LED技术第五六章.docx

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LED技术第五六章

第5章太阳能光伏发电

第1节太阳能发电在未来能源中的地位和特点

1.1太阳能在未来能源结构中的地位

1.化石燃料正面临逐渐枯竭的危机局面

随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，对于能源的需求日益增加，而在目前的能源消费结构中，主要还依赖煤炭、石油和天然气等化石燃料，世界能源消费量从2004年到2030年预计将增加57%，到2030年全世界消耗一次能源比1990年增加120%。

然而，地球上化石燃料的蕴藏量是有限的，全球石油工业可开采约45年，天然气约61年，煤炭约230年，汽油约71年，到2060年，全球人口将达100亿~110亿，如果到时所有人的能源消费量都达到今天发达国家人均水平，则地球上主要的35种矿物中将有1/3在40年内消耗殆尽，所以世界化石燃料的供应正在面临严重短缺的危机局面。

中国的经济区在高速发展，能源消耗量也在迅速增加，预计到2030年一次能源消费的平均年增长率为3.5%，居世界第一，我国已经成为世界第二大能源消费国，并且，我国能源结构的核心问题表现在：

①能源结构以煤为主，在我国一次能源生产与消费构成中，煤炭比例超过2/3。

原煤占75.6%，原油占13.5%，天然气占3.0%，水电占7.9%。

②石油安全问题日趋显著，中国总的石油储备能力仅超过30天，到2020年石油工业对外依存将达到60%，中国石油安全问题越来越突出。

2.保护生态环境，防止环境污染到了刻不容缓的地步。

由于人类的能源消费活动，主要是化石燃料的燃烧，造成环境污染，导致地球气候变暖，冰山融化，海平面上升，沙漠化日益扩大，自然灾害频繁发生，可以治理大气环境，减少温室气体排放，已经是全球面临的的最严重的挑战之一。

