（电力电子与电力传动专业论文）独立式小型光伏发电系统的研制.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h 乎p u r p o s eo fa b a t i n ge x h a u s to ft h en a t u r er e s o u r c e d e c r e a s i n gt h e “g r e e n h o u s ee f e c t ”c a u s e db yb u r n i n ga n dp r e v e n t i n gh e a l t hd a m a g el e a db yp o l l u t i o n i t g e t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ea p p l i c a t i o nr e n e w a b l ee n e r g y ，s u c ha ss o l a r e n e r g y ，w i n de n e r g y ，t i d ee n e r g ya n dt e r r e s t r i a lh e a te n e r g yi nr e c e n ty e a r s i na l lk i n d0 f r e n e w a b l ee n e r g y ，p h o t o v o l t a i cg e n e r a t o rs y s t e mi st h eh o t s p o t ，b e c a u s es o l a re n e r g y m e r i t s ，s u c ha su n e x h a u s t e d , c l e a n n e s s , n op o l l u t i o n ，a n dw i d ed i s t r i b u t i o n 1 1 h eh o t t o p i ca b o u tp h o t o v o l t a l cp o w e rs y s t e mi sh o wt oi m p r o v ei t se f t c i e n c ya n dr e d u c ec o s t n o w a d a y sy e t s o , o nt h eh a s i so fs u m m a r i z i n gd e v e l o p m e n tc o n d i t i o n , s t u d yt r e n d sa n d a p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h ep h o t o v o l t a i cg e n e r a t o rs y s t e m ，t h i st h e s i sc a l t i e so u tt h e d e s i g na n da n a l y s i so ft h es y s t e r n i n t r o d u c t i o nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fp h o t o v o l t a i cc e l la n do u t p u t c h a r a c t e r a f t e ras u r v e yo np v g e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，c r e a t i o nm a t h e m a t i c m o d e l b a s e do nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i e so fp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ，as t a t i c e q u i v a l e n tc i r c u i to fp vm o d u l ew i t hm p p ts y s t e mi sg o u e n h i c i i m bm p p tm e t h o d i sp r e s e n t e d t h es t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e so fb a t t e r yh a v eb e e ni n t r o d u c e d 1 n h i st h e s i s a n a l y e dt h eb a s i ct h e o r i e so fd c - d cc o n v e r t e r 、p o w e rc o m p a r i s o nc o n t r o lm e t h o da n dt h e m a i n l ym o d u l a t i o nm e t h o d ，t h eg e n e r a ls t r u c t o r eo ft h ei ci sd e s i g n e d d i s c u s so n i n v e r t e rt e c h n o l o g yf i t t i n gt op h o t o v o l t a l eg e n e r a t o