光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)論文 光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)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(zhì)基礎(chǔ),影響著人類社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程與未來。在農(nóng) 業(yè)社會(huì),人類主要依靠太陽能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)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(gè)世紀(jì),煤成為全球的主要 一次能源。到了20世紀(jì),人類開始大規(guī)模開發(fā)利用石油和天然氣,20世紀(jì)成為 化石能源世紀(jì)。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(rèn)識(shí)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(yán)重的后果。目前由于大量使用 礦物能源,全世界每天產(chǎn)生約一億噸“溫室效應(yīng)氣體",造成了嚴(yán)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(duì)非常突出的矛盾。因此,在有限的資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下,人類要解決能源問題,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,只能依靠科技進(jìn)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(gè)能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主的國家,也是世界上最大的煤炭 消費(fèi)國,對(duì)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(gè)城市的二氧化硫濃度超過國家標(biāo)準(zhǔn);82%的城市出現(xiàn)過酸雨,面積已達(dá)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(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻。我國經(jīng)濟(jì)正處在一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期,對(duì)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(shí)間里,能源的發(fā) 展?fàn)顩r對(duì)我國全面實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)的宏偉目標(biāo)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(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力,開發(fā)利用可再生能源,改變能源 結(jié)構(gòu)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(diǎn) 太陽能是一種理想的可再生能源,在對(duì)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(yīng)等問題的有效途徑,是人類理想的替代能源。隨著技術(shù)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(jì)得到長足的發(fā)展,并終將在世界能源結(jié)構(gòu)中擔(dān)當(dāng)重任,成為人類社會(huì)的重要能源之一。 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù),具有許多其他發(fā)電方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn) 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(chǎn)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(yùn)輸問題,尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村

5、、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)等更具有利用價(jià)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(shí),不會(huì)額外消耗燃料,不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣,也沒有噪音,不會(huì)造成環(huán)境污染和公害,更不會(huì)影響生態(tài)平衡。 4.維護(hù)方便:太陽能發(fā)電系統(tǒng)是模塊化安裝,靜態(tài)運(yùn)行,壽命長,無需或極少需要維護(hù)分布式電力系統(tǒng)將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性和可靠性,特別是從抗御自然災(zāi)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(jié)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(shù)發(fā)電的研究開發(fā)熱點(diǎn)。 隨著可再生能源法的頒布,各種減免稅政策和補(bǔ)貼政策為光伏市場(chǎng)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由邊遠(yuǎn)地區(qū)的補(bǔ)充能源向全社會(huì)的替代能源過渡。 1.1.2國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 近年來,國際上對(duì)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(shù)發(fā)展很快。自20世紀(jì)50年代太陽能光伏集成建筑的興起,世界范圍內(nèi)的太陽能利用技術(shù)已經(jīng)走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷史,特別是上世紀(jì)70年代爆發(fā)的世界性的石油危機(jī)有力的促進(jìn)了太陽能的開發(fā)利用。當(dāng)前國際上對(duì)光伏發(fā)電的研究主要有兩個(gè)方向,個(gè)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(jià)格低、轉(zhuǎn)換效率高的太陽能電池板材料。另一個(gè)研究熱點(diǎn)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(yīng)用系統(tǒng)等方面。在世界各國,如美、日、德等發(fā)達(dá)國家先后發(fā)起了大規(guī)模的國家光伏發(fā)電計(jì)劃和太陽能屋頂計(jì)劃,在它們的刺激和推動(dòng)下,光伏產(chǎn)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(jī)構(gòu)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(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)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(jì)裝機(jī)容量約12GWp,其中并網(wǎng)光伏發(fā)電約10GWp,占總市場(chǎng)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(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星上哺1。80年代以后,國家開始對(duì)光伏發(fā)電和光伏市場(chǎng)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(shù)有了很大的發(fā)展,光伏電池技術(shù)不斷進(jìn)步,與發(fā)達(dá)國家的差距越來越小,光伏電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高,目前單晶硅電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)20%,批量生產(chǎn)效率為14%,多晶硅實(shí)驗(yàn)室效率為12%,在2000年以后,多晶硅產(chǎn)品逐步走出實(shí)驗(yàn)室,開始形成規(guī)模生產(chǎn),其效率與發(fā)達(dá)國家相比,差距在不斷縮小。在國家實(shí)施西部大開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略和國內(nèi)綠色環(huán)保工業(yè)升溫的背景下,2002年國家計(jì)委啟動(dòng)了西部地區(qū)送電到鄉(xiāng)的項(xiàng)目,耗資近20億人民幣,有力地推進(jìn)了我國光