减少CO2排放量，无论从中国的可持续发展战略上，或从保护生态环境上，中国都必须因地制宜，就地就近开发可再生能源。

3.能源的分类与基本特征

1）能源的分类

按成因分类：

①一次能源：

直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源，如天然气、原油、无烟煤、太阳能。

②二次能源：

由一次能源经过加工以后得到的能源产品，如电力、蒸汽，煤气、汽油、柴油、酒精、沼气。

特征：

是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。

③终端能源：

供给社会生产，非生产和生活中直接用于消费的各种能源。

按再生分类：

①可再生：

称为非耗能型能源，这种能源不会随其本身的转化或人类的利用而日益减少，它们可以不断地从自然界中得到补充。

主要是清洁能源，包括：

太阳能、水力、风力、生物体能、波浪能、潮汐能、海洋温差能。

特征：

可循环再生，取之不尽用之不竭，对环境无危害。

②非可再生能源：

一般指经过漫长的地质年，形成开采之后不能在短时期内再形成的能源，会随着人类利用日趋减少，以至枯竭。

包括原煤、原油、天然气、油页岩、核能。

特征：

不能再生，用掉一点，便少一点。

4.太阳能利用途径

①光—热转换：

把吸收的太阳辐射光能直接转换为热能。

如：

热水器；

②光—电转换：

利用某些器件把收集的太阳能转换为电能工作原理，主要基于光伏效应。

③光化学利用：

利用光化学作用收集与储存太阳能，光合作用就是绿色植物利用光能将空气中的CO2和H2O合成为有机物与O2的过程。

1.2太阳能特点

1广泛性。

太阳辐射到处皆有。

无需运输，取之不尽用之不竭，储量巨大。

2清洁性。

对环境无污染。

3分散性。

辐射能密度很小。

4间歇性。

由于受昼夜、季节、地经纬度、海拔高度等自然条件的限制，以及晴阴云雨等随机因素的影响。

太阳辐射既间断，又是不稳定的，随机性大。

5地区性。

随地点不同而有所变化。

中国北部地方的太阳比南部一些地区好。

6永久性。

太阳寿命大约仍有5×109年。

太阳能缺点：

能量密度低，间歇性，随机性，必须附加储能设备，目前价格仍较贵，为常规发电的5—15倍，初始投资高。

1.3太阳基本物理参数及结构

1.太阳基本物理参数：

1）体积：

是地球体积的1302500倍，即130万倍。

2）自转周期：

25—30天。

3）距最近的恒星的距离4.3光年。

4）宇宙年：

2.25×108年。

5）直径：

1392000km，是地球直径的109倍。

6）半径：

696000km。

7）质量：

1.989×1030kg。

8）温度：

5770oC。

1.560×107（核心）。

9）总辐射功率：

3.83×1026J/S。

10）平均密度1.409g/cm3，密谋只有地球的1/4。

11）地平均距离：

1.5×1011m。

12）年龄：

约50亿年。

2.地球的经度和纬度。

1）纬线与纬度：

地轴是一根通过地球南北两极和地球中心的假想线。

赤道：

地球中只要画一种与地轴垂直的圆圈，把赤道定为纬度为零度，向南北各90o。

北纬：

位于赤道以北的纬度，记为N。

南纬：

位于赤道以南的纬度记为S。

南极为南纬90o，北极为北纬90o，0—30度之间地区为低纬，30—60中纬，60—90高纬。

赤道和低纬度无冬天，两极和高纬无夏天，中纬度四季分明。

2）经线与经度：

从北极点到南极点。

可以画出许多南北方向的与地球赤道垂直的大圆圈叫经线，把开始计算经度的一条经线—0度经线，叫子午线，国际上规定，把通过英国首都伦敦格林尼治天文台原址那一条线定为00，也叫本初子午线，总长度为40008km。

