太阳能发电系统分析与简易设计毕设论文

太阳能发电系统分析与简易设计

摘要

目前,太阳能正经历着由补充能源向替代能源发展的历史阶段。由于电力电子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加,使得太阳能光伏并网发电发展非常迅速。其中并网逆变器技术的发展在很大程度上提高了太阳能光伏并网发电的效率,降低了其发电成本。

本文介绍了光伏发电的背景,研究了光伏发电的基本原理,在此基础上针对项目要求设计出一款符合要求的独立光伏系统,包括控制器基本功能的实现、控制器的保护功能和逆变器的主要电路设计及主程序流程。该设计主要适合中小型光伏系统,具有电路简单、功能较全等优点。

关键词:光伏系统,控制器,逆变器

The analysis and simple design of solar power system

ABSTRACT

At present, it is the historical stage that solar energy is changing from additional energy to alternative energy. As the rapid development of power electronics and increasing attention of solar photovoltatic making the development of solar photoaoltaic power generation is very fast. The grid inverter technology has greatly improved the solar photoaoltaic power generation efficiency and reducing their cost of electricity.

This paper describes the background of the photovoltaic power generation, and studies the basic principles of photovoltaic power generation. On this basis, there is a project designed to meet the requirements of an independent photovoltaic system, including the realization of the basic functions of controller, controller of protection Inverter and the main circuit design process and the main program. This design is suit for small and medium-sized photovoltaic system, with the advanges of simple circuit, and completed function.

KEY WORDS: Photovoltaic systems, Controller, Inverter

目录

前言 (1)

第1章绪论 (2)

1.1研究背景 (2)

1.2太阳能光伏发电的实用价值和意义 (3)

1.2.1清洁能源技术经济性研究现状 (3)

1.2.2我国太阳能资源的分布 (5)

1.3光伏发电的研究应用现状和前景 (6)

1.3.1国外研究应用现状 (6)

1.3.2国内研究应用现状 (8)

1.3.3太阳能光伏发电的前景 (9)

1.4 课题的研究内容与目标 (9)

第2章光伏并网发电系统及基本原理 (10)

2.1太阳能光伏电池的发电原理 (10)

2.2太阳能光伏电池的特性 (11)

2.2.1太阳能光伏电池的等效电路 (11)

2.2.2太阳能光伏电池的外特性曲线 (12)

2.3太阳能光伏发电系统的组成 (14)

2.4太阳能光伏发电系统的分类 (15)

2.5太阳能光伏发电系统的特点 (16)

第3章太阳能光伏系统设计 (18)

3.1太阳能光伏系统总体设计原则 (18)

3.2太阳能光伏发电系统的容量设计 (19)

3.2.1蓄电池设计方法 (19)

3.2.2太阳能电池阵列设计 (23)

3.2.3蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 (24)

3.2.4太阳能电池方阵倾角的确定 (25)

3.2.5太阳能电池方阵平面上的辐射量计算 (26)

3.2.6太阳能电池方阵前后间距的计算 (26)

3.3控制器设计 (26)

3.3.1最大功率跟踪点控制设计 (26)

3.3.2充放电控制设计 (27)

3.3.3保护措施 (29)

3.3.4控制器的几个重要指标 (29)

3.4逆变器设计 (30)

3.4.1逆变器原理 (30)

3.4.2SPWM产生电路 (32)

3.4.3保护电路 (34)

3.4.4功率器件IGBT的驱动及保护原理 (35)

3.5线路设计 (36)

3.6光伏系统的其它硬件设计 (36)

结论 (37)

谢辞 (38)

参考文献 (39)

外文资料翻译 (40)

前言

在地球资源日渐枯竭的今天,太阳能作为一种“取之不尽,用之不竭”的安全、节能、环保型新能源越来越受到世人的关注,各国政府或企业纷纷把可持续发展的目光投向太阳能这一新型能源领域。

目前,随着太阳能应用技术的不断提高,国家政府的大力扶持,太阳能的应用也越来越广泛,目前我们国内太阳能的应用主要在以下几个方面:通信和工业应用,包括微波中继站、光缆通信系统等;农村和边远地区的独立光伏发电系统,主要包括太阳能户用系统、太阳能照明等;独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村,如家庭系统、村级太阳能光伏电站;在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵,在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统,如风力发电/太阳能发电互补系统等。并网光伏发电系统,主要包括城市与建筑结合的并网光伏发电系统和大型的荒漠光伏电站,目前这类应用尚处于试验示范阶段。

