太陽(yáng)能發(fā)電家用系統(tǒng)的研究

1、研究生課程論文太陽(yáng)能發(fā)電家用系統(tǒng)的研究課程名稱新能源發(fā)電技術(shù)姓名學(xué)號(hào)1201401006專業(yè)電氣工程（工程碩士）任課教師曠建軍開課時(shí)間2012-2013學(xué)年下學(xué)期教師評(píng)閱意見：論文成績(jī)?cè)u(píng)閱日期提交時(shí)間2013年_02月01 日1 緒論 在地球環(huán)境污染和能源形勢(shì)的變化日趨嚴(yán)峻的背景下，太陽(yáng)能作為綠色能源越來(lái) 越 受到世界各國(guó)的重視。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的主要形式，具有廣闊的發(fā)展前景。 隨著 光伏組件價(jià)格的不斷降低和光伏技術(shù)的發(fā)展， 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由現(xiàn)在 的補(bǔ)充 能源向替代能源過渡。 本文綜述了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)研究的發(fā)展概況、 研究動(dòng)態(tài) 及應(yīng)用前景。并對(duì)家 用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)做了一系列的研制

2、。1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)狀及本課題的研究意義太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換利用方式有光化學(xué)轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換等三種方式。光化學(xué)利用主要指太陽(yáng)能光合作用、太陽(yáng)能化學(xué)儲(chǔ)存、太陽(yáng)能催化光解水制氫、太陽(yáng) 能光 電化學(xué)轉(zhuǎn)換等方面的新技術(shù) , 其中令人看好的太陽(yáng)能制氫技術(shù)將可能是促進(jìn)人類 大規(guī)模 利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。太陽(yáng)能熱發(fā)電隨著技術(shù)的發(fā)展 , 成本逐漸降低 , 變得越來(lái)越可行。 熱利用的主要形式是太陽(yáng)能熱水器、 太陽(yáng)能建筑以及太陽(yáng)能熱發(fā)電。 太陽(yáng)能熱水 器是太陽(yáng)能熱利用中商業(yè)化程度最高、 應(yīng)用最普遍的技術(shù)產(chǎn)品。 光一電轉(zhuǎn) 換是利用光生 伏打效應(yīng)原理制成光伏電池，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能加以利用。 “光伏

3、 發(fā)電”是將太陽(yáng)光 的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式 3 。1.1.1 國(guó)外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀 近幾年來(lái)，全世界太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)量平均每年增長(zhǎng)近 40%，2004 年全世界生產(chǎn)總量高達(dá)1000M W本世紀(jì)以來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了包括太陽(yáng)能電池在內(nèi)的可再 生能源發(fā)展計(jì)劃。太陽(yáng)能電池的研究和生產(chǎn)在亞洲、美洲、歐洲大規(guī)模展開。日本和 美國(guó)為爭(zhēng)奪世界光伏市場(chǎng)的霸主地位，爭(zhēng)相出臺(tái)太陽(yáng)能技術(shù)的研究開發(fā)計(jì)劃，如到 2010年，日本計(jì)劃累計(jì)安裝5OOOMW（NED0）本新陽(yáng)光計(jì)劃；美國(guó)計(jì)劃累積安裝4600 MW （含百萬(wàn)屋頂計(jì)劃）。發(fā)展中國(guó)家印度處于領(lǐng)先地位，目前累計(jì)裝機(jī)容量約 40MW光伏 發(fā)電產(chǎn)業(yè)的

