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洛阳理工学院毕业设计（论文）I 太阳能发电系统分析与简易设计摘 要目前， 太阳能正经历着由补充能源向替代能源发展的历史阶段。 由于电力电子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加， 使得太阳能光伏并网发电发展非常迅速。 其中并网逆变器技术的发展在很大程度上提高了太阳能光伏并网发电的效率，降低了其发电成本。本文介绍了光伏发电的背景 , 研究了光伏发电的基本原理 , 在此基础上针对项目要求设计出一款符合要求的独立光伏系统 , 包括控制器基本功能的实现、控制器的保护功能和逆变器的主要电路设计及主程序流程。 该设计主要适合中小型光伏系统，具有电路简单、功能较全等优点。关键词 ： 光伏系统，控制器，逆变器洛阳理工学院毕业设计（论文）II The analysis and simple design of solar power system ABSTRACT At present, it is the historical stage that solar energy is changing from additional energy to alternative energy. As the rapid development of power electronics and increasing attention of solar photovoltatic making the development of solar photoaoltaic power generation is very fast. The grid inverter technology has greatly improved the solar photoaoltaic power generation efficiency and reducing their cost of electricity. This paper describes the background of the photovoltaic power generation, and studies the basic principles of photovoltaic power generation. On this basis, there is a project designed to meet the requirements of an independent photovoltaic system, including the realization of the basic functions of controller, controller of protection Inverter and the main circuit design process and the main program. This design is suit for small and medium-sized photovoltaic system, with the advanges of simple circuit, and completed function. KEY WORDS: Photovoltaic systems, Controller, Inverter 洛阳理工学院毕业设计（论文）III 目 录前 言 1第 1 章 绪论 . 21.1 研究背景 21.2 太阳能光伏发电的实用价值和意义 . 31.2.1 清洁能源技术经济性研究现状 . 3 1.2.2 我国太阳能资源的分布 5 1.3 光伏发电的研究应用现状和前景 61.3.1 国外研究应用现状 6 1.3.2 国内研究应用现状 8 1.3.3 太阳能光伏发电的前景 9 1.4 课题的研究内容与目标 9第 2 章光伏并网发电系统及基本原理 102.1 太阳能光伏电池的发电原理 102.2 太阳能光伏电池的特性 112.2.1 太阳能光伏电池的等效电路 11 2.2.2 太阳能光伏电池的外特性曲线 . 12 2.3 太阳能光伏发电系统的组成 142.4 太阳能光伏发电系统的分类 152.5 太阳能光伏发电系统的特点 16第 3 章太阳能光伏系统设计 . 183.1 太阳能光伏系统总体设计原则 183.2 太阳能光伏发电系统的容量设计 193.2.1 蓄电池设计方法 . 19 3.2.2 太阳能电池阵列设计 23 3.2.3 蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 . 24 3.2.4 太阳能电池方阵倾角的确定 . 25 3.2.5 太阳能电池方阵平面上的辐射量计算 26 3.2.6 太阳能电池方阵前后间距的计算 . 