光伏发电可以从根本上解决人类的能源问题,清洁无污染、太阳能也是可再生能源。专家预言,太阳能将是21世纪最理想的新能源之一。而我国幅员辽阔,太阳能资源也很丰富,这对我国普及太阳能光伏技术和利用新能源提供了有利保障。因此,光伏发电具有非常广阔的前景。

第1章绪论

1.1研究背景

切尔诺贝利核电站的创伤还未抚平,福岛核电站的几次爆炸又把人们的心提到了嗓子眼。在中东局势推高油价之后,核电危机来临之际,我们需要什么样的新能源?美国伯恩斯坦研究公司分析师表示:“日本本州地震可能会成为一个催化剂,从根本上改变我们解决全球能源问题的方法。”

国家已经将“节能、减排”项目列入政府的工作范围。中国政府郑重承诺到,到2020年,单位国内生产总值碳排放比2005年减少40~45%。清洁能源的研究和应用,是我们珍爱地球、保护资源,实现可持续发展的重要途径和手段。作为排放大户,电力企业任重道远。

清洁能源不能等同于“新能源”。新能源系指风能、太阳能、核能等;而清洁能源也可包括可以被清洁化的的那些“不洁能源”一传统的化石能源。在化石能源的清洁化方面,我国己经取得了长足进步。如清洁煤技术,在脱硫和粉尘治理方面已经大有改善,但主要是解决当地污染问题,对二氧化碳减排贡献不大。要发展低碳经济,还必须少用些煤。

水电的开发会对生态造成负面影响;核能会引起人们对安全的疑虑;地热能发电陆续出现了引发地震的报道;生物质能在争议中前行。

风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻,人们对风能的研究已经相当广泛,风能的应用技术也日趋成熟。

太阳能,作为伸手可得的温暖,其实是人类最钟情的新能源。资料显示,太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤。如何把这些能量转化成能源体系中重要的替代能源可以说是人类能源战略上的终极理想。

智能化的大电网,电动汽车和大规模的使用太阳能风能的结合,应该是最经济、最有效、最环保和最可持续的能源解决方案。中国是最有条件实现此方案的国家。本文选择太阳能作为对象来进行清洁能源应用研究探讨。

1.2太阳能光伏发电的实用价值和意义

1.2.1清洁能源技术经济性研究现状

l)先说风能,从目前美国、欧盟、中国风能产业的迅速发展情况来看,风能在世界新能源格局中的重要性不言而喻。目前,在清洁能源技术经济性研究中,风力发电是当今世界清洁能源开发利用中技术成熟、最具备开发条件、发展前景良好的项目,自90年代以来,风电的年增长率一直保持了两位数的百分比水平。目前风力建设投资最低己降至1000美元/千瓦左右,低于核电投资且建设时间可少于一年,其成本逐步与煤电成本接近,因而具有很大的竞争潜力。据世界气象组织(WMO)和中国气象局气象科学研究院分析,地球上可利用的风能资源为200亿千瓦,是地球上可利用水能的20倍。一个世界范围内的风力发电高潮己经到来。2002年欧洲风能协会(EWEA)与绿色和平组织发表了一份标题为“风力”的报告,勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。

太阳能发电是清洁能源中增长速度最高和最稳定的领域之一,估计今后10年将以每年20%一30%甚至更高的递增速度发展,其作用也将逐步由作为农村和边远地区的补充能源向全社会的替代能源过渡。位于美国波特兰的CleanEdge 公司于2011年3月巧日发布的报告显示,自2000年以来,太阳能光伏市场增长了20倍,安装的太阳能电池板价格下降了近一半。现在,太阳能的利用已扩展到科学研究、航空航天、国防建设和日常生活的各个方面。据世界能源组织((IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测,2020年世界光伏发电将占总电力的1%,到2040年光伏发电将占全球发电量的20%,按此推算未来数十年,全球光伏产业的增长率将高达25%-30%。太阳能不仅仅拥有现在更拥有将来,太阳能将在21世纪取代原子能作为世界性能源。

燃料电池技术将进一步发展,容量增大、性能提高、寿命延长、价格下降是其发展趋势。燃料电池发电的低噪声、高效率、无污染性能符合未来社会的发展趋势,其优越的运行稳定性和简单的运行方式是火力发电难以比拟的,燃料的多样性和来源的方便性使燃料电池不存在应用上的障碍。

海洋能、地热能发电产业将快速发展,城市垃圾发电技术将得到高度重视,并在世界范围内快速、普遍推广。

清洁能源包括太阳能、风能等许多形式,各种发电方式的技术要求都是不同的。我国应该以发展太阳能发电为重点方向,加大对其的技术经济研究。这是因为太阳能资源分布基本上不受地域限制,而且不会有风力发电的噪声干扰,所以,其优势是其他发电方式所无法比拟的。

