光伏应用技术

光伏应用技术光伏应用技术·第1章光伏发电概述·第2章太阳能电池原理与特性·第3章太阳能电池的种类及其特点·第4章太阳能发电系统的结构·第5章光伏系统的控制·第6章光伏发电系统设计·第7章太阳能光伏发电系统的应用人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在地下的石化能源，按照目前的开发速度，几十年或许几百年后，地球所存储的这些能源就将枯竭。节约能源和开发可再生能源已经成为当务之在可再生能源中，水能已经得到了广泛的利用，且水能资源终究是有限的；太阳能和风能则是取之不尽，用之不竭的清洁能源。太阳能的应用主要有两种形式：一是把太阳能转换为热能，二是把太阳能转换为电能。后者称为太阳能光伏发电技术，简称PV技术。第1章光伏发电概述●1.1太阳能电池和太阳能发电·1.2太阳能发电发展历程太阳能发电的过去、现在和未来国内外光伏发电的现状与趋势第1章光伏发电概述经济、资源、环保是困扰现代社会发展的三大问题，简称3E(EconomyEnvironmentEnergy)。随着工业化的推进和人口的增长，资源的消耗量越来越多，从而可以预见若干年后会出现资源危机。据2001年相关数据，各种资源可开采的年数为：石油39年；天然气57年；煤炭223年；铀67年。除了资源枯竭问题，在石化燃料的使用过程中，环境问题不容忽视，如气候变暖、酸雨等问题。1997年第三届控制排放物的京都国际环保会议成员国研究2002-2012年10年间排放量需逐年减少6%(与1990年相比)。若要做到这些，除了改善现有常规发电设备的排放条件以外，重要的是开发新能源，如太阳能发电和风能发电。2、太阳能的特点太阳能的热能和光能利用是两个重要的应用领域。太阳能具有如下优点：①储量巨大；②不会枯竭；③清洁能源；④不受地域限制。到达地球的太阳能，在大气圈外为1.38kW/m²,其中30%向宇宙反射，其余的70%到达地球。太阳的寿命可达几十亿年。太阳能不会产生CO₂等有害物质，是一种清洁能源。太阳能的缺点是能量密度低、容易受气象条件的影响，不具备蓄电功能等。此外，虽然太阳能本身对环境无污染，但也应该看到，太阳能电池、电力电子变换装置的制造和使用过程中仍会产生环境污染，应考虑综合效益。二、太阳能转换电能的基本原理太阳能电池，完成将太阳能转换为电能的任务。太阳能电池主要由半导体硅制成，在半导体上有光线照射时，吸收光能激发出电子和空穴，在半导体中产生电压(流),称为“光生伏特效应”或简称“光伏效应”(Photovoltaiceffect)。以硅晶体做成的半导体，掺有磷杂质的硅晶体中自由电子是多数载流子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅晶体中空穴是多数载流子，称为P型半导体。若将P型半导体与N型半导体结合，形成PN结。太阳能电池利用了PN结的光伏效应。当有光照射太阳能电池时，则激发电子自由运动流向N型半导体，正电荷集结于P型半导体，从而产生电位势。若外接负荷，则有电流太阳光负极N型半导体P型半导体正极负荷年代成就发现光伏效应硒的光伏效应研究Cu、Cu₂O对光的敏感性研究PN结理论的研究单晶硅太阳能电池发明(美国贝尔实验室)CdS太阳能电池发明GaAs太阳能电池发明在先驱者1号通信卫星上应用太阳能电池美国制订新能源开发计划日本制订太阳能发电发展的“阳光计划”非晶硅太阳能电池的发明美国7MW太阳能发电站建成日本1MW太阳能发电站建成制定再生新能源发电与公共电力网并网法规(德国)制定逆潮流供电与公共网并网法规(日本)住宅用太阳光发电系统技术规程(日本)RPS法(新能源法案)(日本)一、20世纪70年代：开发初期太阳能电池发电技术开发初期的20世纪70年代，太阳能电池的价格昂贵(1500美元/瓦),只能用于人造卫星、差转电台、海岛灯塔等场所。二、20世纪80年代—20世纪90年代：小容量太阳能电池的广泛应用太阳能电池主要应用在手表、计数器、照明(路灯、庭院灯)、交通标志和防灾电源上。三、太阳能发电的高速发展和大容量应用阶段随着世界各国制订光伏发展计划、大量研究经费的投入、财政补贴、免税等优惠政策鼓励下，20多年来，太阳能光伏发电技术得到了迅猛发展。太阳能电池价格已降低至5-6将太阳能电池板作为屋顶或贴于朝南的墙面上，使建筑与太阳能发电一体化，为大楼的国际上在光伏领域具有领先地位的国家主要有日本、德国、美国、澳大利亚等。世界十大太阳能电池生产厂2004年排名与产量生产厂排名产量(MW)比例(%)Sharp(日本)夏普Kyocera(日本)京瓷BPSolar(英国)Q-Cells(德国)ShellSolar(荷兰)壳牌Sanyo(日本)三洋RWESchottSolar(德国)Isofoton(西班牙)台湾茂迪(中国)无锡尚德(中国)美国一“百万屋顶计划”准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统。如果“百万屋顶计划”顺利实现，到2010年CO2年排放量可减少300万吨。美国太阳能光伏发电与热利用技术比较成熟，开始进入大规模生产阶段。两大太阳能电池公司年生产能力分别达到5MW和10MW,整个美国光伏发电产品的年销售量达到100MW以上。美国政府极为重视对太阳能的开发和利用。投入巨额资金用于该领域的科研开发，同时在政策上给予倾斜。目前“百万屋顶计划”已经在美国某些地区大力发展起来。在夏威夷，由于自然条件优越，太阳能已经成为当地能源供给的主要形式和经济发展的重要组成部日本一“阳光计划”1.第一次石油危机后，日本通产省于1974年制订了以发展太阳能为3.1993年制订的“阳光计划”,仍然把光伏发电作为重点项目，光电技术已目的推广。德国一“10万屋顶发电计划”德国在2003年完成“10万屋顶发电计划”,2000年颁布可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促进法，引发了德国光伏发展的新一轮高峰。2004年德国光伏发电总量达到6×105GWh,可再生能源发电占9.3%。德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力的举措，主要包括银行贷款和上网电价补贴等。在德国，若在自家屋顶上安装了一套光伏发电设备，相当于一个小型发电厂，发出的电能输送到公共电网，国家最高给予57.4cent/kWh的补贴，可以获得较高的经济回报。因此，德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业。2004年，德国光伏安装总量超过日本，走在世界的前列。中国一“光明工程计划”我国在太阳能光热利用方面处于世界先进行列，是最大的太阳能热水器生产国在太阳能光伏发电研究和产业发展方面奋起直追，取得了较大进展。2004年在该领域的产业规模上超过印度，成为亚洲处于前列的光伏电池生产国家。2005年通过《中华人民共和国可再生能源法》,于2006年1月1日起正式实施。我国光伏发电的发展历程：1958年开始研制太阳能电池，1959年第一个有实用价值的太阳能电池诞生。1971年3月，太阳能电池首次应用于我国第二颗人造卫星。1973年，太阳能电池首次应用于天津港的浮标灯上。1979年，用半导体工业积压单晶片生产单晶硅电池。20世纪80年代后期，引进国外关键设备、生产线和技术，太阳能电池生产能力达到4.5MW,太阳能电池制造产业初步形成。我国光伏电池组件发展情况PV系统累计安装量(kW)0我国晶体硅太阳能电池生产情况(MW)厂家无锡Suntech(尚德)深圳洁净能源公司我国的“光明项目”及其它由国家发改委牵头，筹集资金100亿元，用10年时间(到2010年)用风电、(2)西部7省无电乡村通电工程项目2002年，中央政府和地方政府共同投资18亿元，在西部7省(西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙、陕西、四川)无电地区乡政府所在镇安装光伏电站，规模在20—80kW,共计15MW,项目在一年内完成。