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1、研究生课程论文太阳能发电家用系统的研究课程名称 新能源发电技术 姓 名 学 号 专 业 电气工程（工程硕士）任课教师 开课时间 教师评阅意见：论文成绩评阅日期提交时间 2013 年 09月 01 日1绪论在地球环境污染和能源形势的变化日趋严峻的背景下，太阳能作为绿色能源越来越 受到世界各国的重视。光伏发电是太阳能利用的主要形式，具有广阔的发展前景。随着 光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充 能源向替代能源过渡。本文综述了太阳能发电系统研究的发展概况、研究动态及应用前景。并对家 用太阳能发电系统做了一系列的研制。1.1太阳能光伏发电应用的现状及本课题的研究
2、意义太阳能的转换利用方式有光化学转换、光电转换和光热转换等三种方式。光化学利用主要指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光 电化学转换等方面的新技术,其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模 利用太阳能的关键技术之一。太阳能热发电随着技术的发展,成本逐渐降低,变得越来越可行。热利用的主要形式是太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能热发电。太阳能热水 器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术产品。光一电转换是利用光生 伏打效应原理制成光伏电池，将光能直接转换成电能加以利用。“光伏发电”是将太阳光 的光能直接转换为电能的一种发电形式3。1.1.1国外光伏发电
3、技术的现状近几年来，全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%，2004年全世界生产总量高达1000MW。本世纪以来，一些发达国家纷纷制定了包括太阳能电池在内的可再生能源发展计划。太阳能电池的研究和生产在亚洲、美洲、欧洲大规模展开。日本和美国为争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开发计划，如到2010年，日本计划累计安装5000MW(NEDC)日本新阳光计划；美国计划累积安装4600 MW (含百万屋顶计划)。发展中国家印度处于领先地位，目前累计装机容量约40MW。光伏发电产业的年销售额将从2004年的70亿美元增加到2010年的300亿美元。11.2.2国内光伏发电技术的现
4、状从20世纪90年代起，国内光伏发电市场平稳发展，年增长速度在20%左右，其产业的发展己初具规模，已广泛应用到我们生活的多个方面，如通讯、交通、公共设施(如 路灯照明）、家庭生活用电等领域。进人21世纪，国内光伏发电市场呈现加速发展趋势，我国政府目前正在制订新能源和可再生能源发展规划，将出台一系列扶持光伏发电发展的优惠政策。太阳能是洁净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太阳能。将是人 类新能源利用方面的科技发展方向。我国20032009年在农村电网建设中每年安装70 兆瓦光伏发电系统，20102020年将普及推广应用每年平均安装100兆瓦光伏发电系。21.2.3项目研究开发的目的和意义目前太
5、阳能热水器家喻户晓，虽然太阳能光伏发电在家用电器中已经有所应用，但是还远远没有达到要求，所以对家用太阳能发电系统的研究，是非常必要的。本项目研究开发的目的和意义就是探索一条太阳能光伏发电在家用电器应用的新 路，发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，在偏远地区推广使用家用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决无电人口的供电问题。为今后太阳能发电并网的普及铺好路打好基础。1.2.4项目研究开发的目的和意义本项目以家用电器为对象，研究开发家用太阳能发电的相关技术问题。系统框图如图1.1所示图1.1家用太阳能发电系统框图工作原理为：在白天光照条件下，主控CPU电路检测到太阳能电池有正常输出，控制DC/D
6、C变换器，跟踪最大功率，并开启充电控制电路，给蓄电池充电，同时通过 DC/AC逆变器变换为交流电，经由切换控制电路为家用电器提供电源。天黑后，太阳 能电池停止工作，此时主控CPU电路检测到太阳能电池无输出，由蓄电池经DC/AC逆 变器给家用电器供电。在系统检修或蓄电池电压不能达到要求电压时，通过切换控制电 路换接到原供电线路2光伏电池的工作原理光伏电池是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件。它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。其中硅光伏电池包括单 晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅
7、电池。2.1.1光伏电池的光伏效应当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材 料构成的P-N结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子-电子和空穴。由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各相向反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成电动势，这就是P-N结的光伏效应。由于光照产生的非平衡载流子向反方向漂移，从而在内部构
8、成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流Isc。在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生电势Voc这就是开路电压。如将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这就是光伏电池的基本工作原理。显然,光伏电池之所以能在光照下形成短路电流Isc,开路电压Voo，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过， 从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸使用的电能。但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极导体电阻和接触电阻，以及材料本身具有一定的电阻率，流
