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环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降,影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。
例如城市的空气污染造成空气污浊,人类的发病率上升等等水污染使水环境质量恶化,饮用水源的质量普遍下降,威胁人的身体健康,引起胎儿早产或畸形等等。
严重的环境污染还会造成社会问题。
随着污染的加剧和人们环境意识的提高,由污染引起的人群纠纷和冲突日益增加。
随着经济和贸易的全球化,环境污染也日益呈现国际化趋势,近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。
2.太阳能的开发和利用
21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。
由于传统能源(如煤、石油、天然气等)的供给已出现严重短缺局面,人类开始将目光转向可再生能源的发展。
大规模地开发利用可再生洁净能源,以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构已成为人们关注的焦点。
其中,可再生能源主要有以下几个方面令太阳能据天文物理学家的计算表明,太阳系还能存在45亿年,太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1万倍。
令氢能源利用自然界大量存在的水,由电解水产生氢,或者由太阳能光催化水分解氢。
令风力发电、小水电与潮汐发电可提供可观的电力令生物能包括城市垃圾的转化、人类粪便的转化等,这些能源原本是人类的废弃物所转化过来的,只要有人类的存在,就会有生物能,所以这种能源也可以说是用之不竭的。
令核能与传统能源的发电厂相比核能的利用率较高,对环境的污染小,并且使用核燃料的成本远远低于传统燃料的成本,而核燃料所释放出来的能量却远远高于传统能源所释放出来的能量。
太阳能作为一种新型的绿色可再生能源,与其他新能源相比利用最大,是最理想的可再生能源。
特别是近几十年来,随着科学技术的不断进步,太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。
因为它具有以下的特点:
)l数量巨大:
每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射相当于一颗原子弹爆炸时所发出的能量;
刀时间长久:
用之不竭,太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续100亿年;
3)普照大地:
取之不尽,不需要开采和运输幻清洁无污染:
无任何物质的排放,既不会留下污物,也不会向大气中排放废气。
太阳能的开发利用主要有光热利用光伏利用光化学利用等三种形式。
光热利用是将太阳能转换为热能储存起来,其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域,还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀茵技术等,这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广,成效显著。
以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域,利用太阳能发电,具有明显的优点:
)l结构简单,体积小且轻。
能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单,输出45~50W的晶体硅太阳能电池组件,体积约为45Ommx985mmx45mm,质量为7kg。
2)容易安装运输,建设周期短。
只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电,宜于制成小功率移动电源;
一个.6SMW的太阳能电池发电站,占地约80km2,不足10个月便可建成发电。
3)维护简单,使用方便。
如遇风雨天,只需检查太阳电池表面是否被站污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。
大型光伏电站使用计算机控制运行,运行费用很低。
勺清洁、安全无噪声。
光伏发电本身不向外界排放废物,没有机械噪声,是一种理想的能源。
5)可靠性高,寿命长,并且应用范围广。
晶体硅太阳能电池的寿命可以长达20~35年,在光伏系统中,只要设计合理、选型适当,蓄电池的寿命可以达到10多青岛大学硕士学位论文年。
太阳能几乎无处不在,太阳能电池在中国大部分范围内都能作为独立的电源。
.
