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毕 业 设 计（ 2014 届） 题 目 太阳能光伏发电系统的研究 学 院 物理电气信息学院 专 业 电气工程与自动化 年 级 10级 学生学号 学生姓名 指师教师 2014年5月10日物理电气信息学院 本科毕业设计摘 要太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能光伏发电技术成为人们普遍关注的焦点，提高系统的整体效率便成为重中之重。本文主要是针对太阳能光伏发电系统中的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)与并网系统两方面进行研究。首先，概述了国内外太阳能光伏发电的现状和发展前景，以及光伏发电系统的结构组成和分类，使我们对光伏发电系统建立一个总体的认识；其次，对光伏电池及其特性做了简单介绍，分析了太阳能电池板的工作原理，得出了不同环境及不同日照强度下的太阳能电池输出特性曲线图，结果证明了太阳能电池的非线性；再其次，简要的介绍了最大功率点跟踪技术的原理及常规算法，通过MATLAB/Simulink 对MPPT系统进行了建模、仿真，并对其结果进行分析，得出相应结论；最后，对光伏并网系统的原理及控制策略做了一定的介绍，并进行了建模与仿真。关键词：太阳能光伏发电 蓄电池 MATLAB仿真 最大功率点 并网发电 Abstract As a new type of green renewable energy, solar energy has advantages of large reserves, using economic, clean environmental protection, etc. Therefore, solar photovoltaic technology becomes the focus of widespread concern. Improving the overall efficiency of the system has become a priority. This article is mainly on the maximum power point tracking for solar photovoltaic power generation systems and grid system . First of all, this article introduces an overview of the current situation and development prospects of domestic solar photovoltaic power generation , as well as composition and classification of photovoltaic systems , photovoltaic systems enable us to establish a general understanding of photovoltaic power generation system; then, the article tells a simple introduction of photovoltaic cells and its properties, analyses the working principle of solar panels, it is concluded that the different environment and sunshine intensity of the solar cell output characteristic curve, the result proved that the nonlinear solar cells; next followed by a brief introduction to the principles of maximum power point tracking technology and conventional algorithm. Through MATLAB/Simulink , the MPPT system was modeled and simulated,then draw the appropriate conclusions . Finally, it makes an introduction of the principle and control strategy of photovoltaic (pv) grid system, then a modeling and simulation was carried out.Key Words：Solar Photovoltaic Storage Battery Matlab Simulation Grid-Connected Maximun Power Point Tracing目 录第一章 绪论1 1.1 课题背景与选题意义1 1.1.1 全球能源危机与环境问题1 1.1.2 太阳能的开发与利用1 1.2 国内外研究综述3 1.2.1 光伏发电的历史3 1.2.2 国内研究综述3 1.2.3 国外研究综述4 1.3 本文主要工作6第二章 太阳能光伏发电系统概述7 2.1 太阳能光伏发电系统的组成7 2.2 太阳能光伏系统的分类7 2.2.1 独立型光伏发电系统7 2.2.2 并网型光伏发电系统8 2.2.3 混合型光伏发电系统8 2.3 太阳能光伏发电系统的应用9 2.4 光伏发电尚存在的问题9第三章 光伏电池及其特性11 3.1 太阳能电池的分类11 3.2 太阳能电池的基本工作原理12 3.3 太阳能电池的等效电路13 3.4 太阳能电池的I-V特性14第四章 最大功率点跟踪技术17 4.1 MPPT算法的原理17 4.2 MPPT常规跟踪算法18 4.2.1 恒定电压法18 4.2.2 扰动观察法19 4.2.3 电导增量法20 4.3 仿真分析22第五章 光伏并网系统的研究24 5.1 光伏发电并网的必要性24 5.2 光伏并网条件与并网电路原理24 5.3 光伏逆变器25 5.3.1 基于PWM技术的逆变器原理25 5.3.2 光伏并网系统逆变器控制方式27 5.4 并网控制策略28 5.5 仿真分析28第六章 结论与展望31 6.1 结论31 6.2 展望31参考文献32致 谢344第一章 绪论1.1 课题背景与选题意义1.1.1 全球能源危机与环境问题能源是维持整个人类社会运营和发展的动力，对人类社会起着至关重要的作用。在本世纪初进行的关于世界化石能源储量的调查研究数据显示：以当前人类的能源消耗速度，石油还可以开采约40年，煤炭为22年，天然气为61年。而我国化石能源的储量情况更加严峻，严重制约了经济的发展。此外，由于化石能源的大量使用，对环境造成了严重的污染，对生态造成了巨大的破坏。