1.4太阳能发电的状况和趋势

1）太阳能发电的历史

1800年，发现光伏效应。

1954年，美国贝尔实验室，单晶硅太阳能电池发明，效率只有6%。

1958年，美国先锋1号卫星上应用太阳能电池，成功运行8年。

1976年，非晶硅太阳能电池发明。

美国CA分公司的卡特发明。

1984年，美国7MW太阳能发电站建成。

1985年，日本1MW太阳能发电站建成。

1991年，德国制定再生新能源发电站与其电力网并网法规。

1999年，日本超过美国，并长期保持领先地位。

2010年总电量达5×109W。

2007年，中国迅速崛起，太阳能电池产量超过日本。

2）太阳能电池不同材料的分布状况：

有机薄膜太阳电池。

多晶硅55%，单晶硅29%，非晶硅5%，其他11%。

3）我国发展状况：

发展状况：

①1958年开始研制太阳能电池；1959年第1个有实用价值的太阳能电池在中科院半导体所研制成功。

②1971年3月，太阳能电池首次应用于我国第二颗人造卫星（科学实验卫星）实践1号上天，由天津电源所研制。

③1973年太阳能电池首次应用于天津港的浮标灯上——天津电源所研制。

④1979年单晶硅电池——半导体器件厂。

⑤20世纪80年代后期引进太阳能电池生产技术，生产能力达4.5MW，我国太阳能电池产量初步形成。

近阶段无锡Suntech（尚德），宁波太阳能，保定天威英利处于领先地位。

4）我国的光明项目

①利用风电、光电解决2300万户无电居民、道路、微波通信等网电。

2010年达300MW，投资100亿元，10年时间。

②GEF项目，用5年时间安装10MW光伏系统，解决无电居民用电。

③西部7省无电乡，通电工程15MW，18亿元。

④其他项目：

中科院电工所，在青海敦煌8MW。

上海交大太阳能研究所：

10万太阳能屋顶计划。

广州中大，1万个屋顶计划。

5）我国光伏应用平均预测：

①成本预期：

实验室光伏效率已达21%，商业化达14—15%，一般为10—13%。

②太阳能电池价格：

2000年40元/W，2004年，27元/W。

2030年达1.3元/W。

可靠性和寿命：

15—20年增加30—35年，效率从10—15%达到18—20%。

到2040年降低到与届时煤电成本相等。

第2节太阳能电池的发电原理和特性

2.1太阳光的特点

1）评价太阳能性质的物理量

①日照强度。

单位面积、单位时间表示的能量密度。

用电能表示kw/m2。

日照：

太阳光在一天实际的照射时数。

以小时为单位。

单位：

热量：

kcal/m2（千卡/米.的）电量：

kmh/m2。

日照时间：

直接日照强度为0.12kw/m2作为一个阈值，超过此阈值测定日照量并计算出日和月的日照时间。

②直射光和散射光

太阳光通过大气层直接到达地面的太阳光为直射光，散射光：

太阳光由大气层散射和反射称为散射光，全天日射强度Ig=直接日射强度Id+散乱日射强度Is之间关系。

，

为右射光的入射角。

2）太阳光强度与波长的关系

表5.1太阳光强度与波长的关系

波长

照射强度

转化为热能比例

紫外线

<0.4

109.81

8%

不可见

0.39—0.77

634.4

46%

红外线

>0.77

634.4

46%

2.2太阳能电池的发电原理和变换效率

当光照射到半导体光伏器件上时，在器件内产生电子—空穴对，在P-N内电子注入n区，空穴注入P区，结果n区储存过剩电子，P区有过剩空穴，使P区带正电，n区带负电，在n区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光伏特效应。

一般二极管和晶体管在黑暗处也能工作，但太阳能电池必须在光照射状况下才能工作。

1）太阳能电池的等效电路

光电池构造：

图5.1光电池构造图

光电池由于电极表面层有横向电流流过，电阻中应串一个等值电阻Rs。

图5.2

太阳能电动势，产生光电流Iph；相当二极管整流电路正向电流，Rsh为分流电阻。

就像PN结缺陷造成的电流Ish方向上Iph相反。

Ic为负荷电阻Rc流过电流。

Iph光电流，ID为PN结正向电流，Ish为PN结漏电流。

。

Uj：

PN结全部端电压。

其中：

K波尔兹曼常数，T为绝对温度，q=1.602×10-19C

2）基本特征

1短路电流Isc：

当太阳能电池的两端是短路状态时，测定该电流随光强度按比例增加。

图5.3

2开路电压Uoc：

太阳能电池电路将负载断开测出两端电压，该值随光强度按指数函数规律增加。

特点：

低光强时，仍保持一定开路电压。

图5.4

3太阳能电池伏安特性I—U

a、不同光照强度下光伏电池的伏安特性

当光强度发生变化时，获取最大输出功率，需要相应地调节负载。

图5.5

b、在一定光强度下，电压与输出功率特性

当光强度改变时，电压随之变化，可找到最大功率Ｐmax,对应最大功率Pmax=Ipmax·Upmax

图5.6

c、转换效率

电池的最大功率输出与入射功率之比

这里定义填充因子FF为：

，Pm单位：

[kw]

填充因子正好是I—U曲线下最大长方形面积与Uoc又Isc乘积之比

Pin等于日照强度E[kw/m2]与太阳电池A光面积A[m2]的乘积，

d、日照强度E对伏安特性影响

只要太阳光谱组件温度不变，效率

几乎不受日照强度E的影响，只有当E<0.2kw/m2时，

才略有下降。

e、日照强度正对开路电压和短路电流的影响。

图5.7

f、温度对太阳电压输出特性影响：

一般来说：

温度升高，电流、电压略有变化，开路电压下降，短路电流上升，转换效率下降。

图5.8图5.9

图5.10

2.3太阳能电池的测量

1标准测试条件：

总辐射采用Am1.5标准阳光光谱，辐射度1km/m2，温度25OC。

2测量仪日光装置：

标准太阳电池；电流表；取样电阻；负载电阻0—10

；温度计

3测试项目：

开路电压Voc，短路电流Isc，最佳工作电压Vm，最佳工作电流，最大输出功率Pm，光电转换效率

，短路电流温度系数

，开路电压温度系数

，内部串联电阻Rs，内部并联电阻Rsh。

①I—U伏安特性测试

图5.11

光照二极管的P—N结施加正向偏压与外加电流的偏压有一个重大区别，必须串联电阻后加上去，而光生电压则直接加上去。

②电池负载特性测试：

用补偿法测负载曲线。

图5.12

由于太阳电池在光照射时通过P—N结的电流随不同的负载而变化，因此要想描写这个特性，应当设法把负载从零变化到无穷大。

图5.12存在缺点：

1.电池由于串联一个取样电阻，使得不能达到短路状态；2.可变电阻不可能从零度变到无穷大，所以又达不到开路状态。

图5.13

为了补充这两个缺点，采用补偿线路，为了避免导线、电阻影响，采用回线连接，电池用两根粗线，另两根线测电压，取样电阻也用回线连接。

在可变电阻两端连接二个相同电阻R，构成桥路，当可变电阻在中间位置时，电路平衡，可变电阻从0点向A点调整，外加电压使太阳电池正向偏置，随着离开0的距离增大，正向电流随之增大。

