（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的太阳能独立光伏发电系统的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , a st h ec o n c e r no v e rt h er a p i dc o n s u m p t i o no ff o s s i l e n e r g ys u c ha sc o a l ，o i la n dn a t u r a lg a s ，e n e r g yc r i s i s a n di n c r e a s i n g e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，m a n yc o u n t r i e sh a v eb e e ni ns e a r c ho fa n d a c t i v e l yd e v e l o p i n gc l e a n , s a f ea n dr e l i a b l er e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e s o l a re n e r g yi sai d e a le n e r g ys o u r c ew i t ht h ea d v a n t a g e ss u c ha s c l e a n n e s s ，i n e x h a u s t i b i l i t ya n ds a f e t y s i n c e1 9 7 0 s ，p h o t o v o l t a i c ( p v ) g e n e r a t i o na t t r a c t sw o r l d w i d ea t t e n t i o na n dh a v em a d eg r e a tp r o g r e s s a s ai m p o r t a n tp a r to fs o l a re n e r g ya p p l i c a t i o n ，t h et e c h n o l o g yo fp v g e n e r a t i o ni s c o n s i d e r e da st h em o s tp o t e n t i a lp o w e rg e n e r a t i o no ft h e 2 1 t hc e n t u r y t h er e s e a r c ho np vg e n e r a t i o ni ss i g n i f i c a n tf o rs o l v i n g e n e r g yc r i s i s ，r e d u c i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dg r e e n h o u s ee f f e c t s i n c es o l a rc e l la r r a yi st h ek e yc o m p o n e n ta n de n e r g ys o u r c eo f p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m , t h er e s e a r c ho ns i m u l a t i o nm o d e lo fs o l a r c e l l a r r a yi s v i t a lt ot h er e s e a r c ho ns i m u l a t i o nm o d e lo fp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rb u i l das i m u l a t i o nm o d e lo fs o l a rc e l la r r a y b a s e do nt h ee n g i n e e r i n ga n a l y t i c a lm o d e lo fs i l i c o ns o l a rc e l l s ，a n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo fs o l a ri r r a d i a t i o na n ds o l a rc e l lt e m p e r a t u r e o i lt h ea c c u r a c yo fo u t p u to fs o l a rc e l la r r a ys i m u l a t i o nm o d e l ，p r o p o s e sa o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gc o e f f i c i e n tbo fe n g i n e e r i n g a n a l y t i c a lm o d e lo fs i l i c o ns o l a rc e l l su n d e rd i f f e r e n ts o l a ri r r a d i a t i o n , 江苏大擘硕士学位论文 c o m p a r e st h er e s u l t so fs i m u l a t i o nm o d e lw i t l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s o l a r c e l l a r r a y b a s e do ns i m u l a t i o nm o d e lo fs o l a rc e l la r r a yp i o p o s e db yt h i sp a p e r , t h i sp a p e rb u i l dam a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n s y s t e mw i t hf u n c t i o no ft h em a x i m u mp o w e rp o i i l tt r a c k i n g , m a k e sa s i m u l a t i o nc o m p a r i s o na i m i n ga tt w oc o m m o nm e t h o d sa n dv a l i d a t et h e i nt h i s p a p e r , r e s e a r c ho nw i d e u s e ds t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e mi sd o n ea n ds u l n n l a r yo nt h ea d v a n t a g e so fd c d c c o n v e r t e ri nc o m m o nu s ei s # v e n r e s e a r c ho nas t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e mw i t hab