论文新农村户用型光伏发电系统的设计.doc

摘 要随着世界经济的高速发展、人口的增长和科技的进步，传统能源的消耗量越来越大，这就带来了一系列能源的耗尽和环境污染问题。太阳能作为一种优越的可再生能源而受到世界各国的重视并具有较大发展潜力。从可预计的将来来看，对太阳能的利用将成为各国利用新能源的重点，加强与太阳能利用有着密切关系的光伏发电的研究与设计有着现实的意义。本文针对目前我们国家新农村建设过程中的实际情况，设计了功率为500Wp的独立运行的光伏发电系统，在满足系统可靠性要求的情况下，对太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器和逆变器等设备进行经济的选择。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，本文具体介绍了光伏发电的国内外研究背景，光伏电池的种类、发电原理，尤其是独立运行的光伏发电系统的组成、运行原理和应用等，同时为了进一步提高系统可利用性，对独立运行光伏发电系统的结构、工作原理和控制策略进行了研究。按照本文设计出的系统装置，能够直接用于新农村建设过程中的工程实践上，这对于国家正大力进行新农村建设中的节能减排具有现实意义。关键词：光伏发电； 独立光伏系统； 设计； 节能减排AbstractWith the rapid development of economic，increase of population and progress of science，more and more traditional energy will be on demand，which will bring us a series of problems such as the energy crisis and the environment pollution. As a new predominant energy，solar energy has been paid attention to and will be a potential new energySolar energy would be the focus of new energy sources. So it will have significance to the research and design of PV that has the close relationship with the solar. Aiming at the actual situation of the new rural construction of our country，a stand-alone PV system of 500Wp is designed. The system meets the requirements of reliability，and choose solar panels，batteries, solar controller，inverter and other equipment economically. Photovoltaic power generation is a technology of being energy directly into electrical energy on the semiconductor photovoltaic effect. This paper discusses the background of PV at home and abroad in detail，category and principle，and highlights the stand-alone PV system components，operating principles and applications. In order to improve property and achieve more credible running system, this paper has researched the structure，the working principle and control strategy of stand-alone PV system. System designed in accordance with this device can be directly used in the process of new rural construction projects. It is more and more practical for making great efforts for the construction of new rural energy conservation.Key Words：PV；stand-atone PV system；design；energy conservation目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题设计研究背景11.1.1 人类所面临的能源危机11.1.2 传统能源背后的环境问题11.2 光伏发电的特性和优势21.3 光伏发电发展现状和前景31.3.1 国外发展现状31.3.2 国内发展现状61.4 本课题设计的任务82 光伏发电系统概述102.1 光伏电池102.1.1 光伏电池分类102.1.2太阳能电池发电原理112.1.3 光伏电池等效电路112.2 DC/DC变换电路122.3 蓄电池132.4 逆变器142.5 控制器163 光伏系统的分类及独立光伏发电系统的利用173.1 光伏系统的分类173.2 独立运行光伏系统的应用194 新农村户用型光伏发电系统设计214.1系统的容量设计214.2 蓄电池的原理及设计224.2.1 蓄电池的化学特性224.2.2 蓄电池的容量选择以及其串并联关系234.3 太阳能光伏组件方阵设计264.4 蓄电池和太阳能光伏组件方阵设计的校核274.4.1 蓄电池放电深度校核274.4.2 太阳能光伏组件方阵的校核284.5 计算斜面上的太阳辐射并选择最佳倾角284.6 新农村户用型光伏发电系统内部电路原理314.6.1 光伏发电系统储能的主电路324.6.2 光伏发电系统升压主电路和逆变主电路334.6.3 PWM控制策略354.7 新农村户用型光伏系统设计的设备选择384.7.1 蓄电池选择384.7.2 太阳能控制器的选择394.7.3 逆变器的选择414.7.4 太阳能电池组件的选择及其安装425 新农村户用型光伏发电系统设备选择后的校核446 新农村户用型光伏发电系统的效益分析466.1 环保效益466.2 社会效益477 结论488 致谢499 参考文献501 绪论1.1 课题设计研究背景1.1.1 人类所面临的能源危机能源是人类社会生存和发展的物质基础，在过去的200多年中，建立在煤、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。