rs y s t e ma n ds t u d yo fp h o t o v o l t a i c g e n e r a t o rs y s t e mo fh o m ea p p l i a n c e t os u mu p ，i nt h i st h e s i s ，t h ea n a l y s i sa n dp r o g r a m m ea r ef e a s i b l e k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cg e n e r a t o rs y s t e m ；m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ；p w m ； d c d cc o n v e r t e r ； 佩a 亡工案火溶 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：式唔丛日期：加7 年罗月如日 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部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。 学位论文作者挠旁l 浯堡指导溯鲐荐扬 日期：2 删侔f 月3 0 日日期：妒年勿月，d 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 新能源是未来能源供应的希望 众所周知，当今世界所依赖的能源不外乎石油、煤炭、核电、水力，然而这 些能源储量有限或者污染严重，寻找一种可取代有限石油并对地球环境无害的新 能源是现今世界发展的迫切需要。 随着科学技术日新月异地飞速发展，对能源的需求也在不断增长。自7 0 年代 的世界石油危机后，人们才真正意识到，供应常规电力所用的石化原料的储量是 有限的从全球来看，已探明的石油储量只能用多 2 0 2 0 年，天然气也只能延续到 2 0 4 0 年左右，即使储量最丰富的煤炭最多也只能维持- - = 百年。而近代才发展起 来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题，同样 不能解决世界电力的长期稳定供应问题。因此，如不尽早设法解决常规能源的替 代能源，人类迟早将会面临石化原料枯竭的危机。 近年来，人门对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识当前，由于燃烧 石化燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，破坏了臭氧层，加剧了温室 效应，局部地区形成酸雨，使大气环境遭到严重污染。如不采取积极措施，保护 生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。因此，无论是从确保长期的有 效供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不尽而又没有公害的新能源 己是势在必行。 太阳能是人类最早认识并加以利用的能源之一。据中国古籍记载，早在3 0 0 0 年前，人们就懂得聚焦太阳能来取火。人类早期对太阳能的开发利用在世界科学 发明史上占有重要的地位，它孕育并极大地推动了人类文明和社会的发展。在二 十世纪末的今天，在经历了建立在石化能源的基础之上的工业革命之后，人们重 新把人类未来的希望寄托在太阳能上。它是迄今为止人类所认识的最洁净的可再 生资源，也是涉及未来发展最有保障的未开发能源。人类对常规能源的依赖最终 将向以太阳能为主体的新能源转移。这一世界能源结构的变化将在二三百年以内 完成，今后的几十年将是新能源技术发展的转折时期。经济界权威人士在综合分 析了科学技术的发展和突破、全球环境的制约，以及经济和政治等影响诸方面的 因素后指出：如果说2 0 世纪是石油世纪，2 1 世纪将进入新能源世纪嗍。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 太阳能发电有着十分广阔的发展前景 在世界能源结构的转移中，太阳能发电处于突出的位置，全球目前年能源消 费的总和只相当于太阳在4 0 分中内照射到地球表面的能量。太阳能随处可得，不 必远距离输电，无噪声，不污染环境。由于这些独特的优点，太阳能发电作为新 兴的产业正在迅速崛起，正如世界观察研究所的一项报告所指出：正在兴起的“太 阳经济”将成为未来全球能源的主流，实现以“太阳经济”为主的能源转移将创 造新的产业，新的就业机会，就像石油帮助人类形成了今天的社会一样，这种新 的能源经济也将创造人类的未来。 太阳能电池发电，又称光伏发电。1 9 5 4 年第一个太阳能电池问世和1 9 5 7 年第 一颗人造卫星上天，是光伏技术开发、利用的起点。经过近4 0 年的发展，已形成 一门新的光伏科学与光伏工程。光伏技术具有使用寿命长、安全可靠、操作方便、 维护简单、不易损坏、适合无人管理等特点，是一种理想的替代新能源，这将是 2 l 世纪电工科技研究的重点，因而受到了高度的重视。太阳能电池发电技术开发 之初的7 0 年代，由于太阳能电池的价格特别高，只能用于人造卫星，山顶上的差 转电台，海岛灯塔电源等不计成本必须用的场所。最初的太阳能电池是非晶硅的， 输出功率比较小，一般只能用于手表和计算器上，直到多晶硅，单晶硅太阳能电 池普及后，才使太阳能电池在电力应用上前进了一步。