太阳能光伏发电毕业论文.doc

XXXX学院毕业设计（论文）目录设计总说明IIntroductionII1 绪论11.1 太阳能光伏发电的研究背景11.2 太阳能光伏发电发展历程与现状11.3本文主要研究内容和任务22 光伏系统简介及光伏发电效率分析42.1 太阳能光伏系统简介42.1.1 光伏系统的基本组成42.1.2 光伏系统的分类42.2光伏电池特性分析62.2.1太阳能电池原理及分类72.2.2太阳能电池输出特性92.2.3太阳能电池工程用数学模型92.3铅酸蓄电池10铅酸蓄电池充电控制方法112.4 影响太阳能光伏发电效率的因素122.5提高太阳能光伏发电效率需进一步解决的问题143 最大功率点跟踪(MPPT)的研究153.1 最大功率点跟踪的概念153.2 MPPT原理153.3 光伏系统最大功率点跟踪控制方法研究163.3.1 定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)163.3.2 扰动观察法(P&O，Perturbation and observation method)173.3.3 导纳增量法193.3.4基于梯度变步长的导纳增量法214 DC-DC变换器的设计214.1太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点214.1.1 BUCK电路原理224.1.2 B00ST电路原理234.1.3双向BUCK-B00ST变换器运行原理245逆变电路245.1常用逆变电路的简介245.2本系统逆变电路特点276 控制系统的硬件设计286.1系统各部分功能介绍286.2控制系统方案286.3 TMS320F28035介绍296.4 驱动电路336.5 检测电路设计346.5.1 太阳能板输出电压电流检测356.5.2 蓄电池充电电压电流检测366.5.3 温度检测检测376.6 短路保护电路387 MPPT控制算法与软件设计397.1 编程要求397.2 AD接口397.3 MPPT的Boost电路控制原理417.4 数字PID及算法427.4.1 PID调节算法427.4.2 PID调节算法447.4.3 PID参数整定457.4.4 PID算法程序设计467.5 PWM波输出487.6 主程序流程图518 结论52参考文献55附录A56附录B57致 谢63离网型太阳能光伏发电系统设计设计总说明能源就是能够用于工作和驱动机器的能量。所有的生物（包括人类）都是依靠阳光作为能量的来源。煤、石油和天然气都是可以利用的能源，这些能源都是过去的生物体在太阳光能源的作用下生成复杂的存储这些能源有机分子结构经过长时间的压缩集中后生成的。大量的能源已经被使用，如煤炭、石油、天然气、地热资源、核聚变能源、核裂变能源、太阳能和氢气等。然而，在这种情况下，由于许多能够产生能量的资源是不可再生的，大量的使用这些能源可能会引起能源危机。目前，人类的能源消耗主要体现在燃料资源的消耗上。现在的固体状能源主要是煤炭，目前已知的加上潜藏的煤炭储量最多可使用一到两个世纪，而且煤炭的开采和使用会破坏环境并且产生大量的二氧化碳与二氧化硫。当煤炭资源用尽前这些影响将会越来越恶劣。煤炭在能源的利用方面的比例已经越来越低，而石油和天然气正在被大量的使用着。作为能源，石油比煤炭有更大的优势。其开采地比煤炭更为集中因此对环境的破坏要少，其燃烧产生的污染物要比煤炭少，而且石油可以很容易的通过管道进行运输。同时这些优势使石油成为理想的汽车燃料。自从1859年第一个商业油田的建成以来，美国已经生产了超过100万桶石油，其中大部分是在最近几年生产的。1990年全世界约消耗了65万桶石油。石油与天然气资源在迅速的消耗着，阿拉斯加出产的石油只能暂时缓解石油的供应危机。世界石油的生产将在几年之内达到最高值。自从19731974年的第一次“能源危机”以来，已经出现了一些具体的措施。然而，自1973年以来，原油的价格已经提高了若干倍。美国和其他工业化国家一直受到通货膨胀、经济衰退、大批的失业和工业设备的过时的困扰。一些石油不足的发展中国家由于能源价格的关系其经济已经遭到破坏。在能源危机的同时，世界范围内还有一些食品和矿产资源的短缺，其次一些物品的生产则出现过剩，如小麦和铜的生产过剩，一些铜生产国将铜以铜币的形式出口。众所周知，能源的供应和成本已经成为当今社会的一个主要的话题。很显然，解决“能源危机”是非常有意义的。目前已经有许多节约能源和发展新能源的计划被提出来。在任何领域节约能源都是可行的。因而，能源工程师这个职业产生并迅速发展起来。能I源工程师的第一个提议是想办法减少能源的消耗同时保证产量不变甚至有所提高，第二个提议是寻找降低能源成本的方法。传统的工程技术被用来评估能源利用的技术。周期成本与用于节省资金的方法与经济利益同等重要。评价的重点是整个大局中的重要性和减少浪费和使用的资金的方法。同时，寻找更为理想的能源是非常重要的。解决能源危机的一种理想的能源的要求应该是无限的供应、能够被广泛的使用、价格低廉、而且其使用后不会添加地球的总热量的负担或者不会产生化学空气和水污染物的排放。太阳能满足这些标准，其产生的多余的热量会从地球辐射出去。而且利用照射到地球的一小部分太阳能就能够提供地球所需的能源。太阳能的供应是无限的，但是由于技术和条件的限制，其开发和利用是有限的。太阳能的利用需要大量的土地，还有经济和环境方面的要求，而且这一部分土地上太阳能的收集也只能达到一小部分。当然，亚利桑那州的许多居民可不喜欢国家大力发展太阳能的收集，而且一些环保组织也因为太阳能的收集对响尾蛇的生活习性等产生的影响而抗议太阳能收集装置的实行。太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能，而且已经广泛应用于空间飞行器能源的提供。然而，以目前的技术水平如果应用于大规模发电其代价于昂贵。因此，目前大多数太阳能发电方式仍旧是首先将太阳能转化为热能，然后再将热能转化为电能。这种方式目前最简单的设计是蒸汽发电装置，收集到的太阳能通过管道中的载热气体进行输送。这种管道使用涂层能够使运输过程中的入射能量只有很少部分的流失。关键词：光伏发电 ；最大功率点跟踪；DSP；占空比IIntroduction Energy means the power which does work and drives machines. All living things (including humans) rely on the sun as a source of energy. Coal， petroleum， and natural gas are energy sources available today because organisms in the past captured sunlight energy and stored it in the complex organic molecules that made up their bodies， which were then compressed and concentrated. With the development of society， a large of energy sources have been used，such as coal， petroleum， natural gas，geothermal