26 3.3 控制器设计 263.3.1 最大功率跟踪点控制设计 26 3.3.2 充放电控制设计 . 27 洛阳理工学院毕业设计（论文）IV 3.3.3 保护措施 29 3.3.4 控制器的几个重要指标 29 3.4 逆变器设计 303.4.1 逆变器原理 30 3.4.2SPWM 产生电路 . 32 3.4.3 保护电路 34 3.4.4 功率器件 IGBT 的驱动及保护原理 35 3.5 线路设计 363.6 光伏系统的其它硬件设计 36结 论 37谢 辞 38参考文献 . 39外文资料翻译 . 40洛阳理工学院毕业设计（论文）1 前 言在地球资源日渐枯竭的今天，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、 节能、 环保型新能源越来越受到世人的关注， 各国政府或企业纷纷把可持续发展的目光投向太阳能这一新型能源领域。目前，随着太阳能应用技术的不断提高，国家政府的大力扶持，太阳能的应用也越来越广泛， 目前我们国内太阳能的应用主要在以下几个方面： 通信和工业应用， 包括微波中继站、 光缆通信系统等； 农村和边远地区的独立光伏发电系统， 主要包括太阳能户用系统、 太阳能照明等； 独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村， 如家庭系统、 村级太阳能光伏电站； 在工业范围内主要用于电讯、 卫星广播电视、 太阳能水泵， 在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电 / 太阳能发电互补系统等。并网光伏发电系统，主要包括城市与建筑结合的并网光伏发电系统和大型的荒漠光伏电站， 目前这类应用尚处于试验示范阶段。光伏发电可以从根本上解决人类的能源问题，清洁无污染、太阳能也是可再生能源。专家预言，太阳能将是 21 世纪最理想的新能源之一。而我国幅员辽阔， 太阳能资源也很丰富， 这对我国普及太阳能光伏技术和利用新能源提供了有利保障。因此，光伏发电具有非常广阔的前景。洛阳理工学院毕业设计（论文）2 第 1 章 绪论1.1 研究背景切尔诺贝利核电站的创伤还未抚平， 福岛核电站的几次爆炸又把人们的心提到了嗓子眼。 在中东局势推高油价之后， 核电危机来临之际， 我们需要什么样的新能源 ?美国伯恩斯坦研究公司分析师表示： “日本本州地震可能会成为一个催化剂，从根本上改变我们解决全球能源问题的方法。 ”国家已经将 “节能、 减排” 项目列入政府的工作范围。 中国政府郑重承诺到，到 2020 年，单位国内生产总值碳排放比 2005 年减少 40~45%。清洁能源的研究和应用， 是我们珍爱地球、 保护资源， 实现可持续发展的重要途径和手段。 作为排放大户，电力企业任重道远。清洁能源不能等同于“新能源” 。新能源系指风能、太阳能、核能等；而清洁能源也可包括可以被清洁化的的那些 “不洁能源” 一传统的化石能源。 在化石能源的清洁化方面， 我国己经取得了长足进步。 如清洁煤技术， 在脱硫和粉尘治理方面已经大有改善，但主要是解决当地污染问题，对二氧化碳减排贡献不大。要发展低碳经济，还必须少用些煤。水电的开发会对生态造成负面影响； 核能会引起人们对安全的疑虑； 地热能发电陆续出现了引发地震的报道；生物质能在争议中前行。风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻， 人们对风能的研究已经相当广泛，风能的应用技术也日趋成熟。太阳能， 作为伸手可得的温暖， 其实是人类最钟情的新能源。 资料显示， 太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于 500 万吨煤。 如何把这些能量转化成能源体系中重要的替代能源可以说是人类能源战略上的终极理想。智能化的大电网， 电动汽车和大规模的使用太阳能风能的结合， 应该是最经济、 最有效、 最环保和最可持续的能源解决方案。 中国是最有条件实现此方案的国家。本文选择太阳能作为对象来进行清洁能源应用研究探讨。洛阳理工学院毕业设计（论文）3 1.2 太阳能光伏发电的实用价值和意义1.2.1 清洁能源技术经济性研究现状l)先说风能，从目前美国、欧盟、中国风能产业的迅速发展情况来看，风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻。目前，在清洁能源技术经济性研究中，风力发电是当今世界清洁能源开发利用中技术成熟、 最具备开发条件、 发展前景良好的项目， 自 90 年代以来， 风电的年增长率一直保持了两位数的百分比水平。目前风力建设投资最低己降至 1000 美元 /千瓦左右， 低于核电投资且建设时间可少于一年， 其成本逐步与煤电成本接近， 因而具有很大的竞争潜力。 