新能源发电与控制技术第二章

第2章光伏发电及其最大功率点跟踪技术2.1太阳的辐射及太阳能利用2.2光伏电池基础知识2.3光伏电池发电原理2.4最大功率点跟踪技术2.5基于采样数据的直接MPPT控制法2.6MPPT控制方法的实际应用2.7基于物理跟踪的光伏发电系统MPPT2.1太阳的辐射及太阳能利用1.太阳的活动及辐射实际到达地面的太阳辐射通常由直接辐射和漫射辐射两部分组成。直接辐射是指直接来自太阳,其辐射方向不发生改变的辐射。漫射辐射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射,它由三部分组成:太阳周围的散射、地平圈散射及其他的天空散射辐射。非水平面接收来自地面的辐射称为反射辐射。直接辐射、漫射辐射和反射辐射的总和称为总辐射。太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角,它有日变化和年变化。“大气质量”m=O'A/OA=1/sinh太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关,如图所示。其中h为太阳的高度角。地球上的能流(单位为×106MW)2.1.2太阳能的转换与利用1.太阳能的采集集热器按是否聚光,可以划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。非聚光集热器(平板集热器、真空管集热器)能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射,集热温度较低;聚光集热器能将阳光汇聚在面积较小的吸热面上,可获得较高温度,但只能利用直射辐射,且需要跟踪太阳。2.太阳能的转换原则上,太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量,但转换次数越多,最终太阳能转换的效率便越低。太阳能的转换主要有：(1)太阳能—热能转换。(2)太阳能—电能转换。(3)太阳能—氢能转换。(4)太阳能—生物质能转换(5)太阳能—机械能转换。3.太阳能的储存太阳能无法直接储存,必须转换成其他形式的能量储存。(1)热能储存。利用材料的显热储能，材料相变时放出和吸入的潜热储能以及化学反应储热。(2)电能储存。(3)氢能储存。(4)机械能储存。目前最受人关注的是飞轮储能。4.太阳能的传输应用光学原理,通过光的反射和折射将太阳能直接传输,或者将太阳能转换成其他形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离,基本上有三种方法:采用反射镜及其他光学元件组合;通过光导纤维,可以将入射在其一端的阳光传输到另一端;采用表面镀有高反射涂层的光导管。间接传输适用于各种不同距离,是将太阳能转换成其他能量后进行传输，如热能、氢能、电能等。5.太阳能的利用(1)太阳辐射的热能利用。太阳能热水器是光热利用最成功的领域。(2)太阳能光热利用。如太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌等。(3)太阳能热发电。利用集热器给水加热产生蒸汽,然后通过汽轮机带动发电机而发电。(4)太阳能综合利用。用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能的问题。(5)太阳能光伏发电技术。利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换。2.2光伏电池基础知识en2.2.1半导体基础知识1.导体、绝缘体和半导体物质由原子组成,原子由原子核和核外电子组成,有的电子受原子核的作用力较小,可以在物质内部的原子间自由运动,这种电子称为“自由电子”。表征物体导电能力的物理量称为电导率,用σ表示,其中n为自由电子浓度，μ为自由电子的迁移率，e为电子的电量。导体的电阻特性用电阻率ρ表示,即ρ=1/σ善于传导电流的物质称为导体,如铜、铝、铁等金属,它们的电阻率为10-9~10-6Ω·cm。不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物质称为绝缘体,如橡胶、玻璃、塑料和干木材等,它们的电阻率为108~1020Ω·cm。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,其电阻率为10-5~107Ω·cm,如硅、锗、砷化镓、硫化镉等材料都是半导体。