然而，人们在物质和精神生活不断提高的同时，也意识到大规模使用这些化石燃料所带来的严重后果，资源日益枯竭，环境不断恶化，这些问题已经展现在人们的面前。由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要，一次能源面临枯竭的危机是大力发展太阳能发电的主要原因之一。据有关资料显示，按照目前能源的消耗速度，世界一次能源最多只能再用200年左右。而传统获得电能的主要方式需燃烧大量煤炭、石油等石化材料。随着现代社会发展对能源需求的不断增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源日益枯竭，如不尽早寻求新的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。而新能源如太阳能、风能、潮汐能等可再生能源在全球范围的发展让人们在能源危机的焦虑中，得到不少慰藉。1.1.2 传统能源背后的环境问题当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨含硫化合物物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，仅燃煤产生的二氧化硫就占了全国排放总量的25%，有48个城市的二氧化硫超过国家二级排放标准，有82个城市出现过酸雨，超过国土面积40%，其中仅1998年酸雨沉降造成的经济损失就约占国民生产总值的2%。由于污染造成经济损失，2004年全国环境污染造成经济损失占当年GDP的3.05%，超过5000亿。室外空气和水污染对于中国经济造成的健康和非健康损失的总和每年1000亿美元(约相当于中国GDP的5.8%)，因此需要大力提高可再生能源在能源消费中的比重。而化石燃料产生另一大环境问题是“温室效应”，由于化石燃料燃烧排放大量的温室气体二氧化碳而产生温室效应，引起全球气候变化。全世界每天产生约一亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁，这一独立运行光伏发电系统的研究问题己提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。普通燃料能源正在日渐减少，对环境的危害却日益突出。这个时候，全世界都把目光投向了可再生资源，希望可再生资源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。1.2 光伏发电的特性和优势太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一能达到地球范围，约为173万亿千瓦。经过大气的吸收和反射，能够到达地球表面的约占51%，大约88万亿千瓦。而能够达到陆地表面的只有达到地球范围辐射能量的10%左右，约为17万亿千瓦。尽管如此，如果把这些能量利用起来，也相当于目前全球消耗能量的3.5万倍。太阳能作为巨大的能源资源，其利用的潜能巨大，太阳能与常规能源相比较具有的优势如下：(1)存在的广泛性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。(2)储量的“无限性”太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于短暂的人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匾乏、枯竭的最有效途径。(3)利用的清洁性人类在利用化石燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如二氧化硫，二氧化碳等，使环境受到了破坏和污染。此外，其他新能源中风电、水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用过程中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。(4)利用的经济性从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在使用太阳能时不会被征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。虽然太阳能光伏发电一次投入较高，但其使用过程没有耗能，随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。无论是独立运行还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。太阳能作为一种可持续发展的新能源，与风能、水能、核能等比较，是最理想的可再生能源。1.3 光伏发电发展现状和前景太阳能是一种不受任何人的控制与垄断，是无私、免费、公平地给予人类的可再生能源。在常规能源供给紧张和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家掀起了开发和利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域得到广泛的拓展。