据世界气象组织 (WMO) 和中国气象局气象科学研究院分析， 地球上可利用的风能资源为 200亿千瓦，是地球上可利用水能的 20 倍。一个世界范围内的风力发电高潮己经到来。 2002 年欧洲风能协会 (EWEA) 与绿色和平组织发表了一份标题为 “ 风力 ” 的报告，勾画了风电在 2020 年达到世界电量 12%的蓝图。太阳能发电是清洁能源中增长速度最高和最稳定的领域之一，估计今后 10年将以每年 20%一 30%甚至更高的递增速度发展，其作用也将逐步由作为农村和边远地区的补充能源向全社会的替代能源过渡。 位于美国波特兰的 CleanEdge公司于 2011年 3 月巧日发布的报告显示， 自 2000 年以来， 太阳能光伏市场增长了 20 倍，安装的太阳能电池板价格下降了近一半。现在，太阳能的利用已扩展到科学研究、航空航天、国防建设和日常生活的各个方面。据世界能源组织((IEA) 、 欧洲联合研究中心、 欧洲光伏工业协会预测， 2020 年世界光伏发电将占总电力的 1%，到 2040 年光伏发电将占全球发电量的 20%，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长率将高达 25%-30%。太阳能不仅仅拥有现在更拥有将来，太阳能将在 21 世纪取代原子能作为世界性能源。燃料电池技术将进一步发展， 容量增大、 性能提高、 寿命延长、 价格下降是其发展趋势。 燃料电池发电的低噪声、 高效率、 无污染性能符合未来社会的发展趋势， 其优越的运行稳定性和简单的运行方式是火力发电难以比拟的， 燃料的多样性和来源的方便性使燃料电池不存在应用上的障碍。海洋能、地热能发电产业将快速发展，城市垃圾发电技术将得到高度重视，并在世界范围内快速、普遍推广。洛阳理工学院毕业设计（论文）4 清洁能源包括太阳能、 风能等许多形式， 各种发电方式的技术要求都是不同的。 我国应该以发展太阳能发电为重点方向， 加大对其的技术经济研究。 这是因为太阳能资源分布基本上不受地域限制， 而且不会有风力发电的噪声干扰， 所以，其优势是其他发电方式所无法比拟的。2)在节能减排、低碳经济的主题下，中国的火电、水电、核电、风电、光伏发电等在过去的两年里都有不同寻常的表现。截至 2010 年底，我国风电装机容量超过 4000 万千瓦，居全球第一。中国的光伏发电产能量居世界先进行列。一个不容忽视的事实是， 在中国当前的能源结构中， 清洁能源所占比重依然微不足道。国家统计局发布的数据显示，在 2008 年中国一次能源消费量构成中，煤炭依然占了 69%的比重，煤炭、石油、天然气等化石能源共占 91%的比重；除水电所占 7.4%外，风电、太阳能、核能等所占份额不足 2%。仅就太阳能光伏发电现状和近期国家发展规划来看， 我国的清洁能源所占比例与世界发达国家相比仍有不小差距。 表 1-1 为我国与一些国家当前和未来太阳电池的累计安装容量。表 1-1 当前和未来太阳电池的累计安装量 (单位： GWp ) 年 2004 2010 2020 日本 1.2 14 30 欧洲 1.2 10 41 美国 0.34 5 36 中国 0.065 0.25 1.6（ 20）其它 1.195 6 91.4 世界 4.0 35 200 (括号内为振兴规划值 ) 国家能源局近期提出了新能源振兴规划， 新能源振兴规划提出的发展目标较原规划将明显提高。根据新能源振兴规划草案， 2020 年我国风电、太阳能光伏及核电运行的总装机容量将分别达到 1.5 亿千瓦、 2000 万千瓦 (20GWp)和 8000万千瓦。这与 2007 年分别颁布的可再生能源、核电两个中长期发展规划相比，洛阳理工学院毕业设计（论文）5 分别为原先规划的 5 倍、 11倍和 2 倍。3) 2011年 1 月 27 日， 中国工业节能与清洁生产协会公布的 《 2010 年中国节能减排产业发展报告》显示， 2010 年，中国风力发电新开工重大施工项目 378个，项目总投资额高达近 3000 亿元。而与快速发展的光伏产品市场形成鲜明对比的是，中国光伏发电产品的市场应用还很少，国内仍处于 “ 有产业、无市场 ”的局面。太阳能光伏发电，这个对很多人来讲，还是所谓 “ 陌生 ” 的新生事物，尚未走进普通百姓的生活。应当说，清洁能源是未来发展的方向，预计到 2020 年，我国清洁能源装机容量将达到 5.7 亿千瓦，占总装机容量的 35%左右。但是，光伏发电只靠光伏生产企业 “ 一头热 ” 显然不够， 光伏产业的发展是一个系统工程， 必须与配套系统步调一致才能健康发展， 要统筹解决规划问题、 电网通道问题、 接入标准问题、 调峰配套问题，需要通过技术经济研究来实现光伏发电的合理应用。1.2.2 我国太阳能资源的分布我国属于世界上太阳能最丰富的地区之一， 全年三分之二以上地区的年日照大于 2000 小时，年均辐射量约为 5900MJ/㎡。但各地分布不均，这与各地的纬度、 海拔高度、 气候条件和大气状况有关， 根据日射强度可分为 5 类， 见表 1-2。