1.1光伏发电的前景
能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础,也是推动社会、经济发展和人们生活水平提高的动力。
随着全球工业化的全面发展,世界各国的各个领域对能源的需求量激增,能源需求的多少己经成为衡量一个国家或地区经济发展状况的重要指标。
今天,能源问题已经上升到了一个国家的具有战略意义的研究重点。
然而,随着人类对能源需求的日益增加,化石能源的储量正日趋枯竭。
有专家预测,半个世纪以后,地球上的石油、天然气将开采殆尽,200年后将无煤可采
,所以发展新型能源刻不容缓。
在中国,这种情况也不容乐观。
此外,由于环境恶化造成的“黑洞”已经使人类即将面临太阳紫外线的直接照射。
针对以上情况,开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展已经成为人类社会必须采取的措施。
可再生能源主要有水能、风能、太阳能、地热能、生物质能等能源形式,人们在使用过程中,可再生能源具有自我恢复能力,可以从自然界中源源不断地得到补充,是一种取之不尽,用之不竭的宝贵能源。
目前,应用最广泛的可再生能源是水能,但是它受地理条件、天气气候的影响很大,利用范围有限。
根据目前的实际进展和未来的发展速度,专家们预测,到21世纪五十年代,可再生能源占总一次能源的比例约为54%,其中太阳能所占比例约为13%~15%,到22世纪,可再生能源将占总一次能源的比例约为86%,太阳能比例占67%,其中太阳能发电占64%。
目前,人们普遍认为太阳能是解决能源危机和环境污染的最有效和可行的能源类型之一,是新世纪最重要的新型能源。
特别是光伏发电的应用备受人们的关注。
1.2国外光伏发电的现状及前景
太阳能光伏发电受到当今世界各国的高度重视。
尤其是发达国家纷纷投入到光伏发电技术的研究热潮中。
自上世纪80年代以来,无论是在世界经济从总体处于上升还是衰退的时期,光伏发电产业始终以11%~17%的增长速度发展。
到上世纪末,发展更为惊人,成为全世界增长速度最迅速的高新技术产业之一
。
产业化方面,光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持,现在已逐步商业化,进入了一个新的发展阶段。
预计到2050年左右,太阳能光伏发电将达到世界总发电量10%~20%,成为人类的基本能源之一。
目前,世界光伏产业正以31.2%的平均年增长率高速发展,已成为当今世界增长幅度最快的新能源产业之一。
自1990年以来,各发达国家纷纷发展“屋顶光伏发电系统”,将太阳电池安装在现成的屋顶上,其经济性和灵活性都优于大型光伏并网发电,利于战备和能源安全,日本、德国、美国仍然是世界拥有最主要的光伏应用市场。
2005年以来,全世界太阳电池组件安装近1460MW,比上一年增长35%。
其中德国太阳电池组件安装近838MW,比上一年增长53%,占世界总安装的57%,日本太阳电池组件安装292MW,比上一年增长了14%
日本的“太阳电池玻璃幕墙”和“太阳电池瓦”可以很容易地安装在建筑物上,被众多建筑单位所接受
1997年6月,美国实施“百万个太阳能屋顶计划”,其他发达国家也都有关于光伏屋项发电的计划,如英国、荷兰、芬兰、瑞士、奥地利等
发展中国家的印度也在1997年开始建造太阳能屋顶发电系统。
1.3国内光伏发电的现状及发展
我国是太阳能资源非常丰富的国家。
年日照数大于2000小时的地区占国土面积2/3以上
,我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高,属太阳能资源丰富地区,尤其是西藏等西部地区,年太阳最高辐射量居世界第二,仅仅低于撤哈拉大沙漠。
我国东部、南部及东北等地区为资源较富和中等区。
因此,我国在开发太阳能资源具备非常优越的条件。
我国太阳能电池生产线的首次建立是在20世纪80年代,共引进总计4.8MW的生产线7条,初步形成的我国光伏产业雏形。
到上世纪90年代末,我国进入太阳能电池生产线的第二次建设高峰期,出现了无锡尚德、保定英利、上海国飞、浙江中意、天津京瓷等新建的太阳能电池生产企业,其生产规模在20~50MW,先进的生产技术为多晶硅太阳电池的生产提供了良好的基础,市场上逐渐形成了单晶硅和多晶硅太阳能电池产品的局面,实现了我国多晶硅片规模化生产。
同时全国各地建立了许多组件封装厂,促使我国太阳电池实际生产量有了较快的增加,近几年太阳电池及其组件生产平均增长率为27%。
经过近些年的努力,我国光伏发电技术取得了相当大改进,太阳能电池转换效率比以往提高数倍,目前,单晶硅和多晶硅电池实验室效率分别达20%和12%
近些年来,我国将太阳电池的发展列入973和863等重大项目中的重要位置,政府己经在推动太阳能光伏发电发展方面采取了一系列有利措施。
2000年国家投资6000万元人民币启动西藏阿里地区的专项光伏工程,建成太阳电池总计约600KW的光伏电站,主要为当地居民提供电力;
GEF项目,我国政府与世界银行共同投资光伏和风力发电来推动中国可再生能源市场,在5年时间内计划安装10MW光伏系统,为无电地区居民解决生活用电问题;
