1、第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術機械工業(yè)出版社2第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.1 太陽的輻射及太陽能簡介 4.2 太陽能的轉換與應用4.3 太陽能電池與光伏發(fā)電原理4.4 MPPT光伏變換與控制技術4.5 光伏陣列并網逆變器的結構與控制策略4.6 光伏發(fā)電的制約因素與經濟技術評價本章主要內容機械工業(yè)出版社3第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術44.1太陽的輻射及太陽能簡介 4.1.1太陽簡介圖4-1 太陽的結構機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術5圖4-2 地球繞太陽運行示意圖 太陽活動機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控

2、制技術6 地面輻射的時空變化特點是： 全年以赤道獲得的輻射最多，極地最少。這種熱量不均勻分布，必然導致地表各緯度的氣溫產生差異，在地球表面出現(xiàn)熱帶、溫帶和寒帶氣候； 太陽輻射夏天大冬天小，它導致夏季溫度高而冬季溫度低。4.1.2 太陽輻射地區(qū)太陽平均輻射強度kWh/(m2d) W/m2 熱帶、沙漠56210250溫帶35130210陽光較少地區(qū)（北歐） 23 80130 不同地區(qū)太陽平均輻射強度機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術7地球上的能流機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-4 地球上的能流84.2 太陽能的轉換與應用機械工業(yè)出版社 太陽能必須即時轉換成其他形

3、式能量才能貯存和利用，轉換的方式主要有以下幾種：（1）太陽能熱能轉換，并以熱能形式貯存（2）太陽能電能轉換，并以電能形式貯存（3）太陽能氫能轉換，并以氫能形式貯存（4）太陽能生物質能轉換，并貯存于生物 質（5）太陽能機械能轉換，并以機械 能形式貯存第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.2.1 太陽能應用的發(fā)展史機械工業(yè)出版社9第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術第一階段（19001920年）第二階段（19201945年）第三階段（19451965年）第四階段（19651973年）第五階段（19731980年）第六階段（19801992年）第七階段（19922005年）104.2.2 太陽能的技術

4、應用機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術1太陽能采集 （1）平板集熱器 （2）真空管集熱器 （3）聚光集熱器11機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術2太陽能的轉換 （ 1）太陽能熱能轉換 （2）太陽能電能轉換 （3）太陽能氫能轉換 （4）太陽能生物質能轉換 （5）太陽能機械能轉換 2太陽能的轉換12機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術3太陽能貯存 （1）熱能貯熱 （2）電能貯存 （3）氫能貯存 （4）機械能貯存13機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4太陽能傳輸 （1）直接傳輸 （2）間接傳輸14機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術5

5、. 太陽能的利用 （1）太陽輻射的熱能利用 （2）太陽能光熱利用 （3）太陽能熱發(fā)電 （4）太陽能綜合利用 （5）太陽能光伏發(fā)電技術15太陽能的利用機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術16機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術17機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術18機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術19尚德大型太陽能發(fā)電幕墻機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術20機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術21美國最大的光伏發(fā)電站-1機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術22美國最大的光伏發(fā)電站-2機械工業(yè)出版社第4

6、章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術23機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術24機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術25機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術26機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術27機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術28機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術29機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術30機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術314.3 太陽能電池與光伏 發(fā)電原理4.3.1 太陽能電池 太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等種類。單晶和

7、多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術32太陽能電池原理 太陽能電池的原理是基于半導體的光伏效應，將太陽輻射直接轉換為電能。 所謂光電效應，就是指物體在吸收光能后，其內部能傳導電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產生出電流和電動勢的效應。在氣體、液體和固體中均可產生這種效應，而半導體光伏效應的效率最高。機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術331. 半導體的內部結構 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-5 一般的半導體結構34 2. P型半導體的結構 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與

8、控制技術圖4-6 P型半導體353. N型半導體的結構 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-7 N型半導體364. 太陽能電池晶片的組成 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-8 太陽電池晶片375. 太陽能晶片受光的物理過程 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-9 太陽能晶片受光的物理過程 38太陽能電池的分類 1. 單晶硅太陽能電池 2. 多晶硅太陽能電池 3. 非晶硅太陽能電池機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術394.3.2 太陽能光伏發(fā)電原理 機械工業(yè)出版社太陽能電池陣列逆變器用電設備進戶計量儀表第4章 太陽能、光伏發(fā)電