energy， nuclear fission power， nuclear fusion power， solar energy， and Hydrogen gas. however， under the circumstances， the quantity of energy source is limited. unlimited usage of energy source results in energy crisis. At present， most of the energy consumed by humans is produced from fossil fuels. The greatest recoverable fossil is in the form of coal and lignite. Although world coal resources are enormous and potentially can fill energy needs for a century or two， their utilization is limited by environmental disruption from mining and emissions of carbon dioxide and sulfur dioxide. These would become intolerable long before coal resources were exhausted. Only a small percentage of coal and lignite has been utilized to date， whereas much of the recoverable petroleum and natural gas has already been consumed. Petroleum has several characteristics that make it superior to coal as a source of energy. Its extraction causes less environmental damage than does coal mining. It is a more concentrated source of energy than coal， and it burns with less pollution， and it can be moved easily through pipes. These characteristics make it an ideal fuel for automobiles. Since first commercial oil well in 1859， somewhat more than 100 million barrels of oil have been produced in the United States， most of it in recent years. In 1990 world petroleum consumption was at a rate of about 65 million barrels per day. Projected use of petroleum and natural gas indicates rapid Idepletion. Alaskan oil can help the petroleum supply only temporarily. Peak world petroleum resources production will be reached within a few years. Since the first energy crisis of 1973-1974， some concrete actions have even taken place. However， the several-fold increase in crude oil prices since 1973 has exacted a toll. In the U.S. and other industrialized nations， the economy has been plagued by inflation， recession， unemployment， and obsolescence of industrial equipment. The economies of some petroleum-deficient developing countries have been devastated by energy prices. Energy crisis was accompanied by worldwide shortages of some foods and minerals， followed in some cases by surpluses， such as the surplus wheat resulting from increased planting and a copper surplus resulting from the efforts of copper-producing nations to acquire foreign currency by copper export. As known to all，the availability and cost of energy has become dominant factors in society today. Obviously， solving the energy crisis makes good sense. Many schemes has been proposed for conserving present energy resources and for developing new ones. It is always possible to use less energy in any process. Therefore， energy engineer is created and developed. The first goal of energy engineer is to determine the methods by which energy utilization is reduced but the output remains the same， or even increases.The second goal is to determine which methods of using less energy are cost effective. Conventional engineering techniques are used to evaluated the mechanisms of energy use. Economic considerations are of equal importance and life cycle cost and saving techniques are used