4、年銷售額將從 2004年的 70億美元增加到 2010年的 300億美元。 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀從 20 世紀(jì) 90 年代起，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電市場(chǎng)平穩(wěn)發(fā)展，年增長(zhǎng)速度在 20%左右，其 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展己初具規(guī)模，已廣泛應(yīng)用到我們生活的多個(gè)方面，如通訊、交通、公共設(shè) 施（如 路燈照明）、家庭生活用電等領(lǐng)域。進(jìn)人 21 世紀(jì)，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電市場(chǎng)呈現(xiàn)加速 發(fā)展趨勢(shì)， 我國(guó)政府目前正在制訂 新能源和可再生能源發(fā)展規(guī)劃 ，將出臺(tái)一系列扶持光伏發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。太陽(yáng)能是潔凈無(wú)污染的巨大能源，最大限度地開發(fā)利用 太陽(yáng)能。將是人 類新能源利用方面的科技發(fā)展方向。我國(guó)2003? 2009年在農(nóng)村電網(wǎng)建

5、設(shè)中每年安裝70兆瓦光伏發(fā)電系統(tǒng)，2010? 2020年將普及推廣應(yīng)用每年平均安裝 100 兆瓦光伏發(fā)電系。21.2.3項(xiàng)目研究開發(fā)的目的和意義目前太陽(yáng)能熱水器家喻戶曉，雖然太陽(yáng)能光伏發(fā)電在家用電器中已經(jīng)有所應(yīng)用， 但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到要求，所以對(duì)家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的研究，是非常必要的。本項(xiàng)目研究開發(fā)的目的和意義就是探索一條太陽(yáng)能光伏發(fā)電在家用電器應(yīng)用的新 路，發(fā)揮太陽(yáng)能光伏發(fā)電適宜分散供電的優(yōu)勢(shì)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)推廣使用家用光伏發(fā)電系 統(tǒng)或建設(shè)小型光伏電站，解決無(wú)電人口的供電問題。為今后太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)的普及鋪 好路打好基礎(chǔ)。1.2.4項(xiàng)目研究開發(fā)的目的和意義本項(xiàng)目以家用電器為對(duì)象，研究開發(fā)家用太陽(yáng)能

6、發(fā)電的相關(guān)技術(shù)問題。系統(tǒng)框圖 如圖1.1所示圖1.1家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)框圖工作原理為：在白天光照條件下，主控 CPU電路檢測(cè)到太陽(yáng)能電池有正常輸出， 控制DC/DC變換器，跟蹤最大功率，并開啟充電控制電路，給蓄電池充電，同時(shí)通過 DC/AC逆變器變換為交流電，經(jīng)由切換控制電路為家用電器提供電源。 天黑后，太陽(yáng) 能 電池停止工作，此時(shí)主控CPU電路檢測(cè)到太陽(yáng)能電池?zé)o輸出，由蓄電池經(jīng)DC/AC逆變 器給家用電器供電。在系統(tǒng)檢修或蓄電池電壓不能達(dá)到要求電壓時(shí)，通過切換控制電 路換接到原供電線路2光伏電池的工作原理光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。 它的種類很多，大

7、致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。其中硅光伏電池包 括單 晶硅、多晶硅、非晶硅電池；化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化傢光伏電池等。目 前大規(guī)模使用的主要是單晶硅和多晶硅電池。2.1.1光伏電池的光伏效應(yīng)當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當(dāng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材 料 構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平 衡載流子-電子和空穴。由于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘 區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴， 在內(nèi)建靜

8、電場(chǎng)的作用下，各相向反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)升高，N區(qū)電勢(shì)降低，P-N結(jié)兩端形成電動(dòng)勢(shì)，這就是 P-N結(jié)的光伏效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非 平衡載流子向反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自N區(qū)流向P區(qū)的光生電流，在P-N結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流Isc。在P-N結(jié)開路情況下，P-N結(jié)兩端建立起光生電勢(shì)Voc 這就是開路電壓。如將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，P-N結(jié)起了電源的作用，這就是光伏電池的基本工作原理。顯然，光伏電池之所以能在光照下形成短路電流Isc,開路電壓Voo,都是由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場(chǎng) 的緣故。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就