9、與控制技術40圖4-10 典型的光伏發(fā)電系統(tǒng) 1. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術412 .系統(tǒng)組成（1）太陽能電池組件：由太陽能電池（也稱光伏電池）按照系統(tǒng)的需要串聯(lián)或并聯(lián)而組成的矩陣或方陣，在太陽光照射下將太陽能轉換成電能，它是光伏發(fā)電的核心部件。 （2）充放電控制器、逆變器 本部分除了對蓄電池或其他中間蓄能元件進行充放電控制外，一般還要按照負載電源的需求進行逆變，使光伏陣列轉換的電能經過變換后可以供一般的用電設備使用。 （3）蓄電池、蓄能元件及輔助發(fā)電設備 蓄電池或其他蓄能元件如超導、超級電容器等是將太陽能電池陣列轉換后的電能儲存起來，以使無光照

10、時也能夠連續(xù)并且穩(wěn)定的輸出電能，滿足用電負載的需求。 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術423. 光伏系統(tǒng)分類（1）小型太陽能供電系統(tǒng)（Small DC） 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中只有直流負載而且負載功率比較小，整個系統(tǒng)結構簡單，操作簡便。如在我國的西北地區(qū)大面積推廣使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，負載為直流節(jié)能燈、家用電器等，用來解決無電地區(qū)家庭的基本照明和供電問題。 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-11 小型太陽能供電系統(tǒng) 43（2）簡單直流系統(tǒng)（Simple DC） 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中負載為直流負載，而且負載的使用時間沒有特別要求，負載主要在日間使用，系統(tǒng)中沒

11、有蓄電池，也不需要控制器。整個系統(tǒng)結構簡單，直接使用太陽能電池陣列給負載供電，光伏發(fā)電的整體效率較高。如光伏水泵就使用了這種類型的光伏系統(tǒng)。 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-12 簡單直流供電系統(tǒng) 44（3）大型太陽能供電系統(tǒng)（Large DC） 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中用電器也是直流負載，但負載功率比較大，整個系統(tǒng)的規(guī)模也比較大，需要配備較大的太陽能光伏陣列和較大的蓄電池組。常應用于通信、遙測、監(jiān)測設備電源，農村集中供電站，航標燈塔、路燈等領域。如在我國的西部地區(qū)部分鄉(xiāng)村光伏電站使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，中國移動和中國聯(lián)通公司在偏僻無電地區(qū)的通信基站等。機械工業(yè)出版社第4章

12、 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-13 大型太陽能供電系統(tǒng) 45 該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中同時含有直流負載和交流負載，整個系統(tǒng)結構比較復雜，整個系統(tǒng)的規(guī)模也比較大，同樣需要配備較大的太陽能光伏陣列和較大的蓄電池組。如在一些同時具有交流和直流負載的通信基站或其他一些含有交流和直流負載的光伏電站中使用了這種類型的光伏系統(tǒng)。（4）交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC） 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-14 交流、直流供電系統(tǒng) 46（5）并網系統(tǒng)（Utility Grid Connect） 這種系統(tǒng)的最大特點是太陽能電池陣列轉換產生的直流電經過三相逆變器（DC/AC）轉換成為符合公共電網要

13、求的交流電并直接并入公共電網，供公共電網用電設備使用和遠程調配。這種系統(tǒng)中所用的逆變器必需是專用的并網逆變器，以保證逆變器輸出的電力滿足公共電網的電壓、頻率和相位等性能指標的要求。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和太陽能電池陣列作為本地交流負載的電源，降低了整個系統(tǒng)的負載缺電率；而在夜晚或陰雨天氣，本地交流負載的供電可以從公共電網獲得。機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-15 并網發(fā)電系統(tǒng) 4.4.1 光伏陣列的組成與輸出特性機械工業(yè)出版社47第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.4 MPPT光伏發(fā)電變換與控制技術1光伏電池的電特性光伏電池的等效電路如圖4-18.48 電流I為太