1.3.1 国外发展现状1839年，法国物理学家埃德蒙贝克勒尔意外发现了光伏效应：将两片金属浸人溶液构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生伏打电动势。他把这种现象称为“光生伏打效应”(Photovoltaic effect)，简称“光伏效应”。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。由于半导体P-N结在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为“太阳能电池”(Solar cell)。自从1954年恰宾(Char bin)等人在美国贝尔实验做出第一块实用光伏电池以来，虽然太阳光伏发电取得了很大的进步，但与计算机和光纤通讯的发展相比要慢得多。这是由于人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。20世纪几次石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。太阳能光伏发电技术的发展过程中重大事件：1839年法国物理学家埃德蒙贝克勒尔发现了光伏效应；1876年亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应；1883年制成第一个硒光电池，可用作敏感器件；1930年肖特基提出氧化亚铜势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能；1931年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机；1941年奥尔在硅上发现光伏效应；1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池；1955年吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计，美国RCA研制出砷化镓太阳能电池；1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源；1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%；1960年硅太阳电池首次实现并网进行；1972年罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。同年，美国制定新能源发展计划；1972年美国制定新能源开发计划；1974年日本制定太阳能发电“阳光计划”；1975年非晶硅太阳电池问世。同年，非晶硅电池效率达6%10%；1985年日本建成1MW的光伏电站；1986年美国建成7MW的光伏电站；1990年德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3.5kWp光伏电池；1991年制定再生新能源发电与公共电力网并网法规(德国)；1994年住宅用太阳光发电系统技术规程(日本)；1997年美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装35kWp光伏电池。同年，欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池；1998年荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成；2003年RPS法(新能源法案)(日本)；2008年美国参议院通过了一揽子减税计划，光伏行业的减税政策续延26年。从以上可知，1996年以来，世界光伏发电高速发展，表现在几种主要太阳电池效率不断提高，各国对光伏发电的重视度加大，尤其是各国光伏发电技术的屋顶计划，为光伏发电展现了无限光明的前途。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高达25%30%，下面为在光伏产业方面比较先进的国家的优惠政策：德国：德国光伏发电开展始于1993年，开始实施是由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划。德国政府并于1999年开始实施10万太阳能屋顶计划。在德国2004年通过再生能源法案和2008年实施的“强制光伏上网定价”政策刺激了德国光伏市场的快速发展，使得德国市场的总装机容量从2006年至今一直稳居全球首位。日本：日本于1974年开始制定光伏发电“阳光计划”，投资5亿美元，一跃成为世界太阳能电池的生产大国，1994年提出住宅用太阳光发电系统技术规程，也称“朝日七年计划”，计划到2000年推广16.2万套太阳能光伏屋顶，现已完成。1997年又宣布7万光伏屋顶计划，2010到年将安装7600MW发电能力的太阳能电池。日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3.5年后，太阳能电池系统的价格将降至目前的一半左右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。美国：美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶”计划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到3000MW以上，美国连续三年光伏产业均高于30%的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励。2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策续延26年。西班牙、瑞士、法国、意大利、荷兰等国也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度等发展中国家，也制定了国家的光伏发展计划，而且发展迅速。世界光伏发电高速发展，光伏的装机量也在大幅上升。从2001年至2008年间，世界光伏总装机量年增幅保持在25%40%之间，至2008年底全球累计装机量已达到15000MW；从世界经济角度看，太阳能光伏发电绝对是一项有发展前景，值得研究的课题。