新能源发电技术研究生课程.docx

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新能源发电技术研究生课程

研究生课程论文

《太阳能发电家用系统的研究》

课程名称新能源发电技术

姓名　　　

学号　　

专业电气工程（工程硕士）

任课教师　

开课时刻

教师评阅意见：

论文成绩

评阅日期

提交时刻2021年09月01日

1绪论

在地球环境污染和能源形势的转变日趋严峻的背景下，太阳能作为绿色能源愈来愈受到世界各国的重视。

光伏发电是太阳能利用的要紧形式，具有广漠的进展前景。

随着光伏组件价钱的不断降低和光伏技术的进展，太阳能光伏发电系统将慢慢由此刻的补充能源向替代能源过渡。

本文综述了太阳能发电系统研究的进展概况、研究动态及应用前景。

并对家用太阳能发电系统做了一系列的研制。

太阳能光伏发电应用的现状及本课题的研究意义

太阳能的转换利用方式有光—化学转换、光—电转换和光—热转换等三种方式。

光化学利用要紧指太阳能光合作用、太阳能化学贮存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术,其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是增进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。

太阳能热发电随着技术的进展,本钱慢慢降低,变得愈来愈可行。

热利用的要紧形式是太阳能热水器、太阳能建筑和太阳能热发电。

太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术产品。

光一电转换是利用光生伏打效应原理制成光伏电池，将光能直接转换成电能加以利用。

“光伏发电”是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式[3]。

1.1.1国外光伏发电技术的现状

近几年来，全世界太阳能电池的生产量平均每一年增加近40%，2004年全世界生产总量高达1000MW。

本世纪以来，一些发达国家纷纷制定了包括太阳能电池在内的可再生能源进展打算。

太阳能电池的研究和生产在亚洲、美洲、欧洲大规模展开。

日本和美国为争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开发打算，如到2020年，日本打算累计安装5000MW（NEDC）日本新阳光打算；美国打算积存安装4600MW（含百万屋顶打算）。

进展中国家印度处于领先地位，目前累计装机容量约40MW。

光伏发电产业的年销售额将从2004年的70亿美元增加到2020年的300亿美元。

[1]

1.2.2国内光伏发电技术的现状

从20世纪90年代起，国内光伏发电市场平稳进展，年增加速度在20%左右，其产业的进展己初具规模，已普遍应用到咱们生活的多个方面，如通信、交通、公共设施（如路灯照明）、家庭生活用电等领域。

进人21世纪，国内光伏发电市场呈现加速进展趋势，我国政府目前正在制订《新能源和可再生能源进展计划》，将出台一系列扶持光伏发电进展的优惠政策。

太阳能是干净无污染的庞大能源，最大限度地开发利用太阳能。

将是人类新能源利用方面的科技进展方向。

我国2003〜2020年在农村电网建设中每一年安装70兆瓦光伏发电系统，2020〜2020年将普及推行应用每一年平均安装100兆瓦光伏发电系。

[2]

1.2.3项目研究开发的目的和意义

目前太阳能热水器众所周知，尽管太阳能光伏发电在家用电器中已经有所应用，可是还远远没有达到要求，因此对家用太阳能发电系统的研究，是超级必要的。

本项目研究开发的目的和意义确实是探讨一条太阳能光伏发电在家用电器应用的新路，发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，在偏远地域推行利用家用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决无电人口的供电问题。

为尔后太阳能发电并网的普及铺好路打好基础。

1.2.4项目研究开发的目的和意义

本项目以家用电器为对象，研究开发家用太阳能发电的相关技术问题。

系统框图如图所示

图家用太阳能发电系统框图

工作原理为：

在白天光照条件下，主控CPU电路检测到太阳能电池有正常输出，操纵DC/DC变换器，跟踪最大功率，并开启充电操纵电路，给蓄电池充电，同时通过DC/AC逆变器变换为交流电，经由切换操纵电路为家用电器提供电源。