14、陽能電池輸出電流，Id為二極管工作電流，IRsh 為漏電流，ILG為光電池電流源，Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；Rs：光伏電池的串聯(lián)等效電阻。 圖4-18 光伏電池等效電路圖機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術49光伏電池的輸出特性方程： 式中：并聯(lián)電阻Rsh越大，不會影響短路電流的數(shù)值。所以下面設計中忽略Rsh，得到簡化的光伏電池輸出特性方程： I：光伏電池輸出電流；V：光伏電池輸出電壓；IOS：光伏電池暗飽和電流 T：光伏電池的表面溫度；k：波爾茲曼常數(shù) (1.38*10-23 J/。K) ：日照強度；q：單位電荷(1.6*10-19C)；K1 ：短路電流的溫度系數(shù)；ISCR

15、：標準測試條件（光伏電池溫度25，日照強度為1000W/m2）下，光伏電池的短路電流；ILG：光電流；EGO：半導體材料的禁帶寬度；Tr：參考溫度(301.18。K)；Ior：Tr下的暗飽和電流；A,B：理想因子，一般介于1和2之間 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術50光伏電池模型機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術51 當負載RL從0變化到無窮大時，即可得到如圖所示太陽能電池輸出特性曲線。調節(jié)負載電阻RL到某一值Rm時，在曲線上得到一點M，其對應的工作電壓和工作電流之積最大，即Pm=Im*Vm，將此M點定義為最大功率輸出點（MPP）。光伏電池的輸出特性圖 機械工業(yè)

16、出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術2光伏電池的伏安特性2光伏電池的伏安特性機械工業(yè)出版社52第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖420 光伏電池的伏安特性 53 MPPT本質上是一個尋優(yōu)過程。通過測量電壓、電流和功率，比較它們之間的變化關系，決定當前工作點與峰值點的位置關系，然后控制電流（或電壓）向當前工作點與峰值功率點移動，最后控制電流（或電壓）在峰值功率點附近一定范圍內來回擺動。 圖4-22 不同光照強度下的光伏電池最大功率點 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.4.1 光伏陣列的組成與輸出特性 3MPPT工作原理54 在光伏系統(tǒng)中，通常要求光伏電池的輸出功率保持在最

17、大，也就是讓光伏電池工作在最大功率點，從而提高光伏電池的轉換效率。MPPT就是一個不斷測量和不斷調整以達到最優(yōu)的過程，它不需要知道光伏陣列精確的數(shù)學模型，而是在運行過程中不斷改變可控參數(shù)的整定值，使得當前工作點逐漸向峰值功率點靠近，使光伏系統(tǒng)運作在峰值功率點附近。機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術551.定電壓跟蹤法2.擾動觀察法3.功率回授法4.增量電導法5.模糊邏輯控制6.滯環(huán)比較法7.神經元網絡控制法8.最優(yōu)梯度法 常用最大功率點跟蹤算法：機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術564.4.2 MPPT光伏陣列的發(fā)電變換 光伏發(fā)電系統(tǒng)一般包括：光伏電池最大功率點跟蹤

18、（MPPT）控制器蓄電池充放電控制器直流升壓或降壓型變換器逆變器機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術57光伏系統(tǒng)的逆變器 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，包括無源逆變和有源逆變兩種形式。其中無源逆變用于孤立型光伏發(fā)電站，通過逆變器將直流逆變?yōu)榉讲ɑ蚪汼PWM調制為正弦波交流電，直接向交流負載供電。有源逆變器用于并網光伏發(fā)電，通過逆變器以SPWM的方式產生交流調制正弦電源，并使輸出正弦波的電壓幅值、頻率及相位等變量與公共電網一致。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器按輸入側直流儲能元件類型可進一步劃分為電壓型逆變和電流型逆變兩類；按拓樸結構又可分為單相半橋逆變電路，單相全橋逆變電路和三相全橋逆變電路三種。

