太阳能光伏发电系统的研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳能光伏发电系统的研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

SP 控制伺服电机的方法，利用空间电压矢量脉宽调制 (SVPWM)技术，形成了闭环的位置伺服控制，通过 Simulink 进行了速度环仿真，结果表明该系统运行稳定，具有较好的静态和动态特性。 国外研究综述 1930 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。 1932 年，奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。 1941 年，奥尔在硅上发现光伏效应。 物理电气信息学院 本科毕业设计 5 1954 年美国贝尔实验室研制出 6%的实用型单晶硅电池，同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沈积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1955 年以色列的 Tabor 提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。 同年，吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换 效率优化设计；第一个光电航标灯问世。 美国 RCA 研究砷化镓太阳电池。 1957 年硅太阳电池效率达 8％。 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，第一个单晶硅太阳能电池问世。 1960 年，太阳能首次实现并网运行。 1969 年薄膜硫化镉太阳电池，效率达 8％。 1970 年代初期，中东战争引发的能源危机开启了太阳光发电系统地面应用。 1973 年，砷化镓太阳电池效率达 15％。 1974 年， COMSAT 研究所提出无反射绒 面电池，硅太阳电池效率达 18％。 1975 年，非晶硅太阳电池问世，同年，电池效率达 6％。 1976 年， Carlson 制作出第一个非晶薄膜太阳电池。 同年，多晶硅太阳电池效率达 10％。 1978 年美国建成 100KW 光伏电站，随后太阳能效率不断提高，其中 1980 年单晶硅太阳能电池效率达到 20%，多晶硅为 %。 1980 年，美国科学家查尔斯弗里茨 (Charles Fritts)开发出第一块以硒材料为基础的太阳能电池。 1980 年消费性薄膜太阳电池的应用。 单晶 硅太阳电池效率达 20％，砷化镓电池达 ％，多晶硅电池达 ％，硫化镉电池达 ％。 1983 年美国建成１ MWp 光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达 ％。 1986 年美国建成 光伏电站。 1995 年，高效聚光砷化镓太阳电池效率达 32％。 1997 年，单晶硅光伏电池效率达 25％。 20xx 年，建材一体型太阳电池应用 (BIPV)。 20xx 年，波音子公司 Spectrolab 研发出转换率 41％的砷化镓太阳能 20xx 年，美国麻 省理工学院 (MIT)研究人员采用了聚合物涂层来改变其性能，在表面覆盖一层氧化锌纳米线，然后覆盖一层光感材料 (铅硫化物量子点 )，研发出一种基于涂覆一层纳米线的石墨烯薄片的新型太阳能电池。 自从实用型硅太阳能电池问世以来，太阳能光伏发电很快在全球得到普及。 目前，晶体硅光伏电池仍然主导光伏发电市场，薄膜电池是未来太阳能电池发展物理电气信息学院 本科毕业设计 6 的方向。 当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏器件和光伏建筑集成应用系统等方面，并已取得了可喜的成果。 但是，在光伏器件及制造技术方面，自光伏电池问世以来，晶 体硅就作为基本的电池材料一直保持着主导地位，是目前国际光伏市场上的主流产品，在 20xx 年时世界光伏电池产量的 80%以上均采用晶体硅材料。 论实验室效率，单晶硅电池最高可 %，多晶硅电池最高可达 %，工业化产品效率一般在 13%— 15%。 各种晶体硅电池技术发展情况如下： （ 1）澳大利亚新南威尔士大学多晶硅电池效率突破 %； （ 2）旧本京都陶瓷公司多晶硅电池效率达到 %； （ 3）澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池效率己达 %； （ 4）德国 ASE 公司片状 晶体硅电池效率为 %； （ 5）美国 Astro Power(AP)公司的带状多晶硅电池效率为 %； （ 6）旧本三洋公司的 HIT 晶体 /非晶硅复合电池效率达 18%； （ 7）美国、日本、德国多晶硅铸锭 240kg/炉，已能规模化生产。 从此，光伏发电技术不断得到提高与完善，并逐步降低开发成本，光伏发电技术进一步规范化、产业化，并成为当前全世界主要的绿色可持续资源之一。 本文主要工作 1． 绪论部分，阐述了课题背景与选题意义，主要包括能源短缺、环境污染及太阳能光伏发电的诸多 优点三大方面；其次分别介绍了国内外光伏发电技术的研究。 2． 太阳能光伏发电的概述，简单介绍了光伏发电系统的组成、分类、应用及尚存在的一些问题。 3． 光伏电池及其特性，简单介绍了太阳能电池的分类、基本工作原理以及太阳能电池的等效电路和输出特性。 4． 最大功率点跟踪，对最大功率点跟踪技术的原理进行了简单介绍，并对常规的跟踪算法进行了论述，最后利用 MATLAB/Simulink 仿真软件对 MPPT 进行了建模与仿真。 5. 并网系统的概述，首先说明了并网原理以及并网条件，其次对逆变器与并网控制策略也进行了研究分析，最后利 用 MATLAB/Simulink 仿真软件对并网系统进行了建模与仿真。 物理电气信息学院 本科毕业设计 7 第二章 太阳能光伏发电系统概述 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 220V 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，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电。 