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化流浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，使人体质量恶化，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害。例如，温室效应、酸雨和臭氧层的破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。如何在使用能源的同时，保护好整个地球的生态环境已经成为全球各个国家面临的重要问题。改善现阶段的能源结构，大规模开发利用一些可再生的清洁能源已成为了解决能源问题的主要方向。1.1.2 太阳能的开发与利用1 太阳能的优势 太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。因为它具有以下的特点： (1)数量巨大：每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射相当于一颗原子弹爆炸时所发出的能量； (2)时间长久：用之不竭，太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续100亿年； (3)普照大地：取之不尽，不需要开采和运输； (4)清洁无污染：无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。2 光伏发电的优势 太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。目前，以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，因为光伏发电具有以下明显优点： (1)结构简单，体积小且轻。能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单，输出50W的晶体硅太阳能电池组件，体积约为450mm985mm45mm，质量为7kg。 (2)容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源；一个6.SMW的太阳能电池发电站，占地约80，不足10个月便可建成发电。 (3)维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳电池表面是否被粘污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。大型光伏电站使用计算机控制运行，运行费用很低。 (4)清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。 (5)可靠性高，寿命长，并且应用范围广。晶体硅太阳能电池的寿命可以长达20至35年，在光伏系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命可以达到10多年；太阳能几乎无处不在，太阳能电池在中国大部分范围内都能作为独立的电源。3 太阳能开发潜力 在中国，太阳能资源较好的地区占国土面积2/3以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日照在2200小时以上，中国陆地每年接收的太阳辐射量约合24000亿吨标准煤。太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散的进行，所以它适于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。分布式光伏发电并网系统将可能是今后住宅和办公用电的主要模式。太阳能发电有更加激动人心的计划。一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便向全球供电。据测算，到2050年和2100年，即使全用太阳能发电供给全球用电，占地也不过为186.79万平方公里和829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积的2.3%或全部沙漠的51.2%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。另一方案是天上发电。早在1980年美国宇航员和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可提供5KW电力。但这一方案需解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束传输等方案。1.2 国内外研究综述1.2.1 光伏发电的历史光伏发电技术的发展时间不长，迄今仅有100多年的历史。1839年，法国著名物理学家安东尼亨利贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel)在实验中意外地发现，当阳光照射伏打电池时，能够产生额外的伏打电势，这就是“光生伏打效应”(photovoltaic effect)，通常简称为“光伏效应”。英国科学家威廉史密斯(Wilough B.Smith)早在1873年就发现了对光敏感的材料一一硒，并进行了大胆预测，在阳光照射下，随着光通量的增加硒材料的导电能力也会随之增加。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。由于太阳能电池是利用光伏效应的原理来工作的，因而，自此以后，人们将能产生“光伏效应”的器件统称为“光伏器件”。 20世纪中期，超薄单晶硅光伏电池又被陆续开发出来；1961年至1971年间，光伏电池的研究侧重于提高电池的抗辐射能力与降低电池的开发升本上，其技术上没有得到显著的改变与进步；在1972年至1976年间，空间用光伏电池被成功研发出来并得到了初步的应用。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。1.2.2 国内研究综述 迄今为止，太阳能光伏发电还存在一些有待攻克的弱点，例如光电转化率低，所需光照要求复杂，成本高，最大功率跟踪技术不完善等。 中国光伏电池的主要产品是单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。商品单晶硅电池组件的转换效率为11%15%。商品多晶硅光伏电池组件的转换效率为10%14%。商品非晶硅光伏电池组件的转换效率为4%6%。单晶硅和多晶硅光伏电池组件的售价为3540元/Wp。 目前，太阳能电池市场85%的市场份额由晶体硅太阳能电池占据，其高昂的晶体硅价格制约了光伏产业的应用发展。薄膜太阳能电池结构简单、制备成本低廉，尤其钙钛矿型太阳能电池由现成材料制成，具有广泛的应用前景，但该类电池的产业化瓶颈是光电转化效率偏低，现阶段的研究重点是提高其光电转换效率。中国科学院重点实验室在无空穴传输材料的钙钛矿型薄膜太阳能电池方面研究取得了重要进展，制备的电池光电转换效率率先突破10%，达到了10.47%，是现有国内外公开报道中的最高值。 