i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ri sg i v e na n dt h e p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no fm a i nc i r c u i ti sd o n e a tl a s t , c o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ed e s i g nb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 81 2d s pa n ds o f t w a r ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d k e y w o r d ：s o l a re n e r g y , p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m ，m p p t , s i m u l a t i o nm o d e l ，d s p n i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密酉。 学位论文作者签名： 裂t 乒 签字日期：五i 洚6 , e li f 日 导师签名：锣，1 圉岁争 签字日期：扣7 年6 月，日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吴史旱 日期：m 明年6 月| 1 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 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，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( b p 世界能源统计2 0 0 5 ) ) 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4 0 多年。天然气和煤炭则分剐可以供应6 7 年和1 6 4 年。面我国的能源资源储量 情况更是危机逼人，按2 0 0 0 年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的 1 0 1 。我国能源剩余可开采总储量的结构为；原煤占5 8 8 ，原油占3 4 ，天 然气占1 3 ，水资源占3 6 5 。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为 1 2 9 7 年l “。自从工业革命以来，约8 0 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，的作用约占6 0 ，而化石能源的燃烧是c 0 2 的主要排 放源【2 】。 随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 成为入类急切需要解决的闯题。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【3 l 。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2 l 世纪6 0 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5 0 以上，成为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。2 0 世纪9 0 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l o 年可再生能源发电的年增长速度都在1 5 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，1 9 9 9 年以来可再生能 江苏大学硕士学位论文 源年均增长速度均达到3 0 以上。西班牙2 0 0 3 年风力发电装机占到全国发电装 机总量的4 ，德国在过去1 1 年间，风力发电增长2 l 倍，2 0 0 3 年占全国发电量 的3 1 。瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达1 5 以上【4 】。 我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高速经济增 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，以解决能源短缺的问 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，我国在 可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2 0 0 5 年2 月2 8 日通过了可 再生能源法，该法已于2 0 0 6 年1 月1 日起实施，这对于我国可再生能源的发展 具有十分重要的意义【3 1 。 1 1 1 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的能源， 每4 0 秒钟就有相当于2 1 0 亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗 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最具前景 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，被认为是当前世界上最 具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竟相研究开发，并积极推进 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电方式， 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并封装后 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是 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剧5 i 6 1 ： ( 1 ) 取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为1 0 7 x1 0 1 4 g w h 年，是全球能量年需求的3 5 0 0 0 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。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 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； 可安装于房顶，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沾污，接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。 