太阳能的基础光伏知识.doc

1、 太阳能电池发电原理: 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。 如图1所示。 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。2、晶体硅太阳电池的制作过程: 硅是我们这个星球上储藏最丰富的材料之一。自从上个世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维，20世纪末，我们的生活中处处可见硅的身影和作用,晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤:a)提纯过程 b)拉棒过程 c)切片过程 d)制电池过程 e)封装过程. 如下图所示： 3、太阳电池的应用: 上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术-通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯，太阳能发电户用系统,村寨供电的独立系统，光伏水泵（饮水或灌溉）,通信电源，石油输油管道阴极保护，光缆通信泵站电源,海水淡化系统，城镇中路标、高速公路路标等。在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。光伏电源系统的组成： 4、太阳电池基本性质: a） 光电转换效率:评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室24，产业化：15。 b）单体电池电压V：0.4V-0.6V 由材料物理特性决定。 c）填充因子FF：评估太阳电池负载能力的重要因素。 阴影部分为负载面积，填充因子的数学表达形式： FF=(Im*Vm)/(Isc*Voc) 其中：Isc短路电流, Voc开路电压, Im最佳工作电流, Vm最佳工作电压; d）标准光强与环境温度 地面：AM1.5光谱,1000W/m2,t=25; e）温度对电池性质的影响 。 例如：在标准状况下，AM1.5光强， t=25 某电池板输出功率测得为100Wp，如果电池温度升高至45时，则电池板输出功率就不到100Wp. 5太阳能光电转换： 一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上效果截然不同。由于金属中自由电子如此之多，以致光引起的导电性能的变化完全可忽略。绝缘体在很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。而导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能量就可以把它从束缚激发到自由导电状态，这就是半导体的光电效应。当半导体内局部区域存在电场时，光生载流子将会积累，和没有电场时有很大区别，电场的两侧由于电荷积累将产生光电电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太阳电池就是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在Pn结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在Pn结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。 所以，将入射太阳光能转换成电能的半导体器件称为太阳能电池。它一般由两种不同导电类型的同质或异质半导体构成。目前，在空间或地面获得应用的只有硅电池，研究得比较成熟的还有砷化镓电池、硫化镉电池。硅太阳能电池是1954年由美国皮尔逊等人首次制成，1958年首次应用在“先锋1号”卫星上。1958年，我国亦开始研究太阳能电池，在1971年3月发射的科学实验卫星上首次应用，随着硅电池制造成本的逐年降低和技术的日益成熟，太阳能电池必将获得更广泛的应用。 6太阳电池的应用的主要领域： 1.用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。 2. 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。 3. 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。 4. 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。 5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。 6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。 7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。 8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。 目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的十万屋顶计划、百万屋顶计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。 光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。太阳电池的伏安特性曲线如图：所示。它具有强烈的非线性。 太阳电池输出的最大功率就是它的额定功率。图：中曲线上的大圆黑点表示在相应日射下太阳电池输 出最大功率的位置，称“最大功率点. 光伏阵列的伏王特性曲线具有和单体太阳电他同样的形状，若忽略单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，吕附设它”具有理想的一致性光伏阵列的伏安特性曲线可以看作仅是单体太阳电池伏安特性曲线按串、并联方式放大其坐标的比例尺。 控制器 光伏阵列的输thtr乎特性曲线具有强那朔）线他而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，其输出随日照而变化的是直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机甚至还有其它新型电机，它们同样具有非线性性质。