2.硅的晶体结构硅是最常见和应用最广的半导体材料,硅的原子序数为14,它的原子核外有14个电子,这些电子围绕着原子核做层状的轨道分布运动,第一层2个电子,第二层8个电子,还剩4个电子排在最外层,称为价电子。硅原子结构晶体和所有的晶体都一样是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一个方向重复排列,即长程有序,就称其为单晶体。硅的晶胞结构3.能级和能带上图所示为单原子的电子能级及其对应的固体能带,字母E表示能量,脚标表示电子轨道层数,括号中的数字表示该轨道上的电子数。每层电子轨道都有一个对应的能级。由很多条能量相差很小的电子能级形成一个能带4.禁带、价带和导带根据量子理论,晶体中的电子不存在两个能带中间的能量状态,即电子只能在各能带内运动,在能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做“禁带”。全被电子填满的能带称为“满带”,最高的满带容纳价电子,称为“价带”。有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带”。金属（a）、半导体（b）、绝缘体（c）的能带如上图所示。价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动,必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量,Eg称为“禁带宽度”或“带隙”。金属、半导体、绝缘体的能带(a)金属;(b)半导体;(c)绝缘体5.电子和空穴具有一个断键的硅晶体晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。半导体在热力学零度时,电子填满价带,导带是空的。此时的半导体和绝缘体的情况相同,不能导电。当温度高于热力学零度时,电子如果从价带跃迁到导带后,在价带中留下一个空位,称为空穴。具有一个断键的硅晶体如图所示。半导体的本征导电能力很小,它是由电子和空穴传导电流,而在金属中仅有自由电子传导电流。6.掺杂半导体例如,在纯净的硅中掺入少量的五价元素磷,这些磷原子在晶格中取代硅原子,并用它的四个价电子与相邻的硅原子进行共价结合。在掺有五价元素(即施主型杂质)的半导体中,电子的数目远远大于空穴的数目,这样的半导体叫做电子型或n型半导体。在含有三价元素(即受主型杂质)的半导体中,空穴的数目远远超过电子的数目,这样的半导体叫做空穴型或p型半导体。单位体积(1cm3)中电子或空穴的数目叫做“载流子浓度”,它决定着半导体电导率的大小。n型半导体中,电子是“多子”,空穴是“少子”;p型半导体中则相反,空穴是“多子”,电子是“少子”。n型和p型硅晶体结构7.载流子的产生与复合载流子产生：由于晶格的热振动,电子不断从价带被“激发”到导带,形成一对电子和空穴(即电子-空穴对)。载流子复合：不存在电场时,由于电子和空穴在晶格中的运动是无规则的,在运动中,电子和空穴常常碰在一起,即电子跳到空穴的位置上,把空穴填补掉,这时电子-空穴对就随之消失。8.载流子的输运半导体中载流子在外加电场的作用下,按照一定方向的运动称为漂移运动。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。2.2.2光伏电池的制备硅光伏电池是目前使用最广泛的光伏电池。晶体硅光伏电池制造工艺技术成熟,性能稳定可靠,光电转换效率高,使用寿命长,已进入工业化大规模生产阶段。1.硅材料的优异性能(1)硅(Si)材料丰富,易于提纯。(2)Si原子占晶格空间小(34%),这有利于电子运动和掺杂。(3)Si掺杂后,容易形成电子-空穴对。(4)容易生成大尺寸的单晶硅(ϕ400×1100mm,重438kg)等。2.硅材料的制备制造光伏电池的硅材料以石英砂(SiO2)为原料,先把石英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅,。冶金硅与氯气(或氯化氢)反应得到四氯化硅(或三氯氢硅),然后通过氢气还原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法(Cz法)或区熔法(Fz法)制成单晶硅棒。从硅材料到制成光伏电池组件,需要经过一系列复杂的工艺过程,以多晶硅光伏电池组件为例,其生产过程大致是:硅砂→硅锭→切割→硅片→电池→组件。3.光伏电池组件的制备(1)光伏电池单体。