19、機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術581.電壓型逆變器 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-25 電壓型逆變器592.串聯(lián)諧振電壓型逆變器 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-26 串聯(lián)諧振電壓型逆變器 603.電流型逆變器 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-27 電流型逆變器 614.并聯(lián)諧振電流型逆變器 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-28 并聯(lián)諧振電流型逆變器 625.單相半橋逆變器 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-29 單相半橋逆變器 636.單相全橋逆變器 機械工業(yè)出版社

20、第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-30 單相全橋逆變器 647.三相橋式逆變器 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術圖4-31 三相橋式逆變器 4.4.3 MPPT光伏陣列發(fā)電的控制技術機械工業(yè)出版社65第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術1蓄電池充電控制2最大功率點跟蹤（MPPT）控制3太陽光跟蹤系統(tǒng)4.5 光伏陣列并網逆變器的結構與控制策略機械工業(yè)出版社66第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構1電壓源型光伏陣列的逆變并網圖440 光伏

21、陣列并網的電壓源型電路結構機械工業(yè)出版社67第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構2電流源型光伏陣列的逆變并網圖441 光伏陣列電流源型并網逆變電路拓撲機械工業(yè)出版社68第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構3單級式并網逆變器圖442單級式并網逆變器的電路拓撲機械工業(yè)出版社69第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.

22、1 光伏陣列并網逆變器的結構4兩級式并網逆變器圖443 兩級式并網逆變器的電路拓撲機械工業(yè)出版社70第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構圖444 一種改進型兩級式并網逆變器拓撲機械工業(yè)出版社71第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構5多級式并網逆變器圖445 多級式并網逆變器的電路拓撲機械工業(yè)出版社72第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏

23、陣列并網逆變器的結構4.5.1 光伏陣列并網逆變器的結構4.5.2 光伏陣列并網逆變器的控制策略1并網波形的跟蹤與控制策略2光伏陣列的最大功率點控制3并網系統(tǒng)的保護與光伏發(fā)電并網的孤島問題4.6 光伏發(fā)電的制約因素與經濟技術評價機械工業(yè)出版社73第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術 成本/價格 年份（USD）光伏電池1990199520002010單晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00聚光電池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25非晶硅3.00/

24、5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25表42 地面用光伏電池組件的成本與價格（19902010年）機械工業(yè)出版社74第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術 年份 效率（%）光伏電池199520002010單晶硅151822多晶硅141620聚光電池222530非晶硅791014薄膜硅8101215CIS791214CdTe791215表43 光伏電池組件的效率機械工業(yè)出版社75第4章 太陽能、光

25、伏發(fā)電與控制技術光伏陣列發(fā)電主要存在以下問題：光伏陣列發(fā)電效率低光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)的造價成本高光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)的運行受氣候環(huán)境因素影響大光伏電池組件的制造需要消耗大量能源機械工業(yè)出版社76第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術 目前大多數(shù)的風光，風光柴油以及風光柴蓄等脫離大電網的混合局部并網發(fā)電系統(tǒng)都具有獨立和并網兩種工作模式，因而以太陽能光伏發(fā)電與風力發(fā)電進行互補，綜合天燃氣燃機發(fā)電或柴油發(fā)電，而形成大型新能源綜合發(fā)電是未來重要的發(fā)展方向。77機械工業(yè)出版社小結 本章介紹太陽能光伏發(fā)電的相關知識，從太陽能的利用方面初步了解太陽能電池的基本原理和特性，介紹 了MPPT及其控制的原理和方法；并進一步簡

26、述的在太陽能應用中常用 的DCDC變換或DCAC變換，最后列舉了一些知名廠商的太陽能逆變器產品。第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術78SUNNY BOY 700 SUNNY BOY 3800 附錄： 光伏逆變器實物及一些重要指標 SMA公司機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術79SUNNY BOY 2100TL SUNNY BOY 2800i 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術80SUNNY MINI CENTRAL 5000A/6000A SUNNY MINI CENTRAL 7000HV 機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術81Sunny Tower Sunny Central SC350 /350HE機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術82DELTA公司Solar Inverter SI 1900機械工業(yè)出版社第4章 太陽能、光伏發(fā)電與控制技術83Solar Inverter S