天黑后，太阳能电池停止工作，现在主控CPU电路检测到太阳能电池无输出，由蓄电池经DC/AC逆变器给家用电器供电。

在系统检修或蓄电池电压不能达到要求电压时，通过切换操纵电路换接到原供电线路

2光伏电池的工作原理

光伏电池是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件。

它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。

其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。

目前大规模利用的主若是单晶硅和多晶硅电池。

2.1.1光伏电池的光伏效应

当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两头产生电动势，这种现象称为光伏效应。

例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料组成的P-N结上时，在必然条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平稳载流子-电子和空穴。

由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因此产生在势垒区中的非平稳电子和空穴，或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平稳电子和空穴，在内建静电场的作用下，各相向反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两头形成电动势，这确实是P-N结的光伏效应。

由于光照产生的非平稳载流子向反方向漂移，从而在内部组成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情形下组成短路电流Isc。

在P-N结开路情形下，P-N结两头成立起光生电势Voc这确实是开路电压。

如将P-N结与外电路接通，只要光照不断止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这确实是光伏电池的大体工作原理。

显然,光伏电池之因此能在光照下形成短路电流Isc,开路电压Voo，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。

假设在内建电场的双侧引出电极并接上负载，那么负载中就有“光生电流”流过，从而取得功率输出。

如此，太阳的光能就直接变成了能够付诸利用的电能。

可是在实际的光伏电池中，由于电池表面和反面的电极导体电阻和接触电阻，和材料本身具有必然的电阻率，流经负载的电流通过它们时，必然引发损耗，在等效电路中可将它们的总成效用一个串联电阻&来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部份本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻Rsh来等效表示。

现在的等效电路可依照图来描述。

一个理想的光伏电池，因串联的匕很小，并联的Rsh专门大，因此进行理想电路计算时，它们都可忽略不计。

致使理想的等效电路只相当于一个电流为Iph的恒流源与一个二极管并联（如下图）。

另外硅型光伏电池等效电路还应包括由P-N结形成的其它散布电容。

'由于光伏电池是直流设备，通常没有高频交流分量，因此这些电容也可忽略不计。

[3]

图实际光伏电池等效电路图

3系统的软硬件设计

系统整体框图

图系统整体方框图

lkW家用太阳能发电系统的结构框图如下图。

由图能够看出系统要紧由以下几部份组成：

太阳能电池阵列、单向DC/DC、双向DC/DC、AD转换电路、80C196KC、切换操纵电路等。

系统中太阳能电池的输出电压upv和电流ipv、直流母线电压uH和电流&和蓄电池两头的端电压丸和电流L均由霍尔传感器[4]（电压和电流两种类型）采样，经A/D转换电路送入CPU中。

系统要紧进行以下工作：

一、CPU通过检测太阳能电池输出电压、电流值并通过计算功率值来进行最大功率点跟踪操纵。

二、当CPU检测太阳能电池输出电压、电流和蓄电池端电压、电流达不到负载要求或系统进行检修时，CPU将输出操纵信号到操纵切换开关自动切换到原供电线路。

系统整体软件结构

本系统采纳模块化结构设计，依照要完成的功能不同，将整程序分为以下几个模块：

A/D转换模块、最大功率跟踪操纵模块、显示模块。

依照采样所得的太阳能电池阵列的电压和电流信号、直流母线电压和电流信号和蓄电池端电压和电流信号来选择是不是把电路切换到原供电线路上。

图为系统的能量治理显示流程图。

图3.2能量治理显示流程图

4系统的部份电路Matlab仿真

Matlab/simulink仿真工具为复杂系统提供了快捷、简单、方便的建仿照真环境，其中PowerSystemBlockset库可直接为电力系统提供模块化仿真[5]。