前面叙述的光伏电池,在光伏电池的结构术语中,称为光伏电池单体或光伏电池片,是将光能转换成电能的最小单元。光伏电池单体的工作电压为0.45~0.5V(开路电压约为0.6V),典型值为0.48V,工作电流为20~25mA/cm2,一般不直接作为电源使用。(2)光伏电池组件。光伏电池实际使用时要按负载要求,将若干单体电池按电性能分类进行串并联,经封装后组合成可以独立作为电源使用的最小单元,这个独立的最小单元称为光伏电池组件。光伏电池的单体、组件和方阵(a)单体;(b)组件;(c)方阵1)光伏电池组件单体电池的连接方式。将单体电池连接起来构成电池组件,主要有串联连接、并联连接和串、并联混合连接方式,如下图所示。光伏电池的连接方式(a)串联方式;(b)并联方式;(c)串、并联混合例如,要生产一块20W的光伏电池组件,现在有单片功率2.2~2.3W的单晶硅电池片,需要确定组件板型和尺寸。根据电池片情况,首先确定选用2.3W的电池片9片(组件功率为20.7W)电池片排列可采用4片×9片或6片×6片的形式。20W组件板型设计排布图2)光伏电池组件的板型设计组件的板型设计一般从两个方向入手:①根据现有电池片的功率和尺寸确定组件的功率和尺寸;②根据组件尺寸和功率要求选择电池片的尺寸和功率。2.2.3光伏电池的设计1.光伏电池的组成(1)光伏电池组件的串、并联组合。电池组件的并联连接,使方阵的输出电流成比例地增加;组件串联连接时,使方阵输出电压成比例地增加。方阵组合连接要遵循下列几条原则:1)串联时需要工作电流相同的组件,并为每个组件并接旁路二极管。2)并联时需要工作电压相同的组件,并在每一条并联支路中串联防反充(防逆流)二极管。3)防止个别性能变坏的电池组件混入电池方阵。(2)光伏电池组件的热斑效应。在光伏电池方阵中,当组件中的某单体电池被损坏时,而组件的其余部分仍正常工作,这样正常工作的那部分光伏电池就要对损坏的光伏电池提供负载所需的功率,使该部分光伏电池如同一个工作于反向偏置下的二极管,从而消耗功率而导致发热。这就是“热斑效应”。串联光伏电池组件热斑形成示意图并联光伏电池组件热斑形成示意图热斑效应的防护:串联回路,需要并联一个旁路二极管VDb以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮挡的组件所消耗,如图所示。并联支路,需要串联一只二极管VDs,以避免产生的能量被遮挡的组件所吸收,串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防反充的功能。光伏电池组件热斑效应防护电路(3)防反充(防逆流)和旁路二极管。1)防反充(防逆流)二极管。防反充二极管的作用:①防止光伏电池组件在不发电时,蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送;②在电池中,防止组件各支路之间的电流倒送。2)旁路二极管。当有较多的光伏电池组件串联组成电池或电池的一个支路时,需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个(或2~3个)二极管VDb,这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管。旁路二极管一般根据组件功率大小和电池片串的多少,安装1~3个二极管,如图所示。图(a)采用一个旁路二极管,当该组件有故障时,组件将被全部旁路;图(b)和图(c)分别采用2个和3个二极管将电池组件分段旁路,可以做到只旁路组件的一半或1/3,其余部分仍然可以继续正常工作。旁路二极管接法示意图(4)光伏电池的电路光伏电池由光伏电池组件串、旁路二极管、防反充二极管和带避雷器的直流接线箱等构成,常见电路形式有并联、串联和串、并联混合方阵电路,如图所示。光伏电池基本电路示意图(a)并联电路;(b)串联电路光伏电池基本电路示意图(c)串、并联混合电路2.光伏电池的计算光伏电池串联是为了获得所需要的工作电压,并联是为了获得所需要的工作电流。一般独立光伏发电系统电压往往被设计成与蓄电池的标称电压相对应或者是它的整数倍,而且与用电器的电压等级一致。一般带蓄电池的光伏发电系统电池的输出电压为蓄电池组标称电压的1.43倍。对于不带蓄电池的光伏发电系统,在计算电池的输出电压时一般将其额定电压提高10%,再选定组件的串联数。例如,一个组件的最大输出功率为108W,最大工作电压为36.2V,设选用逆变器为交流三相,额定电压为380V,逆变器采取三相桥式接法,负载要求功率是3