2)在节能减排、低碳经济的主题下,中国的火电、水电、核电、风电、光伏发电等在过去的两年里都有不同寻常的表现。截至2010年底,我国风电装机容量超过4000万千瓦,居全球第一。中国的光伏发电产能量居世界先进行列。一个不容忽视的事实是,在中国当前的能源结构中,清洁能源所占比重依然微不足道。国家统计局发布的数据显示,在2008年中国一次能源消费量构成中,煤炭依然占了69%的比重,煤炭、石油、天然气等化石能源共占91%的比重;除水电所占7.4%外,风电、太阳能、核能等所占份额不足2%。

仅就太阳能光伏发电现状和近期国家发展规划来看,我国的清洁能源所占比例与世界发达国家相比仍有不小差距。表1-1为我国与一些国家当前和未来太阳电池的累计安装容量。

表1-1当前和未来太阳电池的累计安装量(单位:GWp )

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(括号内为振兴规划值)

国家能源局近期提出了新能源振兴规划,新能源振兴规划提出的发展目标较原规划将明显提高。根据新能源振兴规划草案,2020年我国风电、太阳能光伏及核电运行的总装机容量将分别达到1.5亿千瓦、2000万千瓦(20GWp)和8000万千瓦。这与2007年分别颁布的可再生能源、核电两个中长期发展规划相比,

分别为原先规划的5倍、11倍和2倍。

3) 2011年1月27日,中国工业节能与清洁生产协会公布的《2010年中国节能减排产业发展报告》显示,2010年,中国风力发电新开工重大施工项目378个,项目总投资额高达近3000亿元。而与快速发展的光伏产品市场形成鲜明对比的是,中国光伏发电产品的市场应用还很少,国内仍处于“有产业、无市场”的局面。太阳能光伏发电,这个对很多人来讲,还是所谓“陌生”的新生事物,尚未走进普通百姓的生活。

应当说,清洁能源是未来发展的方向,预计到2020年,我国清洁能源装机容量将达到5.7亿千瓦,占总装机容量的35%左右。但是,光伏发电只靠光伏生产企业“一头热”显然不够,光伏产业的发展是一个系统工程,必须与配套系统步调一致才能健康发展,要统筹解决规划问题、电网通道问题、接入标准问题、调峰配套问题,需要通过技术经济研究来实现光伏发电的合理应用。

1.2.2我国太阳能资源的分布

我国属于世界上太阳能最丰富的地区之一,全年三分之二以上地区的年日照大于2000小时,年均辐射量约为5900MJ/㎡。但各地分布不均,这与各地的纬度、海拔高度、气候条件和大气状况有关,根据日射强度可分为5类,见表1-2。

在我国开展太阳能资源利用具有得天独厚的条件,太阳能市场极具潜力。

表1-2我国太阳能分布情况

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1.3光伏发电的研究应用现状和前景

太阳能的利用形式多种多样,如热利用、发电、光利用以及其他利用等。热利用就是将太阳能转换成热能,如太阳能热水器、太阳能空调系统等;太阳能发电分为热发电和光发电两种,热发电是通过定日镜等装置收集太阳光用以加热气体或蒸汽,然后推动汽轮机发电;光发电是利用太阳电池将太阳光能转换成电能;光利用主要是用于照明,如使用光纤将太阳光引入地下室等阴暗处;其他利用包括将太阳能转换成化学能,例如光合作用等,利用集光太阳光可以分解有害物质,进行材料的表面加工、处理等。其中光发电(即光伏)的发展十分迅速,在能源结构中所占的比重越来越大。

光伏利用主要是光伏发电。光伏利用近期在世界范围内高速发展,我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞,特别是2002年在“西部大开发”战略的推动下,呈现出了一片繁荣景象。

太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能转化为电能的发电技术,具有安全可靠、无噪声、无污染,适合分散供电,不受地域限制,无需消耗燃料,故障率低,维护简便,可以无人值守,建设周期短,扩充能量方便,无需架设输电线路,可以方便的与建筑物相结合等优点。因此目前世界上许多国家将光伏发电技术放在了可再生能源技术开发的首位,纷纷制定计划,采取措施,增加投入以推动其发展。

1.3.1国外研究应用现状

太阳能电池研发出来以后,首先服务于空间电源,价格十分昂贵。为了推动太阳电池在地面的应用,单靠市场需求是不行的。

从20世纪70年代开始,一些国家政府陆续投入了很大的力量来支持太阳电池的发展。美国于1973年首先制定了政府光伏发电发展计划,明确了近、中、远期的发展战略标。

自20世纪80年代以来,其它发达国家,如德国、日本、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等,纷纷制定了光伏发展计划,并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化制造进程。