国家与改革委员会筹集100亿元建设“光明工程”项目,计划到2010年用风力、光电和其他可再生能源技术解决2300万户无电地区居民的各种用电问题。
产业化方面,2003年国内光伏组件的封装能力约50MW。
近期内我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主,有一定的市场潜力。
2002年,光明工程项目使市场年销售量猛增到20MW,光伏系统保有量达到40MW左右
1.4光伏发电的意义
不论是从经济、社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视,还是从为世界上20亿无电人口和一些特殊用途解决现实的能源供应出发,发展太阳能光伏发电均具有重大的现实意义。
目前,世界能源结构中,人类主要利用的是化石能源,其中石油、天然气、煤炭的消费构成分别为41%、23%和27%。
而根据目前所探明的储量和消费量计算,这些能源资料仅可供全世界大约消费170年。
具体来说,石油将在40年内耗尽,天然气将在60年内用光,煤炭也只够使用220年。
我国一次能源状况也和世界相仿,据国家1999年政府白皮书估计,目前我国石油剩余可采储量为32..736亿吨,可供开采20年;
天然气剩余可采储量11704亿立方米,可供开采60年;
煤炭剩余可采储量为1145亿吨,可供开采不足百年。
由此可见,在人类开发利用能源的历史长河中,以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期仅是一个不太长的阶段,化石能源被新能源取代是历史的必然。
因此,人类必须未雨绸缪,及早寻求替代能源。
同时我们也知道,化石能源的大量开发和利用是造成人类生存环境恶化的主要原因之一,如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应和酸雨的产生。
21世纪,人类面临着经济和社会可持续发展的双重挑战,在有限资源和环保要求的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题,这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的清洁能源。
我国太阳能光伏电池的年产量约为3MW,生产能力约为5~8MW,累计用量约为15MW,同国外相比有很大差距,光伏发电产业生产规模小,技术水平低,生产成本高,市场培育迟缓,其总体水平
落后国外约10年。
我国“十五”规划提出了解决600万人(即无电人口的10%)的用电问题等目标,这给光伏发电产业提供了前所未有的市场和发展机会。
光伏发电技术是新能源技术的重要组成部分,是正在发展着的高新技术。
在国家能源政策的引导下,随着人们对可再生能源认识的提高以及太阳能光伏发电系统性能价格比的提高,太阳能资源的开发及应用前景将是十分广阔的。
第2章光伏发电系统
2.1光伏发电系统工作原理及组成
光伏发电系统,是利用光伏电池的光伏效应,将太阳光能转化为电能,储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。
白天,日照达到一定强度,由光伏电池阵列直接向负载和蓄电池提供电能,或者是部分电能直接送入电网。
夜晚或阴雨雾天,光伏电池阵列输出的能量太小,则由蓄电池向负载提供能量。
负载可以是直流负载,也可以是交流负载。
如果是直流负载,发电系统直接对其进行供电;
如果是交流负载,光伏电池输出的直流电通过DC/AC电路逆变,向其提供交流电能。
基本的光伏系统主要由光伏电池阵列、控制器、变换器、逆变器及蓄电池组成。
1.太阳能电池阵列
太阳能电池阵列一般由多块太阳能电池组件串并联而成,每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。
太阳能电池阵列分为若干个子阵列,每个阵列由一个电子开关控制。
当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时,自动依次切断一个或数个子阵列以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命,并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。
2.蓄电池组
蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置,其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来,在晚间或阴雨天时供负载使用。
蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。
一般容量要能在无太阳辐射的日子里,满足用户要求的供电时间和供电量。
目前常用的是铅酸蓄电池重要的场合也有用镉镍蓄电池,但价格较高,相对来说应用没有前一种广泛。
在光伏发电系统中,蓄电池处于浮充放电状态,夏天日照量大,方阵除了供给负载用电外,还要给蓄电池充电;
冬天日照量小,这部分储存的电能逐步放出。
