光伏發(fā)電基礎(chǔ)

光伏發(fā)電基礎(chǔ)第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月１.１光伏發(fā)電基本原理太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成電能,能將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器之一，就是光伏電池。光伏電池的物理基礎(chǔ)是由兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的大面積PN結(jié)，以及非平衡少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)電場作用下形成的漂移電流。

１.光伏電池的基本原理和等效電路第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月１.１光伏發(fā)電基本原理太陽光照射到由P、N型兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽能電池上時，一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。被吸收的光能激發(fā)被束縛的電子，產(chǎn)生“電子-空穴”對，在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，電子、空穴相互運動，若在電池兩端接上負(fù)載，負(fù)載上就有電流流過。當(dāng)光線一直照射時，負(fù)載上源源不斷地有電流流過。單片太陽能電池就是一個薄片狀的半導(dǎo)體PN結(jié)。標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，額定輸出電壓為0.5V左右。１.光伏電池的基本原理和等效電路第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月１.１光伏發(fā)電基本原理

１.光伏電池的基本原理和等效電路第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月１.2光伏電池陣列

由一片單晶硅片構(gòu)成的太陽能電池稱為單體（Cell)。單體電池的電壓電流很?。?.45~0.50V、20~25mA/cm2)，一般不能單獨作電源使用，需將它們串、并聯(lián)封裝后，構(gòu)成光伏電池組件(模塊Module)使用，一個組件上光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36~40個(10cmX10cm)。

當(dāng)應(yīng)用場合需要較高的電壓和電流，可把多個組件再經(jīng)過串并聯(lián)安裝在支架上，構(gòu)成了光伏電池陣列（Array)，滿足負(fù)載所需的功率要求．

１.光伏電池的基本原理和等效電路第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月１.2光伏電池陣列

１.光伏電池的基本原理和等效電路第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1單體光伏電池的等效電路

等效電路如圖所示

Iph為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的輻照度。

ID為暗電流，是指在無光照時，由外電壓作用下PN結(jié)內(nèi)流過的單向電流。

RS、RSH均為光伏電池本身固有電阻。因RS很小、RSH很大，所以進(jìn)行理想計算時，它們都可以忽略不計。

2.光伏電池數(shù)學(xué)模型第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1單體光伏電池的等效電路描述光伏電池特性的兩個重要參數(shù)分別是1.短路電流ISC與光伏電池的面積有關(guān)，1cm2光伏電池的短路電流約為16~30mA，且與入射光譜輻射照度成正比。2.空載電壓UOC與入射光譜輻射照度的對數(shù)成正比，與光伏電池的面積無關(guān)。在每平方厘米100MW太陽光譜輻照度，空載電壓約為450~600mV,最大可達(dá)690mV。2.光伏電池數(shù)學(xué)模型第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２.2單體光伏電池的電量方程

等效電路中各變量的方程式如下：（２－1）

（２－２）

（２－3）式中I０為光伏電池內(nèi)部等效二極管ＰＮ結(jié)反向飽和電流；

UＤ為等效二極管端電壓；

Ｔ為熱力學(xué)溫度；

Ａ為ＰＮ結(jié)曲線常數(shù)。

2.光伏電池數(shù)學(xué)模型第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２光伏電池的數(shù)學(xué)模型

２.3實用方程忽略RS、RSH,則Iph≈ISCUD≈U,式(2-2)可化簡為:

（２－4）式中,;。

第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２光伏電池的數(shù)學(xué)模型

２.3實用方程在最大功率點處，有IL=Im,U=Um

，可解出C1

（２－5）開路時，有IL=0

,U=UOC

，可解出C2

（２－6）由式(2-5)、(2-6)計算出C1、C2即可由(2-4)確定光伏電池的伏安特性曲線。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光伏電池數(shù)學(xué)模型第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

２.4伏安特性曲線

２光伏電池的數(shù)學(xué)模型第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

２.5填充系數(shù)

２光伏電池的數(shù)學(xué)模型第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２光伏電池的數(shù)學(xué)模型２.6光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素S為光照強(qiáng)度Aall為電池總的光照總面積影響效率最為重要的三個因素為:光譜響應(yīng)、光照特性和溫度特性。第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２光伏電池的數(shù)學(xué)模型２.6光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素光譜響應(yīng)太陽光譜中，不同波長的光不同的能量，所含的光子數(shù)目也不相同。因此，光伏電池接受光照射所產(chǎn)生的光子的數(shù)目也就不相同。光伏電池在入射光中每一種波長的光能作用下所收集到的光電流，與相對于入射到電池表面的該波長的光子數(shù)之比，叫做光伏電池的光譜響應(yīng)。能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的太陽能輻射波長范圍一般在0.4~1.2，最大靈敏度在0.8~0.95之間。第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２光伏電池的數(shù)學(xué)模型２.6光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素光照特性由伏安特性曲線可知，短路電流受光照強(qiáng)度的影響較大，而開路電壓受光照強(qiáng)度的影響較小。如果進(jìn)行較粗略的簡化，可以設(shè)Im∝ISC∝S。則有

Um∝UOC∝lnS

第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２光伏電池的數(shù)學(xué)模型２.6光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素溫度特性空載電壓線性地隨電池溫度變化,且呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)；而短路電流則呈現(xiàn)正溫度系數(shù),但隨溫度變化很小。光伏電池溫度越高，其所輸出的最大功率越小，效率越低。