to determine cost-effective measures. The evaluation focuses on those uses which are significant in the overall picture and attempts to determine those technical measures that can reduce usage and save money. Meanwhile， looking for ideal energy sources is also very important to solve energy crisis. The recipe for an ideal energy source calls for one that is unlimited in supply， widely available， and inexpensive； it should not add Ito the earths total heat burden or produce chemical air and water pollutants. Solar energy fulfills all of these criteria. Solar energy does not add excess heat to that which must be radiated from the earth. On a global basis， utilization of only a small fraction of solar energy reaching the earth could provide for all energy needs. Solar energy is unlimited in supply， but its exploitation and utilization are limited owing to the limitation of technology and conditions. Solar energy utilization needs an enormous amount of land， and there are economic and environmental problems related to the use of even a fraction of this amount of land for solar energy collection. Certainly， many residents of Arizona would not be pleased at having so much of the state devoted to solar collectors， and some environmental groups would protest the resultant shading of rattlesnake habitat. Solar power cells for the direct conversion of sunlight to electricity have been developed and are widely used for energy in space vehicles. With present technology， however， they remain too expensive for large-scale generation of electricity. Therefore， most schemes for the utilization of solar power depend upon the collection of thermal energy， followed by conversion to electrical energy. The simplest such approach involves focusing sunlight on a steam-generating biller. Parabolic effectors can be used to focus sunlight on pipes containing heat-transporting fluids. Selective coatings on these pipes can be used so that only a small percentage of incident energy is reradiated from the pipes. Keywords: PV， the maximum power point tracking， DSP， the duty cycle1 绪论1.1 太阳能光伏发电的研究背景随着人类文明的发展，燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。人们对能源需求日益增加以及传统能源日益枯竭成了不可逆转趋势。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变现在的能源结构，维持长远的可持续发展，解决人类的能源问题。与风能等其他可再生能源相比，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。电能是人类社会最广泛最成熟的能源利用模式，将太阳能转换成满足人类各种需求的电能是利用太阳能的有效途径，是解决当前能源问题的最佳对策。由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，欧洲各国对太阳能的热情也日益高涨。我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了再生能源法，该法已于2006年1月1日起实施，中华人民共和国节约能源法，已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第三十次会议于2007年10月28日修订通过，现将修订后的中华人民共和国节约能源法公布，自2008年4月1日起施行。2009年12月26日，十一届全国人大常委会第十二次会议表决通过了中华人民共和国可再生能源法修正案 ，修正案自2010年4月1日起施行。这对于我国可再生能源具有十分重要的意义。我国也是如此。根据可再生能源中长期发展规划，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。1.2 太阳能光伏发电发展历程与现状目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但以目前人类的科技发展水平还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且太阳能电池的原料硅的储量十分丰富。太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。太阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。但是现在光伏电源能量转换效率比较低，单位发电成本较高，在一定程度上制约了光伏发电系统的发展。