光伏發(fā)電最大功率點跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、光伏發(fā)電最大功率點跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)論文 光伏發(fā)電最大功率點跟蹤系統(tǒng)第一章緒論 1.1課題背景 能源是人類賴以生存的物質基礎,影響著人類社會發(fā)展的進程與未來。在農 業(yè)社會,人類主要依靠太陽能、生物質能、水能、風能等可再生能源。自工業(yè)革 命以來,煤的開發(fā)利用逐步取代了木柴,經(jīng)歷了約半個世紀,煤成為全球的主要 一次能源。到了20世紀,人類開始大規(guī)模開發(fā)利用石油和天然氣,20世紀成為 化石能源世紀。今天,煤、石油與天然氣己占世界能源消耗總量的80%以上n1。 化石能源不可再生,并終將耗竭。全世界的人們已經(jīng)認識到,人類必須逐步減少 化石能源的份額,增大可再生與新型能源的比重,向建立可持續(xù)發(fā)展的能源體系過渡。

2、 大量使用化石能源給人類的生存環(huán)境帶來了嚴重的后果。目前由于大量使用 礦物能源,全世界每天產生約一億噸“溫室效應氣體",造成了嚴重的大氣污染。 人類文明的高度發(fā)展與生存環(huán)境的快速惡化已經(jīng)形成了一對非常突出的矛盾。因此,在有限的資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下,人類要解決能源問題,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,只能依靠科技進步,走大規(guī)模開發(fā)和利用可再生潔凈能源的道路。 我國是世界上少數(shù)幾個能源結構以煤炭為主的國家,也是世界上最大的煤炭 消費國,對環(huán)境造成的污染不容樂觀。2000年,全國有57%的城市環(huán)境污染顆粒物超過國家限制值,有48個城市的二氧化硫濃度超過國家標準;82%的城市出現(xiàn)過酸雨,面積已達國

3、土面積的30%D3。2007年,全國二氧化硫廢氣排放量2468.1萬噸,煙塵排放量986.6萬噸,工業(yè)粉塵排放量698.7萬噸,因使用煤炭等化石能源造成的環(huán)境污染形勢相當嚴峻。我國經(jīng)濟正處在一個快速發(fā)展的時期,對能源的需求量在未來幾十年依然巨大。在今后15年和更長的一段時間里,能源的發(fā) 展狀況對我國全面實現(xiàn)小康社會的宏偉目標將起到?jīng)Q定性的作用。目前我國的能源工業(yè)面臨著經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的雙重壓力,開發(fā)利用可再生能源,改變能源 結構已成為我國能源工業(yè)發(fā)展的迫切需要。 1.1.1太陽能發(fā)電的優(yōu)點 太陽能是一種理想的可再生能源,在對太陽能的利用中,太陽能光伏發(fā)電最 具發(fā)展?jié)摿?它的開發(fā)利用是解決能源

4、短缺、環(huán)境污染和溫室效應等問題的有效途徑,是人類理想的替代能源。隨著技術的發(fā)展以及光伏電池成本的下降,太陽能光伏發(fā)電必將在二十一世紀得到長足的發(fā)展,并終將在世界能源結構中擔當重任,成為人類社會的重要能源之一。 太陽能光伏發(fā)電技術是將太陽能轉化為電能的技術,具有許多其他發(fā)電方式無法比擬的優(yōu)點 1.資源豐富:地球表面接受的太陽能輻射能是人類能源需求的1萬倍。地表每平方米平均每年受到的輻射可生產1700kWh電能。國際能源署數(shù)據(jù)顯示,在全球4%的沙漠上安裝太陽能光伏系統(tǒng),就足以滿足全球的能源需求。 2.不受地域限制:地球上,無論何處都有太陽能,可以就地開發(fā)利用,不存在運輸問題,尤其對交通不發(fā)達的農村