在这种情况下要使光伏泵系统工作在）、较理想的工况，而且叉，于任何日照，都要发挥光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电肋负载之间能达至“和、皆、高效、稳定的工作状态。适配器的内容主要是最大功率“点跟踪器、逆变器以及一些保护设施等。 最大功率点跟踪器（MPPT）由光伏阵列伏安特性曲线可知，光伏阵列在不同太阳辐照度下输出最大功率点位置并不固定，而且当环境温度发生变化时，相应于同一辐照度的最大功率“点位置也将变化。为了实现最大功率“点跟踪以获取当前日照下最多的能量，MPPT通常做成两种形式，以下分别予以介绍。 恒定电压式最大功率点跟踪器（CVT式MPPT）。 仔细观察图：中表示最大功率输出的圆黑点一一最大功率点的位置，它们都坐落在Umax=const，的直线附近，特别是日射比较强时离Umax=const更近，同时考虑至仗阳电他具有以下温度特优良陷温度升高时，在同一日射条件下其开路电压UOC将减小，短路电流Isc将伴有微小增大，再考虑到日射高时一般都具有较高环境温度，而日射低时环璋温度一般都要低一些的特特点，结合太阳电他的温度特性，它们刚好都有利于使一日内最大功率点的轨迹更逼近于一根垂直线Umax=const，这就是说，在工程上允许人们把最大功率，点出现的轨迹近似地处理为一根垂直线Umax=const，这就构成TcvT式MPPT的理论根据。 真正的MPPT CVT型MPPT有其不足之处，主要是因为光伏阵列的开路电压Uoc、最大功率点电压U。受温度的影响较大，Um一旦设定，冬、夏会有较大偏离，这将会无谓地损失相当一部分能量，因此人们在当今微机芯片性能价格）、以及其实时性能不断提高的情况下，不少系统已在着手采用。“真正的MPPT”技术。 在“真正的MPPT”技术中，人们采用了自寻优的概念，实时地测量光伏阵列的输出功率，进行比较后，自动地寻找到最大功率点。不断地寻找，不断地调整，不断地再寻找，如此周而复始，系统一直处于微J、的调整之中。这种“真正的MPPT”可以自动适应冬、夏较大的温差而毋需人工干预，十分有利于提高系统的全年效率。 光伏发电系统对逆变电源的要求 采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变电源四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高： （）要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。 （）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。 （）要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大， 如蓄电池，其端电压可在之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。 （）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。 逆变电源的原理与电路结构 中、小容量逆变电源一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种其主电路分别如图 逆变电源将直流电转化为交流，其电路原理如图所示、功率晶体管Q1、Q4和Q2、Q3交替开通得到交流电力，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变电源，由人直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到，在中、小容量的逆变电源中，由于直流电压较低，如、，就必须设计升压电路。 推挽电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点。 如直流电压太低，推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于工频升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在以上）再通过工频逆变电路实现逆变。 采用该电路结构，使逆变电路功率密度大大提高，逆变电源的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。 正弦波输出的逆变电源，其控制电路可采用微处理器控制，早期如INTEL公司生产的80C196MC、摩托罗拉公司生产的MP16以及MICROCHIP公司生产的PIC16C73等，这些单片机均具有多路发生器，并可设定上、上桥臂之间的死区时间。随着微控制器的发展，越来越多的芯片可供选用，DSP等高端芯片价格也下降，对设计者来说是个福音。由微处理器可以方便的构成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。 逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（），功率场效应管（），绝缘栅晶体管（）和可关断晶闸管（）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为，因为具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用模块，这是因为随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（以上）系统中，一般均采用作为功率元件。500W光伏并网逆变器设计1 引言 太阳能的大规模应用将是21世纪人类社会进步的重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能，因而节省了投资，系统简化且易于维护。这类光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。目前，美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划，日本提出到2010年要累计安装总容量达50 000MW的家用光伏发电站。作为屋顶光伏系统的核心，并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注1。 2 光伏并网系统设计 2.1 系统结构 光伏并网逆变器的结构如图1所示。光伏并网逆变器主要由二部分组成：前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器。