7 0 年代以来，很多国家制 定了光伏发展计戈划、拨出了大量研究经费，有些国家还采取补贴、免税等优惠 政策，鼓励使用新能源。不少大型的石油、电力等公司也都投入了大量资金用于 开发研究。由于各方面的共同努力，使太阳能电池发电技术得到了飞速的发展， 太阳能电池制造由实验室很快发展为工业化生产，产量逐年增加，1 9 7 6 年还只有 几百k w ，1 9 8 3 年己有2 1 7 m w ，1 9 9 2 年上升n 5 7 9 m w 。到2 0 3 0 年时达5 万姗，由于太 阳能电池的材料、结构、制造工艺等不断改进，组件的价格也在不断下降，加上 应用技术的逐步改进和发展，太阳能电池发电的应用范围和规模正在迅速扩展。 起初是从空间应用转向地面一些特殊用电需要的场所，以及边远无电农村的少量 供电，逐渐发展到用作微波中继站等通信电源、光电水泵、家用电源等领域，一 些并网太阳能电站已投入运行。随着太阳能电池制造和应用技术的不断发展和完 善，到下个世纪，太阳能电池发电将在整个能原结构中占有相当的份额。目前， 随着太阳能电站的容量不断增大、太阳能电池的效率同益提高、新型的太阳能电 池不断问世、而且大批量的生产使太阳能电池的价格逐步降低，世界各国都在努 2 湖北工业大学硕士学位论文 力发展太阳能的应用，预计将来用太阳能电池构成发电系统或在家电设备上的应 用将成为主流。 1 3 我国光伏技术的进展和潜在市场 中国是一个人口众多的发展中国家，在改革开放政策的推动下，中国经济取 得了令人瞩目的快速发展，但东部和西部地区的发展很不平衡，城乡之间的差距 也很大。中国有9 亿多人口生活在农村，其中尚有0 8 亿人口没用上电，能源短缺， 特别是边远地区的能源短缺，严重阻碍了这些地区经济和社会的发展。从能源发 展战略的高度来审视，中国必须寻求一条可持续发展的能源道路。我国有丰富的 日照资源太阳能源丰富，给光伏技术发展提供了条件，中国政府也一值关心太阳 能的开发利用，1 9 7 3 年首届世界太阳能高峰会议在巴黎召开，1 9 7 4 年中国总理周 恩来向全国提倡开发太阳能。1 9 9 2 年联合国全球环境与发展大会后，中国政府提 出了对环境与发展采取的1 0 条措施和对策，明确提出要“因地制宜地开发和推广 太阳能、风能，地热能、潮汐能、生物能等清洁能源”。在科学研究和示范推广 方面，国家“六五”、“七五”、“八五”“九五”“十五”“十一五”科技攻 关中都安排了新能源和可再生能源项目。太阳能的开发利用取得了很大进展，可 再生能源已成为中国现实能源系统中不可缺少的组成部分。目前，各类可再生能 源每年可提供约3 亿多吨标准煤。这对促进国民经济发展、缓解农村和边远地区的 常规能源短缺和减轻对生态环境的破坏起到了重要作用。我国的光伏技术始于空 间，最先在空间应用。我国发射了几十颗以光伏系统为能源的科学实验卫星、通 信卫星、气象卫星均获圆满成功。从目前研制生产的d f h 一3 号广播通信卫星、气象 卫星、资源卫星和银行卫星等能源系统的技术水平看，不但保证了能源系统的质 量，而且达到国际w 号和国际v 号卫星的水平，空间太阳电池达到当代国际水平特 是近二十年以来，由于国内的电力电子技术发展起来，对光伏技术研究、生产和 应用发展也很快，地面的光伏技术发展势头很强劲。光伏技术发展也占有的一席之 地。现在，许多相关的技术人员正在效力研究、解决太阳能电池的高效、廉价、 稳定、大容量等问题。光伏技术的应用和发展在中国具有很大的潜在市场必。 1 4 当前太阳能电池技术发展的一些动向 随着科学技术的迸步，太阳能电池的制造，应用等方面也在不断发展。目前太 阳能发电，推广应用的主要障碍仍然是价格偏高，为此对太阳能电池材料、结构、 3 湖北工业大学硕士学位论文 工艺等技术的改进研究，始终处于优先关注的地位。在低成本电池的研制方面， 硅珠电池、c i s ，c t ，及多种非晶薄膜电池正在取得进展，另外一些新型电池还在 不断问世。只要其中有一二种取得突破，就能使局面大为改观。 ( i ) 高效电池是体现太阳能电池制造技术的标志。虽然单晶硅电池实验室效 率还未超过2 4 2 ，有人提出的效率高达6 0 的微偶极子光电池也还只是一种美好 的设想。作为新能源，太阳能电池还不完备，效率是大规模应用的障碍。然而， 通过各国的不断研究，为了减少占地面积和方阵支架，实用的太阳能电池组件效 率正在逐步增加，现在国外组件效率一般均为i 0 1 5 。在这方面，日本科学家努 力研究高效的非晶硅太阳能电池技术居世界前列。日本新能源与工业技术综合开 发机构( n e d o ) 已研制出一种大面积( 3 0 x 4 0 c m ) 非晶硅太阳能电池，转换效率达 9 5 ，英国b p 公司应用格林教授的激光刻糟、隐埋电极技术，组件效率己达1 7 ， 一块组件的功率达8 9 w 。n u k e m 生产的大面积玻璃刻装组件，内有1 9 8 个1 0 l o m 的菲晶硅力片电池，每块组件功率高达2 3 w 。一但太阳能电池的高效转换问题解决， 石化能源一统天下的局面将一去不复返。 ( 2 ) 欧、美等国陆续建造了容量从数十k w 至数m 1 】的试验及示范并网太阳能电 站，并网及控制技术正在不断改进，数十姗的大型电站也正在积极筹划之中。 ( 3 ) 为了节约能源，减少环境污染，推广使用新能源，德国推行了“一千个 屋项”计划，每个屋顶安装i - - 5 k w 太阳能电池发电系统，以供给住宅的用电需要， 计划实施非常成功，至f 1 9 9 2 年中就完成了2 8 0 0 套，1 9 9 2 年德国安装的3 2 m w 光伏系 统中，有1 2 m w 是属于屋顶计划的。