太陽能應用光伏發(fā)電與控制技術

1、2022-7-6太陽能、光伏發(fā)電與控制技術ZWM1982022-7-62022-7-64.1 太陽的輻射及太陽能簡介 4.2 太陽能的轉換與應用4.3 太陽能電池與光伏發(fā)電原理4.4 MPPT光伏變換與控制技術4.5 光伏陣列并網逆變器的結構與控制策略4.6 光伏發(fā)電的制約因素與經濟技術評價本章主要內容2022-7-64.1太陽的輻射及太陽能簡介太陽的輻射及太陽能簡介 4.1.1太陽簡介太陽簡介圖4-1 太陽的結構2022-7-6圖圖4-2 4-2 地球繞太陽運行示意圖地球繞太陽運行示意圖 太陽活動2022-7-6 地面輻射的時空變化特點是：地面輻射的時空變化特點是： 全年以赤道獲得的輻射最全

2、年以赤道獲得的輻射最多，極地最少。這種熱量不均勻分布，必然導致地表各緯度的多，極地最少。這種熱量不均勻分布，必然導致地表各緯度的氣溫產生差異，在地球表面出現(xiàn)熱帶、溫帶和寒帶氣候；氣溫產生差異，在地球表面出現(xiàn)熱帶、溫帶和寒帶氣候； 太太陽輻射夏天大冬天小，它導致夏季溫度高而冬季溫度低陽輻射夏天大冬天小，它導致夏季溫度高而冬季溫度低。4.1.2 太陽輻射地區(qū)太陽平均輻射強度kWh/(m2d) W/m2 熱帶、沙漠56210250溫帶35130210陽光較少地區(qū)（北歐） 23 80130 不同地區(qū)太陽平均輻射強度2022-7-6地球上的能流圖4-4 地球上的能流2022-7-64.2 太陽能的轉換與

3、應用 太陽能必須即時轉換成其他形式能量才能貯存和利用，轉換的方式主要有以下幾種：（1）太陽能熱能轉換，并以熱能形式貯存（2）太陽能電能轉換，并以電能形式貯存（3）太陽能氫能轉換，并以氫能形式貯存（4）太陽能生物質能轉換，并貯存于生物 質（5）太陽能機械能轉換，并以機械 能形式貯存2022-7-64.2.1 太陽能應用的發(fā)展史太陽能應用的發(fā)展史第一階段（19001920年）第二階段（19201945年）第三階段（19451965年）第四階段（19651973年）第五階段（19731980年）第六階段（19801992年）第七階段（19922005年）2022-7-64.2.2 太陽能的技術應用1

4、太陽能采集 （1）平板集熱器 （2）真空管集熱器 （3）聚光集熱器2022-7-62太陽能的轉換 （ 1）太陽能熱能轉換 （2）太陽能電能轉換 （3）太陽能氫能轉換 （4）太陽能生物質能轉換 （5）太陽能機械能轉換 2太陽能的轉換2022-7-63太陽能貯存 （1）熱能貯熱 （2）電能貯存 （3）氫能貯存 （4）機械能貯存2022-7-64太陽能傳輸 （1）直接傳輸 （2）間接傳輸2022-7-65. 太陽能的利用 （1）太陽輻射的熱能利用 （2）太陽能光熱利用 （3）太陽能熱發(fā)電 （4）太陽能綜合利用 （5）太陽能光伏發(fā)電技術2022-7-6太陽能的利用機械工業(yè)出版社2022-7-6機械工業(yè)

5、出版社2022-7-62022-7-62022-7-6尚德大型太陽能發(fā)電幕墻2022-7-62022-7-6美國最大的光伏發(fā)電站-12022-7-6美國最大的光伏發(fā)電站-22022-7-62022-7-62022-7-62022-7-62022-7-62022-7-62022-7-62022-7-62022-7-64.3 太陽能電池與光伏 發(fā)電原理4.3.1 太陽能電池 太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等種類。單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。 2022-7-632太陽能電池原理 太陽能電池的原理是基于半導體的光伏效

6、應，將太陽輻射直接轉換為電能。 所謂光電效應，就是指物體在吸收光能后，其內部能傳導電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產生出電流和電動勢的效應。在氣體、液體和固體中均可產生這種效應，而半導體光伏效應的效率最高。機械工業(yè)出版社2022-7-61. 半導體的內部結構 圖4-5 一般的半導體結構2022-7-6 2. P型半導體的結構 圖4-6 P型半導體2022-7-63. N型半導體的結構 圖4-7 N型半導體2022-7-64. 太陽能電池晶片的組成 圖4-8 太陽電池晶片2022-7-65. 太陽能晶片受光的物理過程 圖4-9 太陽能晶片受光的物理過程 2022-7-6太陽能電池的分類

