光伏产业是世界上发展速度较快的行业之一。本世纪以来，鉴于常规能源的有限性和环保压力的增加，为实现能源和环境的可持续发展，世界各国都开始投入到开发和利用太阳能等可再生能源的研究中。到2009年底，全球光伏发电容量已超过2000万千瓦，光伏发电的竞争力不断提高，已成为全球最受重视的新能源发电技术7。太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模展开。美国不断提出新的光伏发电计划及宏伟的发展目标。1973年，美国率先制定了政府级的阳光发电计划，1980年正式将光伏发电列入了公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1997年6月，又提出了“克林顿百万屋顶光伏计划”，
17、此计划旨在加速和促进美国光伏产业的快速发展，把发电成本降到6美分/kWh以下，起到减排CO2、保持和加强美国光伏产业在世界的领先地位的作用。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的新5年国家光伏计划，以及20202030年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标 按预计的发展速度，2010年美国光伏系统达到4.7GW。日本在70年代制定了“阳光计划”，后在1993年又将“月光计划”、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。1996年末，日本已安装2700套并网户用光伏系统，其中每套系统的平均容量为3kW。1997年末，即发展到1万套。1999年末
18、，已在3万户住宅屋顶安装了容量为120MW的光伏电池组件，2010年光伏发电装机容量达到5GW。德国在1995年时安装光伏系统的容量为5MW，1996年即增加一倍，到1999年其容量扩大到15.6MW。于1999年开始实施“十万屋顶计划”，2000年安装光伏系统容量超过40MW。现在，德国的光伏发电市场已从探索阶段发展成为繁荣的专业市场。欧盟在1997年11月26日发表了能源的未来：再生能源的战略与行动白皮书。白皮书提出到，2010年在欧盟范围内要安装100万套光伏系统，需要光伏组件1000MW，50万套是乡村供电的独立光伏系统。希腊宣布了建设世界上最大的太阳能发电厂计划。瑞士、法国、意大利、
19、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。表1.2 世界光伏电池产量汇总表世界光伏电池组件的产量（单位：MW）19971998199920002002200420052007欧 洲30.433.540.060.661353144641060美 国51.053.760.874.97120139156270日 本35.049.080.0128.60251602762920其 它9.418.720.523.42551402741186总 计125.8154.9201.3287.65561119516563436可以看出：1997到2007十年间，在各国政府的大力
20、扶持下，世界光伏产业迅猛发展，世界光伏电池产量逐年增长。其中，我们可以看到2007年世界光伏电池产量总计比1997年增长了26倍，除欧洲、美国、日本外的其他国家光伏电池产量总和增长速度最快，十年间增长了近125倍。截至2006年，最近10年光伏电池及组件年平均增长率约33%，而最近5年年均增长率达到43%。2007年世界光伏产电池年产量为3436MG，而2008年达到了6400MG，比2007年增长60%。截至2008年底，世界光伏电池累计安装容量已达18700MG。1.2.3我国光伏发电的现状1958年，我国开始研究光伏电池，1972年将光伏电池用于地面，1979年，开始生产单晶硅太阳能电池
21、，这是我国在光伏电池应用领域的第一个里程碑5。我国光伏发电经历了两次飞跃。第一次飞跃始于二十世纪80年代末，当时，我国正处于改革开放蓬勃发展时期。国内先后引进多条太阳能电池生产线，太阳能电池生产能力由原来的几百千瓦升至几兆瓦。引进的光伏电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次飞跃在2000年以后，为光伏产业的大力发展阶段。在国际大环境影响下，国际项目的启动和市场需求以及国家政策的促进下，我国光伏技术及应用显著发展。如2002年国家实施的送电到乡和送电到村的工程，都采用了光伏发电技术。我国西部居住人口分散，太阳能资源丰富，太阳能光伏发电成为首选能源
22、 6。自20世纪80年代以来，我国太阳能光伏技术得到了迅速发展, 以每年30%-45%的速度持续高速增长, 尤其是进入21世纪以来,世界光伏产业的发展年均增长超过了60%。经历了从小规模到现在的地面较大规模利用的时代。2000-2002年，光伏发电技术在我国的优势显现出来。特别是在2002年近800个无电乡的乡政府用电问题被解决。这样巨大的规模在国际上也是很少见的。接下来的2002-2005年，我国解决了上万个自然村和行政村的用电问题。这些村庄都处于偏远地区，十分分散，只能建造独立的太阳能发电系统。2007年以后，我国光伏产业的年增长率超过100%，经过近30年的发展，我国光伏发电产业已初具规