瑞士在1 9 8 7 年开始安装每套功率为3 k w 的用于 住宅的光伏系统，总功率己超过i m w 。此外，美国、日本及欧洲其它一些国家也都 建造了很多这类户用光伏电源系统，并且正在迅速推广。据统计，目前在欧洲还有 2 0 万户住宅及大量的渡假房舍没有电力供应。单是这项需要，太阳能电池组件就 有3 0 0 0 m w 的潜在市场。 ( 4 ) 随着屋顶计划的实施，促进了将太阳能电池组件与建筑物一体化的研究。 在建筑物的屋顶、向阳面的墙壁和窗户等表面装上太阳能电池，既可作为装饰材 料，又能为建筑物提供电力。近年来，尤其是在欧洲，大力开展了这方面的研究， 现己确定由英国著名建筑师诺曼福斯特爵士设计的柏林德国国会大厦的重建中 将应用太阳能电池材料，这将是太阳能电池与建筑领域相结合的里程碑。 ( 5 ) 光伏配套系统正在逐步完善，适合光伏发电使用的蓄电池、高性能的控 制器、逆变器等己经系列化，性能在不断提高。如针对光伏组件产生的直流电使 用不方便，己研制了一种小型低功率逆变器，直接安装在组件的背面，可用于5 0 - - 7 0 w 的组件，输出2 2 0 v 交流电。 4 湖北工业大学硕士学位论文 未来十余年，将是太阳能电池发电技术发展的关键时期，预计至u 2 0 2 0 年左右 太阳能电池发电成本将降到5 6 美分千瓦【贝，届时在很多场合可与常规电源相竞 争。并且，随着光伏和空间技术的进展，太阳能空间电站的理想定能实现，一个 太阳能发电的崭新时代必将来临。 本课题属于校科研基金项目。预期目标为研制一套小功率的独立式光伏发电 装置。 本项目主要研究电能转换电路及其控制方式，包括控制系统的结构；电路的 拓扑形式；最大太阳能利用的控制策略；实验装置的设计、安装和调试。 其中的重点和难点就是如何提高转换电路的效率以及寻找合理的能量存储 转换控制方式；如何在现有光伏电池的基础上提高太阳能利用率。 达到以下主要技术指标：输出功率 2 0 w ；交流输出频率5 0 h z ，电压2 2 0 v 5 ， t h d 不高于5 ；在无太阳能供电情况下可连续工作4 小时以上。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章光伏系统的组成和运行方式 2 1 光伏系统的组成 图2 1 光伏系统组成图 1 太阳能电池方阵 太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反 充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个子阵列， 每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，自 动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的 寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。 2 蓄电池组 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的 多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并 联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电 量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相 对来说应用没有前一种广泛。 6 湖北工业大学硕士学位论文 在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵除了供 给负载用电外，还要给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。 在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电( 同 时方阵还要给负载供电) ，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的 自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方 便等因素。 如前所述，当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信号 电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池 充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏， 从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时， 系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示， 同时逆变器自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。 3 控制器 在不同的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少和复杂程度差别很 大，需要根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器一般由各种电子元器件、 仪表、继电器、开关等组成。