太陽(yáng)能應(yīng)用光伏發(fā)電與控制技術(shù)課件

太陽(yáng)能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)ZWM1987/29/20237/29/20234.1太陽(yáng)的輻射及太陽(yáng)能簡(jiǎn)介

4.2太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換與應(yīng)用4.3太陽(yáng)能電池與光伏發(fā)電原理4.4MPPT光伏變換與控制技術(shù)4.5光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)與控制策略4.6光伏發(fā)電的制約因素與經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)本章主要內(nèi)容7/29/20234.1太陽(yáng)的輻射及太陽(yáng)能簡(jiǎn)介4.1.1太陽(yáng)簡(jiǎn)介圖4-1太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)7/29/2023圖4-2地球繞太陽(yáng)運(yùn)行示意圖

太陽(yáng)活動(dòng)7/29/2023

地面輻射的時(shí)空變化特點(diǎn)是：①全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(dǎo)致地表各緯度的氣溫產(chǎn)生差異，在地球表面出現(xiàn)熱帶、溫帶和寒帶氣候；②太陽(yáng)輻射夏天大冬天小，它導(dǎo)致夏季溫度高而冬季溫度低。4.1.2太陽(yáng)輻射地區(qū)太陽(yáng)平均輻射強(qiáng)度kWh/(m2·d)

W/m2

熱帶、沙漠5－6210－250溫帶3－5130－210陽(yáng)光較少地區(qū)（北歐）2－380－130不同地區(qū)太陽(yáng)平均輻射強(qiáng)度7/29/2023地球上的能流圖4-4地球上的能流7/29/20234.2太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換與應(yīng)用

太陽(yáng)能必須即時(shí)轉(zhuǎn)換成其他形式能量才能貯存和利用，轉(zhuǎn)換的方式主要有以下幾種：（1）太陽(yáng)能――熱能轉(zhuǎn)換，并以熱能形式貯存（2）太陽(yáng)能――電能轉(zhuǎn)換，并以電能形式貯存（3）太陽(yáng)能――氫能轉(zhuǎn)換，并以氫能形式貯存（4）太陽(yáng)能――生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換，并貯存于生物質(zhì)（5）太陽(yáng)能－－機(jī)械能轉(zhuǎn)換，并以機(jī)械能形式貯存7/29/20234.2.1太陽(yáng)能應(yīng)用的發(fā)展史第一階段（1900～1920年）第二階段（1920～1945年）第三階段（1945～1965年）第四階段（1965～1973年）第五階段（1973～1980年）第六階段（1980～1992年）第七階段（1992～2005年）7/29/20234.2.2太陽(yáng)能的技術(shù)應(yīng)用1．太陽(yáng)能采集※（1）平板集熱器※（2）真空管集熱器※（3）聚光集熱器7/29/20232．太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換※（1）太陽(yáng)能――熱能轉(zhuǎn)換※（2）太陽(yáng)能――電能轉(zhuǎn)換※（3）太陽(yáng)能――氫能轉(zhuǎn)換※（4）太陽(yáng)能――生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換※（5）太陽(yáng)能－－機(jī)械能轉(zhuǎn)換2．太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換7/29/20233．太陽(yáng)能貯存※（1）熱能貯熱※（2）電能貯存※（3）氫能貯存※（4）機(jī)械能貯存7/29/20234．太陽(yáng)能傳輸※（1）直接傳輸※（2）間接傳輸7/29/20235.太陽(yáng)能的利用※（1）太陽(yáng)輻射的熱能利用※（2）太陽(yáng)能光熱利用※（3）太陽(yáng)能熱發(fā)電※（4）太陽(yáng)能綜合利用※（5）太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)7/29/2023太陽(yáng)能的利用機(jī)械工業(yè)出版社7/29/2023機(jī)械工業(yè)出版社7/29/20237/29/20237/29/2023尚德大型太陽(yáng)能發(fā)電幕墻7/29/20237/29/2023美國(guó)最大的光伏發(fā)電站-17/29/2023美國(guó)最大的光伏發(fā)電站-27/29/20237/29/20237/29/20237/29/20237/29/20237/29/20237/29/20237/29/20237/29/20234.3太陽(yáng)能電池與光伏發(fā)電原理

4.3.1太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽(yáng)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(jì)算器輔助電源等。