在我国开展太阳能资源利用具有得天独厚的条件，太阳能市场极具潜力。表 1-2 我国太阳能分布情况类别 包含地区 年累计日射量（ MJ/㎡）Ⅰ 宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海及西藏西部地区 6600～ 8400 Ⅱ 河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部等地区 5850～ 6600 Ⅲ 山东、 河南、 河北东南部、 山西南部、 新疆北部、 吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部等地 5000～ 5850 Ⅳ 湖南、湖北、陕西南部、 、江西、浙江、福建北部、广西、广东北部、安徽南部、黑龙江等地 4200～ 5000 Ⅴ 四川大部分、贵州、重庆等地 3350～ 4200 洛阳理工学院毕业设计（论文）6 1.3 光伏发电的研究应用现状和前景太阳能的利用形式多种多样，如热利用、发电、光利用以及其他利用等。热利用就是将太阳能转换成热能， 如太阳能热水器、 太阳能空调系统等； 太阳能发电分为热发电和光发电两种， 热发电是通过定日镜等装置收集太阳光用以加热气体或蒸汽， 然后推动汽轮机发电； 光发电是利用太阳电池将太阳光能转换成电能； 光利用主要是用于照明， 如使用光纤将太阳光引入地下室等阴暗处； 其他利用包括将太阳能转换成化学能， 例如光合作用等， 利用集光太阳光可以分解有害物质，进行材料的表面加工、处理等。其中光发电 (即光伏 )的发展十分迅速，在能源结构中所占的比重越来越大。光伏利用主要是光伏发电。 光伏利用近期在世界范围内高速发展， 我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞，特别是 2002 年在 “ 西部大开发 ” 战略的推动下，呈现出了一片繁荣景象。太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能转化为电能的发电技术，具有安全可靠、无噪声、无污染，适合分散供电，不受地域限制，无需消耗燃料，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短， 扩充能量方便， 无需架设输电线路， 可以方便的与建筑物相结合等优点。 因此目前世界上许多国家将光伏发电技术放在了可再生能源技术开发的首位， 纷纷制定计划，采取措施，增加投入以推动其发展。1.3.1 国外研究应用现状太阳能电池研发出来以后， 首先服务于空间电源， 价格十分昂贵。 为了推动太阳电池在地面的应用，单靠市场需求是不行的。从 20 世纪 70 年代开始， 一些国家政府陆续投入了很大的力量来支持太阳电池的发展。美国于 1973 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略标。自 20 世纪 80 年代以来，其它发达国家，如德国、日本、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化制造进程。洛阳理工学院毕业设计（论文）7 20 世纪 80 年代末至今， 西方的发达国家从环境和能源的可持续发展的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持光伏并网发电。例如：美国于 1988 年开始实施 PVUSA 计划，计划建立集中型光伏并网发电系统 (1MW ～ l0MW) ； 95 年实施与屋顶结合的 PVBONUS 计划； 97 年又宣布美国百万太阳能屋顶计划，总光伏安装量将达到 3025 兆瓦 (MW) 。德国于 1990年提出 1000屋顶发电计划， 所发出的电力全部由电力部门收购。98 年进一步提出 10 万屋顶计划。 99 年的光伏电网电价为每度电 0.99 马克。这些措施极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场。澳大利亚将建全球最大太阳能电网。 2009 年，澳大利亚计划建造全球最大的太阳能发电站网络，上述电网的规模将是目前最大的加州太阳能发电厂的 3倍。 澳大利亚的上述计划， 意味着它将投身于建造全球最大太阳能电厂的国际竞争。此前该国承诺，在 2020 年前， 20%的电力需求都将来自可再生能源。澳大利亚政府表示，将在太阳能领域要成为全球清洁能源的领导者。与之相应，国际上已经加紧技术攻关，大大提高了电池研制的发电转化率。目前，多晶硅光电池的转化率最高可达 15%，单晶硅的转化率最高可达 23.3%，砷化嫁光电池的转化率最高可达 25%，并且已经研制出了转化率高达 35%的高效聚光光伏电池， 各国政府正在投入巨资研究进一步提高效率， 扩大生产， 降低成本。 