1.3.2 国内发展现状从科学原理角度看，太阳能光伏发电技术将太阳能直接转换为电能，是最具有应用前景的太阳能利用方式之一，将逐步成为我国能源的绿色支柱，从补充能源成长为替代能源。我国太阳能资源丰富，据估算，中国陆地表面每年接收的太阳辐射能约相当于1700亿吨标煤。全国各地太阳辐射总量达33408400兆焦/(平方米·年)。从全国太阳能辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能辐射总量都很大。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000米以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，19611970年间的年平均日照时数为3005.7小时，相对日照率为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，太阳总辐射为8160兆焦/(平方米·年)，比全国其他省、区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量为最小，其中尤以四川盆地为最小，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都"”之称的成都市，19611970年，年平均日照时数仅为1152.2小时，相对日照率为26%，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天。其它地区的太阳年辐射总量居中。所以太阳能资源在中国进行开发利用的潜力非常广阔。我国有荒漠面积108万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区。1平方公里面积可安装1130兆瓦光伏阵列，每年可发电1.5亿度；如果开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。在我国电力干线周围有适合于大规模安装光伏发电开发的浩瀚荒漠开发利用荒漠太阳能资源对于我国有着深远的战略意义。中国光伏发电产业始于20世纪70年代，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量及其装机容量逐年稳步增加。2008年，我国装机容量达到20MW，到2008年底，光伏系统累计装机总容量已达到115MW。经过30多年的努力，已迎来快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。光伏发电技术在我国应用的近几十年中，太阳能发电走过了从空间应用、地面小规模应用到现在的地面较大规模利用时代，从20002002年，特别是2002年基本解决了全国近800个无电乡的乡政府用电问题。规模如此之大，在国际上也是空前的。在接下来的23年内，我国解决了11592个自然村和16889个行政村的用电问题。由于所有的这些村庄都处于偏远地区，十分分散，建造独立的太阳能发电系统有现实意义，在“九五”和“十五”攻关计划中初步开展了屋顶并网光伏发电系统的技术开发和试点示范研究，并取得进展。在深圳和北京分别建成了100kWp、50kWp、17kWp、7kWp和5kWp的光伏屋顶并网发电系统并成功实现了并网发电。我国光伏产业发展历程中的一些重要事件：1958年开始对光伏电池的生产和应用进行研究；1971年成功的将光伏电池应用到东方红二号卫星上；80年代光伏组件年产量10kW左右，建立示范工程如微波中继站、军队通信系统、小型用户及偏远地区用独立光伏发电系统；“七五”期间加大对光伏发电系统的研究和生产的投入，从国外引进多条光伏电池生产线，生产能力从原来每年10kW发展到每年4.5MW；2002年“西部省区无电乡通电计划”启动，共计安装了16.5MW的光伏发电系统，西部780个乡的无电问题得到解决；2004年广东首座总容量为兆瓦的太阳能发电系统在深圳通过验收；2005年甘肃敦煌8兆瓦并网光伏发电系统建设预可行性报告通过专家评审；2007年上海有关部门制订20052007年上海开发利用太阳能行动计划；2008年甘肃敦煌10MW光伏电站、青海柴达木GW级光伏电站、云南166MW光伏电站等启动；2009年3月中国财政部颁发了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法。新能源的发展一般要有两个条件，一是光伏发电成本的变化，二是政府对于光伏产业发展的支持力度，二者是相辅相成的。原材料硅的价格不断下降，多晶硅每公斤的现货价格已经由高位时的400美元以上降到了100多美元，而薄膜硅的价格更加的令人瞩目。到2020年前，随着成本将不断下降，政府扶持政策的不断推出，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，20052010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，到2010年，发电成本约为每峰瓦1.2元，而20102020年太阳能光伏发电将会有大的发展，预计光伏发电成本将会降到每峰瓦约为O.6元。2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。1.4 本课题设计的任务本课题的任务是设计一套面向于新农村的以家庭使用为主的500Wp的独立运行光伏发电系统，其意义在于可以满足我国新农村建设过程中节能减排的政策要求，造福于社会、有利于环境、有益于未来，实现环境、社会等多种效益。本文需求完成的是新农村户用型光伏发电系统的设计，基于目前农村用电的实际情况，可以推测，随着科技和生活水平的提高，农村信息化步伐加快，未来新农村的用电负载会有一个变化。本设计的前提是面向新农村模拟出用户负载情况，其中电冰箱和电脑、打印机及其他不同时使用，计算总计时，暂时不把电冰箱计算在内，这是因为电脑、打印机、其他日耗电量基本和电冰箱一样。用户负载情况可见表1-1。