全球单体最大太阳能建筑并网发电全球最大的光伏建筑一体化低能耗生态建筑——尚德光伏研发中心大楼竣工。这里将成为尚德公司国家级企业(集团)技术中心的研发基地。尚德光伏研发中心大楼总投资约2亿元，该幢建筑地上7层，幕墙总高度37米，总面积约1.8万平方米，PV幕墙面积6900平米，是全球最大的光电幕墙。整个工程设计容量为1兆瓦，预计全年发电量将达到70万千瓦时，预计将为整体建筑提供80%耗电。以最低使用寿命25年计算，共可产生电量1737.5万千瓦时，预计每年可以替代标准煤240吨，减排432吨，25年共替代标煤6000吨。无锡尚德太阳能电力有限公司成立于2001年1月，是一家集研发、生产、销售为一体的高新技术光伏企业，主要从事晶体硅太阳电池、组件、光伏系统工程、光伏应用产品的研究、制造、销售和售后服务。经过短短几年跨越式、超常规的大发展，尚德公司的产品技术和质量水平已完全达到国际光伏行业先进水平，位列世界光伏企业前三强，在太阳能组件制造方面已位居世界首位。—一人民网2009年1月8日我国光伏应用市场预测(1)光伏发电成本预期根据有关研究报告指出：我国光伏产业正以每年20%—30%的速度增长，国内光伏电池生产能力已达到100MW。实验室光伏电池的效率已达21%,可商业化光伏组件效率达到14%-15%,一般商业化电池效率达10%—13%。成本高，在目前和今后一段时间内仍然是制约光伏市场发展的根本瓶颈。我国太阳能电池生产成本已大幅下降，其价格从2000年的40元/W降到目前的25元/W,并随着市场规模的不断扩大价格会不断降低。在法律与政策的拉动下，我国光伏市场和产业将会快速发展，光伏系统的技术经济指标将大幅提高。按照以往光伏发电市场发展的经验分析，到2030年，光伏系统价格有望达到光伏系统的可靠性和寿命将从现在的15-20年增加到30-35年；系统效率从现在的10%—15%增加到18%—20%;发电成本可以降到6-8美分/kWh,达到或接近煤电价格。如果加大技术投入、政策拉动，市场规模扩大且健康发展，这个时间可能提前。(2)我国光伏主要应用领域预测①农村离网供电由于历史、地理的原因，我国边远地区仍有约3000万人口没有解决用电问题；西部绝光伏发电系统结构简单、运行维护方便、清洁安全、无噪声、寿命长等优势，对解决边②城市并网光伏发电我国建筑屋顶面积总计约100亿平方米，1%的屋顶用光伏组件覆盖，每年可以提高③大规模沙漠电站我国有108万平方公里的荒漠资源，主要发布在光照资源丰富的西部地区。随着电力输④其它商业应用第2章太阳能电池原理与特性2.1太阳光的性质1、与太阳光相关的物理量(1)日照强度(2)日照量(3)日照时间根据世界气象组织(WMO)1981年规定，日照时间是指日照强度阀值超过0.12kW/m²太阳辐射总能量的22亿分之一辐射到地球，这部分能量经过大气层的反射、散射和吸收，约有70%的能量到达地球表面。尽管太阳能只有很少的一部分辐射到地面，但数量仍然巨大。每年辐射到地球表面的太阳能能量约为1.8×1018KW·h,等于1.3×106亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍。我国2/3的地区太阳能辐射总量大于5024MJ/m²,年日照时数在2000h以上，太阳能资源十分丰富。其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古的辐射总量和日照时数在我国位居前列。除了四川盆地和毗邻地区以外，我国绝大部分地区的太阳能资源超过或相当于国外同纬度地区，优于欧洲和日本。由于南面是海拔7000～8850m的喜马拉雅山脉，阻挡着印度洋的水蒸气，因此青藏高原的太阳能年辐射总量达6670～8850MJ/m²,年日照时数达3200～3300h,是我国太阳能资源最好的地区。而四川盆地云雨天气多，是太阳能资源相对较差的地区。把直接到达地面的太阳光称为直接日射，把散射或反射的日射成分称为散乱日射。直接日射和散乱日射叠加称为全天日射。由于空气分子的散乱作用在波长较短时作用强，所以在全天日射中，短波长时散射所含的比例较高到达地表面的全天日射分光分布图晴天全天日射强度散乱日射强度44一天的不同时刻，全天日射强度和0.4-3、太阳光强度与波长的关系光伏电池的转换效率与太阳光线的波长相关。过分长的长波将不能进行能量变换；太短的波长只能转换为热能。太阳能的光伏变换与波长之间存在一个感度特性，称为光感IEC(国际电气标准会议)对多晶硅制定出分光感度标准特性曲线，如下图所示：210基准光频分布多晶硅的分光感度特性分布波长(um)多晶硅的分光感度特性紫外红外可见光地面太阳光光谱分布图2.2太阳能电池原理和变换效率对。那些在结附近n区中产生的少数载流子(空穴)由于存在浓度梯度而要扩散。这些扩散到结界面处的少数载流子(空穴)在内建电场的作用下被拉向p区。同样，在结附近p区中产生的少数载流子(电子)如果扩散到结界面处，也会被近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生3、光伏器件的伏安特性当太阳电池接上负载R,将恒定强度的光照射到电池表面，测量得到太阳能电池的伏一安特性曲线如下图所示。其中Isc为短路电流，V。为开路电压。光伏器件的伏安特性光伏器件的伏安特性①短路特性：当太阳能电池的输出端短路时，V=0(结电压VD≈0),由(2)式可得到短路电流Isc:(3)式即太阳能电池的短路电流Isc等于光生电流Iph,此值与入射光的强度成正比。②开路特性：当太阳能电池的输出端开路时，I=0,由(2)和(3)式可得到开路电压Voc:4、短路电流与开路电压短路电流(Isc):当太阳能电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。该电流随光强度(照度)按比例增加。开路电压(V。c):太阳能电池电路负荷断开时两端电压，称为开路电压。该值随光强度按指数函数增加，在较低光强度时，仍保持一定的开路电压。开路电压与光强度E的关系5、输出功率特性太阳能电池的工作电流I和电压U是由负载电阻值如图所示，不同负载电阻R1、R2、R3与伏安特性曲线的交点确定了不同的工作电流和电压，也即不同的输出功率。图中的矩形面积就表示功率的大小。太阳能电池伏安特性与功率输出最大功率输出在实际应用中，要求输出功率最右图是功率P与电压U的关系在一定光强度下，最大功率Pmax.对应最佳工作电流和最佳工作FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高.6、太阳能电池光伏变换效率太阳能电池的变换效率为输入太阳能与输出电功率之比，即为了确定太阳能电池的效率，需附加若干测试条件，国际电工标准化委员会(IEC)规定：地面用太阳能电池的额定效率需在使用温度25℃、光照强度为1000W/m²及符合IEC规定的空气质量标准的基准光下进行测定，统称为测试的基本状态。世界上各厂家对生产的太阳能光伏组件，出厂标准均是按上述规定进行测试并在产品铭牌上标注。由于太阳能电池对各种颜色光的光伏感度不同，故IEC规定如下的基准光光谱分布图。21波长(um)基准光的光谱分布图7、影响太阳能电池性能的因素62400(1)日照强度只要太阳光谱、组件温度不变，效率η几乎不受日照强度E的影响，只有当E<0.2W/m²时，η值略有下降。(2)工作温度一般情况下，由于温度升高，将使电流、电压略有变化，即开路电压和效率下降，短路电流升高(在25℃标准温度左右变化不大)。990.8-短路电流Q8、太阳能电池的等值电路太阳能电池的构造如下图所示。由于光电池电极表面层有横向电流流过，所以在等值电路中应串联一个电阻R。(等值电路见下页)P层光伏电池器件的构造(截面)太阳能电池的等值电路PN结合部PN结合部负负荷↓ph①太阳能电池的等值电路PN结由PN结合部和串联电阻R组成，R为考虑横向电流的等效电阻。