当光伏电池售价降至 1 美元 /Wh 时， 光伏发电的成本当达到 0.1 美元 /kWh左右时，光伏发电可以与火电相竞争。目前， 一些领先的发达国家已经开展并运行了一些先进的太阳能技术， 如系统能效技术 (一种全新的智能能源技术 )、太阳能源全息集成技术等。太阳能源全息集成技术是充分利用太阳能全波段光谱， 贯穿了太阳能源从生产、 储运、 应用和回收的生命周期四环节， 实现太阳能的光、 热、 电及光化学的能效最佳的综合应用。在太阳能电池领域，出现了非晶硅 +微晶硅双结膜太阳能电池，硅料用量大大减少， 电池总体效率较晶硅电池有所提高。 一些新型太阳能电池正陆续试制成功。从世界范围来讲， 光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段， 现在正在向大批量生产和规模应用发展， 从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并洛阳理工学院毕业设计（论文）8 网发电，其应用范围也己遍及几乎所有的用电领域。1.3.2 国内研究应用现状中国从 1958 年开始进行光伏元器件研究， 20 世纪 70 年代初成功地制造空间光伏电源之后， 即开展光伏技术的地面应用。 中国研制的航标灯光伏电源、 太阳能灯塔和气象用光伏电源、 通信用光伏电源在 20 世纪 70 年代己开始应用， 但规模很小。 1977 年，中国光伏电池产量只有 1.1kW，价格高达 200 元 /W，光电转换效率为 6%～ 10%。20 世纪 80 年代开始， 中国先后引进了一批美国的单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池生产设备，使得中国的光伏产业开始起步。至 1987 年底，中国光伏电池产量达到 100kW/年，单晶硅太阳能电池的价格降到 40～ 45 元 /W，光电转换效率达到 8%～ 12%。至 2000 年底，中国己形成 8.5MW/年的太阳能电池的生产能力，其中，单晶硅太阳能电池产量为 6.5MW/年，非晶硅太阳能电池产量为 2.0MW/年。 1997年，中国单晶硅光伏电池总产量为 1.5MW， 2001 年达到 3.0MW。价格从 1997年的 42～ 47 元 /W 降为 2001 年的 35～ 40 元 /W。其中非晶硅太阳能电池产量为400kW，价格为 23～ 25 元 /W。以深圳为中心的周边地区已经形成中国最大的光伏器件及系统来料加工区， 2000 年用进口光伏电池封装组成的太阳能草坪灯，太阳能庭院灯和各种光伏系统出口总量达 2MW 以上。中国的增长不会停止。它在 1 年前超过美国，成为绿色能源领域的领先者。中国现在生产的风能和太阳能设备占全世界的将近一半。中国 2010 年的清洁能源投资达到 544 亿美元， 比上一年增长 39%。 美国在绿色能源创新和资本方面发挥着领先作用，但是在制造方面落后。近年来，已经筹建的太阳能光伏公司有宁波 2MW/ 年太阳能电池用多晶硅片、河北保定 3MW/年多晶硅太阳能电池、无锡 10MW/ 年多晶硅太阳能电池和天津 5MW/ 年非晶硅太阳能电池灯。在 “ 十一五 ” 期间，我国光伏电池的生产能力有了很大的增长， 中国的太阳能电池板产量己经连续四年世界第一， 中国已经成为全世界最大的太阳能电池板生产基地。 但是， 有资料显示， 我国生产的太阳能电池板 95%以上都用于出口， 也就是说， 在环保经济的世界竞争中， 中国光伏产业己经再一次沦为代加工大国。 如何让太阳能照进内需？实际上是我们需要加强洛阳理工学院毕业设计（论文）9 国内应用研究的一个十分重要的课题。目前， 国内的光伏发电站建设情况主要有： 甘肃敦煌 8MW 太阳能光伏发电站； 166MW 云南石林太阳能发电站；位于宁夏回族自治区石嘴山市的中节能尚德石嘴山 50MW 一期 10MW 发电项目于 2009 年国庆前夕正式并网投产，是国内第一个 10 兆瓦级太阳能光伏发电项目， 后续项目分两期实施， 于 2011 年全部建成；青海柴达木预计 2020 年将建成世界首座 GW 级 (100 万千瓦 )太阳能电站。开发利用太阳能资源建设光伏并网发电系统， 对减轻我国能源供应压力、 抑制二氧化碳排放、 减少城市污染起到积极作用。 发展太阳能技术和产业已经成为了国家的发展战略，涉及到国家的能源政策、环保政策和气候变化政策。1.3.3 太阳能光伏发电的前景为了适应世界能源趋势的发展潮流， 中国通过了一系列政策和法案来鼓励和发展新能源。 2004 年 6 月 30 日，温家宝总理主持召开的国务院常务会议，讨论并原则通过了 “ 大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略 ” 。 