太阳能光伏并网发电系统.doc

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1、 毕业设计（ 论 文） 论文题目 太阳能光伏并网发电系统 学 号 学生姓名 xxxxxx 专业班级 电气自动化02班 指导教师 xxxxxxxxx 总评成绩 2012年 月 日摘 要随着当代经济高速发展，社会的进步，地球上的煤、石油、天燃气等自然资源日趋枯竭。传统的火力发电所需要的煤、石油等燃料燃烧将排出二氧化碳和硫的氧化物会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境，显然不是长久之计。而现在初具规模的水力发电还远不能满足人们日益生活的需要。这时，寻找新能源迫在眉睫。太阳能是一种干净的可再生绿色能源，越来越受到人们的亲睐。将太阳能转换成电能必将成为未来能源的发展主题。太阳能发电系统是利用光生伏特效应原理

2、制成的，其组成主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储能量，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等。太阳能光伏并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器把电能送到电网上以电网为储能装置，省掉了蓄电池，比独立的太阳能光伏系统所需的建设投资大为减少从而使发电成本降低。白天有日照时，太阳

3、能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或者经过逆变器直接接交流负载供电。关键词：太阳能电池方阵；控制器；逆变器；光生伏打效应AbstractAs contemporary the high-speed economic development, social progress on the earth, coal, oil, natural gas and other natural resource is drying up. The traditional coal-fired power need of coal, petroleum and other fuel

4、burning will emit carbon dioxide and sulfur oxide can lead to the greenhouse effect and acid rain, worsen the earths environment, obviously not in the long run. And now taking shape of hydroelectric power is still far from meet the needs of people increasingly life. At this moment, looking for new e

5、nergy is imminent. Solar energy is a kind of clean renewable green energy, more and more get of people pro-gaze. Solar energy into electrical energy conversion will become future energy development theme.Solar power system is to use effect made of principle, its composition mainly by the solar cells

6、, battery, the controller and inverter to form. Photovoltaic power generation systems can be divided into independent solar photovoltaic power generation systems and grid solar photovoltaic power generation system. Independent power generation is to point to solar photovoltaic solar photovoltaic pow

7、er generation is not with power grid connection way of generating, typical characteristics for need to store energy storage battery, in civil range is mainly used in remote villages, such as family system, the village-level solar photovoltaic power station; In the industrial range is mainly used in

8、telecommunications, satellite radio and television, the solar energy water pump, wind power and have the small hydropower area still can mix of power generation systems, etc. Solar photovoltaic grid power system through the solar energy into electrical energy, not by battery energy storage, directly

9、 through the grid inverter power to the power grid to power grid for energy storage device, saves storage battery, independent of the solar photovoltaic system than the construction investment is greatly reduced so that power cost reduction. The day when a sunshine, solar cells from the square elect

10、ric after grid inverter power will be sent to the alternating current online directlyKeywords: Solar cell square; Controller; Inverter; photovoltaic effect 第一章 绪论1.1太阳能及其应用太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、安全性、广泛性、长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。1.1.1太阳能的含义一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生

11、物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。1.1.2太阳能的发展历史据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。 真正将太阳能作为“

12、近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。 1.1.3我国太阳能资源我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/以上，西藏最高达7kWh/。1.1.4太阳能的应用就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、 太阳能热水系统 、太阳能暖房、太阳能发电等方式。 1.2太阳能光伏发电太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种技术，太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可

13、以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点(l)取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为1.071014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。(2)无污染。光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。(3)资源分布广泛。不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。(4)建设周期短，建造

14、灵活方便，运行维护费用低。光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。(5)光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。(6)分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战

15、备的角度看，更具有明显的意义。1.3太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构如图1.1所示，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功

16、能。太阳能电池阵列控制器DC/DC变换器蓄电池逆变器交流负载直流负载电网图1.1太阳能光伏发电系统 1.3.1独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。图1.2所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。DC/DC变换器将太阳能电