最简单的系统也可以不用控制器，有些要求有过充 放、稳压等功能，而一些复杂的系统，如并网发电的光伏电站，则要求有自动检 测、控制、转换等多种功能。 4 逆变器 逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成负载所需的交流 电。逆变器主电路由大功率晶体管构成，采用正弦脉宽调制工作制，抗干扰能力 强，还有很强的过载及限流保护功能。 5 阻塞二极管 阻塞二极管也称防反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导 通特性防止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对于阻塞二极管的要求是 工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压，在方 阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0 6 0 8 v ，对 硝特基或锗管为0 3 v 左右。 2 2 光伏系统的运行方式 在光伏发电系统中，太阳能电池阵列由若干个子阵列并联向蓄电池充电，各 个子阵列的开关可采用无触电固态器件控制。在蓄电池接近充满的时候，通过依 7 湖北工业大学硕士学位论文 次关断子阵列来保证蓄电池电压不超过最高设定值。太阳能电池发出的直流电通 过三相逆变器转换成恒压交流电供给负载。逆变器在蓄电池电压降到设定的过放 值时自动关断，保护蓄电池不会过放。 目前各种光伏电源系统可分为专用型及通用型两大类。 专用型光伏电源是指给特定负荷供电的装置，现在这方面的利用已经比较普 遍。这方面的例子比如，一些计算器自带的供计算器使用的只有几毫瓦的小电池 板，石油输送管道用于阴极保护的太阳能电源，边远无电区的通讯基站使用的光 伏电源，海上用于给航行标志灯供电的太阳能电源，干早地区用于灌溉的光伏水 泵系统，光伏路灯等。 另一种是通用型光伏电源系统。通用型光伏电源系统又可分为两种：独立运行 的光伏电源和并网运行系统。独立运行的系统框图如图2 2 所示。太阳能电池板在 太阳光的照射下产生电力，最大功率点跟踪( m p p t ) 控制器使得太阳能电池板最大 限度地输出电能并存储在蓄电池中。由于一般蓄电池组的电压较低，故电能经 d c d c 变换器升压后供直流负载使用。交直流两用系统还有d c a c 变换器可并网运 行的光伏电源系统如图2 3 所示，与不并网系统的主要区别在于可将电能送入电 网，这就极大地增强了系统的可用性，故可并网运行系统成为了当今光伏电源领 域的研究热点之- - 1 4 。 阳光 群舜 智能 充电 控制 川一叶 器 图2 2 鞯舜 智能 充电 控制 山廿 器 图2 3 8 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章太阳能电池方阵及光伏最大功率跟踪 3 1 太阳能电池工作原理 太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光伏效应。其转换 过程由以下三个阶段组成： 1 光的吸收和空穴一电子对的产生 在外部不给半导体任何能量的状态( 绝对零度) 下，电子充满介电子带，而 导带则不存在电子。在这种状态下，半导体不显示导电性，而是绝缘体。当具有 一定能量的光入射半导体时，如果光子的能量大d , l ：l 特定值e g 大时，那么，这种 光就被半导体吸收。如果半导体晶格吸收的光足够大，能够解除半导体晶格对电 子的约束，就产生自由电子，留下空穴。为使被晶格约束的电子变为自由电子， 光子的能量必须等于或大于该半导体的禁带宽度，即e g 电子伏 。若比携带能量 e g 小的光子被半导体吸收，那么它仅能透过半导体晶格，而对光电转换没有作用。 例如，对于硅，它的禁带宽度是1 1e v 。在入射光能与半导体禁带宽度一致的情 况下，产生了良好的光的吸收效率，电子一空穴对的产生效率也很好，但是，在 具有比e g 大的能量e 的光入射时，由于吸收，产生了e e g 的损失。这部分 损失变成热，引起效率下降。 2 电子一空穴对的分离 当半导体中没有电场时，光激发的电子一空穴对均匀的分布在半导体中，但 在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中形成势垒，才能使受激 发的电子一空穴对分开，从而可向外电路供电。这种势垒常用p _ n 结实现。p - n 结 产生的电子一空穴对的分离是有限的，但如果没有连接外部电路，则被分离的电 荷不能消失，从而，电荷蓄积在n 、p 两层，使p 、n 结正向，即向着电位势垒 变小的方向偏转，结果，分离过程停止，得到正常状态。这时，把p 、n 结两端 产生的电压叫开路电压。若考虑使电荷短路状态，则分离的电荷在外部回路中流 动而形成短路电流。因此，短路电流与照射的光量成正比。 3 过剩载流子的移动 吸收入射光能产生的电子一空穴对也不一定全部分离，电子一空穴对产生的 数目与分离的数目之比叫做收集效率。半导体中产生的电子一空穴对借助存在于 半导体中的电场产生的偏移效应和电荷的浓度梯度产生的扩散而移动。过剩载流 9 湖北工业大学硕士学位论文 子是超过热平衡状态存在的载流子，所以，通常在某个时间常数下，具有返回平 衡状态的倾向。通常把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在产生的电荷 从产生的地方向p 、n 结移动所需要的时间比过剩载流子寿命还长的情况下，电 荷不会因p 、n 结而分离，对能量的产生没有作用。