20世纪80年代末至今,西方的发达国家从环境和能源的可持续发展的角度出发,纷纷制定政策,鼓励和支持光伏并网发电。例如:美国于1988年开始实施PVUSA计划,计划建立集中型光伏并网发电系统(1MW~l0MW);95年实施与屋顶结合的PVBONUS计划;97年又宣布美国百万太阳能屋顶计划,总光伏安装量将达到3025兆瓦(MW)。

德国于1990年提出1000屋顶发电计划,所发出的电力全部由电力部门收购。98年进一步提出10万屋顶计划。99年的光伏电网电价为每度电0.99马克。这些措施极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场。

澳大利亚将建全球最大太阳能电网。2009年,澳大利亚计划建造全球最大的太阳能发电站网络,上述电网的规模将是目前最大的加州太阳能发电厂的3倍。澳大利亚的上述计划,意味着它将投身于建造全球最大太阳能电厂的国际竞争。此前该国承诺,在2020年前,20%的电力需求都将来自可再生能源。澳大利亚政府表示,将在太阳能领域要成为全球清洁能源的领导者。

与之相应,国际上已经加紧技术攻关,大大提高了电池研制的发电转化率。目前,多晶硅光电池的转化率最高可达15%,单晶硅的转化率最高可达23.3%,砷化嫁光电池的转化率最高可达25%,并且已经研制出了转化率高达35%的高效聚光光伏电池,各国政府正在投入巨资研究进一步提高效率,扩大生产,降低成本。当光伏电池售价降至1美元/Wh时,光伏发电的成本当达到0.1美元/kWh 左右时,光伏发电可以与火电相竞争。

目前,一些领先的发达国家已经开展并运行了一些先进的太阳能技术,如系统能效技术(一种全新的智能能源技术)、太阳能源全息集成技术等。太阳能源全息集成技术是充分利用太阳能全波段光谱,贯穿了太阳能源从生产、储运、应用和回收的生命周期四环节,实现太阳能的光、热、电及光化学的能效最佳的综合应用。

在太阳能电池领域,出现了非晶硅+微晶硅双结膜太阳能电池,硅料用量大大减少,电池总体效率较晶硅电池有所提高。一些新型太阳能电池正陆续试制成功。

从世界范围来讲,光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段,现在正在向大批量生产和规模应用发展,从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并

网发电,其应用范围也己遍及几乎所有的用电领域。

1.3.2国内研究应用现状

中国从1958年开始进行光伏元器件研究,20世纪70年代初成功地制造空间光伏电源之后,即开展光伏技术的地面应用。中国研制的航标灯光伏电源、太阳能灯塔和气象用光伏电源、通信用光伏电源在20世纪70年代己开始应用,但规模很小。1977年,中国光伏电池产量只有1.1kW,价格高达200元/W,光电转换效率为6%~10%。

20世纪80年代开始,中国先后引进了一批美国的单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池生产设备,使得中国的光伏产业开始起步。至1987年底,中国光伏电池产量达到100kW/年,单晶硅太阳能电池的价格降到40~45元/W,光电转换效率达到8%~12%。

至2000年底,中国己形成8.5MW/年的太阳能电池的生产能力,其中,单晶硅太阳能电池产量为6.5MW/年,非晶硅太阳能电池产量为2.0MW/年。1997年,中国单晶硅光伏电池总产量为1.5MW,2001年达到3.0MW。价格从1997年的42~47元/W降为2001年的35~40元/W。其中非晶硅太阳能电池产量为400kW,价格为23~25元/W。以深圳为中心的周边地区已经形成中国最大的光伏器件及系统来料加工区,2000年用进口光伏电池封装组成的太阳能草坪灯,太阳能庭院灯和各种光伏系统出口总量达2MW以上。

中国的增长不会停止。它在1年前超过美国,成为绿色能源领域的领先者。中国现在生产的风能和太阳能设备占全世界的将近一半。中国2010年的清洁能源投资达到544亿美元,比上一年增长39%。美国在绿色能源创新和资本方面发挥着领先作用,但是在制造方面落后。

近年来,已经筹建的太阳能光伏公司有宁波2MW/年太阳能电池用多晶硅片、河北保定3MW/年多晶硅太阳能电池、无锡10MW/年多晶硅太阳能电池和天津5MW/年非晶硅太阳能电池灯。在“十一五”期间,我国光伏电池的生产能力有了很大的增长,中国的太阳能电池板产量己经连续四年世界第一,中国已经成为全世界最大的太阳能电池板生产基地。但是,有资料显示,我国生产的太阳能电池板95%以上都用于出口,也就是说,在环保经济的世界竞争中,中国光伏产业己经再一次沦为代加工大国。如何让太阳能照进内需?实际上是我们需要加强