当从0点向B滑动，反向偏置，电池在短路状态时光生电流全部流过外回路。

热斑效应：

一个方阵在阳光下出现局部发热的现象。

例如：

一串联支路中被遮蔽的太阳光电池组件，将被光负载消耗其他有光照的太阳能电池组件的能量，严重时温度达200OC，焊点融化，方阵失效。

为避免热斑效应，应加设旁路二极管，组件串联时须加旁路二极管。

阻塞二极管：

用来控制光伏系统中的电流，防止蓄电池流向光电池阵列。

第3节太阳能电池的种类及其特点

3.1太阳能电池的分类

按材料不同分类：

有机半导体：

酞菁，羟基角鲨烯，聚乙炔。

3.2太阳能电池的特点

1

单晶硅材料制成的太阳能电池具有的特点：

效率为15——17%，稳定、效率相对比较高，表面有梳齿晶状电极，外形单一厚度300um，质硬，不可卷曲，黑色；

多晶硅材料制成的太阳能电池具有的特点：

效率为12——14%，稳定、效率高，外形多样化，厚度300um，深蓝色；非晶硅材料制成的太阳能电池，效率为6——10%，初期不稳定，最后稳定，应当大批量生产。

表面印制透明电极，厚度在1um以下，可以弯曲，暗红色；

薄膜式：

适用于大批量生产，对于不同太阳光谱照射均可适应，黑色。

2太阳能电池片的制造

工艺流程如下：

（1）硅片选择，性能一致的硅片

（2）硅片清洗用高纯水或三氯乙烯丙酮、甲苯等（3）表面腐蚀，用氢氧化钠碱性或用硝酸来腐蚀，表面平整光亮；（4）扩散。

制作PN结（5）去除背结，去掉硅片周边去掉；（6）制作正负电极（7）腐蚀周边（8）蒸镀膜起保护作用（9）检测。

开路电压，短路电位，最大输出功率等。

3太阳能电池组合光伏光阵。

通常由36个单体太阳能电池并联或串联形成太阳能光电极。

4太阳能电池组结构及其作用

1）结构

图5.14

5太阳能电池阵列角度设计：

（1）方位角夏天稍微向西偏。

方位角=[一天中负荷时刻（24h）-h]×15+（经度—116）

（2）倾斜角：

500—600。

第4节太阳能发电系统的控制

4.1最大功率点跟踪控制

通过调节负载功率改变光伏电池板的输出电压和输出电流，使光伏电池输出电压工作于最大功率点电压处，从而实现光伏发电功率最大化。

为使负载获得最大功率，即负载匹配，使负载电阻等于供电系统电阻，目前解决的有效办法是在光伏电池输出与负载之间加入开关变换电路，利用开关变换电路对阻抗的变换原理使得负载等效电阻与光伏电池输出阻抗获得最大功率。

太阳能电池等效电路如图5.15所示：

图5.15太阳电池等效电路

其中：

Ui为电源电压，Ri为内阻：

R0为负载电阻；PR0为消耗功率。

，

Ui，Ri为常数求导

令

，即R0=Ri时，PR0取得最大值。

由于太阳能内阻不仅受日照温度影响，也受环境温度及负载的影响。

所以，Ri在不断变化。

此问题的解决方法是：

改变DC/DC变换中功率开关管的导通率，来调整控制太阳能电池最大功率点，如图5.16所示：

图5.16太阳能电池P-U曲线

以最大功率点电压为界，向右，随电池输出电压下降，功率减少。

解决此问题的跟踪控制方法是，自寻优过程，在不同日照温度环境下智能化输出最大功率。

4.2MPPT控制的几种不同算法

1）功率扰动观察法

先给一个扰动输出电压信号UPV+ΔU，再测量功率变化与干扰之前功率值的比，若增加，扰动方向正确，可继续向同一方向（+ΔU）扰动；若值减小，则往反方向（—ΔU）扰动。