图中为载R上流过电流为|。等值电路方程IL=Iph-ID-Ish(1)式U=UL+ILR将以下各式代入电流方程(1)式等值电路方程等值电路与伏安特性O0等值电路与伏安特性2、并联电阻Rh对伏安特性的影响Rh是由PN结生产制造过程中产生的，与外部参数无关。当Rh增大时会使电池的变换效率η降低，短路电流下降，但对开路电压有影响，但不大。0池模块。阴影。③按照国际标准(或国标)模块温度25℃和日照强度1kW/m²对特性的参数进行修正。④由修正后的伏安特性计算出最大功率和变换效率。十由一O太阳能电池模块电压测定端子专用逆变器十负荷④十电流测定用基准电阻O太阳能电池模块电压测定用基准电阻Θ专用逆变器十十负荷O电流测定用基准电阻该测量电路的特点是，测试时不影响逆变器的输入电流和电压。(a)为电压在测定范围内的测量电路；(b)为电压在测定范围外的测量电路。四端测量法十十为了更准确地测量太阳能电池的伏安特性，应尽可能减少连接线缆的接触电阻对测量结果的影响。为接触电阻(含线缆电阻),由于接触电阻压降，使电压测量值产生较大误差。图(b)为四端接法，流过电压表的电流非常小，接触电阻(含线缆电阻)所产生的压降可以忽略不计，从而可以正确地测出太阳能电池的电压。第3章太阳能电池的种类及其特点3.1太阳能电池的分类1、按不同材料分类硅化合物单晶多晶薄膜式多晶非晶体最初的太阳能电池是利用硅二极管或晶体管的硅片生产。单晶硅的生产采用高纯度硅熔化，用拉伸法拉出单晶硅棒，再通过切割为硅片。单晶硅结晶时间长，成本高。后来发展熔铸法：将熔化的硅倒入铸型内制成铸块。印带法：将硅熔液形成带状结晶后直接做出按照太阳能电池形体(厚度)分类，可分为块(片)状和薄膜状两大类。前者以单晶硅和多晶硅为代表，即以块状结晶材料用机械加工的方法制成板(片)材。薄膜状是以玻璃或金属作基板，让晶体材料黏附其上并起化学反应形成一个晶体薄膜。3.2几种常用太阳能电池的特点目前所用的太阳能电池，大部分是硅系列单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。占全部太阳能电池的89%左右。型号技术规格功率(W)最大功率时电压(V)最大功率时电流(A)开路电压(V)短路电流(A)外形(mm×mm×mm)几种常用太阳能电池的特点MSK系列多晶硅太阳能电池(η≈13.7%)型号技术规格功率(W)最大功率时电压(V)最大功率时电流(A)开路电压(V)短路电流(A)外形(mm×mm×mm)几种常用太阳能电池的特点格型号工作电压功率(W)外形尺寸质量4～4.55.5～6.5硅系太阳能电池的特点太阳能电池特点单晶硅●特性稳定，效率高●表面有梳齿状电极●外形单一●厚度为300um●质硬、不可卷曲●从圆柱形单晶硅棒切割成圆片后再加工，使硅片呈矩形●生产温度高达1400℃●黑色多晶硅●特性稳定，效率高●表面有梳状电极●外形多样化(对硅晶体再加工)●厚度300um●质硬、不可卷曲●由正立方体硅晶切割，硅片呈正方形●生产时所需温度800～1000℃●深蓝色硅系太阳能电池的特点太阳能电池特点非晶硅●容易大批量生产●表面印刷透明电极●厚度为1um以下●可以卷曲●在轻质基板上形成●生产时所需温度低约200℃●色彩为暗红色薄膜式(含化合物)●适于大批量生产●对于不同太阳光谱照射均可适应●黑色单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，主要用单晶硅片来制造。与其他种类的电池相比，单晶硅电池的转换效率最高。单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，即以p型单晶硅片为基片，通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，厚度一般为200～300μm。单晶硅的结晶非常完美，所以单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色为黑色或深色。特别适合切割制成小型消费产品。单晶硅电池曾经长时期占领最大的市场份额，只是在1998年后才退居多晶硅电池之后，位于第二位。在以后的若干年内，多晶硅太阳能电池仍会继续发展，并保持较高的市场份额。其未来趋势是向超薄、高效方向发展，不久的将来，可左右甚至更薄的多晶硅电池问世。多晶硅太阳能电池的原料，是融化后浇铸成正方形的硅锭，然后切成薄片进行加工。从多晶硅电池的表面很容易辨认，硅片是由大量不同大小结晶区域组成，而在晶粒界面(晶界)处光电转换易受到干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低。同时，多晶硅的电学、力学和光学性能一致性不如单晶硅电池。多晶硅太阳电池的基本结构都为n+/p型，电阻率0.5～2Ω·cm,厚度220~300μm,商业化电池的效率为13～15%。多晶硅结构在阳光作用下，由于不同晶面散射强度不同，可呈现不同的色彩。此外，制作时主要以氮化硅为减反射膜，通过控制减反射膜的厚度，可使太阳能电池具备各种各样的颜色，如金色、绿色等，具有良好的装饰效果。非晶硅太阳能电池1975年Spear等利用硅烷的直流辉光放电技术制备出a-Si:H材料，实现了对非晶硅基材料的掺杂，使非晶硅材料开始得到应用。1976年第一个效率为1%～2%的非晶硅太阳电池被研制出来，直到1980年非晶硅太阳电池实现商品化。目前世界非晶硅太阳电池生产能力50MW/年，最高转换效率13%,应用范围从多种电子消费产品如手表、计算器、玩家到户用电源、光伏电站等。在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大一个数量级，非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。由于非晶硅材料的本征吸厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的1/100,可明显节省昂贵的半导体材料。非晶硅及其合金的光电转换效率在太阳光长期照射下有一定的衰减，经过200℃退火2h可恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现，称为S-W效应。由于S-W效应，非晶硅电池不能大规模使用。3.3晶体硅太阳能电池的基本工艺n型SiP型Si晶体硅太阳电池的结构在200～500μm厚的p型硅片上，通过扩散形成0.25μm左右的n型半导体，构成p-n结；在n型半导体上有呈金字塔形的绒面结构和减反射层，然后是呈一、绒面结构制作太阳电池的硅片，在切割时表面会有一层10～20μm的损伤层，需要利用化学腐蚀将损伤层去除，然后制备表面的绒面结构。这种绒面结构比平整的化学抛光的硅片表面具有更好的减反射效果，能够更好地吸收和利用太阳光线。而光束射在平整的抛光硅片上时，约有30%会被反射掉；如果射在呈金字塔形的绒面结构上，反射的光进一步照射在相邻的绒面上，减少了太阳光的反射；同时，光线斜射入晶体硅，增加了在硅片内部的有效运动长度和被吸收的几率。对于单晶硅，常用的化学腐蚀剂是NaOH或KOH,在80～90℃左右的温度下，进行化学反应。生成物Na₂SiO3溶于水而被去除，从而硅片被化学腐蚀。由于在硅晶体中不同晶面原子疏密程度的差异，NaOH或KOH腐蚀速度不同，具有各向异性，最终形成金字塔形的绒面结构。对于铸造多晶硅，使用酸性腐蚀剂，也可以形成类似的绒面结构。使用最多的是HF和HNO₃的混合液，其中HNO₃与硅反应，在表面产生致密的不溶于硝酸的SiO₂层，使得HNO₃和硅隔离，反应停止；但SiO₂可以和HF反应，生成可溶解于水的络合物六氟硅酸，导致SiO₂层的破坏，从而硝酸对硅的腐蚀再次进行，最终使得硅表面不断被腐蚀，具体反为了改善硅太阳电池的效率，在p-n结制备完成后，一般在硅片的背面即背光面，沉积一层铝膜，制备P+层，称为铝背场，其作用是减少少数载流子在背面复合的概率，也可以作为背面的金属电制备铝背场的简便方法，是利用溅射等技术在硅片背面沉积一层铝膜，然后在800～1000℃热处理，使铝膜和硅合金化并内扩散，形成一层高浓度掺杂的P+层，构成铝背场。