邹学毅提出将变结构参数模糊控制应用在光伏发电系统MPPT控制中，能够快速响应外界条件的变化，在最大功率点无明显的震荡，具有较好的动态和稳态性能；汪义旺针对常规模糊控制器在光伏发电最大功率点跟踪(MPPT)控制中存在的功率波动、控制精度低和自适应性较差等问题，提出了一种基于变论域自适应模糊控制器的光伏发电MPPT控制，该控制器能根据光伏发电输出功率偏差的变化自动调整变量的论域，从而快速准确地跟踪光伏发电系统的最大功率点，提高了系统的效率和稳定性；白慧杰针对导纳增量法在低光照情况下不易进行最大功率跟踪的缺点，结合线性比例电流法提出了一种线性比例电流法结合导纳增量法的控制策略；为了寻找更好的实现光伏发电系统最大功率点追踪控制方法，在分析已有最大功率追踪方法的基础上，赵立永提出了一种新型的MPPT跟踪方法改进的电压增f法，使最大功率跟踪更快更准，并通过对后级并网逆变器的控制实现了低谐波含f、高功率因数的并网要求；郭明明针对传统光伏发电DC/DC变换器工作在硬开关状态时，因开关损耗大、开关管所承受的电压电流大等缺点导致的系统效率下降问题，采用了一种软开关Boost变换器，其结构简单，易于控制，大大减少了变换器工作中的开关损耗，并且降低了开关管所承受的压降，从而提高了光伏发电传输效率；陈进美针对传统MPPT控制算法的缺点，提出了固定参数法与扰动观察法相结合、固定参数法和电导增t法相结合、高斯法与扰动观察法相结合的复合MPPT控制算法，较深入地探讨了这些算法的优点及详细实现方案；光伏并网逆变器对光伏发电系统的动态特性具有决定性作用，因此获得准确的光伏逆变器控制参数是分析光伏发电系统并网影响的基础，沈欣炜提出了一种针对典型光伏并网逆变器双环控制模型的dq轴参数解福辨识策略，并通过仿真算例比较了解福模型在不同噪声水平下的辨识效果，分析了不同类型的扰动数据对辨识的影响规律，讨论了滤波电感参数有偏差时对辨识结果的影响，最后通过参数适用性检验算例验证了所提出辨识方法的有效性；为提高聚光光伏发电的太阳能利用率，孙环阳提出了一种环形轨道式光伏发电双轴跟踪系统的设计方案，DSP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。1.2.3 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。 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14.5%。 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22.5，多晶硅电池达14.5，硫化镉电池达9.15。 1983年美国建成MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8。 1986年美国建成6.5MWp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。 2000年，建材一体型太阳电池应用(BIPV)。 2006年，波音子公司Spectrolab研发出转换率41的砷化镓太阳能 2013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2000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23.7%，多晶硅电池最高可达18.6%，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19.8%； （2）旧本京都陶瓷公司多晶硅电池效率达到17.1%； （3）澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池效率己达23.7%； （4）德国ASE公司片状晶体硅电池效率为14.5%； （5）美国Astro Power(AP)公司的带状多晶硅电池效率为10.5%； （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。1.3 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。第二章 太阳能光伏发电系统概述 2.1 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。2.2 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。2.2.1 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2-1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 图2-1 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。2.2.2 并网型光伏发电系统 图2-2 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2-2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。2.2.3 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2-3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。 图2-3 混合型光伏发电系统的结构框图2.3 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：1、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；2、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；3、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。2.4 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%4&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P-N结的空间电荷区，得到更大的输出电压；增加受光面的折射度，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。2003年单、双晶硅光伏电池组件的价格约为3640元/，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620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（，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，降低它的内阻从而提高它的光电转换效率而不懈努力。5 其他因素 由于太阳光存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的特点，因此发电受外界环境的影响较大。