优点：

结构简单，测量参数少。

缺点：

动态值Upv，以跟踪步长ΔU，选取与跟踪精度和速度较大影响，不知道最大功率点大致在什么方向。

2）增量电导法

因为P=U×I，所以可对U求导。

——①

从图5.16的P—U曲线可知：

当

时，

；当

，

；当

，

。

将三种情况代入①式得：

，当

，

；当

，

；当

i）dU=0，dI=0，找最大功率点，不需调查；

ii）dU=0，dI

0，依据dI的正负来调整参数电压；

iii）dU

0，根据

之间关系调整工作点电压，获取最大功率点跟踪。

优点：

避免扰动观察法的盲目性，当日照温度变化时，电池输出电压以平衡的方式追随其变化，晃动较扰动观察法小。

3）滞环比较法

优点：

根据日照量快速变化时并不立即跟随，并快速移动工作点（可避免干扰或误判错误），而是在日照量较稳定时再跟踪到最大功率点，以减少扰动损耗。

在图5.16所示P—U曲线顶点附近任意取三点不同位置，有五种情况。

图5.17

设定一个比较运算变量符Tag，C点与B比较，若比B点大或相等，？

？

；若比B点小，？

？

。

当三点比较完后，Tag=2，则工作电压扰动量D值向右移动，若Tag=-2，则D继续往左移动；若Tag=0，表示到达顶点，D值将不改变，处于最大功率点。

3）模糊逻辑控制法

不需要建立控制对象精确的数学模型，它的核心部分是模糊控制器。

模糊控制器：

微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E。

作为输入量，将E的精确量变成模糊量，用模糊语言表示。

得到模糊语言集合子集e，再由e和模糊控制规则R（模糊关系）推理合成模糊量U，U=eR。

优点：

只着眼于功率实际大小，不管日照量多大的变动，都能高速地跟踪最大功率点，具有较好的动态特性和控制精度。

4）最优梯度法

以梯度算法为基础的多维无约束最优化问题数值计算方法，选取目标函数划负度方向作为每步迭代的跟踪方向，逐步逼近函数的最小值或最大值，具有运算简单，鲁棒性好的特点。

5）应用人工神经网络法进行太阳能电池最大功率点的控制。

太阳能电池特性可用以下四个方程描述：

6）基于dp/de的太阳能发电系统最大功率控制方法

先将一个非线性控制对象的状态列出，经线性化处理，采用简单的电流、电压反馈闭环控制系统。

即可实现既定的控制目标，该控制系统对应于日照变化和电池温度变化，能自我进行稳定补偿。

特点：

将控制系统运算的公式化，充分考虑光照和温度的影响。

第5节太阳能发电在工程中应用

1）太阳能光伏发电产业超常规发展

我国具有丰富的太阳能资源，太阳能较丰富的区域占国土面积的2/3以上，年辐射量超过60亿J/m2，每年地表吸收的太阳能大约相当于1—7万亿吨标准煤的能量，特别是西北、西藏和云南地区，太阳能资源尤为丰富。

太阳能光伏市场障碍主要是成本过高，以及硅材料短缺。

目前光伏发电成本在4—6元/kw·h。

目前我国尚德、英利、赛维及天合等10家大型企业和数百家光伏发电中小型企业也催生徐州中能、洛阳中硅及星光硅业等一批多晶硅生产企业。

2）太阳能发电在工程中的应用

上海世博园区中国公馆和主题公馆设计安装总容量为3127kw，其中中国馆安装容量302kw，面积2554m2，主题馆容量2825kw，安装总面积21362m2，中国馆主要采用单晶硅电池组件，结构形式分为普通型和双面玻璃封装透光型两种，其中68m屋顶层安装容量221kw，66.6m观景平台安装81kw。