为了将晶体硅太阳电池产生的电流引导到外部负载，需要在硅片p-n结的两面建立金属连接，形成金属电极。过去太阳电池电极一般采用真空蒸镀技术或电镀法，但工艺复杂、成本昂贵；而且，硅片受光面的金属会遮挡光线，减少太阳光的吸收。目前，主要利用丝网印刷技术，在晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极。丝网印刷技术工艺成熟，它是把金属导体浆料按照所设计的图形，印刷在已扩散好杂质的硅片正面和背面。然后，在适当的气氛下，通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触，从而形成太阳电池的上、下电极。金属电极的膜厚为10～25μm,金属栅线的宽带为150～250μm。在利用光刻硅太阳电池的丝网印刷金属浆料是以超细高纯银或铅为主体金属，然后配以一定的辅助剂制成膏状，形成印刷浆料。随着技术的进步和环保要求，应严格控制有害元素铅的含量，因此无铅银浆将成为主要的印刷浆料。晶体硅太阳电池的绒面结构可以减少硅片表面的太阳光反射，增加电池对光能的吸收。另外，在硅表面增加一层减反射层也是一种有效的减少太阳光反射的方法。减反射膜的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。具有单层减反射膜的硅片，其反射率可以降低到10%以下。由理论技术可知，对于用玻璃封装的晶体硅太阳电池，玻璃的折射率n₀为1.5,晶体硅的折射率ns;为3.6,最合适的减反射膜的光学折射率为：TiOx(x≤2)是常用的理想太阳电池减反射膜，具有较高的折射率(2.0～2.7)。制备可以利用氮气携带含有钛酸异丙酯的水蒸气，喷射到加热后的硅片表面上，发生水解反应，生成非晶TiOx薄膜，其化学反应式为：SiN是另一种常用的太阳电池的减反射膜。它具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和极好的光学性能，λ=632.8nm时，折射率在1.8～2.5之间；而且在氮化硅制备光程中，还能对硅片产生氢钝化的作用，明显改善硅太阳电池的光电转换效率。制备氮化硅减反射膜的反应温度一般在300～400℃,反应气体为硅烷和高纯氨气，其反应式为：太阳能电池是由许多单个太阳能电池，即单体太阳能电池组成。单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小。一般输出电压只有0.5V左右，输出功率只有1～2W,不能满足作为电源应用的要求。为了提高输出功率，需将多个单体电池通过串联或并联，合理地连接起来，并封装成组件。在需要更大功率的场合，则需要将多个组件连接成为方阵，以向负载提供数值更大的电流、电压输出。为了保证组件在室外条件下使用20～25年以上，必须要有良好的封装，以满足使用中对防风、防尘、防湿、防腐蚀等条件的要求。一、组件单体电池的连接方式将单体电池连接起来主要有串联和并联以及混合连接方式，如下图所示：十十十十(a)串联方式I十十一(b)并联方式(c)串、并混合方式二、组件的封装结构一玻璃壳体式晶体硅太阳能电池组件的封装结构，常见的有玻璃壳体式、底盒式、平板式、全胶密封式等多种。以下是组件的封装结构之一—玻璃壳体式太阳能电池组件：玻璃壳体式太阳能电池组件示意图5—衬底；6—固定绝缘胶；7一电极引线；8一互连条1一边框；2一边框封装胶；3-上玻璃板；4一粘结剂；5一下底板；6一硅太阳能电池；7一互连条；8一引线护套；9一电极引线组件的封装结构之四一全胶密封式1一硅太阳能电池；2一黏结剂；3-电极引线；4一下底板；5一互连条1、上盖板2、黏结剂3、底板4、边框平板式硅太阳能电池乡件封装工艺流程单体电池单体电池单片电池分选组合焊接组合电池测试层压封装边框封装第4章太阳能发电系统的结构太阳能发电系统概述蓄电池逆变器控制器太阳能发电系统可以分为两大类型：独立光伏系统：是太阳能发电系统的最基本形式，广泛应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所，如偏远牧区、海岛、高原、荒漠等地区，提供照明、电器等生活用电。并网光伏系统：与公共电网相连接的太阳能发电系统，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的重要方向，是当今世界太阳能发电技术发展的主流趋势。直流电池板组件蓄电池太阳电池组件蓄电池独立光伏系统是光伏发电的最基本形式，该系统包括：太阳电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等。太阳能电池组件：是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。蓄电池：其作用是储存太阳能电池发出的电能并随时向负载供电。目前，主要使用的是铅酸蓄电池。控制器：是光伏发电系统的核心部件之一。主要完成信号检测、最优化充电控制、蓄电池放电管理、设备保护、故障诊断、运行状态指示等。逆变器：是将直流电变换成交流电的设备。当负载是交流负载时，就需要使用逆变器设备。电力公司交流直澄交流直澄电池板组件并网光伏系统，可分为集中式大型光伏系统(或称大型并网光伏电站)和分散式小型光伏系统(或称住宅并网光伏系统)。大型并网光伏电站，发电直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。投资大、建设期长，同时占用土地，发电成本高。住宅并网光伏系统，一般与建筑物结合，容易建设、投资较小，在国家政策鼓励下，未来发展迅速。住宅并网光伏系统的特点，是所发的电能直接分配到住宅的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节。可以分为可逆流和不可逆流并网光伏发电系统两种类型。可逆流并网光伏系统可逆流并网系统可逆流并网系统太阳电池方阵电网电网A负载可逆流系统，是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于同电网供电方向相反，所以称为逆流。当光伏系统电力不够时，则由电网供电。不可逆流并网光伏系统并网逆变器不可逆并网系统，光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量，本系统电量不够时由电网供电，即光伏系统与电网并联向负载供电。这种系统，如果没有蓄能装置，产生的剩余电量只有通过某种手段加以处理或蓄电池是独立光伏系统不可缺少的储能设备。其主要功能是当日照量减少或夜间不发电时补充负荷要求的功率。太阳能光伏发电系统对蓄电池的要求是：●自放电率低；●使用寿命长；●深放电能力强；●充电效率高；●少维护或免维护；●工作温度范围宽；●价格低廉。目前，光伏发电系统使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池、特别是阀控式密封铅酸蓄电池。1、铅酸蓄电池的结构与原理宣前款宣前款宝金缸盖片能源有限公司魅铅酸蓄电池解剖图铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、外壳等组成。极板是蓄电池的核心，在蓄电池充、放电过程中，电能与化学能的转换是通过正、负极板上的活性物质与电解液中的硫酸进行电化学反应来实现的。蓄电池极板分正、负极板，由栅架和活性物质组成。正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO₂),负极板上的活性物质是铅(单片极板上的活性物质数量少，所存储的电量少，为了增大电池容量，将正、负极板分别并联，中间插入隔板，组成正、负极板组。。