这2部分通过DClink相连接，DClink的电压为400V。在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为100V170V。DCDC变换器采用boost结构，DCAC部分采用全桥逆变器，控制电路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能，DC-AC逆变器维持DClink中间电压稳定并将电能转换成220V50Hz的正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。2.2 控制电路设计 2.2.1 TMS320F240控制板 TMS320F240控制板如图2所示，以TI公司的TMS320F240型DSP为核心，外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行E2PROM，完成电压和电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。2.2.2 电压和电流信号检测电路 模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电和弱电的隔离。笔者选用惠普公司的HCPL7800A型光电耦合器，其非线性度为0.004，共模电压为l 000V时的共模抑制能力为15kVls，增益温漂为0.000 25V，带宽为100kHz。具体隔离检测电路如图3所示。 2.2.3 IGBT驱动电路 DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的开通状态。笔者选用惠普公司的HCPL3120型专用IGBT驱动电路，如图4所示。驱动电路的输入和输出是相互隔离的，驱动电路还有电平转换功能，将DSP的+5V控制电压转换为+15V的IGBT驱动电压，驱动电路电源采用金升阳公司的B0515型隔离电源模块。 2.2.4 辅助电源 为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，需要设计1个与主电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为100VDC170VDC；输出的3路电压分别为+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W)；输出电压波动小于1。笔者采用最新的Topswitch系列FOP222型电路进行辅助电源的设计3。辅助电源主电路采用单端反激式拓扑结构，如图5所示。 3 最大功率跟踪控制MPPT MPPT的实质是一种自寻优过程4，常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法和间歇扫描跟踪法。笔者采用的是间歇扫描跟踪法。其核心思想是定时扫描一段(一般为0.5倍0.9倍的开路电压1阵列电压，同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值，然后比较不同点太阳电池阵列的输出功率，得出最大功率点。笔者对间歇扫描法进行了改进，即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)扫描1次。其中Vm和Voc分别是太阳能电池阵列的最大功率点工作电压和阵列开路电压。每隔一段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1次。改进后的间歇扫描法控制既保持了跟踪的控制精度又提高了系统运行的稳定性。4 反孤岛效应控制方法 所谓孤岛现象1是指：当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统（如：光伏发电、风力发电、燃料电池发电等）未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛，如图所示: 孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上维修人员的安全；影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；影响传输电能质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定；当电网供电恢复后会造成的相位不同步；单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。因此对于一个并网系统必须能够进行反孤岛效应检测。 孤岛检测标准 电压和频率触发标准 根据专用标准 IEEE Std.2000-9292和UL1741规定，所有的并网逆变器必须具有反孤岛效应的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制，如表1. 孤岛分析模型 此外，IEEE Std.2000-929还给出一套标准的孤岛测试模型3。具体的反孤岛逆变器测试电路如图2所示，测试电路主要由电网，RLC负载和并网逆变器以及电网隔离开关组成，检测点在电网隔离开关和负载开关之间，其中在选择RLC参数时牵涉到电路的品质因数Q值的选取问题4，过高的Q值使电路有朝着并保持于谐振频率处工作的趋势。在使用相位或频率扰动反孤岛检测时，Q值越高，相应的漂移量越小。因此在进行反孤岛测试时，太小或太大的Q值都是不实际和不可取的。IEEE P929工作组成员和十几位电网工程师经过讨论认为选取Q=2.5符合电网的实际情况。 孤岛检测方法 孤岛检测方法分为两类:第一类称为被动检测,即通过观察电网的电压、频率以及相位的变化来判断有无孤岛产生。第二类为主动检测,如频率、相位偏移和输出功率变化测量等。如果光伏系统供电量与电网负载需求相差较大，在孤岛产生后，负载端的电压及频率会发生较大的变动，此时可以利用被动式的检测方法来检测。若光伏系统供电量与负载需求匹配或差别不大时，则在孤岛产生以后，负载端的电压及频率变化量很小，被动式的检测方法就会失效，为此，必须采用主动式的检测方法。 例如主动频率偏移法5（AFD），就是通过偏移市电电压采样信号的频率来作为逆变器的输出电流频率，造成对负载端电压频率的扰动，即而由频率保护电路来检测出孤岛现象。电流控制量为： 其中， f k1 为上一周期电压频率值，f 为频率偏移量，time 为系统时间， 1 T