2005 年 2 月 28 日，十届人大常委会第十四次会议通过了《可再生能源法》 ，国家主席胡锦涛以第 33 号主席令公布，自 2006 年1 月 1 日起实行。 前者为将发展新能源和可再生能源列入国家的能源发展战略立了 “ 户口 ” ， 后者通过立法对新能源和可再生能源的发展给予了法律上的支持和保证。中国也因此成为继德国后，世界上第二个颁布《可再生能源法》的国家。我国 《可再生能源法》 的颂布， 将有力促进我国太阳能工业发展， 特别是光伏行业， 可以预见， 从现在起， 我国光伏产业的发展将进入一个新的高潮， 在 3～5 年内我国在太阳电池研发、 生产和应用产品开发将在东部沿海地区形成一个世界级的产业基地，将在国际光伏产业中占有重要的地位。1.4 课题的研究内容与目标⒈ 清楚从太阳能到电能的转换过程。⒉ 了解太阳能发电系统的几个组成部分，以及各部分的特点和工作原理。⒊ 太阳能发电系统典型硬件电路的分析。⒋ 设计一简易电路来完成太阳能发电功能。洛阳理工学院毕业设计（论文）10 第 2 章 光伏并网发电系统及基本原理2.1 太阳能光伏电池的发电原理如图 2-1 所示， 太阳能光伏电池理论上相当于一个半导体二极管， 其 P-N 结是将一些特殊的杂质掺入到半导体晶体中形成的。 当太阳光照射到光伏电池板上时产生了光生伏特效应， 从而直接将太阳光的光能转变成电能。 其工作原理概述如下： 由于太阳光光照的作用， 将有光子冲击光伏电池内部的价电子， 导致部分价电子因为得到了超过禁带宽带的能量而脱离共价键的束缚，从价带跃升到导带， 在半导体的内部产生了电子 --空穴对。 这些新形成的电子 -空穴对处于不平衡状态， 因此为了达到新的平衡状态必须在半导体内部进行大量的复合和碰撞。 这个复合过程对外并不能表现出导电的能力， 而是以太阳能光伏电池能量的自损耗形式表现。而光伏电池表现导电能力的是光生电场，光生电场只有运动到 P-N结区域的少数载流子才能产生。 接通外电路后， 光生电场就会有电流输出提供给负载。图 2-1 太阳能光伏电池原理图○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ +○ + ○ + ○ + ○ + ○ +○ - ○ - ○ - ○ - ○ -○ - ○ - ○ - ○ - ○ - ○ - ○ - ○ - ○ - ○ -○ - ○ + ○ - ○ + ○ - ○ +P 型P-N 结负载电阻洛阳理工学院毕业设计（论文）11 2.2 太阳能光伏电池的特性2.2 .1 太阳能光伏电池的等效电路基于单二极管模型的太阳能光伏电池等效的等效电路如图 2-2 所示：图 2-2 光伏电池的等效电路图 2-2 中各个量的具体涵义如下 ： OCU — 电池板的开路电压； LR — 电池的外负载电阻； SR — 串联电阻，串联电阻的值比较小，阻值大约为 1 欧姆； LI —输出电流； shR — 电池板的旁路电阻， 一般比较大， 阻值最大可达儿千欧姆； jC —结电容，其值很小，通常情况下可以忽略不计； DI — 暗电流； phI — 光生电流。根据电路理论的相关知识， 对上面的等效电路图进行计算， 有如下所示的关系式：0(exp 1)DDqUI IAkT(2-1) 0( )[exp( 1)]OC L S DL phshq U I R UI I IAkT R (2-2)0[exp 1]OCSCqUI IAkT (2-3) 0ln( 1)SCOC IAkTU q I (2-4) 洛阳理工学院毕业设计（论文）12 上面的 4 个式子中， 0I 表示光伏电池等效二极管的 P-N 结的反向饱和电流；SCI 表示电池的短路电流； DU 表示等效二极管两端的电压； q 表示电子电荷量，值为 191.6 10 C ； k 为波尔兹曼常数， 大小为 40.86 10 /eV K ； T 表示绝对温度；A 为 P-N 结的曲线常数。在强光条件下， phI 远远大于 0I ，则有：0ln( )phOC IAkTU q I (2-5) 在弱光条件下， phI 远远小于 0I ，此时有：0( )phOC IAkTU q I (2-6) 为了计算和分析的更加方便， 在弱光条件下， 我们认为光照强度与太阳能光伏电池的开路电压可近似为线性关系。 因此， 此时我们可以得到在理想状况下等效电路方程如下所示：L ph DI I I (2-7) 2.2 .2 太阳能光伏电池的外特性曲线由上述的公式 (2-1)和 (2-5)可以绘制出光伏电池的电压 -电流曲线 — 伏安特性曲线，然后得到光伏电池的功率曲线。其输出特性如图 2-3 所示，当负载电阻较小时， 工作电流较大， 工作电压较大， 随着负载电阻的逐渐增大， 工作电流慢慢减小，而工作电压则在增大。当到达图示的 M 点时输出的功率最大，我们称之为最大功率点，设 M 点的电压和电流分别为 mU 和 mI ，功率为 mP ，根据电路的知识可以计算得到：m m mP I U (2-8) 影响光伏电池的输出功率还有一个比较重要的因素 — 填充因数 (FF)， 填充因数是指最大功率点功率与 ( OC SCV I )之比 。