23、模，但在总体上和国外相比仍然有一些差距，具体表现在以下几个方面： (l)我国光伏发电的生产规模较小；(2)我国光伏发电的技术水平较低，光伏电池的使用效率及封装水平都与国外存在差距；(3)我国光伏发电的产出成本高。目前电池组件产出的电能成本和平均售价都高于国外同类产品；(4)我国光伏发电的材料性能与国外有一定的差距，而且部分只能采用进口材料；(5)市场培育和发展迟缓，缺乏培育和开拓的支持政策、措施。1.3本文的研究内容和设计要求本文对户用独立光伏发电系统的光伏电池、蓄电池和控制电路部分进行了全面的分析研究，重点在最大功点跟踪及控制电路设计。结合实际户用发电系统，实现了一个小型户用独立光伏发电系统
24、的设计。主要完成的任务有：(l)掌握大量光伏发电及应用背景材料，了解光伏发电系统的国内外发展状况。(2)光伏电池和MPPT部分：对于光伏电池的工作原理、数学模型、输出特性和最大功率跟踪方法进行了分析，提出了一种融合闭区间套的干扰观察法。(3)蓄电池组容量的选择研究：主要完成了应用于本系统的蓄电池功能、工作原理和充放电特性的分析，对系统设计中所需蓄电池容量的进行了计算与选型。(4)针对小型户用独立光伏发电系统，完成了系统主控制器以及采样电路、驱动电路的分析与设计，完成了系统软件设计，实现了对系统的控制功能。7青岛大学硕士学位论文第二章 光伏发电系统2.1光伏发电系统工作原理及组成光伏发电系统，是
25、利用光伏电池的光伏效应，将太阳光能转化为电能，储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。白天，日照达到一定强度，由光伏电池阵列直接向负载和蓄电池提供电能，或者是部分电能直接送入电网。夜晚或阴雨雾天，光伏电池阵列输出的能量太小，则由蓄电池向负载提供能量。负载可以是直流负载，也可以是交流负载。如果是直流负载，发电系统直接对其进行供电；如果是交流负载，光伏电池输出的直流电通过DC/AC电路逆变，向其提供交流电能。基本的光伏系统主要由光伏电池阵列、控制器、变换器、逆变器及蓄电池组成。 光伏电池：光伏电池阵列是整个系统的核心部分，其主要功能是将太阳能转换成电能，储存或者直接供负载使用。控制器：控制器的主
26、要作用是控制光伏电池的工作状态，使其工作在最大功率点上，同时控制蓄电池的充放电，对蓄电池和负载起到保护作用。变换器：变换器的作用是将光伏电池阵列提供的直流电压变换成适合负载使用的电压。逆变器：如果负载为交流负载，就需要逆变器将低压直流电逆成220伏交流电，供其使用。蓄电池(组)：当白天日照强度大时，光伏电池发出的直流电除了提供给负载外还有剩余，就存贮在蓄电池中，以供夜晚或阴雨天没有光照或者光照强度不足时，提供给负载。按照是否与公共电网连接，光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。2.2 并网光伏发电系统并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统，将光伏电能馈送给公共电网。当
27、太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段，并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组的并网发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，该系统具有不间断电源的作用，还可以充当功率调节器，稳定电网电压消除高次谐波分量，从而提高电能质量；不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变为和电网电压同频同相的交流电能，送往公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载补充电能。图2.1所示是典型并网光伏发电系统结构示意图，主要包括光伏电池阵列、
28、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、变压器、交流负载五个组成部分。根据负载及系统供电可靠性的需要，在DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。图2.1 并网光伏发电系统2.3独立光伏发电系统独立光伏发电系统产生的电能只提供给本地负载，包括交流负载或直流负载，不与公共电网相连接。主要在一些离公共电网太远的无电地区和一些特殊场所使用，如一些偏僻农村、牧区和偏远的岛屿，即公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊处所也使用独立光伏发电系统。2.3.1独立光伏发电系统的结构独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆
29、变器以及负载等部分。图2.2所示是典型独立光伏发电系统结构示意图。该系统由光伏电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、蓄电池组和交直流负载构成。光伏电池阵列将太阳光能转化为电能。控制器决定着系统的运行状态，对整个系统起着管理作用，是整个系统的核心部件之一。蓄电池是系统的储能部件，对光伏电池阵列输出的部分电能进行储存，在光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需求时，向负载进行供电。光伏电池阵列和蓄电池输出的都是直流电。向交流负载供电时，必须经过DC/AC逆变器将直流电转换为交流电。DC/DC变换器起到功率转换作用，将光伏电池阵列输出的电能传送给负载或者给蓄电池组。该系统因为有蓄电池组，可在夜晚
30、或者阴雨天无光照时或日照不足时为负载供电，提高了系统供电的可靠性。图2.2 独立光伏发电系统结构框图根据负载的特点可以将独立光伏发电系统分为三种类型：直流系统、交流系统和交直流混合系统9。除此之外，还有一种有后备能源储备的交流负载的独立光伏发电系统。（1）接直流负载的独立光伏系统如图2.3所示，主要包括光伏阵列，防反充二极管，蓄电池，控制器11。图2.3 直流光伏系统结构框图（2）接交流负载的独立光伏系统如图2.4所示，主要包括太阳能光伏阵列，蓄电池，控制器，逆变器，交流负载。图2.4 交流光伏系统结构框图 (3)交流混合负载的光伏系统如图2.5所示，主要包括太阳能光伏阵列，防反充二极管，蓄电
31、池组，控制器,逆变器，开关管两个，直流负载，交流负载。图2.5 混合光伏系统结构框图（4）有后备能源和放电器的光伏系统如图2.6所示，主要包括太阳能光伏阵列，控制器，蓄电池，过充电放电器，后备能源，逆变器，负载。它区别于以上三种系统之处是增加了后备能源和过充电放电器。当光伏电池阵列发出的电能和蓄电池储存的电能不能满足负载所需时，系统可以启用后备能源，它既可以直接给交流负载供电，又可以经控制器给蓄电池充电；同时为了保护蓄电池组，防止过充现象产生，系统设有过充电放电器。图2.6有后备能源和放电器的光伏系统2.3.2独立光伏系统的应用领域按能量转换方式，太阳能利用主要在以下三个方面10：光电转换，如
32、光伏发电系统；光化学转换，如太阳能制氢；光热转换，如太阳灶、太阳能热力发电、太阳能热水器、海水蒸馏器等。按产品类型分类为光伏电站、户用独立光伏电站、3-5kW家庭屋顶并网发电系统、太阳能建筑、汽车配套的电源、太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统、海水淡化设备供电、卫星、航天器、空间太阳能电站等。20世纪90年代初期，独立光伏发电系统主要应用在通信和工业领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等方面。目前，我国光伏产品的市场份额为14：户用光伏电源和独立光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占
33、10%。其中，通信和工业应用大约占36%，农村和边远工区用大约占51%、光伏并网发电系统大约占4%、太阳能商品及其它大约占9%。采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，以解决偏远地区无电村和无电户的供电问题。重点地区是西藏、青海、内蒙古、新疆、宁夏、甘肃、云南等省区。到今年偏远农村地区光伏发电总容量达到15万千瓦，2020年达到30万千瓦。在经济发达、现代化水平较高的大中城市，建设光伏建筑一体的屋顶光伏发电设施。“十一五”期间，重点在北京、上海、江苏、广东、山东等地区开展城市建筑屋顶光伏发电试点。今年年底，全国将建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量达到5万千瓦。到2020年，全国建成2万个屋
34、顶光伏发电项目，总容量将达到100万千瓦。2.3.3独立光伏系统的发展趋势(1)独立光伏发电系统的发展趋势据统计，到2009年全球没有用上电的人口将近20亿。我国约有1200万人口没有用上电，其中大部分处于偏远地区。这些地区经济不发达、交通不便利，公共电网很难覆盖。然而，此类地区一般太阳能资源十分丰富，具有优厚的光伏发电技术应用前景。我国计划在2015年前要解决全部人口的用电问题，预计需要利用太阳能发电技术，300MW的太阳电池组件，来解决580万人口的用电问题。在“九五”期间，我国建成各种规模的太阳能光伏发电站40余座、装机总容量超过600kW，包括县、乡、村三级。到2007年底，我国的光伏