在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环:
白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电),晚上负载用电则全部由蓄电池供给。
因此要求蓄电池的自放电要小,耐过充放,而且充放电效率要高,当然还要考虑价格低廉,使用方便等因素。
当蓄电池端电压达到设定的最高值时,由电压检测电路得到信号电压,通过控制电路进行开关切换,使系统进入稳压闭环控制,既保持对蓄电池充电,又不致使蓄电池过充,造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏,从而使蓄电池得到合理的保护和利用。
如果过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时,系统发出报警指令。
当蓄电池端电压下降至过放值时,系统也会发出报警指示,同时逆变器自动关闭,以保证蓄电池不再继续放电。
3.控制器
在不同的光伏发电系统中控制器各不相同,其功能的多少和复杂程度差别很大,需要根据发电系统的要求及重要程度来确定。
控制器一般由各种电子元器件、仪表、继电器开关等组成。
最简单的系统也可以不用控制器,有些要求有过充放、稳压等功能,而一些复杂的系统,如并网发电的光伏电站(并网发电不在本文的讨论范围内),则要求有自动检测、控制、转换等多种功能。
4.逆变器。
逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成负载所需的交流电。
逆变器主电路由大功率晶体管构成,采用正弦脉宽调制工作制,抗干扰能力强,还有很强的过载及限流保护功能。
5.阻塞二极管
阻塞二极管也称防反充二极管或隔离二极管,其作用是利用二极管的单向导通特性防止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。
对于阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流,反向耐压要高于蓄电池组的电压,在方阵工作时,阻塞二极管两端有一定的电压降,对硅二极管通常为0.6~0.8V,对硝特基或锗管为0.3V左右。
按照是否与公共电网连接,光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
2.2并网光伏发电系统
并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统,将光伏电能馈送给公共电网。
当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段,并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分,是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。
并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。
带蓄电池组的并网发电系统称为可调度式并网光伏发电系统,该系统具有不间断电源的作用,还可以充当功率调节器,稳定电网电压﹑消除高次谐波分量,从而提高电能质量;
不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统,逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变为和电网电压同频﹑同相的交流电能,送往公共电网;
当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时,电网自动向负载补充电能。
图2.1所示是典型并网光伏发电系统结构示意图,主要包括光伏电池阵列、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、变压器、交流负载五个组成部分。
根据负载及系统供电可靠性的需要,在DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。
图2.1并网光伏发电系统
2.3独立光伏发电系统
独立光伏发电系统产生的电能只提供给本地负载,包括交流负载或直流负载,不与公共电网相连接。
主要在一些离公共电网太远的无电地区和一些特殊场所使用,如一些偏僻农村、牧区和偏远的岛屿,即公共电网难以覆盖到的地区,为其提供照明、广播电视等基本生活用电。
还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊处所也使用独立光伏发电系统。
独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器以及负载等部分。
图2.2所示是典型独立光伏发电系统结构示意图。
该系统由光伏电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、蓄电池组和交直流负载构成。
