太阳能应用光伏发电与控制技术

太阳能应用光伏发电与控制技术第一页，共51页。4/16/2023第二页，共51页。4.1太阳的辐射及太阳能简介

4.2太阳能的转换与应用4.3太阳能电池与光伏发电原理4.4MPPT光伏变换与控制技术4.5光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略4.6光伏发电的制约因素与经济技术评价本章主要内容4/16/2023第三页，共51页。4.1太阳的辐射及太阳能简介4.1.1太阳简介图4-1太阳的结构4/16/2023第四页，共51页。图4-2地球绕太阳运行示意图

太阳活动4/16/2023第五页，共51页。

地面辐射的时空变化特点是：①全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；②太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。4.1.2太阳辐射地区太阳平均辐射强度kWh/(m2·d)

W/m2

热带、沙漠5－6210－250温带3－5130－210阳光较少地区（北欧）2－380－130不同地区太阳平均辐射强度4/16/2023第六页，共51页。地球上的能流图4-4地球上的能流4/16/2023第七页，共51页。4.2太阳能的转换与应用

太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种：（1）太阳能――热能转换，并以热能形式贮存（2）太阳能――电能转换，并以电能形式贮存（3）太阳能――氢能转换，并以氢能形式贮存（4）太阳能――生物质能转换，并贮存于生物质（5）太阳能－－机械能转换，并以机械能形式贮存4/16/2023第八页，共51页。4.2.1太阳能应用的发展史第一阶段（1900～1920年）第二阶段（1920～1945年）第三阶段（1945～1965年）第四阶段（1965～1973年）第五阶段（1973～1980年）第六阶段（1980～1992年）第七阶段（1992～2005年）4/16/2023第九页，共51页。4.2.2太阳能的技术应用1．太阳能采集※（1）平板集热器※（2）真空管集热器※（3）聚光集热器4/16/2023第十页，共51页。2．太阳能的转换※（1）太阳能――热能转换※（2）太阳能――电能转换※（3）太阳能――氢能转换※（4）太阳能――生物质能转换※（5）太阳能－－机械能转换2．太阳能的转换4/16/2023第十一页，共51页。3．太阳能贮存※（1）热能贮热※（2）电能贮存※（3）氢能贮存※（4）机械能贮存4/16/2023第十二页，共51页。4．太阳能传输※（1）直接传输※（2）间接传输4/16/2023第十三页，共51页。5.太阳能的利用※（1）太阳辐射的热能利用※（2）太阳能光热利用※（3）太阳能热发电※（4）太阳能综合利用※（5）太阳能光伏发电技术4/16/2023第十四页，共51页。太阳能的利用机械工业出版社4/16/2023第十五页，共51页。机械工业出版社4/16/2023第十六页，共51页。4/16/2023第十七页，共51页。4/16/2023第十八页，共51页。尚德大型太阳能发电幕墙4/16/2023第十九页，共51页。4/16/2023第二十页，共51页。美国最大的光伏发电站-14/16/2023第二十一页，共51页。美国最大的光伏发电站-24/16/2023第二十二页，共51页。4/16/2023第二十三页，共51页。4/16/2023第二十四页，共51页。4/16/2023第二十五页，共51页。4/16/2023第二十六页，共51页。4/16/2023第二十七页，共51页。4/16/2023第二十八页，共51页。4/16/2023第二十九页，共51页。4/16/2023第三十页，共51页。4.3太阳能电池与光伏发电原理

4.3.1太阳能电池

太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。

4/16/2023第三十一页，共51页。32太阳能电池原理

太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。机械工业出版社4/16/2023第三十二页，共51页。1.半导体的内部结构图4-5一般的半导体结构4/16/2023第三十三页，共51页。2.P型半导体的结构图4-6P型半导体4/16/2023第三十四页，共51页。3.N型半导体的结构图4-7N型半导体4/16/2023第三十五页，共51页。4.太阳能电池晶片的组成图4-8太阳电池晶片4/16/2023第三十六页，共51页。5.太阳能晶片受光的物理过程图4-9太阳能晶片受光的物理过程

4/16/2023第三十七页，共51页。太阳能电池的分类1.单晶硅太阳能电池2.多晶硅太阳能电池3.非晶硅太阳能电池4/16/2023第三十八页，共51页。4.3.2太阳能光伏发电原理太阳能电池阵列逆变器用电设备进户计量仪表4/16/2023第三十九页，共51页。图4-10典型的光伏发电系统1.太阳能光伏发电系统的结构4/16/2023第四十页，共51页。2.系统组成（1）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。（2）充放电控制器、逆变器本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。（3）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。

4/16/2023第四十一页，共51页。3.光伏系统分类（1）小型太阳能供电系统（SmallDC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。图4-11小型太阳能供电系统

4/16/2023第四十二页，共51页。（2）简单直流系统（SimpleDC）

该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。图4-12简单直流供电系统

4/16/2023第四十三页，共51页。

该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。（4）交流、直流供电系统（AC/DC）图4-14交流、直流供电系统

4/16/2023第四十四页，共51页。（5）并网系统（UtilityGridConnect）

这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（DC/AC）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。图4-15并网发电系统

4/16/2023第四十五页，共51页。4.4.1光伏阵列的组成与输出特性4.4MPPT光伏发电变换与控制技术1．光伏电池的电特性光伏电池的等效电路如图4-18.4/16/2023第四十六页，共51页。

电流I为太阳能电池输出电流，Id为二极管工作电流，IRsh

为漏电流，ILG为光电池电流源，Rsh为光伏电池的并联等效电阻；Rs：光伏电池的串联等效电阻。图4-18光伏电池等效电路图4/16/2023第四十七页，共51页。光伏电池的输出特性方程：式中：并联电阻Rsh越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略Rsh，得到简化的光伏电池输出特性方程：I：光伏电池输出电流；V：光伏电池输出电压；IOS：光伏电池暗饱和电流T：光伏电池的表面温度；k：波尔兹曼常数(1.38*10-23J/。K)：日照强度；q：单位电荷(1.6*10-19C)；K1

：短路电流的温度系数；ISCR：标准测试条件（光伏电池温度25℃，日照强度为1000W/m2）下，光伏电池的短路电流；ILG：光电流；EGO：半导体材料的禁带宽度；Tr：参考温度(301.18。K)；Ior：Tr下的暗饱和电流；A,B：理想因子，一般介于1和2之间4/16/2023第四十八页，