17、池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经DC/AC变换器给交流负载供电。该系统由于有蓄电池组，因而系统成本增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电。太阳能电池阵列控制器蓄电池DC/DC变换器直流负载DC/AC变换交流负载图1.2独立光伏发电系统1.3.2并网光伏发电系统与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方向，是当今世界太阳能光伏发

18、电技术发展的主流趋势。第二章 太阳能电池2.1.1太阳能电池工作原理太阳能电池的原理是基于半导体的光生福特效应将太阳辐射直接转换为电能。太阳能电池单体实际上是一个PN结，PN结在光照下会产生电动势，这种效应称为光生伏特效应。当PN结处于平衡状态时，PN结处有一个耗尽层（空间电荷区），耗尽层中存在着势垒电场，电场方向由N区指向P区。当PN结受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下，空穴向P区移动，电子向N区移动，从而P区就有过剩的空穴，N区就有过剩的电子，这样便在PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，

19、从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。具体如下图所示：NP5612334上电级P-N结下电极光伏电池受光照情况wangzejun +图1.3太阳光在光伏电池上的光照情况由图1.3所示， 1号光线是指在电池表面被反射回去的一部分光线； 2号光线是指刚进电池表面被吸收生成电子空穴对的光线，其中大部分是吸收系数较大的短波光线。但它们来不及到达P-N结就很快的被符合还原。所以它们对产生光生电动势没有贡献； 3号光线是指在P-N结附近被吸收生成电子空穴对的那部分光线，它们是使光伏电池能够有效发电的有用光线。这些光生非

20、平衡少数载流子在P-N结特有的漂移作用下产生光生电动势； 4号光线是指辐射到电池片深处，距离P-N结较远的地方才被吸收的光线，它们与光线2的情况相同，虽然能产生电子空穴对，但在达到P-N结之前一被复合，只有极少部分能产生光生电动势；5号光线是指被电池吸收，但是由于能量较小不能产生电子空穴对的那部分光线，它们的能量只能使光伏电池加热，温度上升； 6号光线是指没有被电池吸收而透射过去的少部分光线。由此可见能够产生光生电动势的主要是光线3。所以应该尽可能地增加它的比例数量，才能提高光伏电池的光电转换效率。光电转换效率是指受光照的光伏电池所产生的最大输出电功率与入射角到该电池受光几何面积上全部光辐射功

21、率的百分比。当光伏电池的上电级和下电极接上负载电路之后，3号光线的一部分是如何在外电路上形成电流的过程。如上所述，正是由于P-N结附近的光生少数载流子，在P-N结的漂移作用下，N区的电子留在N区，空穴流向P区，P区的空穴留在P区，电子留在N区，构成光生电场。从外电路看，P区为正N曲为负，一旦接入负载，N区的电子通过外电路负载流向P区形成电子流；电子进入P区后于空穴复合，变成中性，直到另一个光子再次分离出电子空穴对为止。所以电流是从P区流出，通过负载从N去流回电池。综合可知，太阳能电池将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程:(l)太阳能电池单体吸收光子，在PN结两侧产生称为“光生载流子”

22、的电子一空穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电;(2)在太阳能电池单体PN结光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区;(3)到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到N区，空穴被分离到P区;(4)被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列，以满足负载功率要求。2.1.2太阳能电池的等效电路

23、ILIDIshVI图2.1太阳能电池的等效电路根据半导体电子学理论，当负载为电阻RL时，太阳能电池的等效电路如图2.1所示。当日照强度恒定时，光电流人可看成恒定电流源，二极管的正向电流ID和并联电阻电流Ish都由光电流IL提供，剩余的光电流通过串联电阻Rs流出太阳能电池进入负载并在负载端产生电压V。根据图中的电流电压参考方向，太阳电池的I-V方程为:输出电流为： （2-1）式中:IL-光电流，单位A;Id-二极管反向饱和电流，A;q-电子电荷(l.6x10-19C);A-二极管因子;K:波耳兹曼常数(1.38x10-23J/K);T-太阳能表面绝对温度，K;Rs:-串联电阻，;Rsh-并联电阻