光伏电池阵列将太阳光能转化为电能。
控制器决定着系统的运行状态,对整个系统起着管理作用,是整个系统的核心部件之一。
蓄电池是系统的储能部件,对光伏电池阵列输出的部分电能进行储存,在光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需求时,向负载进行供电。
光伏电池阵列和蓄电池输出的都是直流电。
向交流负载供电时,必须经过DC/AC逆变器将直流电转换为交流电。
DC/DC变换器起到功率转换作用,将光伏电池阵列输出的电能传送给负载或者给蓄电池组。
该系统因为有蓄电池组,可在夜晚或者阴雨天无光照时或日照不足时为负载供电,提高了系统供电的可靠性。
图2.2独立光伏发电系统结构框图
根据负载的特点可以将独立光伏发电系统分为三种类型:
直流系统、交流系统和交直流混合系统[9]。
除此之外,还有一种有后备能源储备的交流负载的独立光伏发电系统。
(1)接直流负载的独立光伏系统如图2.3所示,主要包括光伏阵列,防反充二极管,蓄电池,控制器[11]。
图2.3直流光伏系统结构框图
(2)接交流负载的独立光伏系统如图2.4所示,主要包括太阳能光伏阵列,蓄电池,控制器,逆变器,交流负载。
图2.4交流光伏系统结构框图
(3)交流混合负载的光伏系统如图2.5所示,主要包括太阳能光伏阵列,防反充二极管,蓄电池组,控制器,逆变器,开关管两个,直流负载,交流负载。
图2.5混合光伏系统结构框图
(4)有后备能源和放电器的光伏系统如图2.6所示,主要包括太阳能光伏阵列,控制器,蓄电池,过充电放电器,后备能源,逆变器,负载。
它区别于以上三种系统之处是增加了后备能源和过充电放电器。
当光伏电池阵列发出的电能和蓄电池储存的电能不能满足负载所需时,系统可以启用后备能源,它既可以直接给交流负载供电,又可以经控制器给蓄电池充电;
同时为了保护蓄电池组,防止过充现象产生,系统设有过充电放电器。
图2.6有后备能源和放电器的光伏系统
1.4本文所做的工作
光伏发电系统中太阳能电池输出特性具有非线性特征,并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响,蓄电池则具有一定的负载特性。
本课题主要研究独立运行太阳光发电系统的系统构建、光伏电池最大功率跟踪控制等内容,探讨独立光伏发电系统最大功率跟踪控制方法,设计最大功率跟踪控制在独立光伏发电系统中的应用方案。
1)了解光伏发电相关政策、标准、规范以及典型的光伏发电系统工程实例。
2)了解光伏发电系统的基本原理与功能结构,理解光伏发电系统中的光伏电池、储能技术、太阳能控制器、逆变器以及相关辅助设备的工作特性与功能要求。
3)了解太阳能电池组件的特性、结构及种类,分析太阳能光伏电池的工作原理与输出特性、熟悉典型的太阳能电池特性的数学模型。
4)分析目前常见的最大功率点跟踪控制方法,对比分析它们的优缺点。
探讨MPPT控制方法的启动特性、跟踪过程稳定性以及控制精度。
5)针对具有阻性负载的独立运行太阳光发电系统,建立独立运行太阳光发电系统的数学模型。
在Matlab/simulink环境下建立光伏电池最大功率跟踪控制仿真模型,模拟不同温度、光照下电池阵列的输出特性。
6)针对搭建的Matlab/simulink仿真模型,对光伏电池的最大功率点进行追踪,分析仿真模型的准确性。
7)研究单片机在独立光伏发电系统中的控制方案,设计独立光伏发电系统太阳能控制器,实现光伏电池最大功率跟踪控制,并对蓄电池起到过充电保护和过放电保护的作用
第3章光伏电池和最大功率跟踪
3.1光伏电池
在光伏发电系统中,光伏电池是实现光能转换为电能的器件,光伏电池阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的,其功率一般为几瓦至几十瓦、几百余瓦。
因此,研究光伏发电系统必须从光伏电池开始。
光伏电池一般由半导体材料制成,其特性与二极管类似。
光伏电池单体实际上是一个PN结,如图3.1所示。
PN结处于平衡状态时,中间处有一个耗尽层存在着垫垒电场,形成了方向由N区指向P区的电场。
当太阳光照射到PN结时,就会产生一定量的电子和空穴,在势垒电场的作用下,电子向N区扩散,空穴向P区扩散,从而P区就有过剩的空穴,N区就有过剩的电子,这样就形成光生电动势,其方向与势垒电场方向相反。
光生电动势使P区和N区分别带正负电,从而产生光生伏特效应。
这样如果用导线连接两个电极,就会有“光生电流”流过,从而产生电能。
(a)PN结平衡时(b)PN结受光照时
图3.1光伏电池工作原理图
光伏电池的工作原理可以概括为以下三个过程:
(l)光伏电池单体吸收带有能量的光子,PN结的两侧产生电子和空穴,电子空穴对被称为光生载流子,电子和空穴分别带有负正两种不同的电荷。
(2)光生载流子通过扩散作用到达空间电荷区,被势垒电场分离,使空穴分离到P区,电子被分离到N区。
(3)分离后的电子和空穴分别聚集在光伏电池的正负极。
如果在正负极之间接入负载,就会有光生电流流过,从而获得电能。
光伏电
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