35、发电系统累计已推广户用光伏电源约55.8万台套，总容量11.32MW，累计安装容量已达到了70MW12。到2010年偏远农村地区光伏发电总容量达到15万千瓦，预计2020年将达到30万千瓦。(2)独立光伏发电工业用电发展趋势由于光伏发电系统具有使用方便，安全可靠，维护简单等优点，常用来为一些无电或电网供电不稳定场所供电。独立光伏发电系统的应用范围非常广泛，如光纤通讯系统、微波中继站、卫星通讯和卫星电视接收系统、农村程控电话系统、部队通讯系统、铁路和公路信号系统、灯塔和航标灯电源、海洋浮标电源、石油和天然气输送管道阴极保护、气象和地震台站、水文观察、污染检测等灾害测报仪器电源等，甚至还可以应用到
36、航空设备以及飞机、车辆、船舶等交通工具上12。(3)消费产品的发展趋势目前太阳能照明电源应用的最为广泛，主要有大型照明系统、小型照明灯具、交通信号灯等，还有像太阳能充电器、太阳能计算器、太阳能玩具、太阳能钟表等应用面广，用量大的光伏产品。2004年，全球安装的光伏电池用量中，工业应用和住宅用电各有100MW，消费产品为3MW。据有关专家预测，到2030年，离网工业用电达到60GW，消费产品为20GW，而离网住宅供电的光伏电池用量将达到70GW12。2010年以前中国光伏电池大部分用于独立光伏发电系统，从2011到2020年，中国光伏发电市场的主流将会发生改变，由独立光伏发电系统转向并网发电系统
37、，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。2.3.4户用独立光伏发电系统独立光伏发电系统包括边远地区的村庄供电系统，光伏户用电源系统，通信信号电源、阴极保护等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。随着国家西部大开发战略的实施，中国的西部的广大农牧民，经济收入将会相对增加，生活条件会有很大改善。由于居住生活环境的特殊性，离公共电网较远，无法顺利实施利用，而户用光伏系统由于其功率小、灵活多样、安装方便等特点，适用于广大无电地区的农牧民和游牧民族生活用电、通信供电电源等；在西部无电地区的调查统计显示，国内所需的小功率户用光伏电源饱和量为150万台（套）；大型光伏发电（站）系统为5万套（座）；通信用光伏
38、电源系统10万套，各项类型所占比例如图2.7所示。图2.7 各种类型光伏发电系统所占比例从图2.7可以看出，户用光伏电源占了整个西部无电地区电源类型的90，大型光伏发电系统和通信用光伏电源系统各占3和7，可见在西部地区户用独立光伏发电技术有着具大的发展潜力。同时随着电池技术的进步与发展，户用光伏发电系统逐步走向城市，光伏发电与建筑的完美结合，构成的屋顶户用光伏发电系统，更是前景诱人，市场广阔。17第三章 光伏电池和最大功率跟踪第三章 光伏电池和最大功率跟踪3.1光伏电池在光伏发电系统中，光伏电池是实现光能转换为电能的器件，光伏电池阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的，其功率一般为几瓦
39、至几十瓦、几百余瓦。因此，研究光伏发电系统必须从光伏电池开始。 3.1.1光伏电池的工作原理光伏电池一般由半导体材料制成，其特性与二极管类似。光伏电池单体实际上是一个PN结，如图3.1所示。PN结处于平衡状态时，中间处有一个耗尽层存在着垫垒电场，形成了方向由N区指向P区的电场。当太阳光照射到PN结时，就会产生一定量的电子和空穴，在势垒电场的作用下，电子向N区扩散，空穴向P区扩散，从而P区就有过剩的空穴，N区就有过剩的电子，这样就形成光生电动势，其方向与势垒电场方向相反。光生电动势使P区和N区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。这样如果用导线连接两个电极，就会有“光生电流”流过，从而产生电能。（
40、a）PN结平衡时 (b) PN结受光照时图3.1 光伏电池工作原理图光伏电池的工作原理可以概括为以下三个过程： (l)光伏电池单体吸收带有能量的光子，PN结的两侧产生电子和空穴，电子空穴对被称为光生载流子，电子和空穴分别带有负正两种不同的电荷。(2)光生载流子通过扩散作用到达空间电荷区，被势垒电场分离，使空穴分离到P区，电子被分离到N区。(3)分离后的电子和空穴分别聚集在光伏电池的正负极。如果在正负极之间接入负载，就会有光生电流流过，从而获得电能。3.1.2光伏电池的分类光伏电池形式多样，种类繁多。按照结构分类15：(1)异质结光伏电池，由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的界面上形成一