9、经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻&来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作 用可用一个并联电阻Rsh来等效表示。此时的等效电路可根据图2.2来描述。一个理想的光伏电池，因串联的匕很小，并联的Rsh很大，所以进行理想电路计算时，它们都 可忽略不计。致使理想的等效电路只相当于一个电流为Iph的恒流源与一个二极管并联 (如图2.1所示)。此外硅型光伏电池等效电路还应包含由P-N结形成的其它分布电容。 由于光伏电池是直流设备，通常没有高频交流分量，因此这些电容也可忽略不计。3图2
10、.2实际光伏电池等效电路图3系统的软硬件设计3.1系统总体框图太阳能电池切换控制电路去电器负载驱动电路驱动电路80C196KC图3.1系统总体方框图lkW家用太阳能发电系统的结构框图如图3.1所示。由图可以看出系统主要由以 下几部分组成：太阳能电池阵列、单向DC/DC、双向DC/DC、AD转换电路、80C196KC、 切换控制电路等。系统中太阳能电池的输出电压upv和电流ipv、直流母线电压uH和电 流&以及蓄电池两端的端电压丸和电流L均由霍尔传感器4（电压和电流两种类型）采 样，经A/D转换电路送入CPU中。系统主要进行以下工作：1、CPU通过检测太阳能电池输出电压、电流值并通过计算功率值来
11、进行最大功率点跟踪控制。2、当CPU检测太阳能电池输出电压、电流和蓄电池端电压、电流达不到负载要求或者系统进行检修时，CPU将输出控制信号到控制切换开关自动切换到原供电线路。3.2系统总体软件结构本系统采用模块化结构设计，根据要完成的功能不同，将整程序分为以下几个模块： A/D转换模块、最大功率跟踪控制模块、显示模块。根据采样所得的太阳能电池阵列的 电压和电流信号、直流母线电压和电流信号以及蓄电池端电压和电流信号来选择是否把 电路切换到原供电线路上。图3.2为系统的能量管理显示流程图。图3. 2能量管理显示流程图64系统的部分电路Matlab仿真Matlab/simulink仿真工具为复杂系统
12、提供了快捷、简单、方便的建模仿真环境，其中Power System Blockset库可直接为电力系统提供模块化仿真5。本系统就是在Matlab仿真环境下，利用现成模块，编写S函数，建立了部分电路的仿真，为系统的设计提供可行的方案。4.1光伏电池等效电路的Matlab仿真基于光伏电池的物理特性建立了太阳能光伏电池阵列的仿真模型，并对不同光照下太阳能电池阵列的输出I-V特性以及P-V特性进行了仿真。图4.1光伏电池仿真框图4.2光照强度变化时光伏电池的输出特性光照强度的大小直接影响太阳能光伏电池输出电能的多少。日照强度越强，光伏电池的输出功率就越大；反之，输出功率就越小。由于光生电流Iph受日照
13、强度影响比较 大，而且与日照强度成正比例关系，因此，可以通过改变S值来等效地模拟不同日照强 度下光伏电池的输出特性曲线及输出功率曲线。6仿真参数设为 1=0.0008，t=300K, Rsh=5000Q , RS=2.25Q,环境温度 298K,器件 温度330K，选取一组不同的R值对S赋的值分别为lkW/m2，0.7kW/m2, 0.4kW/m2进 行仿真，得到一组输出电流、电压、功率值，然后可以得出光伏电池的输出特性拟合曲 线如图4. 2、图4. 3。图 图4.2光伏电池IV曲线图4. 3光伏电池P-V曲线 仿真结果表明，光伏电池的输出特性呈非线性，并且每条曲线都有一个最大功率点。 在温度
14、不变的情况下，随着日照强度的增强，光伏电池的最大输出功率也不断增大，日照强度越大，光伏电池的输出电能就越大。95总结与展望5.1总结本文对太阳能光伏发电系统做了较全面的研究，主要进行了以下几方面的工作:结合最新的国内外资料，分析、探讨了太阳能发电系统研究的开发背景、研究动态、发展趋势以及应用前景。分析了太阳能电池的原理和基本特性，根据光伏电池的I-V和P-V特性曲线，对光伏电池最大功率点跟踪进行研究，比较各种跟踪方法的优缺点。本论文提出一种对蓄电池进行充放电管理的双向变换器系统，该系统对蓄电池的充放电进行有效控制、保护蓄电池不受损坏、延长蓄电池的使用寿命、充分利用太阳能、实现系统的能量管理等特
15、点。家用太阳能发电系统的后级，采用输出为正弦波电压，并具有升压和一定保护功能 的逆变器电路，达到了设计的要求。对光伏电池等效电路和系统前级简单的Buck电路以及后级逆变电路进行了Matlab 仿真，从中可以看到，用仿真来设计家用太阳能发电系统中的电力电子电路，修改 电路结构和参数更方便，观察设计的效果更直观。为整个系统的实现提供了较为准 确的仿真数据。75.2展望本文采用理论分析、仿真相结合的手段，对家用太阳能发电系统作了初步探讨研究，撰写论文的过程也是前期工作的阶段性总结。由于时间和精力的限制，所涉及的内容不 够充实。有关后续研究工作，可望在以下几个方面取得进展:最大功率跟踪技术是太阳能发电
16、系统研究的重点，在考察各种MPPT方案的可靠 性、稳定性、快速性和控制精度等多个系统指标基础上，找出更为可靠、高效的 MPPT控制策略。并网是太阳能以后的发展方向9。需要对逆变器做进一步的深入研究，使之更好地与电网并接。另外，减少逆变器损耗，提高其效率也是下一步需要解决的问题。考虑系统各单元电路之间的最佳匹配和优化设计问题，将是今后研究的重点。8由于本文所做的工作只限于理论以及仿真实验研究。因此,下一步将搭建试验平台，将具体的算法用单片机来实现主要参考文献1、王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望m，太阳能光伏产业发展论坛论 文集，2003，2(2): 14-172、银通投资咨询公司.全球发展
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