1 1 2 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光伏发电系统和并网光 伏发电系统【7 】叩2 l 。太阳能光伏发电系统结构如图1 1 所示，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， 困1 1 太阳能光伏发电系统 3 江苏大擘硕士学位论文 图1 2 独立光伏发电系统结构 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) 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的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 台站和边防哨所等特殊处所提供电源。 图1 2 所示为一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、d c d c 变换器、蓄电池组、d c a c 逆变器和交直流负载构成。 d c d c 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d c ，a c 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，是当今世界太阳能光伏 发电技术发展的主流趋势。 图1 3 所示一种常用的并网光伏发电系统结构示意图，该系统包括太阳能电 池阵列、d c i x ：变换器、d c a c 逆变器、交流负载、变压器，另外该系统可根 据需要在d c d c 变换器输出端并联蓄电池组，以用于提高系统供电的可靠性， 但系统成本将增加。在日照较强时，光伏发电系统首先满足交流负载用电，然后 4 江苏大学硕士学位论文 图1 3 井网光伏发电系统结构 将多余的电能送入电网；当日照不足，太阳能电池阵列不能为负载提供足够电能 时，可从电网索取电能为负载供电。如果系统并联有蓄电池组，也可由太阳能电 池阵列和蓄电池组共同为负载供电。 1 2 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，增妞投入，大力发展。2 0 世纪8 0 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1 0 1 5 的递增速度在发 展。9 0 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【刀。 1 2 1 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势 到2 0 0 4 年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到9 6 4 9 m w 1 3 j ，到2 0 0 5 年 底，达到4 9 6 1 6 9m w 。已经商业化、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价格大约为3 1 5 美元w ，并网系统价格为6 美y r j w ，发电成本为0 2 5 美y r ( k w - 1 1 ) 。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1 5 ，单晶硅光电池转化率是2 3 3 ，砷化镓光电池转 化率是2 5 ，在实验室中特制的砷化镓光电池转化率已达3 5 0 一3 6 。太阳能光 伏电池组件使用寿命大大增长，可使用3 0 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8 0 n , 4 。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2 0 5 0 年，太阳能光伏发电在发电总量中将占1 3 1 5 ，到2 1 0 0 年将约占6 4 。 5 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 我国太阳能光伏发电现状与发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，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，2 0 0 4 年累计容量达3 5 m w ，约占世界份额的3 。l o 多年来，我国太阳能 光伏产业长期平均维持了全球市场l 左右的份额。 到2 0 2 0 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：2 0 0 5 2 0 1 0 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2 0 1 0 年将约为1 2 0y r y ( k w h ) ； 2 0 1 0 2 0 2 0 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2 0 2 0 年将约为o 6 0 元( k w h ) 。到2 0 2 0 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。 1 3 本文主要研究内容和任务 本文主要研究太阳能独立光伏发电系统，本文研究的独立光伏发电系统结构 框图如图1 4 所示。该系统主要包括几个部分：太阳能电池阵列、b o o s t 变换 器、负载、双向b u c k - b o o s t 变换器、蓄电池以及控制电路。该系统运行原理 如下；( 1 ) 当日照较强，太阳能电池阵列输出功率大于负载功率时，太阳能电池 阵列输出的屯能经b o o s t 变换器给负载供电，多余的电能通过双向 b u c k - b o o s t 变换器传输给蓄电池将能量储存起来。( 2 ) 当日照较弱，太阳能 电池阵列输出功率小于负载功率时，由太阳能电池阵列和蓄电池共同给负载供 电，太阳能电池阵列输出的电能经b o o s t 变换器给负载供电，不足的电能由蓄 图1 4 本文研究的独立光伏发电系统结构 6 江苏大学硕士学位论文 电池通过双向b u c k - b o o s t 变换器给负载供电。当无日照，光伏阵列输出功率 为零时，由蓄电池单独给负载供电。( 3 ) 当有日照，太阳能电池阵列输出功率大 于零且负载断开时，太阳能电池阵列输出的电能经b o o s t 变换器和双向 b u c k b o o s t 变换器后给蓄电池充电以将能量储存起来。 另外，如果蓄电池放电至低于过放电压，或者蓄电池充电至超过过充电压时， 双向变换器将被强行控制关断，以保护蓄电池不被损坏，延长蓄电池的使用寿命。 独立光伏发电系统所有控制功能的实现均由控制电路完成，控制电路采用数 字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ，由数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 采样所需要 的电流电压信号并对信号进行处理，输出p w m 波控制主电路功率开关管的通 断。 本文主要研究工作包括以下部分： ( 1 ) 建立实用的太阳能电池工程用仿真模型，以用于太阳能光伏电源系统 整体性能的仿真研究，为太阳能光伏电源的设计提供参考； ( 2 ) 通过仿真比较最大功率点跟踪方法的优缺点，并验证验证理论分析的 正确性； ( 3 ) 研究不同d c d c 拓扑结构时太阳能光伏电源系统的优缺点，完成本论 文系统的电路拓扑的设计与器件选型； ( 4 ) 基于d s p 研究控制系统的实现方法以及完成控制系统的设计。 