国内应用研究的一个十分重要的课题。

目前,国内的光伏发电站建设情况主要有:甘肃敦煌8MW太阳能光伏发电站;166MW云南石林太阳能发电站;位于宁夏回族自治区石嘴山市的中节能尚德石嘴山50MW一期10MW发电项目于2009年国庆前夕正式并网投产,是国内第一个10兆瓦级太阳能光伏发电项目,后续项目分两期实施,于2011年全部建成;青海柴达木预计2020年将建成世界首座GW级(100万千瓦)太阳能电站。

开发利用太阳能资源建设光伏并网发电系统,对减轻我国能源供应压力、抑制二氧化碳排放、减少城市污染起到积极作用。发展太阳能技术和产业已经成为了国家的发展战略,涉及到国家的能源政策、环保政策和气候变化政策。

1.3.3太阳能光伏发电的前景

为了适应世界能源趋势的发展潮流,中国通过了一系列政策和法案来鼓励和发展新能源。2004年6月30日,温家宝总理主持召开的国务院常务会议,讨论并原则通过了“大力调整和优化能源结构,坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略”。2005年2月28日,十届人大常委会第十四次会议通过了《可再生能源法》,国家主席胡锦涛以第33号主席令公布,自2006年1月1日起实行。前者为将发展新能源和可再生能源列入国家的能源发展战略立了“户口”,后者通过立法对新能源和可再生能源的发展给予了法律上的支持和保证。中国也因此成为继德国后,世界上第二个颁布《可再生能源法》的国家。

我国《可再生能源法》的颂布,将有力促进我国太阳能工业发展,特别是光伏行业,可以预见,从现在起,我国光伏产业的发展将进入一个新的高潮,在3~5年内我国在太阳电池研发、生产和应用产品开发将在东部沿海地区形成一个世界级的产业基地,将在国际光伏产业中占有重要的地位。

1.4 课题的研究内容与目标

⒈清楚从太阳能到电能的转换过程。

⒉了解太阳能发电系统的几个组成部分,以及各部分的特点和工作原理。

⒊太阳能发电系统典型硬件电路的分析。

⒋设计一简易电路来完成太阳能发电功能。

第2章 光伏并网发电系统及基本原理

2.1太阳能光伏电池的发电原理

如图2-1所示,太阳能光伏电池理论上相当于一个半导体二极管,其P-N 结是将一些特殊的杂质掺入到半导体晶体中形成的。当太阳光照射到光伏电池板上时产生了光生伏特效应,从而直接将太阳光的光能转变成电能。其工作原理概述如下:由于太阳光光照的作用,将有光子冲击光伏电池内部的价电子,导致部分价电子因为得到了超过禁带宽带的能量而脱离共价键的束缚,从价带跃升到导带,在半导体的内部产生了电子--空穴对。这些新形成的电子-空穴对处于不平衡状态,因此为了达到新的平衡状态必须在半导体内部进行大量的复合和碰撞。这个复合过程对外并不能表现出导电的能力,而是以太阳能光伏电池能量的自损耗形式表现。而光伏电池表现导电能力的是光生电场,光生电场只有运动到P-N 结区域的少数载流子才能产生。接通外电路后,光生电场就会有电流输出提供给负载。

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图2-1 太阳能光伏电池原理图

P 型 P-N 结 负载电阻

2.2太阳能光伏电池的特性

2.2 .1太阳能光伏电池的等效电路

基于单二极管模型的太阳能光伏电池等效的等效电路如图2-2所示:

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图2-2 光伏电池的等效电路

图2-2中各个量的具体涵义如下: OC U —电池板的开路电压;L R —电池的外负载电阻; S R —串联电阻,串联电阻的值比较小,阻值大约为1欧姆;L I —输出电流;sh R —电池板的旁路电阻,

一般比较大,阻值最大可达儿千欧姆; j C —结电容,其值很小,通常情况下可以忽略不计;D I —暗电流;ph I —光生电流。

根据电路理论的相关知识,对上面的等效电路图进行计算,有如下所示的关系式:

0(exp 1)D D qU I I AkT =- (2-1)

0()[exp(

1)]OC L S D L ph sh q U I R U I I I AkT R +=--- (2-2) 0[exp 1]OC SC qU I I AkT =-

(2-3) 0

ln(1)SC OC I AkT U q I =+ (2-4)

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