电解液电解液的作用是与极板上的活性物质发生电化学反应，实现电能与化学能的相互转换。由化学纯硫酸(H₂SO₄)和蒸馏水按一定比例配制而成。蓄电池的电动势大小取决于电解液的密度，密度越大，对于胶体蓄电池，还需要添加胶体，使硫酸液变为胶态。此时硫酸不仅是反应电解液，还是胶体所需的凝胶剂。蓄电池的工作原理(1)铅蓄电池的放电蓄电池的工作原理(2)铅蓄电池的充电Pb²+-2e→Pb⁴+Pb⁴++4OH→Pb(OH)Pb(OH)→PbO₂+2H₂O2、铅酸蓄电池的电特性静止电动势和内阻在蓄电池内部工作物质的运动处于静止状态(不充电也不放电) 时，蓄电池的电动势称为静止电动势。静止电动势的大小取决于电解液的密度和温度，在电解液密度为1.050～1.300g/cm³的范围内，2、内阻：蓄电池的内阻大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同条件下，内阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。在正常使用中的蓄电池，其内阻很小，约为0.01欧姆。放电特性，是指恒流放电时，蓄电池端电压U、静止电动势E随放电时间而变化的规律。端电压U=E一lR₀,R。是蓄电池的内阻，I是放电电流。蓄电池的放电特性单格蓄电池的放电可分为四个阶段：第一阶段(oa段，2.11～2.0V),开始放电阶段。充足电的蓄电池，经过2h以上稳定，电池的端电压等于静止电动势。开始放电时，端电压U从2.11V迅速下降到2V。这是由于放电之初极板孔隙内的少量H₂SO₄参与反应很快被消耗，而远离极板的电解液扩散缓慢，不能及时补充，致使端电压迅速降低。第二阶段(ab段，2.0～1.85V),相对稳定阶段。极板孔隙外的电解液不断向极板孔隙内渗透，当渗透速度与化学反应速度达到相对平衡时，各处电解液浓度趋于一致，因而电池的端电压将随着电解液密度降低而缓慢下降到第三阶段(bc段，1.85～1.75V),迅速下降阶段。在放电末期，电池极板上的活性物质已大部分变成为硫酸铅，由于硫酸铅的体积较大，在极板表面和微孔中形成的硫酸铅使极板外电解液渗入困难。同时硫酸铅的导电性能较差，致使内阻加大，所以蓄电池的端电压迅速下降。第四阶段(cd段，电压<1.75V),过度放电阶段。单格蓄电池下降到一定值(20h放电率降至1.75V),再继续放电即为过度放电。过度放电对电池十分有害，易使极板损坏。如果停止放电，端电压会立即回升，最后稳定在2V左右(上图e点)。一般规定放电截止时的电压称为放电终止电压。蓄电池的充电特性开始接通充电电源时，端电压快速上升。这是由于极板孔隙内表层迅速生成硫酸，来不第三阶段(bc段，2.3～2.7V),迅速上升阶段。第四阶段(cd段，电压≥2.7V),过充电阶段。板孔隙内电解液和容器中的电解液密度趋于平衡，蓄电池端电压又降至2.1V左右(图中e蓄电池的容量蓄电池的容量，是指在规定的放电条件下，完全充足电的蓄电池放电至其端电压到终止电压时，电池所放出的总电量。单位：A·h。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流与其持续时间的乘积，即蓄电池的额定容量(C)指温度在20～25℃时，充满其容量，并搁置24h后，以10h(20h)放电率，或0.1C(0.05C)数值的电流放电至其终止电压(1.75～1.8V/单体)所输出的容量。它是国家或行业颁布的标准，保证在一定条件下，应该放出的最低容量值。蓄电池的容量不是一个固定不变的常数，与很多因素有关，一是生产工艺，如活性物质的数量、极板的厚度等；二是使用条件，如放电电流、电解液温度和电解液相对密度等。电池电池电池电池5.50hh放电电流越大，蓄电池实际容量越低容量与温度00温度升高，电池容量增加。过低温度(低于-15℃)则会降低有效容量，而过高温度(高于50℃)则会导致热失控并损害电池。荷电状态与放电深度放电速率简称放电率，常用时率和倍率表示。时率：以放电时间表示的放电速率，即以某电流放电至规定终止电压所经历的倍率：电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数。如放电电流为0.1C₂0,对于一个60A·h(C20)的电池，即以0.1×60=6A的电流放电；3C则为180A的电流放电。当电池处于非工作状态时，虽然没有电流流过蓄电池，但是电池内部的活性物质与电解液之间自发的反应却一直在进行，造成电池内部的化学能量损耗，使电池的容量下降，这种现象称为电池的自放电。自放电现象和环境温度有关。当温度较高时，自放电现象比较明显。相对于镍镉电池，铅酸蓄电池的自放电现象比较严重。因此，在蓄电池充电时，当其充满电后，应采用涓流对电池进行补充充电。3、蓄电池的寿命及影响因素然后，随着充放电次数的增加，放电容量减少，直到通过对它充电，其容量再也不能恢复许多因素都可以影响蓄电池的寿命，如活性物质的组成、晶型、孔化率、极板尺寸等内(1)放电深度的影响放电深度越大，相对使用寿命越短。因为蓄电池正极板上活性物质PbO2相互结合不很牢固，放电时生成的PbSO₄体积比较大，而充电后又生成体积小的PbO₂。反复收缩和膨胀，就使PbO₂粒子之间的相互结合逐渐松弛，易于(2)过充电程度的影响放电深度(%)过充系数：1-0,2-0.076,3-0.107对比图中曲线1与3,在相同的放电深度50%的情况下，不过充的蓄电池的循环使用寿命是过充10%时的3倍。所以，控制蓄电池的过充可大大提高使用寿命。温度对蓄电池寿命的影响温度的升高，会使蓄电池的输出容量增大，但它加速了蓄电池电极的腐蚀，提高了蓄电池的出气量，使电解液损失。特别在充电期间，酸浓度大，电极的腐蚀造成活性物质的脱落，使蓄电池的寿命降低。521环境温度(℃)环境温度与使用寿命的关系4、蓄电池充电技术(1)一般蓄电池充电控制方法对铅酸蓄电池的充电方法：恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等。①恒流充电恒流充电，以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化进行电流调整，使充电电流保持不变。这种方法特别适合多个蓄电池串联进行充电和小电流长时间充电模式。其不足之处是，蓄电池开始充电电流相对偏小，在充电后期充电电流相对偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，为了避免充电后期电流过大的缺点，采取分段恒流充电。即在充电后期将充电电流减小。②恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，因此在充电过程中不必调整电流。相对恒流充电，此种充电方法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%。光伏发电系统多采用这种恒压充电方式。恒压充电的不足(a)在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤；(b)如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多(c)蓄电池端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。恒压限流充电③恒压限流充电恒压限流充电是为了克服恒压充电时初期电流过大而作了改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压增大，自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内。