洛阳理工学院毕业设计（论文）13 图 2-3 光伏电池的输出特性由式 (2-7)可知，在外部条件相同的情况下， FF 越大，太阳能光伏电池的输出功率也越大。 因此， 从上述可以看出填充因数也是影响太阳能光伏电池输出特性的因素之一。根据式 (2-2)和 (2-4)可知，对光伏电池的输出特性影响最大的还是温度和光强。图 2-4(a)和图 2-4(b)为光伏电池的输出特性与温度之间的关系，图 2-5(a)和图 2-5(b)所示的则是光伏电池的输出特性与光强之间的关系。图 2-4(a) 不同温度下的 I-V 曲线 图 2-4 (b) 不同温度下的 P-V 曲线当光照强度不变， 温度升高时， 光伏电池的开路电压下降， 短路电流仅仅只有略微的上升，几乎没有改变，具体如图 2-4(a)所示；光伏电池具有负的温度特性，即随着温度的升高，阵列的输出功率会下降，关系如图 2-4(b)所示。洛阳理工学院毕业设计（论文）14 图 2-5(a) 不同光强下的 I-V 曲线 图 2-5(b) 不同光强下的 P-V 曲线光强也是影响光伏电池输出的决定因素之一，如图 2-5 所示，当温度一定，光照强度发生变化时， 光伏电池的开路电压变化并不大， 但是短路电流随着光照强度的增大而增大。2.3 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应， 将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池 (组 )构成。太阳能电池板： 太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分， 其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能控制器： 太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命； 同时保护蓄电池， 避免过充电和过放电现象的发生。 如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电 (由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定 )。逆变器： 逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220 伏交流电，供给交流负载使用。蓄电池 (组 )： 蓄电池 (组 )的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。 在光伏发电系统中， 蓄电池处于浮充放电状态， 当日照量大时， 除了供给负裁用电外， 还对蓄电池充电； 当日照量小时， 这部分储存的能量将逐步洛阳理工学院毕业设计（论文）15 放出。2.4 太阳能光伏发电系统的分类根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。(1)独立供电的光伏发电系统独立供电的太阳能光伏发电系统如图 2-6 所示。 整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、 蓄电池、 控制器、 逆变器组成。 太阳能电池板作为系统中的核心部分， 其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能， 一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。 根据负载的需要， 系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节， 当发电量大于负载时， 太阳能电池通过充电器对蓄电池充电； 当发电量不足时， 太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。 控制器一般由充电电路、 放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为 .与交流负载同相的交流电。图 2-6 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图(2)并网光伏发电系统图 2-7 并网光伏发电系统结构框图洛阳理工学院毕业设计（论文）16 并网光伏发电系统如图 2-7 所示， 光伏发电系统直接与电网连接， 其中逆变器起很重要的作用， 要求具有与电网连接的功能。 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式， 其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。 