2017-光伏发电基本原理

`光伏发电基本原理山东大学电气工程学院王辉2017.08.03内容1.新能源发电技术概述2.光伏发电系统3.光伏发电系统控制技术4.其他关键技术山大电气-WH一、能源的定义和分类按照开发和使用程度可分为：常规能源（媒、石油、水利等）、新能源（太阳能、风能、海洋能等）按照是否可反复使用可分为：不可再生能源（化学能源、核能）、可再生能源（太阳能、水能、风能、地热能、海浪能等）石油—40年；天然气—60年；煤—200年（低碳生活）按照是否经过加工或转换，可分为一次能源、二次能源。山大电气-WH二、相关新能源发电技术太阳能发电风力发电生物质能发电海洋能利用与发电燃料电池、地热能、空气能、核能等储能技术（蓄电池、抽水蓄能、飞轮储能、氢能等）山大电气-WH三、相关概念分布式发电微电网智能电网能源互联网山大电气-WH分布式发电分布式发电是一种建立在用户端的能源供应方式。既可独立运行，也可并网运行，而不论规模大小、使用什么燃料或应用技术。具有高效、节能、环保等特点分布式发电技术包含小型燃气发电机组、太阳能光伏发电、小型风力发电、生物质能发电、燃料电池发电等。山大电气-WH1243微型电网电能热能微电网概念微型电源储能装置微电网控制单元负荷山大电气-WH智能电网----配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的合成；网络实时重构，故障快速检测、定位和隔离；----利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，设备状态和用户负荷监测，对整个电力系统运行的优化管理；----建立具有远程监控和自动化操作新型变电站的升级系统；----将新型可替代能源接入电网，比如太阳能、风能、地热能等，实现分布式能源管理；----智能电表作为互联网路由器，进行通信、宽带业务或传播电视信号；----移动作业和自动计量管理、分时电价计算等。山大电气-WH内容1.新能源发电技术概述2.光伏发电系统4.其他关键技术3.光伏发电系统控制技术山大电气-WH一、太阳能热利用太阳能的特点优点：清洁、可再生、分布广、获取容易缺点：能流密度低、能量不稳定、不连续太阳能热利用将太阳辐射直接转换成热能供人类利用。基本原理是利用集热装置将太阳辐射收集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能而加以直接或间接的利用。山大电气-WH山大电气-WH美国加州建造的一个槽式抛物面聚焦系统照片山大电气-WH槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统工作原理图山大电气-WH太阳能热发电—塔式山大电气-WH太阳能热发电—塔式山大电气-WH太阳能热发电—塔式山大电气-WH1)太阳光子打到半导体表面，能量大于禁带宽度的，打出电子空穴对。2)由于P-N结具有由N指向P的内建电场，电子和空穴分别向相反方向移动，在两侧电极积累。二、光伏电池工作原理山大电气-WH1839年，法国物理学家贝克勒尔（E.Becquerel）在湿电池实验中发现光伏效应。但效率不足1%。1953年，美国贝尔实验室的皮尔逊(G.Pearson)、查平(D.Chapin)、富勒(C.Fuller)利用掺杂半导体硅晶片，得到比以前高得多的光电转换效率。1958年，美国第二颗卫星“先锋1号”首次采用太阳电池，为蓄电池充电，在太空连续工作8年。1977年，前苏联首次将GaAs太阳电池用在人造卫星上。我国1958年开始研制太阳电池，于1971年将封装有20多块单晶硅太阳电池的组合板用在我国第二颗人造卫星上。硅太阳电池的三位发明人、美国贝尔实验室的皮尔逊、查平和富勒（Pearson,Chapin,Fuller）在测量早期太阳电池的光响应。二、光伏电池工作原理山大电气-WH三、光伏电池的分类1.单晶硅太阳能电池2.多晶硅太阳能电池3.非晶硅太阳能电池在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。山大电气-WH外观：四角为直角灰白杂色，有杂质四角为截角或圆形蓝灰色，质地单一三、光伏电池的分类山大电气-WH单晶硅电池多晶硅电池三、光伏电池的分类山大电气-WH→晶体硅提炼（冶炼）→硅片制备（铸造）→化学处理表面织构化→扩散制P-N结→沉积减反射膜和钝化膜→电极印刷及烧结→电池封装。山大电气-WH两种电池的性能比较根据不同需要掺入各种杂质晶粒生长呈不规则性99.999％以上的单晶硅棒晶粒生长各向同性16％左右20％左右普通场所大型光伏电站主流电池精密电子仪器半导体元器件重要场所的光伏电池原料成分工艺及成本光电转化效率应用范围多晶硅电池单晶硅电池生产工艺纯熟成本低电耗相对小需要高度提纯严苛的晶粒生长环境生产成本高电耗大山大电气-WH光伏电池封装胶膜（EVA）一种热固性有粘性的胶膜，用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片）背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化）汇流条和互连条的作用是一样的，都是收集电荷用，互联条是将单个电池片上的电荷进行收集并起到将电池片进行串联的目的，汇流条是将每一串的电流进行连接的，汇集一起进行输出。汇流条和互联条都是涂锡铜带。山大电气-WH几个概念单体：由1片硅晶片构成的太阳能电池光伏组件（模块）：多个太阳能电池单体构成光伏阵列：多个光伏组件构成热斑效应：为了达到较高转换效率，光伏组件中的单体电池须具有相似的特性。在实际使用过程中，可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池的特性与整体不谐调。失谐电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其他电池产生能量，导致局部过热。这种现象称为热斑效应。山大电气-WH四、热斑效应热斑效应的破坏力:有光照的组件所产生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽的电池所消耗。热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料(如无旁路二极管保护)，甚至会使整个方阵失效。