9、有“光生電流”流過, 從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸使用的電能。團(tuán)2一】理姐狀態(tài)附太陽(yáng)艇電池籌效曲蹄圖但是在實(shí)際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極導(dǎo)體電阻和接觸電阻，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗，在等效 電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 &來(lái)表示；同時(shí)，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這 種作 用可用一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh來(lái)等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖2.2來(lái)描述個(gè)理想的光伏電池，因串聯(lián)的匕很小，并聯(lián)的 Rsh很大，所以進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)， 它們都 可忽略不計(jì)

10、。致使理想的等效電路只相當(dāng)于一個(gè)電流為 Iph的恒流源與一個(gè)二 極管并聯(lián)（如圖2.1所示）。此外硅型光伏電池等效電路還應(yīng)包含由 P-N結(jié)形成的其它 分布電容。由于光伏電池是直流設(shè)備，通常沒有高頻交流分量，因此這些電容也可 忽略不計(jì)。圖2.2實(shí)際光伏電池等效電路圖3系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體框圖太陽(yáng)能電池5片牝咕伶h DC/ACA/D轉(zhuǎn)換電跨單向取向來(lái)包僚供切換控制電路去電器負(fù)載控制屯驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路80C196KC圖3.1系統(tǒng)總體方框圖IkW家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1所示。由圖可以看出系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：太陽(yáng)能電池陣列、單向 DC/DG雙向DC/DC AD轉(zhuǎn)換電路、80

11、C196KC切換控制電路等。系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池的輸出電壓upv和電流ipv、直流母線電壓uH和電 流&以及蓄電池兩端的端電壓丸和電流 L均由霍爾傳感器（電壓和電流兩種類型） 采 樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送入CPU中。系統(tǒng)主要進(jìn)行以下工作：1、CPU通過檢測(cè)太陽(yáng)能電池輸出電壓、電流值并通過計(jì)算功率值來(lái)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制。2、當(dāng)CPI檢測(cè)太陽(yáng)能電池輸出電壓、電流和蓄電池端電壓、電流達(dá)不到負(fù)載要求或者 系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí)，CPU各輸出控制信號(hào)到控制切換開關(guān)自動(dòng)切換到原供電線路。3.2系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)要完成的功能不同，將整程序分為以下幾個(gè)模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊、最大功率跟蹤控制模

12、塊、顯示模塊。根據(jù)采樣所得的太陽(yáng)能電池 陣列的 電壓和電流信號(hào)、直流母線電壓和電流信號(hào)以及蓄電池端電壓和電流信號(hào)來(lái)選4系統(tǒng)的部分電路Matlab仿真Matlab/simulink 仿真工具為復(fù)雜系統(tǒng)提供了快捷、簡(jiǎn)單、方便的建模仿真環(huán)境， 其中Power System Blockset庫(kù)可直接為電力系統(tǒng)提供模塊化仿真 呵。本系統(tǒng)就是在 Matlab仿真環(huán)境下，利用現(xiàn)成模塊，編寫 S函數(shù)，建立了部分電路的仿真，為系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)提供可行的方案。4.1光伏電池等效電路的Matlab仿真基于光伏電池的物理特性建立了太陽(yáng)能光伏電池陣列的仿真模型，并對(duì)不同光照 下太陽(yáng)能電池陣列的輸出I-V特性以及P-V特性進(jìn)

13、行了仿真。圖4.1光伏電池仿真框圖4.2光照強(qiáng)度變化時(shí)光伏電池的輸出特性光照強(qiáng)度的大小直接影響太陽(yáng)能光伏電池輸出電能的多少。日照強(qiáng)度越強(qiáng)，光伏電池的輸出功率就越大；反之，輸出功率就越小。由于光生電流Iph受日照強(qiáng)度影響比較 大，而且與日照強(qiáng)度成正比例關(guān)系，因此，可以通過改變S值來(lái)等效地模擬不同 日照強(qiáng)度下光伏電池的輸出特性曲線及輸出功率曲線。仿真參數(shù)設(shè)為1=0.0008，t=300K, Rsh=5000Q RS=2.25Q環(huán)境溫度298K,器件溫度 330K,選取一組不同的R值對(duì)S賦的值分別為lkW/m2, 0.7kW/m2, 0.4kW/m2進(jìn) 行仿 真，得到一組輸出電流、電壓、功率值，然后