第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機(jī)理3.1失配現(xiàn)象由于局部光照強(qiáng)度的減弱（樹、云層、建筑物的阻礙造成的陰影等）或生產(chǎn)工藝的問題，造成模塊中某個單體光伏電池的電流小于其他單體光伏電池的電流，該電池可能在某一情況下帶上負(fù)電壓，變成負(fù)載消耗其他正常電池產(chǎn)生的功率，模塊性能驟降，這就是失配現(xiàn)3.2失配的原因（1）產(chǎn)品問題（2）環(huán)境問題（3）陰影問題（4）模塊老化問題

第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機(jī)理3.3減輕功率失配損失的措施對多個串聯(lián)電池配置一個或幾個旁路二極管，如圖。旁路二極管會在某個串聯(lián)模塊受到陰影影響的情況下產(chǎn)生作用。當(dāng)被遮蔽部分帶有負(fù)電壓而且其大小達(dá)到二極管導(dǎo)通電壓時，旁路二極管可以把遮蔽部分短路，從而避免失配現(xiàn)象帶來的功率損失。

第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機(jī)理3.3減輕功率失配損失的措施電池并聯(lián)運行時，若太陽輻射不一致，電池板的電流和溫度均會出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致兩塊并聯(lián)模塊的電壓不同，有可能使某一模塊變成負(fù)載。為了改善這一現(xiàn)象，可以在每個串聯(lián)支路串聯(lián)一個阻斷二極管，以防止由強(qiáng)電流支路流向弱電流支路。第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏電池的分類

按結(jié)構(gòu)分類同質(zhì)結(jié)光伏電池異質(zhì)結(jié)光伏電池肖特基結(jié)光伏電池薄膜光伏電池疊層光伏電池濕式光伏電池

按結(jié)構(gòu)分類硅光伏電池電池非硅半導(dǎo)體光伏電池有機(jī)光伏電池第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4光伏系統(tǒng)的組成

4.1獨立光伏系統(tǒng)

第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.１獨立光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.２并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

１)最小并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月２)直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月３)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

集中式

支路式

4光伏系統(tǒng)的組成第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

交流模塊式

4光伏系統(tǒng)的組成３)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4)交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5)光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

5光伏逆變器并網(wǎng)相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

1.

GB/T19939-2005.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求。

2.

GB/Z19964-2005.光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定。

3.

GB/T20046-2006.光伏(PV)系統(tǒng)電網(wǎng)接口特性。

4.

GB/T20046-2006.光伏系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器效率測量程序。5.

國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定。其他《光伏并網(wǎng)發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗方法》《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)性能測試方法》《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)安全要求》第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

5光伏逆變器并網(wǎng)相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

國外標(biāo)準(zhǔn)

1.IEEEStd929-2000IEEERecommendedPracticefor

UtilityInterfaceofPhotovoltaic(PV)Systems2.IEEEStd1547系列標(biāo)準(zhǔn)

3.UL1741:2005Inverters,Converters,Controllers,andInterconnectionSystemEquipmentforUseWithDistributedEnergyResources4.EN50530:2010Overall

efficiencyofgridconnectedPhotovoltaicinverters

IEC61683

IEC61727IEC62116IEC62109-1IEC62109-2第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6最大功率點跟蹤技術(shù)6.1最大功率點跟蹤技術(shù)最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking,MPPT)技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在一定的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和其他因素下，光伏電池可以輸出不同的直流電壓，但是只是在某一個特定輸出電壓值時，輸出功率才能達(dá)到最大值，這時光伏電池工作在P-U曲線的最高點，被稱為最大功率點。

第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6最大功率點跟蹤技術(shù)6.1最大功率點跟蹤技術(shù)根據(jù)不同的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外部特性來調(diào)整光伏電池的輸出工作點，使之始終工作于最大功率點附近，這種技術(shù)被稱為MPPT技術(shù)。第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6最大功率點跟蹤技術(shù)6.2各種MPPT控制方法1.基于參數(shù)選擇方式的間接控制法根據(jù)預(yù)存數(shù)據(jù)庫和具體光伏電池參數(shù)，通過數(shù)學(xué)函數(shù)和經(jīng)驗公式得到近似的MPPT。這類方法沒有實現(xiàn)在線實時跟蹤與控制，誤差相對較大。1）恒電壓跟蹤法2）開路電壓比例系數(shù)法3）短路電流比例系數(shù)法4）曲線擬合法5)查表法第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6最大功率點跟蹤技術(shù)6.2各種MPPT控制方法2.基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法此類方法的主要特征是根據(jù)電壓、電流的檢測值經(jīng)

MPPT算法直接實現(xiàn)控制。由于采用了電壓、電流的實時采樣信號，能根據(jù)系統(tǒng)運行情況實時MPPT控制，滿足一般的應(yīng)用場合要求，因而在實際運用中最為廣泛。1）定步長擾動觀測法2）變步長擾動觀測法3）電導(dǎo)增量法4）實際測量法5)寄生電容法第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6最大功率點跟蹤技術(shù)6.2各種MPPT控制方法3.基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法此類方法不依賴于復(fù)雜的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由現(xiàn)代控制理論模型為依據(jù)采樣數(shù)據(jù)，再通過控制算法運算得出控制信號來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。該類控制方法適合于難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及外界條件和雜散參數(shù)影響嚴(yán)重的控制系統(tǒng)。1）模糊邏輯控制法2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法3）滑?？刂品ǖ?7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6最大功率點跟蹤技術(shù)6.3擾動觀測法1.工作原理先讓光伏電池工作在一個給