带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统， 由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关， 使得系统具有不间断电源的作用， 这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。 此外， 该系统还可以充当功率调节器的作用， 稳定电网电压、 抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。 不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、 同相的交流电能， 当主电网断电时， 系统自动停止向电网供电。 当有日照照射、 光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时， 多余的部分将送往电网； 夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。(3)混合光伏发电系统图 2-8 为混合型光伏发电系统， 它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组， 当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时， 可以启动备用发电机组， 它既可以直接给交流负载供电， 又可以经整流器后给蓄电池充电， 所以称为混合型光伏发电系统。图 2-8 混合型光伏发电系统结构框图2.5 太阳能光伏发电系统的特点长期以来，太阳能光伏发电系统以其自身具有独特的特点备受人们青睐，人类从正从利用 “ 昨日阳光 ” 逐步过渡到利用 “ 今日阳光 ” 。其优点如下：(1)无枯竭危险；(2)绝对千净 (无污染，除蓄电池外 )；洛阳理工学院毕业设计（论文）17 (3)不受资源分布地域的限制；(4)可在用电处就近发电；(5)能源质量高；(6)获取能源花费的时间短；(7)供电系统工作可靠；不足之处是：(1)照射的能量分布密度小；(2)获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；洛阳理工学院毕业设计（论文）18 第 3 章 太阳能光伏系统设计太阳能光伏电站是太阳能光电应用的主要形式之一。在我国西部的无电地区， 很大程度依赖光伏电站提供电能。 光伏电站的大小一般在几千瓦到超过一兆瓦， 可根据实际的用电需求和安装地点的实际情况确定。 光伏电站安装灵活、 快速、 运行可靠。 虽然光伏发电站的初期投资相对较大， 但其运行和维护费用很低，其价格和环保优势在使用的过程中会逐渐得以体现。3.1 太阳能光伏系统总体设计原则太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计， 且软件设计先于硬件设计。软件设计主要包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵辐射量的计算，太阳能电池、 蓄电池用量的计算以及两者之间相互匹配的优化设计， 太阳能电池方阵安装倾角的计算， 系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。 硬件设计主要包括： 负载的选型及必要的设计， 太阳能电池和蓄电池的选型， 太阳能电池支架的设计， 逆变器的选型和设计， 以及控制、 测量系统的选型和设计。 对于大型太阳能光伏发电系统， 还有光伏电池方阵场的设计、 防雷接地的设计。 由于软件设计牵涉到复杂的太阳辐射量、 安装倾角以及系统优化的设计计算， 一般是由计算机来完成的；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。太阳能光伏发电系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量， 以尽量减少初始投资。 系统设计者应当知道， 在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。 由于不适当的选择， 可轻易地使系统的投资成倍地增加， 而且未必就能满足使用要求。 在决定要建立一个独立的太阳能光伏发电系统之后， 可按下述步骤进行设计：计算负载，确定蓄电池容量，确定太阳能电池方阵容量，选择控制器和逆变器，考虑混合发电的问题等。在进行光伏系统的设计之前， 需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料， 包括逐月的太阳能总辐射量、 直接辐射量以及散射辐射量； 年平均气温洛阳