提高转换效率，降低发电成本成了光伏产业的发展趋势。利用科技的力量，力争使太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都能促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。1.3本文主要研究内容和任务本文主要研究太阳能独立光伏发电系统，本文研究的独立光伏发电系统结构框图如图1.3所示。该系统主要包括几个部分:太阳能电池阵列、BOOST变换器、负载、双向BUCK-BOOST变换器、蓄电池以及控制电路。该系统运行原理如下:(l)当日照较强，太阳能电池阵列输出功率大于负载功率时，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，多余的电能通过双向BUCK-BOOST变换器传输给蓄电池将能量储存起来。(2)当日照较弱，太阳能电池阵列输出功率小于负载功率时，由太阳能电池阵列和蓄电池共同给负载供电，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，不足的电能由蓄电池通过双向BUCK-BOOST变换器给负载供电。 （3）当无日照，光伏阵列输出功率为零时，由蓄电池单独给负载供电。(4)当有日照，太阳能电池阵列输出功率大于零且负载断开时，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器后给蓄电池充电以将能量储存起来。另外，如果蓄电池放电至低于过放电压，或者蓄电池充电至超过过充电压时，双向变换器将被强行控制关断，以保护蓄电池不被损坏，延长蓄电池的使用寿命。独立光伏发电系统所有控制功能的实现均由控制电路完成，控制电路采用数字信号处理器TMS320F28035，由数字信号处理器TMS320F28035采样所需要的电流电压信号并对信号进行处理，输出PWM波控制主电路功率开关管的通断。该系统框图如下图1-1。图1.1独立光伏发电系统框图本文主要研究工作包括以下部分:1） 完成离网型太阳能光伏发电系统主电路设计；2） 完成逆变电路的电压、电流测量并采集；3） 根据实际交流负载对电路所需器件参数进行计算并选型；4） 完成整个系统的电路原理图和PCB图；5） 研究不同DC/DC拓扑结构时太阳能光伏电源系统的优缺点，完成本论文系统的电路拓扑的设计与器件选型；6） 基于DSP研究控制系统的实现方法以及完成控制系统的设计。2 光伏系统简介及光伏发电效率分析2.1 太阳能光伏系统简介光伏发电系统是利用光伏电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。2.1.1 光伏系统的基本组成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、电压变换器和蓄电池(组)构成。太阳能电池板：太阳能电池板是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，光伏电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。电压变换器：逆变器的作用就是将光伏电池阵列和蓄电池提供的低压直流电斩波成更高的电压或逆变成交流电，供给交流负载使用。蓄电池(组)：蓄电池(组)的作用是将光伏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。光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。2.1.2 光伏系统的分类光伏发电系统接与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统(Stand-Alone PV System)和并网光伏发电系统(Grid-Connected PV System)。1、独立光伏发电系统(Stand-Alone PV System)图2-1 独立光伏发电系统结构框图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，光伏电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，光伏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。2、并网光伏发电系统(Grid-Connected PV System)图2-2 并网光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏电池所发的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送人电力系统。控制器一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成，用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成，以脉宽调制方式形成所需电量形式向电网送电。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角色。因此并网系统不需要额外的蓄电池，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电稳定性。光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统，成为光伏发电的最合理发展方向。光伏并网技术中目前主要研究重点为：光伏并网电路拓扑。能量管理及经济运行策略。系统显示和远程监控。2.2光伏电池特性分析讨论光伏并网系统的控制策略，就必须首先要清楚光伏阵列的V-I，P-V特性，进而提出合理的控制解决方案。为了更好的理解光伏电池的特性，根据上面的结论，光伏电池的非线性函数关系绘制出其在日照不同、结温相同情况下的光伏电池I-V、P-V特性曲线，如图2-3所示。a 当T = 25 ，光照为0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1时的I-U曲线b 当T= 25 ，光照为0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1时的P-U曲线c 当T = 25 ，光照为0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1时的P-I曲线图2-3 光照强度不同情况下IV、PV特性曲线从图中可以得出以下结论:光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系；光伏电池的开路电压在各种日照条件下变化不大；光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势；到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；如图2-3 a所示：在虚线A的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚线A对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%；如图2-3 b所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压的76%。