5、、海島和邊遠地區(qū)等更具有利用價值。我國約有2/3的地區(qū)可以較好地利用太陽能資源。 3.潔凈能源:太陽能在開發(fā)利用時,不會額外消耗燃料,不會產生廢渣、廢水、廢氣,也沒有噪音,不會造成環(huán)境污染和公害,更不會影響生態(tài)平衡。 4.維護方便:太陽能發(fā)電系統(tǒng)是模塊化安裝,靜態(tài)運行,壽命長,無需或極少需要維護分布式電力系統(tǒng)將提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性,特別是從抗御自然災害和戰(zhàn)備的角度看,它更具有明顯的意義。 5.光伏建筑集成BIPV-Building Integrated Photovoltaics:光伏發(fā)電和建筑結合,可以節(jié)省發(fā)電使用的土地,減少電能傳輸與分布的成本和損失,又可以使房子具有節(jié)能環(huán)保功

6、能,是目前大規(guī)模使用光伏技術發(fā)電的研究開發(fā)熱點。 隨著可再生能源法的頒布,各種減免稅政策和補貼政策為光伏市場的發(fā)展提供了良好的基礎。光伏發(fā)電的應用領域逐漸由邊遠地區(qū)的補充能源向全社會的替代能源過渡。 1.1.2國內外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近年來,國際上對太陽能資源的開發(fā)利用十分重視,促使太陽能開發(fā)利用的技術發(fā)展很快。自20世紀50年代太陽能光伏集成建筑的興起,世界范圍內的太陽能利用技術已經(jīng)走過了半個多世紀的歷史,特別是上世紀70年代爆發(fā)的世界性的石油危機有力的促進了太陽能的開發(fā)利用。當前國際上對光伏發(fā)電的研究主要有兩個方向,個是光伏電池的研究,主要是研究不同材料電池板的發(fā)電效率,力求找到一

7、種價格低、轉換效率高的太陽能電池板材料。另一個研究熱點主要集中在低成本、高效率、高穩(wěn)定性的光伏發(fā)電控制器和光伏建筑集成應用系統(tǒng)等方面。在世界各國,如美、日、德等發(fā)達國家先后發(fā)起了大規(guī)模的國家光伏發(fā)電計劃和太陽能屋頂計劃,在它們的刺激和推動下,光伏產業(yè)近幾年保持著年均30%以上的高速增長,許多企業(yè)和研究機構成功地推出了多種不同的高性能逆變器,并網(wǎng)光伏發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領域研究和發(fā)展的最新亮點。進入21世紀后,世界光伏發(fā)電系統(tǒng)更是得到了前所未有的發(fā)展,截至2007年底,世界光伏系統(tǒng)累計裝機容量約12GWp,其中并網(wǎng)光伏發(fā)電約10GWp,占總市場份額的83%n1,是全球發(fā)展最快的新能源。 我國于1

8、958年開始研究太陽能電池,并于1971年成功地首次應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上哺1。80年代以后,國家開始對光伏發(fā)電和光伏市場的發(fā)展給以支持,經(jīng)過十多年的努力,我國光伏發(fā)電技術有了很大的發(fā)展,光伏電池技術不斷進步,與發(fā)達國家的差距越來越小,光伏電池轉換效率不斷提高,目前單晶硅電池實驗室效率達20%,批量生產效率為14%,多晶硅實驗室效率為12%,在2000年以后,多晶硅產品逐步走出實驗室,開始形成規(guī)模生產,其效率與發(fā)達國家相比,差距在不斷縮小。在國家實施西部大開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略和國內綠色環(huán)保工業(yè)升溫的背景下,2002年國家計委啟動了西部地區(qū)送電到鄉(xiāng)的項目,耗資近20億人民幣,有力地推進了我國光