本系统确实是在Matlab仿真环境下，利用现成模块，编写S函数，成立了部份电路的仿真，为系统的设计提供可行的方案。

光伏电池等效电路的Matlab仿真

基于光伏电池的物理特性成立了太阳能光伏电池阵列的仿真模型，并对不同光照下太阳能电池阵列的输出I-V特性和P-V特性进行了仿真。

图光伏电池仿真框图

光照强度转变光阴伏电池的输出特性

光照强度的大小直接阻碍太阳能光伏电池输出电能的多少。

日照强度越强，光伏电池的输出功率就越大；反之，输出功率就越小。

由于光生电流Iph受日照强度阻碍比较大，而且与日照强度成正比例关系，因此，能够通过改变S值来等效地模拟不同日照强度下光伏电池的输出特性曲线及输出功率曲线。

[6]

仿真参数设为1=，t=300K,Rsh=5000Q,RS=,环境温度298K,器件温度330K，选取一组不同的R值对S赋的值别离为lkW/m2，m2,m2进行仿真，取得一组输出电流、电压、功率值，然后能够得出光伏电池的输出特性拟合曲线如图4.二、图4.3。

图

图光伏电池I—V曲线

图4.3光伏电池P-V曲线

仿真结果说明，光伏电池的输出特性呈非线性，而且每条曲线都有一个最大功率点。

在温度不变的情形下，随着日照强度的增强，光伏电池的最大输出功率也不断增大，日照强度越大，光伏电池的输出电能就越大。

5总结与展望

总结

本文对太阳能光伏发电系统做了较全面的研究，要紧进行了以下几方面的工作:

结合最新的国内外资料，分析、探讨了太阳能发电系统研究的开发背景、研究动态、进展趋势和应用前景。

分析了太阳能电池的原理和大体特性，依照光伏电池的I-V和P-V特性曲线，对光伏电池最大功率点跟踪进行研究，比较各类跟踪方式的优缺点。

本论文提出一种对蓄电池进行充放电治理的双向变换器系统，该系统对蓄电池的充放电进行有效操纵、爱惜蓄电池不受损坏、延长蓄电池的利用寿命、充分利用太阳能、实现系统的能量治理等特点。

家用太阳能发电系统的后级，采纳输出为正弦波电压，并具有升压和必然爱惜功能的逆变器电路，达到了设计的要求。

对光伏电池等效电路和系统前级简单的Buck电路和后级逆变电路进行了Matlab仿真，从中能够看到，用仿真来设计家用太阳能发电系统中的电力电子电路，修改电路结构和参数更方便，观看设计的成效更直观。

为整个系统的实现提供了较为准确的仿真数据。

[7]

展望

本文采纳理论分析、仿真相结合的手腕，对家用太阳能发电系统作了初步探讨研究，撰写论文的进程也是前期工作的时期性总结。

由于时刻和精力的限制，所涉及的内容不够充实。

有关

后续研究工作，可望在以下几个方面取得进展:

最大功率跟踪技术是太阳能发电系统研究的重点，在考察各类MPPT方案的靠得住性、稳固性、快速性和操纵精度等多个系统指标基础上，找出更为靠得住、高效的MPPT操纵策略。

并网是太阳能以后的进展方向[9]。

需要对逆变器做进一步的深切研究，使之更好地与电网并接。

另外，减少逆变器损耗，提高其效率也是下一步需要解决的问题。

考虑系统各单元电路之间的最正确匹配和优化设计问题，将是尔后研究的重点。

[8]

由于本文所做的工作只限于理论和仿真实验研究。

因此,下一步将搭建实验平台，将具体的算法用单片机来实现

要紧参考文献

一、王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望m，太阳能光伏产业进展论坛论文集，2003，2

（2）:

14-17

二、银通投资咨询公司.全世界进展最快的新兴产业之一一太阳能光伏发电业[J],产经透视，2006,5（4）:

39-41

3、余世杰，何慧假设，曹仁贤.光伏水泵系统中CVT