2.2.1太阳能电池原理及分类在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。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，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，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。由上可知，太阳能电池单体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”的电子-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。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。2.2.2太阳能电池输出特性(一)标准测试条件下太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，常简称为I-F特性。由于日照强度、电池温度等都会影响太阳能电池的特性，因此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳能电池性能。我国应用的准测试条件定义为日照强度为1000W/，太阳能电池温度为25，太阳辐射光谱为AMI.5。一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数。当太阳能电池输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，太阳能电池近似为一恒流源，当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时，太阳能电池输出电流急剧下降，太阳能电池可近似为一恒压源。太阳能电池的输出特性是非线性的，既非恒流源也非恒压源(在最大功率点左侧为近似恒流源段，在最大功率点右侧为近似恒压源段)，且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。(二)温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响太阳能电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关，分别为不同日照光强和不同电池温度时，太阳能电池的输出特性曲线。当温度一定时，太阳能电池短路电流Csc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比，太阳能电池开路电压Co随日照强度的增加稍有增加，但增加很小，当日照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开路电压Co降低，而太阳能电池的短路电流Csc有轻微的增加。2.2.3太阳能电池工程用数学模型(一)太阳能电池的理论分析模型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:图2-4太阳能电池的等效电路 （2-1）式中:IL-光电流，A；Io-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，；Ash-并联电阻，；I-太阳能电池输出电流，A；V-太阳能电池输出电压，V。2.3铅酸蓄电池储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节更是不可缺少的组成部分。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池和镍氢蓄电池。目前中国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉蓄电池外，绝大多数是采用铅酸蓄电池。在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电系统中使用镍镉或镍氢蓄电池比较多。铅酸蓄电池充电控制方法在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的电荷量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。而电荷量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本、造价以及系统的使用寿命，因此选择合理的充电控制方法是提高太阳能独立光伏发电系统性能的有效手段。目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法。(一)恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处在于：铅酸蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长。(二)恒压充电法恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流电来说，此法的充电电流自动减少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。这种充电方法不足之处在于：在充电初期，如果铅酸蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电器的安全，而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤；如果铅酸蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多。(三)两阶段充电法这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，铅酸蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过高，使铅酸蓄电池产生析气。(四)三阶段充电法三阶段充电法是在两阶段充电完毕后，铅酸蓄电池容量己经达到额定容量时，再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。在浮充时，铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低。在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素，使用三阶段充电法对铅酸蓄电池充电较为合理。2.4 影响太阳能光伏发电效率的因素 辐射量的影响一般来说，到达地面的太阳辐射量主要受太阳高度角、地理纬度、大气透明度、日照时数及海拔高度等因素的影响。 太阳高度角和地理纬度太阳高度角即太阳能光伏方阵的倾角，方位角对太阳能辐射收集。