7 江苏大学硕士擘位论文 第二章太阳能独立光伏发电系统基本组成和特性 2 1 太阳能独立光伏发电系统概述 一般来说，太阳能独立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。常用的太阳能独立光伏发电系统如图 1 2 所示。 2 2 太阳能电池 2 2 1 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p n 结，p n 结在光照下会产生电动势，这种效应称 为光生伏特效应。当p n 结处于平衡状态时，p n 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，如图2 1 所示。当p n 结受到光照 时，硅原予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 p n 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，如图2 2 所示。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理可概括为以下四个过程【1 4 h 1 6 1 ： ( 1 ) 太阳能电池单体吸收光子，在p n 结两侧产生称为“光生载流子”的 电子空穴对，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p n 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， 8 江苏大学硕士擘住论文 耗尽层 0oo i eo e oe 0oe l e oeee eoo i e oeee 0oo i e o0ee p b ：氯场n i r 图2 1 硝结平衡时 空穴被分离到p 区； p 区，i j 蟊动势 n 区 图2 2p n 结受光照时 ( 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旧m l l ： ( 1 ) 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1 7 左右，多晶硅转换 效率为1 4 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一碳键且导电能力介予 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 9 江苏大学硕士学位论文 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、纳米晶薄膜太阳能龟池和微晶硅薄膜太 阳能电池等。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。 2 2 3 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，常简称为二嘴性。 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 1 0 0 0 w i m 2 ，太阳能电池温度为2 5 ，太阳辐射光谱为a m l 5 。图2 3 所示为一太 阳能电池组件在标准测试条件下的电流电压( 二功和功率电压( e - 功输出特性。 图中的参数定义如下： 短路电流( j 。) ：给定温度和日照强度下所能输出的最大电流； 开路电压( k ) ：给定温度和日照强度下所能输出的最大电压； 最大功率点电压( 圪) ；给定温度和日照强度下最大功率点的电压； 最大功率点电压( j r 。) ：给定温度和日照强度下最大功率点的电流； 图2 3 太阳能电池组件标准g 4 e v 的输出特性曲线 1 0 江苏大学硕士学位论文 最大功率点功率( 只) ：给定温度和日照强度下最大功率点的输出功率，即 只= + l 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。 由上图可以看出：当太阳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，图2 4 和图2 5 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。从图2 4 可 以看出，当温度一定对，太阳能电池短路电流j 。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k 随日照强度的增加稍有增加，但增 加很小：从图2 5 可以看出，当日照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开 路电压p k 降低，而太阳能电池的短路电流k 有轻微的增加。 啊v ) 图2 4 温度一定时 日照强度对输出特性的影响 2 2 4 太阳能电池工程用数学模型 西a ) 图2 5 日照强度一定时 电池温度对输出特性的影响 ( 一) 太阳能电池的理论分析模型圆 根据半导体电子学理论，当负载为电阻死时，太阳能电池的等效电路如图 2 6 所示。当日照强度恒定时，光电流l 可看成一恒定电流源，二极管的正向电 江苏大学硕士学位论文 图2 6 太阳能电池的等效电路 流厶和并联电阻电流l 都由光电流l 提供，剩余的光电流透过串联电阻震，流出 太阳能电池进入负载并在负载端产生电压讥根据图中的电流电压参考方向，太 阳电池的，一v 方程为： m l l , h = l - - i , e x p 掣- 1 ) 一半( 2 - 1 ) 式中： 厶一光电流，a 。 f 厶一二极管反向饱和电流，a 。 口一电子电荷( 1 6 1 0 1 9 c ) 5 4 一二极管因子； 置：波耳兹曼常数( 1 3 8 x1 0 - 2 3j ，k ) 。 r 一太阳能表面绝对温度，k ； b 一串联电阻，q ： 如一并联电阻，q ； ，太阳能电池输出电流，a ； y 太阳能电池输出电压，v ； ( 二) 太阳能电池的简化分析模型伫3 】 在实际的太阳能电池中，由于器件的瞬时响应时间远小于光伏系统的时间常 数，因此在分析时通常忽略结电容c j ；并联电阻一般很大( 兆欧姆级) 而串 联电阻一般很小( 零点几欧姆 2 4 1 ) ，因此在具体的电路分析时可根据情况对其加 以忽略，从而得： 江苏大学硕士擘位论文 l = l l i d i 。= i l i o 母瓦v _ ! l 或i = il l d i = i l - l o ( e a r 一1 ) 简化的模型分别如图2 7 ( a ) c o ) 所示： ， 凡 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( a ) 忽略串联电阻 ( b ) 忽略串联电阻和并联电阻 图2 7 太阳能电池简化模型 ( 三) 太阳能电池工程用数学模型 式( 2 - 1 ) 是根据电子学理论得出的解析表达式，已被广泛应用于太阳能电 池的理论分析中，但由于表达式中含有5 个参数：屯、1 0 、a 、r s 和如，它们 不仅与电池温度和光强有关，而且确定十分困难，因此不便于具体工程的应用， 因为太阳能电池生产厂商提供的一般为几个在标准测试条件下的重要参数：短路 电流k 、开路电压p k 、最大功率点电流l 和最大功率点电压匕文献【2 5 】提 出了一种可以满足绝大多数工程项目要求的工程用数学模型，这种数学模型仅采 用太阳能电池生产厂商提供的几个在标准测试条件下的重要参数：短路电流，。