7/29/202332太陽(yáng)能電池原理

太陽(yáng)能電池的原理是基于半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。所謂光電效應(yīng)，就是指物體在吸收光能后，其內(nèi)部能傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生出電流和電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。在氣體、液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體光伏效應(yīng)的效率最高。機(jī)械工業(yè)出版社7/29/20231.半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-5一般的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7/29/20232.P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖4-6P型半導(dǎo)體7/29/20233.N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖4-7N型半導(dǎo)體7/29/20234.太陽(yáng)能電池晶片的組成圖4-8太陽(yáng)電池晶片7/29/20235.太陽(yáng)能晶片受光的物理過(guò)程圖4-9太陽(yáng)能晶片受光的物理過(guò)程

7/29/2023太陽(yáng)能電池的分類1.單晶硅太陽(yáng)能電池2.多晶硅太陽(yáng)能電池3.非晶硅太陽(yáng)能電池7/29/20234.3.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理太陽(yáng)能電池陣列逆變器用電設(shè)備進(jìn)戶計(jì)量?jī)x表7/29/2023圖4-10典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)1.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7/29/20232.系統(tǒng)組成（1）太陽(yáng)能電池組件：由太陽(yáng)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(yáng)光照射下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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(duì)蓄電池或其他中間蓄能元件進(jìn)行充放電控制外，一般還要按照負(fù)載電源的需求進(jìn)行逆變，使光伏陣列轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)過(guò)變換后可以供一般的用電設(shè)備使用。（3）蓄電池、蓄能元件及輔助發(fā)電設(shè)備蓄電池或其他蓄能元件如超導(dǎo)、超級(jí)電容器等是將太陽(yáng)能電池陣列轉(zhuǎn)換后的電能儲(chǔ)存起來(lái)，以使無(wú)光照時(shí)也能夠連續(xù)并且穩(wěn)定的輸出電能，滿足用電負(fù)載的需求。

7/29/20233.光伏系統(tǒng)分類（1）小型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)（SmallDC）該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中只有直流負(fù)載而且負(fù)載功率比較小，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。如在我國(guó)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(fù)載為直流節(jié)能燈、家用電器等，用來(lái)解決無(wú)電地區(qū)家庭的基本照明和供電問(wèn)題。圖4-11小型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

7/29/2023（2）簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)（SimpleDC）

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中負(fù)載為直流負(fù)載，而且負(fù)載的使用時(shí)間沒(méi)有特別要求，負(fù)載主要在日間使用，系統(tǒng)中沒(méi)有蓄電池，也不需要控制器。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接使用太陽(yáng)能電池陣列給負(fù)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(jiǎn)單直流供電系統(tǒng)

7/29/2023

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中同時(shí)含有直流負(fù)載和交流負(fù)載，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模也比較大，同樣需要配備較大的太陽(yáng)能光伏陣列和較大的蓄電池組。如在一些同時(shí)具有交流和直流負(fù)載的通信基站或其他一些含有交流和直流負(fù)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)

7/29/2023（5）并網(wǎng)系統(tǒng)（UtilityGridConnect）

這種系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是太陽(yáng)能電池陣列轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)三相逆變器（DC/AC）轉(zhuǎn)換成為符合公共電網(wǎng)要求的交流電并直接并入公共電網(wǎng)，供公共電網(wǎng)用電設(shè)備使用和遠(yuǎn)程調(diào)配。這種系統(tǒng)中所用的逆變器必需是專用的并網(wǎng)逆變器，以保證逆變器輸出的電力滿足公共電網(wǎng)的電壓、頻率和相位等性能指標(biāo)的要求。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和太陽(yáng)能電池陣列作為本地交流負(fù)載的電源，降低了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率；而在夜晚或陰雨天氣，本地交流負(fù)載的供電可以從公共電網(wǎng)獲得。圖4-15并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

7/29/20234.4.1光伏陣列的組成與輸出特性4.4MPPT光伏發(fā)電變換與控制技術(shù)1．光伏電池的電特性光伏電池的等效電路如圖4-18.7/29/2023

電流I為太陽(yáng)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7/29/2023光伏電池的輸出特性方程：式中：并聯(lián)電阻Rsh越大，不會(huì)影響短路電流的數(shù)值。所以下面設(shè)計(jì)中忽略Rsh，得到簡(jiǎn)化的光伏電池輸出特性方程：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*10-23J/。K)：日照強(qiáng)度；q：?jiǎn)挝浑姾?1.6*10-19C)；K1

：短路電流的溫度系數(shù)；ISCR：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（光伏電池溫度25℃，日照強(qiáng)度為1000W/m2）下，光伏電池的短路電流；ILG：光電流；EGO：半導(dǎo)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：理想因子，一般介于1和2之間7/29/2023光伏電池模型7/29/2023