当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。 太阳能光伏系统的分类 光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。 整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成：光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。 一般情况下，我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。 独立型光伏发电系统 独立型光伏发电系统的结构框图如图 21所示。 其特点是不和电网相连接，无电 地区和特殊领域的供电，测站等远离电网的用电设备。 在有太阳光照的情况下，如偏远山村用电设备、卫星通信设备、航标灯、主要用于偏远气象和地震观光伏阵列产生电能，负载的消耗，那多余的电能就会转换为化学能，并向负载供电。 当光伏阵列的发电量大于存储在蓄电池中。 当负载消耗大于当前光伏阵列产 物理电气信息学院 本科毕业设计 8 D C / D C D C / A C交 流 负 载直 流 负 载蓄 电 池逆 变 器升 压 电 路光 伏 阵 列 图 21 独立型光伏发电系统结构框图 生的电能，那么光伏阵列和蓄电池同时对负载供电。 如果当前没有太阳光照 ，则由蓄电池单独供电。 同时，还可以根据负载的类型，选择是否加入逆变器。 并网型光伏发电系统 D C / D C D C / A C交 流 负 载直 流 负 载逆 变 器升 压 电 路光 伏 阵 列 图 22 并网型光伏发电系统结构框图 并网型光伏发电系统的结构框图如图 22所示。 其特点是输出端与公共电网相连接。 按照电网接入点的不同可以分为输电侧和配电侧并网型光伏发电系统。 城市中并网型光伏发电系统一般安装在建筑物表面，并且并网点一般在配电侧。 而输电侧的并网型光伏发电系统一般安装在沙漠地区。 其工作原理为：首先通过光伏阵列将太阳能转换为电能，再通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为和电网相位、频率都相同的交流电，并将所产生的电能并入电网。 混合型光伏发电系统 混合型光伏发电系统的结构框图如图 23所示。 其最大的特点就是，系统中除了光伏发电，还有其它形式的发电系统。 当光伏阵列产生的电能不能满足负载需求的时候，可以通过其它形式的发电系统作为电能补充。 目前应用比较多的就是风光互补发电系统，这样组合可以使得系统的稳定性、可靠性比单独的光伏发电系统或者风力发电系统有了很大的提 高。 通过合理的配置和设计，可以基本满足负载的需求。 物理电气信息学院 本科毕业设计 9 D C / D CD C / A C交 流 负 载GA C / D C蓄 电 池G光 伏 阵 列升 压 电 路 逆 变 器整 流 器柴 油 发 电 机风 力 发 电 机 图 23 混合型光伏发电系统的结构框图 太阳能光伏发电系统的应用 目前我国光伏发电系统的应用主要在三方面： 以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为 200 万户偏远地区农牧民 (即目前我国三分之一的无电人口 )提供最基本的生活用电； 通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的 经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统； 建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。 光伏发电尚存在的问题 目前，光伏发电仍存在下列几个主要问题 : 1． 光伏阵列发电效率低 光伏阵列是光伏发电的最基本元件。 光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。 一般来讲，晶体硅光伏电池效率为 10%～ 15%左右，非晶体光伏电池效率为5%～ 8%，薄膜光伏电池目前的转化效率仅为 2%～ 4amp。 左右。 由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。 并且由于对光电转化管理不力，真正太阳能的利用率只有 50%～ 70%。 目前，科学家们正在加紧研究，希望能大幅度提高光伏发电转换率。 主要研究工作包括：在硅体里面增加其他元素，提高价能位置，从而形成更大的 PN结的空间电荷区，得到更大的输出电压；增物理电气信息学院 本科毕业设计 10 加受光面的折射度，让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射，以最大程度将光子能量转换为电子能量；寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料，以获得更大的 转换效率。 2． 系统造价成本高 由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。 20xx 年单、双晶硅光伏电池组件的价格约为 36～ 40 元 / pW ，相比于目前的火力和水力发电，光伏发电的成本约为后者的 6～ 20倍。 成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。 3． 发电运行受气候环境因素影响大 光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面的太阳照射受气候的影响时有时无。 另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从 而阻挡了阳光的照射，减少了光线的投入量，进而减少了光电的转换。 4． 制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源 硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（ 2SiO ，二氧化硅）。 从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是他们生产成本高的原因。 制造非晶硅光伏电池所需的能耗少得多，人们正在为提高它的稳定性和工作寿命，降低它的内阻。