表1-1 用户负载情况设计负载电器名称规格型号耗电功率（W）数量（个）每日工作时间（时）日耗电量（Wh）照明节能灯1164264电脑笔记本10015500打印机喷墨301130电冰箱150L100124800卫星接收机2516150彩色电视21寸217016420水泵20010.5100其他15011150总计1614本课题设计的主要任务（1）查阅大量的光伏发电的应用背景材料，掌握了光伏发电系统的国内外发展状况；（2）对独立运行光伏系统的工作原理以及各个模块的功能进行研究；（3）基于某地区的实际情况，提出假设，在合理的假设基础上，从节能减排的角度出发，设计出一套以家庭使用为目的（500Wp独立光伏发电系统）的独立运行光伏发电系统，并对设备进行选择。2 光伏发电系统概述光伏发电系统由光伏电池、DC/DC变换电路、蓄电池和逆变器等部分组成， 本部分主要是对各组成部分的分类及其工作原理进行分析研究。2.1 光伏电池2.1.1 光伏电池分类光伏电池按制造材料不同可以分成以下几种类别：(1)晶体硅光伏电池。主要包括单晶硅(sc-Si)太阳电池，多晶硅(mc-Si)太阳能电池和薄膜晶体硅太阳能电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；铸造多晶硅太阳能电池制造工艺没单晶硅要求那么严格，价格比单晶硅便宜，具有稳定的转换的效率，而且性价比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只处于研发阶段。硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和多晶硅的比例已超过80%，而这一发展趋势还在继续增长。硅是最理想的太阳能电池材料，硅太阳电池占世界太阳能电池总产量比例大于98%。晶体硅电池，特别是多晶硅电池应用呈逐年上升趋势。(2)非晶硅太阳能电池。非晶硅光伏电池资源丰富，制造过程简单，而且制造能耗低，所以作为低成本的光伏电池引人注目。目前其转换效率比单晶硅光伏电池的稍低。(3)化合物半导体光伏电池。化合物半导体光伏电池有-V族，以无机盐如砷化镓-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池，砷化镓光伏电池转换效率很高，但存在资源缺乏、有公害等问题。(4)纳米晶太阳能电池等。纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是由一种窄禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的。窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru等有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多空并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化还原电解质。目前其转换效率为7%8%，使用寿命却能达到15年左右，成本却是硅太阳电池的10%20%，所以受到人们的广泛关注。纳米晶工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。纳米晶太阳能电池优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，走上市场估计还需要相当长的时间。目前来看，多晶硅的性价比最佳。2.1.2太阳能电池发电原理太阳能电池发电原理主要就是利用PN结原理。在本征半导体硅或锗中添加磷原子，磷原子结构最外层有5个价电子，4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，并是每掺入1个磷原子就会可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴数目是基本不变的。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子，空穴则为少数载流子，这种半导体简称N型半导体。在硅或锗中掺入少量的如硼等3价元素，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子占据晶格上的某些位置，与N型半导体正好相反，多数载流子为空穴，少数载流子为电子，参与导电的主要是空穴，这种半导体简称P型半导体。太阳电池发电原理是半导体PN结的光生伏打效应，所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当P型材料和N型材料相接，将在晶体中P型和N型材料之间形成界面，即一个PN结。如果光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正点的N区和空穴向带负电的P去运动，通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测电压。通过光照在界面层长生的电子空穴对越多，电流越大，界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流越大。2.1.3 光伏电池等效电路由于光伏电池的输出与外界的环境温度和光强呈高非线性，分析时需要将阵列转化为其等效电路，图2-1是光伏电池等效电路，其中Rsh是漏电阻，Rs是串联电阻，它是构成光伏电池的半导体体电阻和电极电阻等电阻的和。在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流(流过Rs的电流Is)不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载R，同时在负载两端建立起端电压，此电压反过来又正向偏置于PN结二极管，引起与光电流反向的暗电流Id，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻Rs来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻Rsh来等效。图2-1 光伏电池等效电路图2.2 DC/DC变换电路DC/DC变换电路，亦称直流斩波电路，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压，其中二极管起续流的作用，L为能传递电感，C为滤波电容。下面就以Boost变换电路拓扑为代表来分析一下DC/DC转换电路的工作原理。Boost变换电路属于并联型开关变换电路，又称升压变换电路。升压斩波电路输出直流电压平均值可以比电源输入的直流电压高，L为电感，C为电容，二极管作用是防止方向放电。如果假设器件均处于理想状态，当功率开关导通时，输入电流流过电感，电感中的电流呈指数上升。而二极管截至，电流为0，直流电源将能量均储存在电感L中，负载端的电流由电容C2来维持，如果负载电流较大，则电容两端电压即为负载两端电压U。当开关关断时，电源和电感储能同时向电容和负载供电，电容从放电状态转变为充电状态。Boost有输入电流连续，可以将输出电压升高变换，效率高，且电路的结构和控制比较简单等优点。但由于Boost电路的不足之处是其输入端电压较低，在同样功率下，输入电流较大，因而会带来较大的线路损耗，但Boost电路具有独特的优点，对于很多太阳能电池控制器设计而言，Boost变换电路仍然是一种吸引人的方案。Boost变换电路原理图见图2-2。一般工程上常用的其他几种变换电路主要有：降压式(Buck)、升降压式(Buck-Boost)、库克式(Cuk)变换电路。图2-2 Boost变换电路原理图2.3 蓄电池蓄电池主要作用是将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。蓄电池对于独立运行的光伏系统来说是不可或缺的储能装置，户用型光伏发电系统属于独立光伏发电系统，因为太阳能电池板获得的能量是不断变化的，一天之中太阳辐射到地面能量随着早晚太阳辐射角度不同而不同，随四季变化的日辐射量的相差也很大，更不用说出现阴雨和夜晚的情况了，如果是并网光伏发电系统，遇到发电电量不足的情况，可以从电网买电来补给电池板能量的不足，但是对于独立系统来说，只能靠蓄电池储存的能量来满足无光照时的电能需求，所以蓄电池对独立运行的光伏发电系统尤为重要。蓄电池的种类很多，目前主要应用的有三种，分别是开口铅酸蓄电池、阀控铅酸蓄电池(也称免维护蓄电池)和镍钙、镍氢、镉镍电池。这三类蓄电池中开口铅酸蓄电池由于其使用过程具有挥发性，易泄漏和比容量低等缺点而不被应用，然虽镍钙、镍氢电池容量虽大，性能高，但价格昂贵，因而只用在重要的场合；而免维护蓄电池由于其容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、寿命长、基本免维护等优越性，特别适用于无人值守或缺少技术人员的偏远地区使用，因而在独立光伏系统中大量应用，而且将在今后一段时期继续大量使用。白天日照强，光伏电池除了供给负载能量外，还向蓄电池充电，夜间或阴雨天有蓄电池给负载提供能量，需要容量大，性价比高，寿命长的蓄电池。2.4 逆变器在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳能电池光伏组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。逆变器是一种功率调查装置，逆变器的选择的一个重要因素就是所设定的直流电压的大小。逆变器的输出可分为直流输出和交流输出两类。对于直流输出称之为变换器，是直流电压到直流电压的转换，这样可以提供不同的电压的直流负载工作所需的电压。对交流输出，需要考虑的除了输出功率和电压外，还应考虑其波形和频率。在输入端须注意逆变器所要求的直流电压和所能承受的浪涌能力的电压的变化。逆变器的选择会影响到光伏系统的性能可靠性和成本。其特性参数有：输出波形，功率转换效率，标称功率，输入电压，电压调整，电压保护，频率，调制性功率因子，无功电流，体积大小以及重量，音频和噪音，表头和开关，有些逆变器还具有电池充电遥控操作，负载转换开关，并联运行的功能。在工程设计中，一些参数是用不到的。独立逆变器一般可以在直流12V、24V、48V或120V电压输入时可产生120V或240V频率为50Hz或60Hz的交流电。输出波形是一个重要参数，逆变器通常根据其输出波形来分类：方波、类正弦波和正弦波。方波逆变器相对便宜，效率可达90%以上，高谐波，小的输出电压调整，适用于阻抗型负载；类正弦波逆变器在输出可用脉宽提高电压调整，效率可达90%，可用来带动电子设备和大多数电机等负载，在带动电机时由于谐波能量损失而比正弦波逆变器效率低。正弦波逆变器产生的交流波形与大多数电子设备产生的波形效果几乎不差上下，在功率范围内可以驱动任何交流负载。通常，工程设计中，逆变器的规格要在计算值上增加25%，这一裕度可增加该部件工作的可靠性，也可满足负载的适量增加。对于小负载，一般逆变器的效率比较低；当负载超过标称负载的50%及以上，其效率可达标称效率。功率转换效率的值等于逆变器输出功率除以输入功率，效率因负载不同而有所变化。抗浪涌能力是逆变器可超过它的额定功率有限的时间，一般为几秒钟。静态电流是在逆变器不带负载时，即无功耗时，本身所用的电流或功率，这个参数对于长期带小负载的情况下是很重要的，因为负载不大时，逆变器的效率是比较低的。电压保护是为了逆变器在直流电压过高时防止损坏，逆变器的前级是蓄电池，在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值，就有可能破坏后级所连的逆变器；在无控制器的逆变器设计中须有检查测试保护电路，当蓄电池电压高于设定值时，保护电路会将逆变器断开。功率因子是指逆变器产生的电流与电压间的相位差的余弦值，对于阻抗型负载，功率因子为1，但对感抗型负载（户用系统中常用负载）功率因子会下降，有时可能低于0.5。功率因子由负载确定而不是由逆变器确定。2.5 控制器光伏系统中一般意义上控制器是指太阳能控制器，就其内部电路而言，基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在12伏、20安以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在4