太阳辐射强度可由公式I=Io sin h计算（Io为大气质量AM=I时，海平面上太阳辐射强度），可见太阳高度角越大，太阳辐射强度越大，反之太阳高度角越小，太阳辐射强度就越弱；各地太阳高度角的变化与纬度有关，一般纬度越高其太阳高度角就越小，反之纬度越低其太阳高度角就越大。 大气透明度和海拔高度大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数。在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多些，反之则少；海拔高度越高时，空气就越稀薄，太阳辐射被吸收、散射的就越少，并且大气中的水汽和尘埃的含量也越少，大气透明度就越大。因此海拔越高，太阳辐射能量也就越大。 日照时数日照时数也是影响地面太阳能的一个重要因素。一般日照时间长，地面所获得的太阳总辐射量就多。 太阳能光伏组件的特性和质量的影响太阳能光伏组件的特性和质量是由制作太阳能电池的材料决定的，制作材料质量直接影响着太阳能光伏组件的转换率，制作太阳能电池的材料是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池材料主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓-化合物、硫化镉等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。但是，目前全世界已经大规模产业化生产的太阳能电池是硅太阳能电池。硅太阳能电池主要是由单晶硅太阳能电池和多晶硅构成的晶体硅太阳能电池，其产量占到当前世界太阳能电池总产量的90以上，单晶硅目前的转换率达到了1620，但单晶硅价格昂贵，是多晶硅的四倍，太阳能光伏发电投资中硅材料占总投资的60，所以一次投资较大。多晶硅转换率达到了1416，一次投资相对小，因此目前被大多数太阳能光伏发电企业使用。总之单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换率高，使用寿命长，已被广泛使用。此外还有非晶体太阳能电池，但由于非晶硅稳定性差、衰减性大、建设占地面积大，未能被广泛的使用。还有聚光跟踪式光伏发电由于怕风沙、散热问题难，所以目前也未能被广泛地使用。 DC-DC变换器效率的影响DC-DC变换器效率的高低对太阳能光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要的影响。光伏发电系统专用的逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。在硬开关DC-DC变换器中主开关管的开通损耗主要包括：开通的时候开关两端等效电容(包括输出电容和缓冲电路电容)放电形成容性开通损耗，以及从截止到完全开通渡过放大区时形成的损耗。而开关管关断时的损耗产生的原因多种多样，但主要表现为：关断过程电流下降的延迟和电压的过快上升，从而形成电压电流的交叠，产生很大的功率损耗。所以为了提高输出效率，DC-DC变换器应具有最大功率点跟踪控制功能，随时跟随太阳能辐射能力而变化。 最大功率点跟踪对效率的影响输入的直流功率取决于逆变器工作在光伏阵列的电流-电压曲线上的哪一个点上。理想状态下，逆变器应工作在太阳能光伏阵列的最大功率峰值上。最大功率峰值在一整天内是不同的，主要是由于环境的作用，如太阳光的辐射和温度，但DC-DC变换器通过一个具有最大功率峰值跟踪的运算器来直接与光伏阵列相连，达到能量转移的最大化。例如：最大功率峰值跟踪的最大效率MPPT，可以定义为在定义的一段时间内DC-DC变换器从太阳能阵列获得的能量与理想状态下的最大功率峰值跟踪从太阳能阵列获得的能量的比率。许多最大功率峰值跟踪的运算法是建立在不同的基础上的，其参数有增量电导、寄生电容、恒定电压、电压的温度修正和模糊逻辑控制等。以“微扰观察法”为基础的运算法因为其简单的运行而成为最常见的用法。这种运算法是基于因光伏阵列运行电压的微扰而引起的小的电压增量（），在一段时间后引起的功率的改变（），我们对它进行测量。如果是正的那么下一个电压微扰增量也是正的。如果是负的那么下一个电压微扰增量也是负的。尽管如此，这种运算还是有些局限的地方，这将使最大功率峰值跟踪的效率在某些特定条件下有所降低。在非常低的太阳光辐射下，例如日出和日落的时候，功率曲线变得非常平滑，找到最大功率峰值变得非常困难。另外一个因素也使找到真正的功率峰值点变得不可能，那是因为逆变器的在这一点附近振荡。在太阳光辐射急剧改变的情况下，跟踪运算也可能会变得捉摸不定。部分遮影可以影响最大功率峰值跟踪的运行，但这个问题是可以克服的，用微扰的不同次数，正如一段时间的功率变化函数，也可用间隔电压微扰来解决这个问题。2.5提高太阳能光伏发电效率需进一步解决的问题目前，世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展，提高太阳能光伏发电效率，需要做好以下工作：（1）继续研制太阳能电池新材料，提高电光电转化效率；（2）研究太阳能光伏电池最大功率跟踪实现太阳能最大功率跟踪；（3）研究太阳能光伏电池阵列的优化组法，实现太阳能光伏电池阵列的优化组合；（4）研究太阳能光伏发电的软并网技术光伏电能对电网的冲击。3 最大功率点跟踪(MPPT)的研究太阳能被广泛应用于蓄电池充电系统、水泵、家用电源和卫星能源等领域。但是， 光伏发电系统的一个主要缺点是其价格昂贵而发电效率却较低，这已成为限制其发展的主要因素之一。所有的光伏系统都希望电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能， 以提高其发电效率， 这也就是理论和实践上的太阳能电池阵列的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)。3.1 最大功率点跟踪的概念太阳能电池是一种非线性直流电源，其P-V输出特性具有非线性特征，受日照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的日照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某以输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率-电压曲线的最高点，称之为最大功率点。所以实时监测光伏电池阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下光伏电池可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况，调整光伏电池的工作点，使之始终工作在附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪（MPPT），相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。在光伏发电系统中，通过最大功率点跟踪技术是光伏电池的输出功率保持在最大状态，是提高系统的整体效率的一个重要途径。 3.2 MPPT原理由于光伏器件的输出功率随外部环境变化而变化，因此光伏发电系统普遍采用MPPT电路和相应的控制方法提高对光伏器件的利用效率。假定电池的结温不变，光伏器件的特性曲线如上一章节图2-3所示。图3-1 MPPT工作原理示意图图3-