9、伏產業(yè)的發(fā)展。國家科技部已把“光伏屋頂并網(wǎng) 發(fā)電系統(tǒng)"列入了“國家十五科技攻關計劃",并在北京建成了20kWp、50kWp 等容量等級的光伏屋頂并網(wǎng)系統(tǒng),成功地實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電阻1。在大型光伏電站方面,中科院電工研究所于2004年在深圳世博園成功地實施了1 MWp容量的大型光伏并網(wǎng)電站。截至2007年底,我國光伏系統(tǒng)累計安裝容量100MWp,但并網(wǎng)發(fā)電所占的比例還比較底,還需要從科學發(fā)展觀的高度提高對并網(wǎng)光伏發(fā)電的戰(zhàn)略意義及重要性的認識,加快并網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展步伐H3。隨著光伏市場的不斷發(fā)展,與光伏產業(yè)相關的政策也相繼出臺。我國1996.2010年新能源和可再生能源發(fā)展綱要中

10、明確指出,要按社會主義市場經(jīng)濟的要求,加快新能源和可再生能源的發(fā)展和產業(yè)化建設,要求采取措施調整能源結構,提高清潔能源在能源消費中所占的比重,要通過技術進步來推動可再生能源事業(yè)的發(fā)展,改造傳統(tǒng)能源利用技術,提高能源利用效率,降低污染排放。 綜上可知,我國的光伏發(fā)電產業(yè)必將得到快速的發(fā)展。據(jù)專家預測,我國2010年光伏發(fā)電的累計裝機容量將達到250MWp,到2020年,光伏發(fā)電的累計裝機容量將達到1600MWp“1。面對如此巨大的國內市場需求和廣闊的發(fā)展前景,要實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電的快速發(fā)展和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的產業(yè)化,必須發(fā)展具有自主知識產權的光伏發(fā)電技術,增加技術積累和鼓勵技術創(chuàng)新。 1.2并網(wǎng)光伏

11、發(fā)電系統(tǒng)簡介 光伏發(fā)電系統(tǒng)通?？煞譃楠毩⒐夥l(fā)電系統(tǒng)Stand-aMne PV System和并網(wǎng)光伏發(fā)電系Grid?connected PV System”1。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與公共電網(wǎng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng),其典型特征是需要蓄電池來存儲夜晚用電的能量。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將太陽能光伏電池產生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉換成符合電網(wǎng)要求的交流電后直接接入公共電網(wǎng)的系統(tǒng)。 在歐美一些發(fā)達國家,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最受家庭和商業(yè)用戶歡迎,這種系統(tǒng)與地方電網(wǎng)連接.在滿足自己用電需求的同時,還可以把發(fā)出的富余電量出售給電力公司。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、連接器、并網(wǎng)逆變器、控制器和集成的繼電保護裝置等組成

12、,如圖1-1所示。 圖 1-1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 光伏陣列是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部件,它將接收到的太陽光能直接轉換為電能,目前工程上應用的太陽能電池陣列多為由一定數(shù)量的晶體硅太陽能電池組件按照并網(wǎng)逆變器輸入電壓的要求串、并聯(lián)組成。并網(wǎng)逆變器將光伏電池所發(fā)出的直流電逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中?？刂破魇遣⒕W(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,一般由單片機或微處理器作為核心器件構成,控制器控制光伏電池最大功率點的跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的波形和功率,使向電網(wǎng)傳送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡。繼電保護系統(tǒng)可以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力網(wǎng)的安全性。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)從結構上可以分為工頻和高頻兩種哺兒91。工頻

13、并網(wǎng)逆變器由于帶有工頻變壓器而使體積大且笨重。它是先通過DC/AC變換,將太陽電池直流電能轉化為交流電能,然后通過工頻變壓器和電網(wǎng)相連,完成電壓匹配以及和電網(wǎng)的隔離,實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。工頻并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結構如圖1-2所示。 高頻并網(wǎng)逆變器首先通過高頻變換器將太陽電池的直流電升壓或者降壓轉化為滿足并網(wǎng)要求的直流電壓,然后通過橋式逆變后直接和電網(wǎng)相連。高頻并網(wǎng)逆變器有隔離和不隔離兩種方式,高頻并網(wǎng)逆變器結構如圖1-3所示。高頻并網(wǎng)逆變系統(tǒng)因其在實現(xiàn)裝置小型化方面所起的重要作用而逐漸成為新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 1.3課題來源及本文所做的主要工作 本課題來源于國家自然基金重點項目“分散式風力一太陽能