这样，收集效率就由过剩载 流子的寿命和p 、n 结的位置来决定。 如图3 1 所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导 体的材料相互作用产生电子与空穴( 因失去电子而带正的电荷) 。如半导体中存在 p n 结，那么电子向1 1 型半导体扩散，空穴向p 型半导体扩散，并分别聚集于两 个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就 有电荷流动产生电能。 入瓣您 o o ；吃予 o ；窄亢 毫忠窀 o o k 毒固 0 。 i oz ， o 羹- 峰 9 o p 肇事学体珥酷n 譬半辞镕 0 坐 图3 1 太阳能电池的发电原理 3 1 1 太阳能电池的输出特性一i - v 特性 9 当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起 端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图3 2 所示的等效电路来描述。 湖北工业大学硕士学位论文 r i 上- i l善。 。 lv r 9 玉 z k f 1 图3 2 p n 结太阳能电池等效电路图 在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流f ，不随工作状态而 变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载r 同时在负 载两端建立起端电压v ，此电压反过来它又正向偏置于p n 结二极管，引起与 光电流反向的暗电流，。但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及 材料本身具有一定的电阻率，流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月。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尺。来等效。 根据图3 2 ，就可以得到输出电流i 与输出电压v 之间的关系 ，一，l 一 一，d ( 功 ( 3 1 ) n 曲 式中暗电流l 应为p _ n 结电压_ 的函数，而又与输出电压y 存在函数关 系。 v j2 v + ，m ( 3 2 ) 经理论计算和大量的实验证实l ) 可整理成指数形式如下： q ( y + 皿f ) ，d o i ) 一，o ( e 百1 ) ( 3 3 ) 其中，a 是二极管指数，f 。是反向饱和电流，k 是波尔兹曼常数，t 是绝对温 度，q 是单位电荷。将上式代入后整理可以得到： i - i l i o ( e 掣_ 1 ) 一可v + i r s ( 3 4 ) i 曲 太阳能电池的输出特性如图3 3 所示。在图3 3 太阳能电池的i v 特性 上，下面四个参数是特别重要的： 1 l 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 开路电压 当太阳能电池处于开路状态时，由于i = 0 ，同时忽略了太阳能电池串并联 电阻，端电压y 为开路电压，因而可得： q - 1 。( e 丽- 1 ) - 0 ( 3 5 ) 上式两边取对数可得 。丝l n ( 拿一d ( 3 6 ) j t l - 图3 3 太阳能电池的电流一电压特性 ( 2 ) 短路电流，。 当太阳能电池处于短路状态时，端电压v = 0 ，则 i s c 2 ， ( 3 7 ) 最佳工作电压、电流，。 如图3 3 所示，调节负载电阻见到达某一值r 。时，在曲线上得到一点m ， 对应的工作电压和工作电流之积最大，即输出功率最大。肼点称为太阳能电池的 最佳工作点，r ，称为最佳工作负载，称为最佳工作电压，i ，为最佳工作电流。 3 2 太阳辐射能的计算 1 太阳能中天文参数的计算 1 ) 日地距离 由于地球绕太阳的运行轨迹是一个椭圆，所以地球与太阳之间的距离在一年 之内是变化的。日一地平均距离及最大最小距离列在表3 1 中。到达地球表面的 湖北工业大学硕士学位论文 太阳辐射强度和距离的平方( r r o ) 2 成反比。r o 为日地平均距离，r 为任意时刻日 地距离的准确值。 ( 圳2 = l + o 0 3 3 c o s 罢 ( 3 8 ) 日期距离( 公里)日期距离( 公里) 1 月1 日 1 4 7 ，0 0 1 ，0 0 07 月1 日1 5 2 ，0 0 3 ，0 0 0 4 月1 日1 4 9 ，5 0 1 ，0 0 01 0 月1 日1 4 9 ，5 0 1 ，0 0 0 表3 1 日一地距离 2 ) 太阳赤纬角6 日地中心的连线与赤道面间的夹角每天( 实际是每一瞬间) 均处在变化之中， 这个角度称为太阳赤纬角。 6 ：2 3 4 5 。s i n ( 3 6 0 x2 8 4 + n ) ( 3 9 ) 3 6 5 式中，n 为一年中的日期序号，从每年1 月1 日算起。太阳赤纬随日期序号 的变化见图3 4 。 图3 4 太阳赤纬 2 水平面太阳位置及日照时间的计算 在太阳能的利用中，必然要涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等问题。 1 ) 太阳高度角口。 地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角，为太阳高度角。太阳高度角口。 的计算公式为： s i n a 。