组件热斑产生的原因:个别坏电池的混入、电极焊片虚焊电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局部受到阴影遮挡等。山大电气-WH四、热斑效应解决热斑效应的方法:在组件上加装旁路二极管旁路二极管的工作原理:一般来说,一个由36个单体光伏电池串联的商用光伏组件中,每18个单体光伏电池会并联上一个旁路二极管山大电气-WH五、光伏发电系统原理光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式。光伏发电系统主要由光伏阵列、控制器、储能、电力电子变换器、负载等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。独立光伏发电系统并网光伏发电系统山大电气-WH独立光伏发电系统组成五、光伏发电系统原理山大电气-WH～太阳能电池阵列蓄电池DC/DC变换器驱动电路PWM控制器电抗器电网变压器DC/DC斩波器DC/AC逆变器典型并网光伏发电系统五、光伏发电系统原理山大电气-WH山大电气-WH山大电气-WH（1）光伏阵列光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.（2）储能蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。（3）负载终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。——直流负载，交流负载五、光伏发电系统原理山大电气-WH（4）电力电子变换器电力电子变换器实现DC-AC或DC-DC电能变换，完成升压，对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。是光伏发电系统的关键部分。直流变换器（DC-DC）:将直流电变换为不同电压等级的直流电逆变器——将直流电逆变成交流源变换器五、光伏发电系统原理山大电气-WHQUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQONttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTsBoost升压DC-DC变换器UiLbQCfRLdUo+_D山大电气-WHQUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQOFFttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTs11oiUUDBoost升压DC-DC变换器UiLbQCfRLdUo+_D山大电气-WH山大电气-WH绝缘栅双极晶体管■IGBT的结构和工作原理◆IGBT的结构☞是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。☞简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号RN为晶体管基区内的调制电阻。E山大电气-WH◆IGBT的工作原理☞IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。E绝缘栅双极晶体管IGBT的输出特性山大电气-WH德国:英飞凌，德西门康日本:富士，三菱常用电力电子器件生产厂商IGBT器件厂家Fuji富士（日本）SanRex三社（美国）Eupee优派克（德国）WestCode西玛（英国）Hitachi日立（日本）IR(美国）IXYS艾赛斯（德国）Concept(瑞士)Sanken三肯（日本）Semikron西门康（德国）Fairchild仙童（美国）Mitsubishi三菱（日本）Infineon英飞凌（德国）ABB山大电气-WH单相半桥逆变器单相全桥逆变器三相桥式逆变器DC-AC逆变器非隔离型光伏并网逆变器结构隔离型光伏并网逆变器结构工频隔离型高频隔离型山大电气-WH（a）非隔离型山大电气-WH（b）隔离型（工频）山大电气-WH（b）隔离型（高频）山大电气-WH举例：双极性PWM控制方式V1、V4和V2、V3两组相互导通。uruc，给V1、V4导通信号，如io0，则V1和V4通，如io0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是uo=Uduruc，给V2、V3导通信号，如io0，则V2和V3通，如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单相SPWM逆变电路山大电气-WH三相桥式PWM型逆变电路三相桥式PWM型逆变电路三相桥式PWM逆变电路波形◆采用双极性控制方式◆电路工作过程（U相为例）当urUuc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压uUN’=Ud/2。当urUuc时，V4导通，V1关断，则uUN’=-Ud/2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形都只有±Ud/2两种电平。山大电气-WH三相桥式PWM型逆变电路三相桥式PWM逆变电路波形输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成。√当臂1和6导通时，uUV=Ud。√当臂3和4导通时，uUV=－Ud。√当臂1和3或臂4和6导通时，uUV=0。负载相电压uUN可由下式求得3''''WNVNUNUNUNuuuuu负载相电压的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。◆为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。三相桥式PWM型逆变电路山大电气-WH多电平逆变器五电平举例aobo,o,c[0,1,2,3,4]acbcccabcUSUUSUUSSU公式(SSS)3anaoNObnboNOcncoNOcNOabcvvvvvvvvvUv得山大电气-WH（5）控制器光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。功能主要包括：太阳能最大功率点控制（MP