恒压限流充电方式，虽然充电控制器输出的是恒压，但加在蓄电池上的电压不是恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。对于光伏发电系统，采用电阻限流的方式，要消耗有限的电能，是不实用的。可采取其它非耗能的限流方式。两阶段、三阶段充电④两阶段、三阶段充电这种方式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。首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电达到一定容量后，再采用恒压充电方式进行充电。蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压而使蓄电池产生析气现象。在两阶段充电完毕，蓄电池容量达到其额定容量时，再对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这是在两阶段基础上的第三阶段，充电电压U要比恒压阶段低。快速充电⑤快速充电正常充电方式下，蓄电池从0到100%容量比，一般需要8~20h,充电时间长。在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时，蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池损害严重。快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在1～2h内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气，也不会使蓄电池电解液温度过高(一般在45℃以下)。这种方法解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法，是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合。短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。这种充电法，可以大大提高充电速度，缩短充电时间。智能充电⑥智能充电智能充电是以美国人J.A.MAS研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础，以一般蓄电池以一定速率的电流进行充电，它只能充电到某一极限值，当达到这个极限值要使蓄电池只产生微量析气，那么在充电的任一时刻t,蓄电池可接受的充电电流为其中I₀为t=0时的最大起始电流；I为任意时刻t时蓄电池可接受的充电电流；a为衰减最佳充电曲线超过接受曲线的任何充电最佳充电曲线超过接受曲线的任何充电接受电流的充电电流就是蓄析气区接受区七oI如果遵循最佳充电曲线进行充电，在某一时刻t已充电的容量C是从0到t时曲线下的面积，即到充电完成t→∞,如果忽略电损失，全部充入的电量即为蓄电池充电前发出的容量，即如果取a=1,蓄电池放电深度为100%,完全按照蓄电池可接受充电电流进行充电，经过5小时的充电，蓄电池能达到99%以上的荷电状态。采取智能控制的方法使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附件，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小，这样的控制方法统称为智能充电控制。4.3控制器在独立运行的光伏系统中，频繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池大量析气，造成水分散失和活性物质的脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。控制器通过检测蓄电池的电压和荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点和过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、随着各种光伏系统的应用，对系统运行状态及运行方式合理性的要求越来越高，系统的安全性也更加重要和突出。因此，近年来设计者又赋予控制器更多的保护和监测功能，使早期的蓄电池充放电控制器发展成为比较复杂的系统控制器。尤其是与计算机、自动控制技术相结合，形成高效率、智能化的控制系统。1、控制器的工作原理(1)蓄电池充电控制基本原理铅酸蓄电池充电特性如下图所示。蓄电池充电特性蓄电池正常充电过程可分为三个阶段：初期(oa),电压快速上升；中期(ab),电压稳定上升；末期(bc),电压迅速上升。在c点及以后，属于“过充电”,应停止充电。充电控制基本原理根据蓄电池充电特性，在蓄电池充电过程中，当充电到相当于c点的电压出现时，标志着蓄电池已充满。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过对电压值的监测，即可判断蓄电池是否应结束充电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态(25℃,0.1C充电率)下的充电终止电压约为2.5V;对于阀控式密封铅酸蓄电池，标准状态(25℃,0.1C充电率)下的充电终止电压约为2.35V。由于太阳能光伏发电系统的充电率一般都小于0.1C,充电电压可设在2.45～2.5V(固定式铅酸蓄电池)和2.3～2.35V(阀控式密封铅酸蓄电池)。充电时的温度补偿太阳能光伏系统中，蓄电池电解液温度随季节周期性变化，也有因受局部环境影响的波动。蓄电池充电过程中的氧化还原反应和水的电解反应都与温度有关。温度升高，氧化还原反应和水的分解都变得容易，其电化学电位下降，此时应降低蓄电池充电的门限电压。温度降低时，应当提高蓄电池的充电门限电压。要求控制器具有对蓄电池充电门限电压进行自动温度补偿的功能。温度补偿系数一般为单体电池—5～-3mV/℃(25℃时),即当温度偏离标准条件时，每升高1℃,单体电池的充电门限电压向下调整3～5mV;每下降1℃,向上调整3～5过放电保护基本原理铅酸蓄电池放电特性，如下所示蓄电池放电特性蓄电池正常放电，有三个阶段：开始阶段(oa),电压下降较快；中期(ab),电压稳定下降；末期(bc),电压迅速下降。c点以后属于“过放电”,c点电压称为放电门限电压。过放电保护基本原理常规过放电保护原理在蓄电池放电过程中，当放电到相当于c点的电压出现时，标志着电池放电终了。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过监测出C点电压值，可判断出蓄电池是否结束放电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标志状态下(25℃,0.1C放电率)下的放电终止电压(c点电压)约为1.75～1.8V;对于阀控式密封铅酸蓄电池，标志状态下的放电终止电压约为1.78～1.82V。蓄电池剩余容量控制法铅酸蓄电池在使用过程中如果经常深度放电，即蓄电池的剩余容量或称荷电状低于10%,蓄电池的寿命会缩短；反之，如果蓄电池在使用过程中一直处于浮充或浅放电(SOC始终大于50%)状态，则蓄电池的寿命将会延长。剩余容量控制法，是在蓄电池使用过程中，系统随时检测蓄电池的剩余容量SOC,并根据蓄电池的剩余容量，自动调整负载的大小或负载的工作时间，使负载和蓄电池容量相匹配，以确保蓄电池的剩余容量不低于设定值(如50%),从而保护蓄电池不被过放电。蓄电池剩余容量的检测方法，有电解液比重法、开路电压法、放电法和内阻法蓄电池剩余容量控制法蓄电池剩余容量的数学模型：根据蓄电池剩余容量与放电过程中各个参数之间的相互影响，建立数学模型。要求数学模型能够反映出各个物理化学参数的变化对蓄电池剩余容量的影响。