41、个异质PN结。像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结光伏电池。(2)同质结光伏电池，在同一种半导体材料构成一个或多个PN结。像砷化镓光伏电池、硅光伏电池都为同质结光伏电池。(3)肖特基光伏电池，用金属和半导体接触成一个“肖特基垫垒”。按照制造材料分类：(1)化合物半导体光伏电池，由半导体材料制成。所用的半导体材料一般是两种或两种以上元素组成，而且是具有半导体特性的化合物。其特点是转换效率高，抗辐射性好，可在聚光条件下使用。如磷化锢光伏电池、硒锢铜光伏电池、碲化镉光伏电池、砷化镓光伏电池等。(2)硅光伏电池：以硅（单晶硅、多晶硅、非晶硅）为基体材料。其特点是性能稳定、光电转化效率高。硅资源
42、丰富，可以大规模生产，但其制造过程复杂，生产成本高。其中，多晶硅光伏电池又分为片状多晶硅光伏电池、筒状多晶硅光伏能电池、铸锭多晶硅光伏电池和球状多晶硅光伏电池等多种。(3)薄膜光伏电池：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。其特点是转换效率相对较高、生产成本降低、比较适合规模生产，是未来光伏电池的一个重要发展方向。目前主要有非晶硅薄膜光伏电池、化合物半导体薄膜光伏电池、多晶硅薄膜光伏电池、微晶硅薄膜光伏电池和纳米晶薄膜光伏电池等。(4)有机半导体光伏电池：用含有一定数量的碳碳键，导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。其特点是转换率低、价格便宜、轻便，易于大规模生产。3
43、.1.3太阳能电池的输出特性（1）标准测试条件下太阳能电池的输出特性光伏电池的输出特性是指在一定的温度和日照强度条件下，光伏电池所呈现的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，通常简称为I-U特性曲线。由于电池温度、日照强度等因素都会对光伏电池的特性产生影响，因此，在测试光伏电池性能时，需要定义标准测试条件。我国应用的标准测试条件为：日照强1000W/m2，电池温度为25，太阳辐射光谱为AM1.5。标准测试条件下的光伏电池I-U和P-U输出特性曲线如图3.2所示。图3.2 光伏电池阵列标准条件下的输出特性曲线其中各参数定义如下：开路电压(UOC)：标准条件下所能输出的最大电压；最大功率点
44、电压(Um)：标准条件下最大功率点的电压；短路电流(ISC)：标准条件下所能输出的最大电流；最大功率点电流Im)：标准条件下最大功率点的电流；最大功率点功率(Pm)：标准条件下输出最大功率。 由图3.2可以看出：光伏电池既不是恒流源也不是恒压源。但是，当光伏电池输出电压较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，光伏电池近似为一个恒流源；当光伏电池输出电压超过Um时，输出电流急剧下降，光伏电池又可以近似为一恒压源。在光照强度和电池温度一定时有唯一的最大输出功率点Pm(其左侧为近似恒流源段，右侧为近似恒压源段)。（2）日照强度和温度对光伏电池输出特性的影响光伏电池的I-U特性曲线与日照强度和电池
45、温度有关。图3.3是温度一定时，日照强度分别为200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2时太阳能光伏电池的输出特性曲线。可以看出，当温度一定时，光伏电池短路电流Isc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比；开路电压随日照强度的增加略有增加，但增加幅度很小。图3.3 温度一定时日照强度对输出特性的影响图3.4是日照强度一定，不同电池温度时，光伏电池的输出特性曲线。可以看出，随着电池温度的升高，光伏电池的短路电流Isc略微增加，而光伏电池开路电压降低。图3.4 日照强度一定时温度对输出特性的影响3.1.4光伏电池数学模型（1）光伏电池的理论分析模型根据半导
46、体电子学理论，光伏电池的等效电路如图3.5所示。图3.5 光伏电池等效电路当日照强度恒定时，光伏电池可看成恒定电流源，二极管的正向电流和并联电阻电流Ish都由光电流IL提供，剩余的光电流通过串联电阻Rs输出给负载，并在负载端产生电压U。根据图中的电流电压参考方向，光伏电池的I-U方程为17： 3-(l)式中：光电流，单位A；二极管反向饱和电流，单位A；q电子电荷（ C)；A二极管因子；K：波耳兹曼常数(J/K)；T太阳能表面绝对温度，单位K；串联电阻，单位；并联电阻，单位；I太阳能电池输出电流，单位A；U太阳能电池输出电压，单位V；（2）光伏电池的简化分析模型在实际的光伏电池中，由于器件的瞬时响应时间远小于光伏系统的时间常数，在分析时通常忽略结电容Cj；并联电阻一般很大(兆欧级)；串联电阻一般很小(零点几欧)。因此，根据具体应用情况，光伏电池的I-U方程可简化为： 3-(2)或 3-(3)简化的模型结构分别如图3.6 (a)和图3.6(b)所示。 （a）忽略串联电阻等效电路 （b）忽略串并联电阻等效电路图3.6 光伏电池简化模型（3）光伏电池工程用数学模型3-(1)式是根据电子学理论推导出的解析表达式，已经被广泛应用于光伏电池理论分析中。式中IL、I0、A、Rs、Rsh等5个参数，不仅与光照强度和电池温度有关，而且难于确定。在具体工程