14、發(fā)電系統(tǒng)的混和控制研究60534040",本文研究的內容為該項目的一部分.在前人研究的基礎上,本文主要研究了如何提高光伏電池利用效率的問題。高頻化在實現(xiàn)裝置小型化方面起到了重要作用,Cuk電路在高頻化應用中具有其獨特的優(yōu)點,而軟開關技術是解決裝置高頻化帶來的開關損耗和減少電磁干擾等問題的有效途徑。因而本文采用了帶軟開關的隔離式Cuk電路作為光伏發(fā)電系統(tǒng) 中前級的DC/DC電路,并在理論分析的基礎上,研制分析光伏陣列最大功率點跟蹤系統(tǒng)。 1.4本章小結 本章首先簡單的引出光伏利用過程中所存在的現(xiàn)象和問題。太陽能的光伏利用日益被人們重視,但是在光伏控制的技術方面還有待于進一步的改進和提高

15、,具有高性能價格比的MPPT的控制器將會比CVT控制器帶來更大的效益。接下來介紹了國內外光伏發(fā)電狀況,如能充分發(fā)展我國的光伏產業(yè),對節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染,將具有重大的經(jīng)濟意義和社會意義。緊接著具體闡述了目前國內外太陽能最 大功率點跟蹤控制方法的原理,并對其控制特點進行了深入的分析,最后說明了本課題的研究內容以及研究意義。 第二章 光伏電池的特性研究 光伏電池的特性研究為光伏電池的最大功率點的研究奠定了理論基礎,本章主要對光伏電池的工作原理和工作特性進行詳細的介紹。 2.1光伏電池工作原理 太陽能是一種輻射能,它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。這種把光能轉換成電能的能量轉換器,就是光

16、伏電池201211。光伏電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。通常,用于光伏電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質,和任何物質的原子一樣,半導體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成,半導體硅原子的外層有4個電子,按固定軌道圍繞原子核轉動。當受到外來能量的作用時,這些電子就會脫離軌道而成為自由電子,并在原來的位置上留下一個“空穴”,在純凈的硅晶體中,自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素,由于這些元素能夠俘獲電子,它就成了空穴型半導體,通常用符號P表示:如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素,它就成了電子型半導體,以符號N代表。若把這兩種半導體結

17、合,交界面便形成一個PN結。光伏電池的奧妙就在這個“結”上,PN結就像一堵墻,阻礙著電子和空穴的移動。當光伏電池受NIgH光照射時,電子接受光能,向N型區(qū)移動,使N型區(qū)帶負電,同時空穴向P型區(qū)移動,使P型區(qū)帶正電。這樣,在PN結兩端便產生了電動勢,也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導線,接通負載,則外電路便有電流通過,如此形成的一個個電池元件,把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來,就能產生一定的電壓和電流,并輸出功率。制造光伏電池的半導體材料已知的有十幾種,因此光伏電池的種類也很多。目前,技術最成熟,并具有商業(yè)價值的光伏電池要算硅太陽電池。 2.

18、2光伏電池工作特性 光伏電池特性一般包括光伏電池的輸入輸出特性、照度特性、以及溫度特性。 2.2.1光伏電池的輸入輸出特性 圖2-1為太陽能光伏電池的輸入輸出特性,也稱為太陽能光伏電池的電壓,電 流特性。圖中的實線為太陽能光伏電池被光照射時的電壓一電流特性,虛線為太陽 能光伏電池未被光照射時的電壓一電流特性。 無光照射時的暗電流相當于PN接合的擴散電流,其電壓電流特性可用下式表示: 這里, I。:逆飽和電流的作用,由PN結兩端的少數(shù)載流子和擴散常量決定的常數(shù); V: 光照射時的太陽能光伏電池的端子電壓; n:二極管因子; k:波爾茲曼常數(shù); T:溫度 PN結被光照射時,所產生的載流子的運動方向與2-1式中的電流方