固定式铅酸蓄电池剩余容量的数学模型如下：蓄电池放电模型：V=Vr—I/Ah(0蓄电池充电模型：V=Vr+I[0.189/(1.142-SOC)+R]/Ah式中SOC一蓄电池剩余容量；T一环境温度；I一充电电流或放电电流。Vr一静止电压Vr=2.094×[1-0.001×(T—25℃)];R一蓄电池内阻R=0.15×[1-0.02×(T—25℃)]。蓄电池剩余容量控制法采用蓄电池剩余容量控制法设计的控制器，可以对蓄电池的放电进行全过程控制。下表是20W太阳能路灯系统在蓄电池不同SOC情况下对路灯工作时间的调整。20W太阳能路灯在不同SOC情况下对路灯工作时间的调整蓄电池剩余容量%负载工作时间蓄电池剩余容量%负载工作时间684另外，将负载分成不同的等级，控制器根据蓄电池的剩余容量状态调整负载的功率，也可以达到同样的目的。对于负载时间和功率不允许自动调整的负载，可以将蓄电池的剩余容量用不同颜色的LED、数码管等显示出来，以便随时了解蓄电池的荷电状态。按照电路方式的不同，太阳能光伏系统控制器的充电过程控制可分为旁路型、串联型、脉宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型；按放电过程控制方式的不同，可分为常规放电控制型和剩余容量(SOC)放电全过程控制型。除了基本充放电控制功能外，还有附带自动数据采集、显示和远程通信功能的智能型控制器。1、旁路型控制器利用并联在太阳能电池方阵两端的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，把光伏方阵的输出分流到旁路电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉；当蓄电池电压回落到一定值时，再断开旁路并恢复充电。一般用于小型、低功率系统，结构简单，2、串联型控制器利用串联在回路中的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满时，开关器件断开充电回路，蓄电池停止充电；当蓄电池电压回落到一定值时，再接通充电回路。串联在回路中的开关器件还可以在夜间切断光伏方阵，取代防反充二极管。这类控制器，结构简单，价格便宜。3、常规放电过程控制器这种控制方式只设定蓄电池放电控制点，当蓄电池的电压降至这一点时，控制器将负载断开。这种控制方式比较简单，但当连续阴天或系统超负荷运行时，蓄电池将不可避免地过放电，而一旦蓄电池的电压达到过放电点，系统将在蓄电池被充满之前被迫停止工作。4、多路控制器调节。这种控制方式，属于增量控制法，可以近似达到脉宽调制控制器的效果，6、脉宽调制型控制器7、最大功率跟踪型控制器8、蓄电池放电全过程控制器根据蓄电池的剩余容量(SOC)对蓄电池的放电进行全过程控制，即除了设定蓄电池的过放电点(SOC=0)外，再增加几个控制点(SOC=70%和SOC=50%等)。每天系统放电之前，先检测蓄电池的剩余容量，设定当天的负荷功率或工9、智能控制器采用微处理器(51系列、AVR系列单片机、ARM等)对光伏系统的运行参数进行高速3、几种光伏控制器的基本电路(1)单路旁路型充放电控制器电路原理图，如下所示上上工蓄电池开关器件开关器件负载太阳方阵O0检测控制负载太阳方阵O0单路旁路型充放电控制器电路原理图开关T1并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”D1为“防反充电二极管”,只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄D2为“防反接二极管”,当蓄电池极性接反时，D2导通，使蓄电池通过D2短路放电，产生很大的电流快速将保险丝Bx烧断，起到“防蓄电池反接保护”单路串联型充放电控制器原理图，如下所示。与并联旁路型充放电控制器电路相似，惟一区别是开关器件T1串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切断电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”的作用。十十检测蓄电池负载单路旁路型充放电控制器电路原理图过欠电压检测控制电路过电压检测控制电路：A1为比较运算放大器，其同相输入端接由W1提供的“过电压”欠电压检测控制电路：A2的反向输入端接由W2提供的“欠电压”基准电压，同相端接蓄电池电压。当蓄电池电压小于“欠电压”基准电压时，输出端G2为低电平，停止对P1至Pn是各个支路太阳能电池列阵，D1至Dn是各个支路的防反充二极管，A₁和A₂分别是充电电流表和放电电流表，V为蓄电池电压表，L表示负载，B为蓄电池组。当蓄电池充满时，控制电路将开关S1至Sn顺序断开。当第1路P1断开后，如果蓄电池电压低于设定值，则控制电路等待；直到蓄电池电压上升到设定值，再断开第2路P₂,再等待；如果蓄电池电压不再上升到设定值，则其它支路保持接通充电状态。当蓄电池电压低于恢复点电压时，被断开的太阳能电池方阵支路依次顺序接通。简单实用的太阳能草坪灯电路KKNPNP—Ni-CdP:光伏电池；R2:光敏电阻；K:总开关C12家光伏电池14EAVC0营EAVC0营I0uFI0uF负载开关C负载开关CD10V2D10V220uF田楼日红数(-)眼费T)曼数D)逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过交直流发动机的旋转方式逆变技术，发展到20世纪60～70年代的晶闸管逆变技术。而21世纪的逆变技术多数采用了功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、可关断晶闸管(GTO)、MOS控制晶闸管(MCT)等多种先进且易于控制的功率器件。控制电路从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器(DSP)控制。各种现代控制理论如自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。逆变装置将向着体积更小、效率更高、性能指标更优秀的方向发展。目前国内光伏发电系统主要是以直流DC系统和独立(Stand-alone)型DC-AC系统为主，即将太阳能电池发出的电能给蓄电池充电，再由蓄电池通过充放电控制器直接给负载供电。光伏发电的发展趋势是进入民用电力，而民用电力大多使用交流负载，以直流电力供电的光伏电源系统很难商品化普及推广，因此光伏逆变器成为技术关键。另外，从发展趋势看，光伏发电最终将实现以并网运行为主，必须采用交流供电系统，DC-AC逆变器在光伏系统应用中具有十分重要的作用。逆变器的主要分类①按输出电压波形：方波逆变器、正弦波逆变器、阶梯波逆变器。②按输出交流电的相数：单相逆变器、三相逆变器、多相逆变器。③按电路的拓扑结构：推挽逆变器、半桥逆变器、全桥逆变器。④按是否有源：有源逆变器、无源逆变器。⑤按输出交流电的频率：低频、工频、中频、高频逆变器。逆变器有许多技术指标，重要的有：额定容量；额定功率；输出功率因数；逆变效率；额定输入电压、电流；额定输出电压、电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；畸变因数；峰值子数。在太阳能光伏发电系统应用中的逆变器，有其特殊的设计与使用上的要求：①对输出功率和瞬时峰值功率的要求；②对逆变器输出效率的要求；③对逆变器输出波形的要求；④对逆变器输入直流电压的要求。2、逆变器的基本原理逆变器与正变换正好相反，它使用具有开关特性的功率器件，通过一定的控制逻辑，由主控制电路周期性地对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升(或降)压、整形(1)推挽式逆变电路原理推挽式逆变电路推挽式逆变电路由两只共负极的功率开关器件VT1、VT2和一个初级带有中心抽头的升压变压器T组成。