、 开路电压p k 、最大功率点电流l 和最大功率点电压匕这种工程用数学模型 的，一矿方程为： i = l s ： 1 一c 1 e x p v ( c 2 吃) 】卜l ( 2 - 4 ) 其中： c 2 = ( 圪一1 ) 1 n 0 一l ，k ) 】。 ( 2 - 5 ) c l = ( 匕一1 ) e x p 【- 匕( c 2 ) 】( 2 - 6 ) 当光强和电池温度变化时，按下面的公式计算在不同光强和电池温度下短路电流 k 、开路电压吃、最大功率点电流l 和最大功率点电压v 2 ： 江苏大学硕士学位论文 t = + k x s ( 2 - 7 ) r 篁丁一i f ( 2 - 8 ) a s ：善一1( 2 9 ) s 呵 。 矗2 k x 寺( 1 + 础n ( 2 - 1 0 ) = ( 1 - c a t x l + b a s ) ( 2 1 1 ) i m = i m x 毒( 1 + a a t ) 沼1 2 ) 吒= ( 1 - c a t x l + 6 s ) ( 2 1 3 ) 式中： s 一一参考日照强度( 1 0 0 0 w m 2 ) ； z 一参考电池温度( 2 5 。c ) ； l ，环境温度( k ) ； k 一日照强度变化时太阳能电池阵列温度系数，其典型值为0 3 0 c m 2 w ； a t 一实际电池温度与参考电池温度的差值( k ) ； s 一实际日照强度与参考日照强度的差值( w m 2 ) ； 毫一日照强度为s 和电池温度为t 时太阳能电池的短路电流( a ) ； 一日照强度s 下太阳能电池的开路电压( v ) ； 一日照强度为s 和电池温度为r 对太阳能电池的最大功率点电流( a ) ； 吒一日照强度为s 和电池温度为t 时太阳能电池的最大功率点电压( v ) ； a 、b 、c 为常数，推荐的典型值 2 s l 为： a = o 0 0 2 5 ( 2 1 4 ) b = o 5 ( 2 1 5 ) c = o 0 0 2 8 8 ( 2 ( 2 1 6 ) 2 3 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都分。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性 江苏大学硕士学位论文 能。在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的都分。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【2 司。 2 3 1 铅酸蓄电池充放电原理 ( 一) 充电过程 常用蓄电池属于电化学电池，其以海绵状铅作负极，帕d ，作正极，硫酸作 电解液。充电时，在蓄电池正、负极柱上外接充电电源，使正、负极板上经过化 学反应，把电能转化为化学能储存起来1 2 7 。 在充电电流的作用下，水分子( h ，0 ) 被分解为氢离子( h + ) 和氢氧离 子( o h 一) 。h + 在外电场作用下向负极板迁移，o h 。向正极板迁移，同时正负 极板上的硫酸亦发生分解，即： pbs04_pb2+s022(2-17) 正极板上的p 6 2 + 在外电场的作用下释放出电子而形成p b “。p b “与正极板 附近的o h 一发生反应而生成p b ( o h ) 4 。e b ( o h ) 被分解成： p b ( o h ) 哼p b d 2 + 2 吼d ( 2 1 8 ) 生成的肋d 2 依附于正极板上。同时，负极板上的朋2 + 和正极板在外加电场的作 用下输送来的电子结合而还原成p b ；电解质溶液中的日+ 与s 研一结合，生成 h 2 s 0 4 。 从上述分析可知，充电过程总的化学反应为： e b s o i + 2 月：d + p b s o , - - - hp b 0 2 + 2 月j i s q + p b ( 2 1 9 ) 从式( 2 1 9 ) 可知，随着充电的进行，正极板上的e b $ 0 4 逐渐变成，西。同 江苏大学硕士学位论文 时，电解质溶液中的硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减少，因此电解质溶液的比 重在增加，蓄电池的端电压在增加，蓄电池的能量也随之增加。 ( 二) 放电过程 放电过程是充电过程的逆过程，在当蓄电池不接负载的情况下，正负极板各 自存在电极电位，在蓄电池内部形成了电动势，但是电极电位各自处于一种平衡 状态。若在蓄电池两端接上负载，则在蓄电池的电动势作用之下产生电流。电解 质发生电解所示： h 2 s o + 一2 h + + 删 ( 2 2 0 ) 在蓄电池内部，正离子日+ 通过溶液向正极迁移，负离子s 研一以相反方向向 负极迁移。在蓄电池外部，在蓄电池电动势作用下，负极上的负电荷源源不断地 经过负载流向正极。整个系统形成了一个回路，与此同时，在蓄电池负极发生氧 化反应，如下所示： p b + s o ：一一p b s o + + 2 e ( 2 2 1 ) 在蓄电池正极上发生还原反应，如下所示：。 肋d 2 + 删一+ 4 日+ + 知斗p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 - 2 2 ) 由于正极上的还原反应，正极板电极电位逐渐降低，同时负极板上的氧化反 应又促使电极电位的升高。整个过程将引起蓄电池电动势的下降。在氧化还原的 反应中，正负极板上的活性物质p b , 及p b 0 2 都不断地变成硫酸铅( p b s o + ) ，分 别沉积在极板表面。同时，电解质溶液h ：$ 0 4 逐渐变成水，引起了电解质溶液 比重的下降，蓄电池的容量减少。 2 3 2 铅酸蓄电池充电控制方法圆 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。而荷电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， 1 6 江苏大擘硕士学位论文 ( 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。其充电电流和电压关系如图2 8 所示。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。 1 1 i 帆厂 ， 。 充电电流i 图2 8 恒流克电特性曲线 ( 二) 恒压充电法 恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电泡进行充电。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。 相对恒流充电来说，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，其充电特性曲线如图2 9 所示。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。 1 7 江苏大学硕士学位论文 充电电压u e 7 。 7 入 j 图2 9 恒压充电特性曲线 ( 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。其充电特性曲线如图2 1 0 所示。 图2