24、，I-太阳能电池输出电流，A;V-太阳能电池输出电压，V;2.1.3太阳能电池的种类太阳能电池多为半导体材料制造，种类繁多，形式各样，下面按照太阳能电池的材料进行分类介绍:(l)硅太阳能电池:指以硅为基体材料的太阳能电池，如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等，多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池、铸锭多晶硅太阳能电池、筒状多晶硅太阳能电池和球状多晶硅太阳能电池等多种。硅太阳能电池特点是由于硅资源丰富，可以大规模生产，性能稳定且光电转化效率高，是目前应用最多的太阳能电池。但其制造过程复杂，成本高。目前市场上使用最多的是单晶硅太阳能电池，转换率为17%左右，多晶硅转换效率为

25、14%左右，非晶硅电池转化效率为6%左右。(2)化合物半导体太阳能电池:指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体太阳能电池具有转换效率高，抗辐射性好，可在聚光条件下使用等特点，但碲化镉太阳能电池带有毒性，易对环境造成污染，一般用于特定场合，如空间飞行器和航空系统。(3)有机半导体太阳能电池:指用含有一定数量的碳-碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。该种电池虽然转换率低，但价格便宜、轻便、易于大规模制造。(4)薄膜太阳能电池:指用单质元素、无机

26、化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池等。其特点是转换效率相对较高、成本降低(尤其是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量)、且适合规模生产，因此薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的一个重要发展方向。2.1.4太阳电池的特性太阳电池的特性一般包括太阳电池的输入输出特性、分光特性、照度特性以及温度特性，本文主要讨论太阳能电池的电学特性即输入输出特性。太阳电池的种类多，大小不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以得知。图2.5为太阳电

27、池的输入输出特性，也称为太阳电池的电压-电流特性。图中的实线为太阳电池被光照射时的电压-电流特性，虚线为太阳电池未被光照射时的电压-电流特性。 图2.2 太阳能电池的U-I特性 图2.3 U-I特性曲线和U-P特性曲线图2.3显示了在光照强度G=1000W/M2、环境温度T=25时典型多晶硅光伏电池板的输出U-I和U-P曲线。由图2.3可得光伏电池主要参数：(1)开路电压开路电压为太阳能电池组件在负载电路开路情况下的端电压，用符号表示。当不存在有效电场时，光伏效应只要靠PN结内建静电场提供。而内建静电场使光生非平衡电子和空穴各自向反向漂移，因而内建静电场越强，半导体材料两端形成的光生电动势就越

28、高，开路电压也就越高。(2)短路电流短路电流为光伏电池在外电路直接短路情况下流经外电路的电流，用符号表示。光照强度决定了光伏电池激发的电子-空穴对数，即一定的光照强度下，其电子-空穴对数也是一定的，使得光电流人的特性像一个恒流源，不受外电路短路与否的影响。(3)最大功率点光伏电池输出U-I特性曲线上，根据负载变化任何一点可以作为工作点。不同的工作点有不同的输出功率，顾名思义，最大功率点就是在曲线上输出功率的最大值对应的工作点，最大功率点对应的电压和电流为最大功率点电压和最大功率点电流。对最大功率点进行跟踪，保证电池始终工作在最大功率点附近，能大大提高工作效率，进一步提高对太阳能的利用率。第三章

29、太阳能光伏并网发电系统基本组成 并网光伏系统由光伏阵列、变换器和控制器组成。3.1太阳能电池阵列根据实际光伏发电系统的实际需要，将若干光伏电池组建经串并联排列组成太阳能电池阵列，满足光伏系统实际电压和电流的需要。光伏电池组建串联，要求所串联组件具有相同的的电流容量，串联后的阵列输出电压为个光伏电池输出电压之和，相同电流容量光伏电池串联后其阵列输出电流不变；光伏电池组件并联，要求所并联的所有的光伏电池具有相同的输出电压等级，并联后的阵列输出的电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变。常用光伏电池串并联示意图3.2控制器该部分在并网发电系统中与独立太阳能发电系统中的相比其复杂程度要大得多，独立系统的控制器主要是控制蓄电池的充放电，而并网系统的控制器是控制光伏电池最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，是向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。控制器一般是由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成；