在t₁至t₂时刻，驱动信号Ug₁控制功率开关管VT1导通，VT2截止，变压器T输出端为正电压；而在t₃至t4时刻，驱动信号Ug2控制功率开关管VT2导通，VT1截止，变压器T输出端为负电压。若负载为感性负载，则变压器内的电流波形连续，输出电压、电流波形如下。可以通过调节VT1和VT2的占空比来调节输出电压的平均值。推挽式方波逆变器的电路拓扑结构简单，变换效率低，适应于直流电压较低的场合。半桥式逆变电路两只串联电容的中点作为参考点，当开关元件VT1导通时，电容C1上的电能释放到负载R上；当VT2导通时，电容C2上的电能释放到负载R上；VT1和VT2轮流导通，在负载两端获得了交流电能。半桥型逆变电路，适合于高频逆变场合。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路也称“H桥”电路，由两个半桥电路组成。光伏逆变器主电路的拓扑结构，多数采用三级结构(DC—AC一DC-AC),也有采用中小功率的光伏系统其PV列阵的直流电压都不太高，而且大电流的功率开关管的额定耐压值也都比较低，要得到220V或380V的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电术的发展，采用高频开关技术和软开关技术实现逆变，可实现高功率密度逆变。该逆变电料，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，又经过高频整流电路得到高压直流电(300V以上),再通过工频逆变电路实现逆变，得到220V或380V交流。目前商用正弦波逆变器大多采用这种三级结构，首先将PV方阵输出的低压(24V、48V,也有110V以上)的直流通过高频(几千赫兹到几十千赫兹)逆变为方波交流AC,通过升压变压器整流滤波后变为高压(110V以上)直流DC,然后经过三级DC-AC逆变为所需的工频交流电(220V或380V)。逆变电源中常用的控制电路主要针对驱动电路提供要求的逻辑与波形，如PWM、MP16,MICROCHIP公司生产的PIC16C73,德州仪器的TMS320F206、TMS320F240、光伏并网系统中的逆变电路光伏并网发电系统中逆变电路原理框图如下所示。充放电控制器滤波(1)DC/DC电路控制原理控制电路以集成电路芯片SG3525为核心，SG3525是单片高性能PWM控制器，包含精确的电压基准、高频振荡器、误差放大器、比较器、软启动电路及关DC/DC电路控制原理整流滤波整流滤波U电压/电流检测推挽式高频逆变电路A磁饱和检测高频变压器采用SG3525实现的DC/DC变换控制框图SG3525输出的两路50Hz的驱动信号，驱动推挽电路开关管VT1和VT2(参考推挽该控制电路还具有限制输出过流过压的保护功能。当检测到DC/DC变换器输出电流过将减小门极脉冲的宽度，从而降低输出电压和输出电流。由于推挽式电路容易因直流偏磁导致变压器饱和，本电路还设计了磁饱和检测电路，当流经推挽电路的两个支路电流失衡时，启动SG3525的软启动功能，使DC/DC变换器重新启动，变压器复位。偏磁检测电路二偏磁检测电路如图所示。图中只画出了磁环的副边，原边两个线圈接在主电路当变压器发生偏磁时，某一方向的电流异常大，通过电流互感器T1放大、检测，可在互感器的输出电阻R1上产生电压，使稳压二极管D1导通，在电位器RV1上产生压降，经U1运算放大提供给DSP或MCU的检测引脚，进行处理(2)DC/AC控制原理输入直流电压采样输入直流电压采样输出交流电压采样PV组件列阵电压DC/DC变换DC/AC逆变DSP实现的DCIAC控制原理图本系统是一个与市电电网并网的光伏系统，TMS320F240还增加了对市电电网电压信号的同步跟踪采集过程。其目的是为了保证并网逆变输出的交流电压与电网的电压波形严为了保持与电网电压的同频同相，必须实时捕获电网的电压过零信号，由DSP检测到波信号，再送DSP的外部中断口进行检测得到。交流电同步信号交流电同步信号第5章光伏系统的控制最大功率点跟踪控制(MPPT)基本原理控制采用的DC/DC结构最大功率点跟踪控制提高光伏系统的效率，在理论和实践上提出了太阳能电池的最大功率点跟踪MPPT5.1基本原理在光伏系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，还受温度及负载的影响，处于不断变化中，从而不可能用简单的方法来获得最大功率输出。由太阳能电池列阵的P-U曲线，以Pmax点为界，分为曲线的左、右两侧。当工作电压小于Upmax,即最大功率点的左侧，输出功率将随着输出电压的升高而增大；当工作电压大于Upmax,即最大功率点的右侧，输出功率将随着输出电压的升高而减小。最大功率点的跟踪(MPPT)控制是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池列阵端电压，使列阵能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。DDC/a变换电路拓扑结构图UiUULU太阳电池列阵太阳电池列阵太阳列阵R十十L5.3MPPT控制的几种算法在太阳能光伏发电系统的开发和应用过程中，由于太阳能电池的转换效率比较低，所以对于最大功率跟踪技术的研究一直是重要的课题内容，现在已取得了多种控制算法。其中主要有：1、定电压跟踪法42太阳能电池l一U特性曲线从太阳能电池的I-U曲线可以看出，在光照强度较高时，各曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明电池列阵的最大功率点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计，即只需从生产商处获得最大功率点输出对应的电压数据，并使太阳能电池列阵的输出电压钳位于Upmax值即可。实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，构成了定电压跟踪(CVT)式的MPPT控制。采用定电压跟踪(CVT)较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可多获得20%的电能。定电压跟踪法忽略了温度对太阳电池列阵开路电压的影响，以单晶硅太阳电池为例，温度每升高1℃时，开路电压将下降0.4%～0.5%。为了克服温度变化的影响，可采取折中的办法：①按季节通过电位器手动调节设定不同的UPmax;②微处理器查询数据表格，将不同温度下测得的UPmax存储于EEPROM或FLASH中，实际运行时根据实测温度确定当前的UPmax。采用定电压跟踪法实现MPPT控制，具有良好的可靠性和稳定性，目前仍被较多使用。随着光伏系统控制技术的计算机化和微处理器化，该方法逐渐被新方法所替代。2、功率扰动观察法(1)功率扰动观察法的原理其原理是先给一个扰动输出电压信号(Upv+△U),再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向同一(△U)方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往反(一△U)方向扰动。通过不断扰动使太阳电池列阵输出功率趋于最大值。让DC/DC电流通流率(占空比)设DC/DC变换器通流率的变化增量△α恒定时，扰动观察法寻找则应让α减少△α;则应让α增加△α。PABCDC功率扰动观察法软件流程功率扰动观察法软件流程PWM输出PWM输出N3、增量电导法扰动观察法通过调整工作点电压，使之逐渐接近最大功率点电压，实现太阳能电池最大功率跟踪，这种方法并不知道最大功率点的大致方向，不能适应日照量的急剧变化。增量电导法，避免了扰动观察法的盲目性，可以判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。设太阳能电池输出功率为：对上式U求导：如果达到最大功率