9、伏產(chǎn)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(guān)計(jì)劃",并在北京建成了20kWp、50kWp 等容量等級(jí)的光伏屋頂并網(wǎng)系統(tǒng),成功地實(shí)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(shí)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(jì)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(xué)發(fā)展觀的高度提高對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電的戰(zhàn)略意義及重要性的認(rèn)識(shí),加快并網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展步伐H3。隨著光伏市場(chǎng)的不斷發(fā)展,與光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)的政策也相繼出臺(tái)。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(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的要求,加快新能源和可再生能源的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化建設(shè),要求采取措施調(diào)整能源結(jié)構(gòu),提高清潔能源在能源消費(fèi)中所占的比重,要通過技術(shù)進(jìn)步來推動(dòng)可再生能源事業(yè)的發(fā)展,改造傳統(tǒng)能源利用技術(shù),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(chǎn)業(yè)必將得到快速的發(fā)展。據(jù)專家預(yù)測(cè),我國2010年光伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到250MWp,到2020年,光伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到1600MWp“1。面對(duì)如此巨大的國內(nèi)市場(chǎng)需求和廣闊的發(fā)展前景,要實(shí)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(chǎn)業(yè)化,必須發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光伏發(fā)電技術(shù),增加技術(shù)積累和鼓勵(lì)技術(shù)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?dú)立光伏發(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(dú)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(chǔ)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(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)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(dá)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(shí),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(hù)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(zhuǎn)換為電能,目前工程上應(yīng)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(jī)或微處理器作為核心器件構(gòu)成,控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)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(hù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。工頻并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖1-3所示。高頻并網(wǎng)逆變系統(tǒng)因其在實(shí)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(shì)。 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(diǎn)項(xiàng)目“分散式風(fēng)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(nèi)容為該項(xiàng)目的一部分.在前人研究的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)裝置小型化方面起到了重要作用,Cuk電路在高頻化應(yīng)用中具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),而軟開關(guān)技術(shù)是解決裝置高頻化帶來的開關(guān)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(guān)的隔離式Cuk電路作為光伏發(fā)電系統(tǒng) 中前級(jí)的DC/DC電路,并在理論分析的基礎(chǔ)上,研制分析光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)。 1.4本章小結(jié) 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(shù)方面還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和提高

15、,具有高性能價(jià)格比的MPPT的控制器將會(huì)比CVT控制器帶來更大的效益。接下來介紹了國內(nèi)外光伏發(fā)電狀況,如能充分發(fā)展我國的光伏產(chǎn)業(yè),對(duì)節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染,將具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。緊接著具體闡述了目前國內(nèi)外太陽能最 大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的原理,并對(duì)其控制特點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析,最后說明了本課題的研究內(nèi)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(diǎn)的研究奠定了理論基礎(chǔ),本章主要對(duì)光伏電池的工作原理和工作特性進(jìn)行詳細(xì)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(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器,就是光

16、伏電池201211。光伏電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。通常,用于光伏電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì),和任何物質(zhì)的原子一樣,半導(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成,半導(dǎo)體硅原子的外層有4個(gè)電子,按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)受到外來能量的作用時(shí),這些電子就會(huì)脫離軌道而成為自由電子,并在原來的位置上留下一個(gè)“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(dǎo)體,通常用符號(hào)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(dǎo)體,以符號(hào)N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)

17、合,交界面便形成一個(gè)PN結(jié)。光伏電池的奧妙就在這個(gè)“結(jié)”上,PN結(jié)就像一堵墻,阻礙著電子和空穴的移動(dòng)。當(dāng)光伏電池受NIgH光照射時(shí),電子接受光能,向N型區(qū)移動(dòng),使N型區(qū)帶負(fù)電,同時(shí)空穴向P型區(qū)移動(dòng),使P型區(qū)帶正電。這樣,在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì),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(yīng)”。如果這時(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線,接通負(fù)載,則外電路便有電流通過,如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件,把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來,就能產(chǎn)生一定的電壓和電流,并輸出功率。制造光伏電池的半導(dǎo)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(shù)最成熟,并具有商業(yè)價(jià)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(shí)線為太陽能光伏電池被光照射時(shí)的電壓一電流特性,虛線為太陽 能光伏電池未被光照射時(shí)的電壓一電流特性。 無光照射時(shí)的暗電流相當(dāng)于PN接合的擴(kuò)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(jié)兩端的少數(shù)載流子和擴(kuò)散常量決定的常數(shù); V: 光照射時(shí)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(jié)被光照射時(shí),所產(chǎn)生的載流子的運(yùn)動(dòng)方向與2-1式中的電流方