14、可以得出光伏電池的輸出特性擬合曲線如圖4. 2、圖4. 3。654321圖4.2光伏電池I V曲線0000000000000000009S7654321圖 I圖4. 3光伏電池P-V曲線仿真結(jié)果表明，光伏電池的輸出特性呈非線性，并且每條曲線都有一個(gè)最大功率 點(diǎn)。在溫度不變的情況下，隨著日照強(qiáng)度的增強(qiáng)，光伏電池的最大輸出功率也不斷增 大，日照強(qiáng)度越大，光伏電池的輸出電能就越大。5 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)本文對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)做了較全面的研究， 主要進(jìn)行了以下幾方面的工 作: 結(jié)合最新的國(guó)內(nèi)外資料，分析、探討了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)研究的開發(fā)背景、研 究動(dòng)態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)以及應(yīng)用前景。 分析了太陽(yáng)能電池的原

15、理和基本特性， 根據(jù)光 伏電池的 I-V 和 P-V 特性曲線，對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤進(jìn)行研究， 比較各種 跟蹤方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本論文提出一種對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理的雙向變換器系統(tǒng)， 該系統(tǒng)對(duì)蓄電 池的充放電進(jìn)行有效控制、 保護(hù)蓄電池不受損壞、 延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命、 充分 利用太陽(yáng)能、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理等特點(diǎn)。家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的后級(jí)，采用輸出為正弦波電壓，并具有升壓和一定 保護(hù)功能 的逆變器電路，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。對(duì)光伏電池等效電路和系統(tǒng)前級(jí)簡(jiǎn)單的 Buck 電路以及后級(jí)逆變電路進(jìn)行 了 Matlab 仿真，從中可以看到，用仿真來(lái)設(shè)計(jì)家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的電力電 子電路，修改 電路結(jié)構(gòu)和參

16、數(shù)更方便，觀察設(shè)計(jì)的效果更直觀。為整個(gè)系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)提供了較為準(zhǔn) 確的仿真數(shù)據(jù)。 75.2 展望本文采用理論分析、 仿真相結(jié)合的手段， 對(duì)家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)作了初步探 討研究，撰寫論文的過程也是前期工作的階段性總結(jié)。由于時(shí)間和精力的限制， 所涉及的內(nèi)容不 夠充實(shí)。有關(guān)后續(xù)研究工作，可望在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)展 :最大功率跟蹤技術(shù)是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，在考察各種MPPT方案的可靠 性、穩(wěn)定性、快速性和控制精度等多個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)基礎(chǔ)上，找出更為可靠、 高效的MPPT控制策略。并網(wǎng)是太陽(yáng)能以后的發(fā)展方向9。需要對(duì)逆變器做進(jìn)一 步的深入研究，使之更好地與電網(wǎng)并接。另外，減少逆變器損耗，提高其效率也 是下

17、一步需要解決的問題?？紤]系統(tǒng)各單元電路之間的最佳匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)問 題，將是今后研究的重點(diǎn)。 8由于本文所做的工作只限于理論以及仿真實(shí)驗(yàn)研究。因此 , 下一步將搭建試 驗(yàn)平臺(tái)，將具體的算法用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)主要參考文獻(xiàn)1、王長(zhǎng)貴.新能源和可再生能源的現(xiàn)狀和展望 m太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集， 2003， 2(2): 14-172、銀通投資咨詢公司 . 全球發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一一太陽(yáng)能光伏發(fā)電業(yè) J, 產(chǎn)經(jīng)透視， 2006, 5(4): 39-413、余世杰，何慧若，曹仁賢.光伏水泵系統(tǒng)中CVT及MPPT勺控制比較J，太 陽(yáng) 能學(xué)報(bào)， 1998,19(4): 394-3984、MehmetAkba

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