主题馆主要采用多晶硅组件，多晶硅为2597kw，双面玻璃多晶硅228kw。

3）光伏生产厂家

①中轻太阳能电池有限公司（光伏电池及组件）

北京市中关村科技园通州园，光机电一体化产业基地兴光3街3号。

②天津市津能电池科技有限公司（光伏电池）

③宁波（光伏电池及组件）

④无锡尚德太阳能电力有限公司（多晶硅光伏电池及组件）

⑤江西赛维LDK太阳能高科技有限公司（光伏电池片）

⑥保定英利新能源有限公司（光伏电池）

4）光伏电源厂家

①南京冠业电源设备有限公司（光伏电源控制器、逆变器）

②北京怡蔚丰达电子技术有限公司（光伏电源、控制器、逆变器）

③合肥阳光电源有限公司（光伏电源、控制器、逆变器）

④昆明拓日科技有限公司（组件及电源）

⑤青岛伏科太阳能有限公司（节能直流灯、充放电控制器）

⑥北京合绿能电子技术有限公司（光伏水泵、充电器、电源、灯具）

⑦北京索英电气技术有限公司（并网逆变器系列）

思考及习题

1.能源如何划分？

太阳能归哪一类能源？

2.太阳能利用有哪些优势和不足之处？

3.我国太阳能产业现状和发展前景如何？

4.叙述太阳能电池发光原理。

5.画出太阳能电池等效电路并列出流过负载的电流方程式。

6.太阳能电池主要技术参数有哪些？

7.为什么要最大功率点跟踪控制，简述目前有哪几种方法。

第6章太阳能光伏发电储能装置

6.1储能方式及蓄电池种类

1）储能方式：

蓄电池、氢能、水库、飞轮、大电容、热能

2）蓄电池种类：

①酸性电池：

铅酸电池PbH2SO4PbO2

开放式、免维护、阈控密封型，AGM为主导，阈控胶体是发展方向。

2碱性电池：

镍铬电池Ca（KOH）NiOH

3锂电池：

工作电压高，比能量和体积大，自放电率低，无记忆效应，充放电效率高，循环寿命长、无污染、但价格高

4塑料电池。

目前采用密封式铅酸电池作为太阳能储能装置。

6.2蓄电池组成和电特性

1）蓄电池的组成

蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液（稀硫酸）构成。

正极板：

阳极，发生氧化反应的电极。

阳极放电时是负极，充电时的正极，红褐色。

负极板：

阴极，发生还原反应的电极。

阴极放电是正极，充电时的负极，灰色。

蓄电池充放电化学反应：

正极：

PhO2+H2SO4

PbSO4+H2O

负极：

Pb+H2SO4

PbSO4+H2

总反应：

PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+2H2O

铅酸电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸反应生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化”反应，并且可逆，使蓄电池实现储存电能和释放电能的功能。

特点：

铅酸蓄电池在一般环境情况下，可以长时间保持电池内化学物质的活性。

2）放电过程中端电压变化

充电后的电池如以恒流进行连续放电，其端电压变化情况如图6.1所示。

开始放电时，使电解液浓度下降，致使端电压迅速降低，oa段。

图6.1蓄电池放电时电压变化曲线

继续放电，进入放电中期（前段），电解液浓度接近稳定，如ab段，电池端电压比较稳定。

（后段），电解液中硫酸含量减少，浓度缓慢下降，端电压呈缓慢降低趋势，如ab段。

放电末期：

硫酸铅导电性较差，内阻增大，蓄电池电压降落很快，如bc段。

放电至c点时，电压已降到1.8V左右，放电便告结束，若继续放电，电池的端电压急剧下降，如cd段，这种现象叫过放电，若停止放电，铅酸电压立即回升，最后稳定在2伏左右，如ce段。

3）蓄电池容量

蓄电池的蓄电能力通常以充足电后的蓄电池放电至其端电压终止电压时，电池所放出的总电量来表示。

当以恒定电流放电时，他的容量Ah等于放电电流与持续时间h的乘积：

。

若放电电流不是常数：

t1~tn分别为放电持续时间，I1~In分别为t1~tn时间的放电电流。

理论容量：

根据活性物质按法拉第定律计算而得最高值。

实际容量：

指蓄电池在一定条件下能输出的电量，低于理论容量。

额定容量（C）：

指在温度20~25oC时充满其容量，并搁置24h后以10h（20h）放电率或0.1C（0.05C）电流数值的电流放电至其终止电压（1.75~1.8V/单体）

而蓄电池放出电