7、1. 單晶硅太陽能電池 2. 多晶硅太陽能電池 3. 非晶硅太陽能電池2022-7-64.3.2 太陽能光伏發(fā)電原理 1.太陽能電池陣列2.逆變器3.用電設備4.進戶計量儀表2022-7-6圖4-10 典型的光伏發(fā)電系統(tǒng) 1. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構2022-7-62 .系統(tǒng)組成（1）太陽能電池組件：由太陽能電池（也稱光伏電池）按照系統(tǒng)的需要串聯(lián)或并聯(lián)而組成的矩陣或方陣，在太陽光照射下將太陽能轉換成電能，它是光伏發(fā)電的核心部件。 （2）充放電控制器、逆變器 本部分除了對蓄電池或其他中間蓄能元件進行充放電控制外，一般還要按照負載電源的需求進行逆變，使光伏陣列轉換的電能經過變換后可以供一般的用電

8、設備使用。 （3）蓄電池、蓄能元件及輔助發(fā)電設備 蓄電池或其他蓄能元件如超導、超級電容器等是將太陽能電池陣列轉換后的電能儲存起來，以使無光照時也能夠連續(xù)并且穩(wěn)定的輸出電能，滿足用電負載的需求。 2022-7-63. 光伏系統(tǒng)分類（1）小型太陽能供電系統(tǒng)（Small DC） 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中只有直流負載而且負載功率比較小，整個系統(tǒng)結構簡單，操作簡便。如在我國的西北地區(qū)大面積推廣使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，負載為直流節(jié)能燈、家用電器等，用來解決無電地區(qū)家庭的基本照明和供電問題。 圖4-11 小型太陽能供電系統(tǒng) 2022-7-6（2）簡單直流系統(tǒng)（Simple DC） 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中負載為直

9、流負載，而且負載的使用時間沒有特別要求，負載主要在日間使用，系統(tǒng)中沒有蓄電池，也不需要控制器。整個系統(tǒng)結構簡單，直接使用太陽能電池陣列給負載供電，光伏發(fā)電的整體效率較高。如光伏水泵就使用了這種類型的光伏系統(tǒng)。 圖4-12 簡單直流供電系統(tǒng) 2022-7-6 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中同時含有直流負載和交流負載，整個系統(tǒng)結構比較復雜，整個系統(tǒng)的規(guī)模也比較大，同樣需要配備較大的太陽能光伏陣列和較大的蓄電池組。如在一些同時具有交流和直流負載的通信基站或其他一些含有交流和直流負載的光伏電站中使用了這種類型的光伏系統(tǒng)。（4）交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC） 圖4-14 交流、直流供電系統(tǒng) 2022-7-6（5

10、）并網系統(tǒng)（Utility Grid Connect） 這種系統(tǒng)的最大特點是太陽能電池陣列轉換產生的直流電經過三相逆變器（DC/AC）轉換成為符合公共電網要求的交流電并直接并入公共電網，供公共電網用電設備使用和遠程調配。這種系統(tǒng)中所用的逆變器必需是專用的并網逆變器，以保證逆變器輸出的電力滿足公共電網的電壓、頻率和相位等性能指標的要求。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和太陽能電池陣列作為本地交流負載的電源，降低了整個系統(tǒng)的負載缺電率；而在夜晚或陰雨天氣，本地交流負載的供電可以從公共電網獲得。圖4-15 并網發(fā)電系統(tǒng) 2022-7-64.4.1 光伏陣列的組成與輸出特性光伏陣列的組成與輸出特性4.4

11、MPPT光伏發(fā)電變換與控制技術1光伏電池的電特性光伏電池的等效電路如圖4-18.2022-7-6 電流I為太陽能電池輸出電流，Id為二極管工作電流，IRsh 為漏電流，ILG為光電池電流源，Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；Rs：光伏電池的串聯(lián)等效電阻。 圖4-18 光伏電池等效電路圖2022-7-6光伏電池的輸出特性方程： 式中：shRdLGIIII-=exp() 1SLGosSshVIRqIIVIRAKTR=-)11(exp3TTBKqETTIIrGOroros-=1000)298(1-=TkIISCRLG并聯(lián)電阻Rsh越大，不會影響短路電流的數(shù)值。所以下面設計中忽略Rsh，得到簡化的光伏電池輸出特性方程：1)(exp-=SosLGIRVAKTqIII I：光伏電池輸出電流；V：光伏電池輸出電壓；IOS：光伏電池暗飽和電流 T：光伏電池的表面溫度；k：波爾茲曼常數(shù) (1.38*10-23 J/。K) ：日照強度；q：單位電荷(1.6*10-19C)；K1 ：短路電流的溫度系數(shù)；ISCR：標準測試條件（光伏電池溫度25，日照強度為1000W/m2）下，光伏電池的短路電流；ILG：光電流；EGO：半導體材料的禁帶寬度；Tr：參考溫度(301.18。K)；Ior：Tr下的暗飽和電流；A,B：理想因