= s i n 6s i n 妒+ c o s 6c o s 妒c o s ( 3 1 0 ) 湖北工业大学硕士学位论文 式中，6 太阳赤纬角， 西当地的地理纬度， 当时的太阳时角，其计算公式为 珊= ( t 。一1 2 ) x 1 5 。 ( 3 1 1 ) 式中t 。( 0 - - 2 4 h ) 为每日时间，时角上午为正，下午为负。 2 ) 太阳方位角y 。 地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的 夹角，就是太阳方位角。太阳方位角y 。的计算式为： c o s y 。= ( s i n a 。s i n 妒一s i n 6 ) c o s 。c o s 妒 ( 3 1 2 ) 太阳辐射能的计算还要设计到日照时间的问题，下面是它的计算公式。 3 ) 日出、日没角钆 ( - 0 h 一c o s 1 ( 一t a n 妒m 6 ) ( 3 1 3 ) 式中，负值表示日出时角，正值表示日没时角。 4 ) 理论日照时间n 由下式给出： n = 2 1 5 a r c c o s ( - - t a n 6t a n 妒) ( 3 1 4 ) 3 斜面太阳位置计算 上面给出了平面上太阳位置的计算。由于大多数太阳能装置都是倾斜放置的， 其朝向可分为朝向赤道和任意方向两种情况，本文只讨论前一种情况。 1 ) 入射角以 斜面上太阳光线的入射角，为太阳射线与斜面之法线的夹角，其计算 式为： c o s 以= a s i n 6 + b c o s 6c o s 吐，+ c c o s 6s i n 脚 ( 3 1 5 ) 式中 a = s i n 妒c o s 卢- - c o s 妒s i n 卢c o s y 。 ( 3 1 6 ) b = c o s q c o s 卢+ s i n es i n 卢c o s y ( 3 1 7 ) c = s i n 卢s i n r 。 ( 3 1 8 ) 式中卢为倾斜面与水平面的夹角，r 。为倾斜面方位角，向西( 顺时针方向) 为正，向东( 逆时针方向) 为负。 当斜面面向正南时，r = 0 c o s 口d = s i n 5s i n ( 妒一卢) + c o s 6c o s ( 妒一声) c o s ( 3 1 9 ) 2 ) 由几何关系可得出，在纬度为9 ，倾角为卢的太阳入射角和在纬度为妒一卢 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 的水平面上的太阳光入射角是相等的，从而对于面向赤道的任意 倾斜面上的日出日没角为： = + c o s 。1 卜t a n ( q 0 一卢) t a n 6 ( 3 2 0 ) 结合考虑水平面上日出时角，珊。计算式为： ：_ 册i n a r c c o s 一t a n 6 t a n ( 矿一卢) ，a r c c o s 一t a nt a n g ( 3 2 1 ) 式中的m i n 含义为取括号中两个计算结果的小者。 4 地球大气层外辐射量的计算 这里地球大气层外的意思是指地球大气层上界，那里不存在大气的干扰，计 算相对简单。但这些数据是日射计算的基础数据，应用甚为广泛。可以分为水平 面和斜面两种情况。 ( 一) 地球大气层外水平面辐射量的计算 1 ) 小时辐射量的计算 对于某一给定日期垂直于太阳光线的表面，从太阳获得的辐射强度可以写作： i 。= i 。( r o r ) 2 ( 3 2 2 ) 式中，i 。一太阳常数； 世界气象组织( w m o ) 1 9 8 1 年的推荐值为1 3 6 7 w m 2 ， ( r 。r ) 2 _ 一当天日地距离修正系数。 对于水平面而言，不能直接引用太阳常数，需要进行入射角度订正，即 i 。= i 。s i n a 。 ( 3 2 3 ) 或者 i t = i n ( s i n 6s i n e + c o s 6c o s 妒c o s a ) ) ( 3 2 4 ) 利用上式，可以写出某一时间段内的曝晒量，在一个小时内积分，可得小时 曝晒量( i 。) 为： i n - i 。( r o r ) 2 s i n 6s i n e + ( 2 4 z ) s i n ( 2 4 z ) c o s 6c o s 口o c o s e a i ( 3 2 5 ) 式中皑该小时中间时刻的太阳时角 2 ) 日辐射量的计算 日辐射量( h d ) 即从日出到日没时间段内辐照度的积分值，即 q 凰一2r ，fd t ( 3 2 6 ) 与 由此可得： h d = ( 2 4 z ) l ( r , r ) 2 啦s i n 6s i n q o + c o s 6c o s l i v c o s t o , ( 3 2 7 ) 式中，q 日没时角的弧度值。 湖北工业大学硕士学位论文 ( 二) 地球大气层外斜面辐射量的计算 在太阳能的实际应用中，集热装置基本上都是朝南向的，故这里主要考虑朝 向赤道的斜面上各种辐射量的计算。 i ) 小时辐射量 参照水平面小时辐射量的计算方法，可以得出南向斜面小时辐射量 ，。的计算公式： = ，( t o r ) 2 s i n 3 s i n ( $ 一p ) + ( 2 4 z ) s i n ( 2 4 r ) c o s $ c o s ( # - p ) c o s a , j 】 ( 3 2 8 ) 2 ) 日辐射量 同水平面日辐射量计算方法，可得南向斜面日辐射量日。： 日椭= ( 2 4 a - ) ，即( ，o ) 2 f qs i n j s i i i p 一) + 。