第三章 光伏电池及其特性 太阳能电池阵列是将太阳能转换成电能的装置，是光伏系统的重要组成部分，它决定了光伏系统的发电量。太阳能电池板输出的功率受温度、光照强度的影响比较大。3.1 太阳能电池的分类 太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，己经种类繁多，形式多样。下面按照材料进行分类并且加以介绍。1 硅太阳能电池 指以硅为基体材料的太阳能电池，有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。其中，单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良，但成本高，而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低，单片电池也可以做得比较大，效率比单晶硅电池低。非晶硅太阳电池对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄，通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之一，所以制作非晶硅太阳电池资源消耗少。非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换率偏低，目前效率一般在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，如硫化福太阳能电池、砷化嫁太阳能电池等。3 有机半导体太阳能电池 指用含有一定数量的碳一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。4 薄膜太阳能电池 指用单质元素、无机化合物或有机材料制成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、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池等。 此外，按照应用还可将太阳能电池分为空间太阳能电池和地面太阳能电池两大类。地面太阳能电池又可分为电源太阳能电池和消费品用太阳能电池两种。空间太阳能电池的主要要求是耐辐射性好、可靠性高、光电转换效率高、功率面积比和功率质量比优等。3.2 太阳能电池的基本工作原理 太阳能电池是利用半导体材料的电子特性把太阳光直接转换成电能的一种固态器件。 太阳能电池工作原理的基础，是半导体P-N结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。现将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点： 1.首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。 2.太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子(光生载流子)一一电子一空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。 3.这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池P-N结内建电场的作用下，电子一空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中到一边，在P-N结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。 4.在太阳能电池P-N结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)直接转换成了电能。 当太阳光(或其他光)照射到P-N结时，半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，于是就在P-N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电、N型区带负电，于是就使得P区与N区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接外电路时，便有电能输出。这就是P-N结太阳能电池发电的基本原理。如图3-1所示： 图3-1 光生伏打效应原理图3.3 太阳能电池的等效电路太阳能电池的等效电路如图3-2所示： 图3-2 光照时太阳能电池的等效电路其中： :是短路电流，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。它的值与太阳能电池的面积大小、光照强度、环境温度成正比。 为太阳能电池的输出值，当太阳能电池两端开路时，太阳能电池输出的电压值为开路电压，与太阳光辐射强度有关系，而与电池板面积的大小没有关系。开路电压值随着光照强度的升高而升高。 为通过P-N结的总扩散电流。 为串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。 为并联电阻，是电池边缘漏电或者耗尽区内的复合电流引起的。根据太阳能电池等效电路和电子学理论，太阳能电池的电流方程可以用下式表示： (3-1)式中： 太阳能电池输出电流，A； 电子电荷常数，为； 反向饱和电流，A； 常数因子(正偏电压大时A值为1，正偏电压小时A值为2)； 波尔兹曼常数，； 绝对温度，K。 通常情况下，一个理想的太阳能电池，串联电阻很小，而并联电阻很大。由于和分别串联和并联在电路中，所以在进行理想的电路计算时，它们可以忽略不计，太阳能电池的电流方程可化为： (3-2) 当电路外接负载接时，设太阳能电池输出电流为，则输出功率为： (3-3)3.4 太阳能电池的I-V特性 在特定的太阳光照强度和环境温度下，由公式3-3可知，当外接电阻R，从0变化到无穷大时，可以得出太阳能电池负载特性曲线，曲线如图3-3所示。与曲线上的任一点相对应的横坐标、纵坐标即为太阳能电池的工作电压和工作电流。当调节负载电阻R到某一值时，太阳能输出功率为最大值，此工作点即为太阳能电池最大功率点。该点所对应的功率称为最大功率点功率，该点所对应的电压称为最大功率点电压，该点所对应的电流称为最大功率点电流： = (3-4) 太阳能电池的I-V特性曲线对于分析太阳能电池非常重要，由图可以看出太阳能电池是一个既非恒压源又非恒流源的非线性直流电源。 图3-3 太阳能电池负载曲线 根据太阳能电池的I-V特性曲线，在给定温度和日照强度下，可以定义出几个重要的技术参数:(1)短路电流：电池板所能输出的最大电流() (2)开路电压：电池板所能输出的最大电压 (3)最大功率点电流：电池板最大功率点上的电流 (4)最大功率点电压：电池板最大功率点上的电压 (5)最大功率点电压：电池板最大功率点上的功率 1.日照强度的影响 太阳能电池的输出电流直接受到日照强度的影响，在特定温度下，太阳能电池在不同日照强度下的I-V特性曲线如图3-4所示: 图3-4 不同日照强度下的太阳能电池板的I-V特性曲线 由图3-4可以看出在一定的温度下，随着太阳光照强度的增加，太阳能电池板输出电流增