o s 6 c o s ( 妒一p ) e o s 】 ( 3 2 9 ) 式中，o l 。朝向赤道斜面上日没时角的弧度值。 5 地球表面斜面上辐射量的计算 在太阳能利用中，为了多获得能量，一般将太阳能装置朝南倾斜放置。在无 法进行直接测量的情况下，我们可以利用当地气象站测得的水平面上的数据进行 换算。 由式( 3 2 7 ) 和式( 3 2 9 ) ，可以得出南向斜面与水平面日辐射量之t 七r 。为： 。一吐s i n $ s i n ( 妒一声) + c o s 6 c o s ( 妒一o ) e o s o j p 9 qs i n 6 s i n # + c o s 5c o s s s i n 6 0 ， ( 3 3 0 ) 由式( 3 2 5 ) 和式( 3 2 8 ) ，可以得出南向斜面与水平面小时辐射量之比r 。为： r 。一! ! 竺生! 垫q 二壁2 ! 型型! ! ! ! ! 型型竺! ! 竺堕生：旦竺! 竺 9 s i n 6 s i n 妒+ ( 2 4 z ) s i n ( z 2 4 ) c o s t ，c o s 妒s h 劬 ( 3 3 1 ) 虽然上两式是针对地球大气层外得出的，但对于实际地球表面的情况是相同 的。因为风是一个比值，经过或未经过大气的衰减，对于比值来说，可以相互抵 消，没有什么影响。 以上讨论的为直射部分。对于斜面上的辐射来说，除了直射外，还有空中的 散射以及地面的反射部分。为了简化问题，假定散射和反射都为各向同性。 在各向同性的假定下，对于反射辐射，则有： 湖北工业大学硕士学位论文 h m 一1 2 h p 。( 1 - c o s f l ) ( 3 3 2 ) 对于散射辐射，则有： h 一1 2 h j ( 1 + c o s p ) ( 3 3 3 ) 式中，p 地表的反射比； 一般情况下，我们可以从气象站获得水平面上总辐射和散射辐射的数据，这 样，斜面上的总辐射便可以写成： h 口一( h h d 坶b + h 啊+ h 印 ( 3 3 4 ) 日水平面上的总辐射。 日。水平面上的散射辐射。 6 日射量的工程处理 ( 一) 从总辐射日总量推算每小时日射量 在太阳能系统的设计及其性能预测时，往往需要每小时的日射量。然而，每 天的太阳总辐射量在一天中并不是每小时平均分配的，这就需要将日射量化成各 个小时的日射量。 根据一些学者的研究，水平面上总辐射随时间的变化曲线大体是正弦曲线。 因此，一天中水平面上某- - d , 时的日射量可用公式表示如下： h b - - - - 斋o o s 唔瓴- 1 2 ) 】 ( 3 3 5 ) 式中，h 。某- d , 时的总辐射量； h 水平面上的总辐射日总量； 昼长； 每小时间距的中值时刻。 此方法以长期平均值为基础，它适用于确定每小时的平均值。在缺乏其它可 用数据时，也可将它应用于个别日子，对晴天所得的结果较好，而对晴天多云或 阴天的日子，所得的可靠性会降低。 ( 二) 直散分离 通常能得到的气象资料是总辐射的资料，必须先把总辐射分成直接辐射和散 射辐射两个分量【8 l 。 根据太阳辐射观测资料的分析，发现散射辐射日总量月平均值与太阳总辐射 日总量月平均值之比值，和地表水平面上总辐射与地外太阳辐射日总量月平均值 的比值具有极好的相关联系。l i u 和j o r d a n 求得的散射辐射回归方程为： k d = h d h = 1 3 9 0 一4 0 2 7 k f 2 3 1 0 8 k ；3 ( 3 3 6 ) 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 式中，蚝地表散射辐射与总辐射的日总量月平均值的比值； k ，地表总辐射与地外太阳辐射的日总量月平均值的比值。 每小时散射辐射相关方程为： 当局 0 7 5 时，k = 0 1 7 7 ； ( 3 3 7 ) 当0 3 5 k r 0 7 5 时，k m2 1 5 5 7 1 8 4 岛； ( 3 3 8 ) 当0 k t p 2 一 p 3 ，p 2 - - p 3 这一步动作发生了错误。 不过系统在新的稳态下能够继续正确的寻优。 图3 1 4 爬山法在变化的环境中发生误判的过程 3 5 2 2 增量阻抗法 光伏方阵的功率电压曲线是一个单峰的监线，在输出功率最大点，功率对电 压的导数为零，要寻找最大功率点，只要在功率对电压的导数大于零的区域增加 电压，在功率对电压的导数小于零的区域减小电压，在导数等于零或非常接近于 零的时候，电压保持不变；当电压不变，电流增加时，增加工作电压；在电压不 变，电流减小时，减小工作电压。功率的计算公式可以作如下的变换 2 e l ： p 。v i ( 3 5 4 ) 湖北x - 业大学硕士学位论文 一l d p ：三+ 生 ( 3 5 5 ) v l vvd v a = z( 3 5 6 ) v g = 一d i ( 3 5 7 ) g g v 图3 1 5 增量电导法的原理示意图 g 可以看成外部负载的电导，而a g 为太阳能光伏方阵的微变电导，当二者数 值相等，符号相反时，太阳能光伏阵列处于最大功率点，这样变换后的一个优点 是用微处理器实现时可以不作多字节的乘法和除法，但是在用c 语言处理的程序 中，可以不作这种变换。这种算法的物理概念很清晰，当负载的电导与太阳能光 伏方阵的微变电导相等时，光伏方阵处于最大功率点，图3 1 5 是增量电导法的原 理示意图。增量电导法搜索的流程图见图3 1 6 。 2 8 湖北工业大学硕士学位论文 图3 1 6 增量电导法的流程图 增量电导法通过设定些很小的变化阈值( e l ，e 2 ，e 3 ) ，