毕业设计论文家用5kw离网型光伏发电系统的设计Word文件下载.docx
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图3-4光伏电池输出功率与端电压特性曲线-光照强度一定,温度变化图
图3-5光伏电池在不同光照强度下的特性曲线图
图3-6恒定电压法控制流程图
图3-7干扰观测法控制流程图
图3-8三点重心比较法可能情况汇总图
图3-9三点重心比较法流程图
图3-10电导增量法流程图
图4-1Buck-Boost变换电路原理图
图4-2开关管导通时Buck-Boost电路的等效电路图
图4-3开关管关断时Buck-Boost电路的等效电路图
图4-4Buck-Boost电路电感两端的电压及流过电感的电流波形图
图4-5单相桥式逆变电路图
图4-6工作电压波形图
图4-7单极性SPWM逆变电路的主电路原理图
图4-8SPWM调制电路原理图
图4-9SPWM调制波形图
图4-10单路旁路型过充放电控制器控制原理图
图5-1光伏电池模块仿真模型图
图5-2光伏电池模块的子系统图
图5-3光伏阵列输出电流曲线图
图5-4光伏阵列输出电压曲线图
图5-5光伏阵列输出功率曲线图
图5-6光伏阵列输出特性曲线图
图5-7光伏阵列伏安特性曲线图
图5-8DC-DC变换器模块仿真模型图
图5-9IGBT模块集电极电流和集射极电压波形图
图5-10二极管电流、电压波形图
图5-11系统变量波形图-占空比0.5图
图5-12系统变量波形图-占空比0.2图
图5-13系统变量波形图-占空比0.7图
图5-14DC-AC单相逆变器模块仿真模型图
图5-15逆变桥模块的输入电流波形图
图5-16逆变桥模块输入电流经过二阶模型高通滤波后的波形图
图5-17负载两端电压波形图
图5-18电压源两端电压波形图
图5-19负载与电源加和波形图
表1-1未来世界能源需求与再生能源可开发量表
表1-2最优光伏组件的成本分析表
表1-3全球光伏组件价格变化表
表1-4光伏电池发展阶段表
表1-5国家发改委通知规定的全国光伏电站标杆上网电价表
表1-6我国实现光伏电池组件成本和光伏发电电价降低的路线表
表1-72006-2012年我国各年光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表
表1-82000-2012年全球光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表
表1-9全球光伏发电系统累计装机容量前六名表
表2-1离网型光伏发电系统对逆变器的基本要求表
表2-2离网型光伏发电系统对逆蓄电池的基本要求表
表2-3离网型光伏发电系统对逆蓄电池的基本要求表
表2-4现阶段光伏发电系统控制器分类表
表2-5光伏电池分类表
表4-1蓄电池常用字母含义表
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
与现有的其他不可再生能源、甚至可再生能源相比,太阳能都可谓优势突出,来源充足、方便易得。
太阳能光伏电源或者光伏电站的功率可以根据需要从数毫瓦至数十兆瓦配置,发电系统建设周期短,方便灵活;
作为将光能直接转变为电能的半导体器件-晶体硅太阳电池使用周期较长,系统不存在转动装置,可靠性高,使用方便[1-5]。
图1-1所示为按照探明储量和目前消耗速度进行估算,世界和我国常规能源耗尽年份图,表1-1所示为未来世界能源需求与再生能源可开发量表。
图1-1世界和我国常规能源耗尽年份
表1-1未来世界能源需求与再生能源可开发量
种类
数量
2004年世界实际能耗
13TW
2050年世界预测能耗
30TW
2100年世界预测能耗
46TW
未开发水力资源
<
0.5TW
海洋能(潮汐、海浪、海流)
2TW
地势能
12TW
可利用的风能
2-4TW
全球总太阳能
120000TW
由于相关技术水平和现实条件的影响,由表1-2和表1-3可知现阶段的光伏发电成本仍然要高于常规能源发电成本,但是就发展趋势而言,作为新型能源系统的代表其开发前景相当广阔。
能源危机的出现,国家能源计划的开展,相关技术的突飞猛进,都预示着未来的电能时代将是光伏发电的时代,光伏发电成本将继续降低[6-13],直到与常规能源发电成本持平甚至更低。
据《全球光伏市场分析和2020年展望》报告,到2030年光伏发电系统将提供2600TW/h的电能,电能总量将占到世界各地所需电能总量的14%。
到本世纪末期,全球能源结构将实现大调整和大转型,而太阳能和光伏发电注定会成为佼佼者。
表1-2所示为最优光伏组件的成本分析表,表1-3所示为全球光伏组件价格变化表。
表1-2最优光伏组件的成本分析
项目
硅材料
硅片
电池
组件
总成本
成本(美元/W)
0.26
0.33
0.31
0.42
1.32
表1-3全球光伏组件价格变化
年份
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
光伏电池年产量(GW)
1.7
2.6
4.0
6.1
10.2
15.1
20.5
年增幅(%)
44
58
53
54
66
48
36
组件平均出厂价(美元/W)
3.5
4.1
3.9
3.6
3.3
3.2
组件平均销售价(美元/W)
3.7
4.3
3.8
组件价格年增幅(%)
14
16
-5
-7
-4
-6
光伏系统装机平均价格(美元/W)
7.1
7.8
7.5
7.0
6.6
6.2
5.9
光伏发电系统就是通过各种设备直接将光能转换为电能的能源转换系统[14-22],因此开展针对该系统的研究对于合理高效利用资源、推动新型能源的开发、促进光伏发电系统的发展具有重要意义。
随着国家政府的大力支持和相关政府部门的大力推广,未来的光伏发电系统将逐渐朝着小型化和分散化的方向发展,也将逐渐进入普通百姓的日常生活中,因此开展本次课题研究对于把握光伏发电系统的发展趋势具有重要意义。
1.2研究现状
1.2.1我国太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势
上世纪五十年代,在技术发展的要求下和国外先进技术的推动下,我国开始研究并成功研制出具有实用价值的光伏电池,标志着我国光伏发电产业发展的开端。
七十年代初期作为我国航天事业发展的关键时期,首次将发射卫星的供电电源由传统电池更换为光伏电池,为我国航天事业的进步贡献力量。
在随后的几十年的时间里,光伏发电的研究及应用从未间断,各个领域也在不断开发光伏电池的潜力,为我国光伏发电产业的稳步发展奠定了基础。
七十年代末期到八十年代中期作为我国半导体产业发展的鼎盛时期,研究人员开始考虑将半导体器件与光伏电池相结合,成功研制出单晶硅光伏电池,完成战略性突破的同时对该产业的后续发展产生深远影响,标志着我国光伏工业及其相关产业进入萌芽期。
八十年代末期,通过引进国外成套先进技术和自主研发器件生产工艺,生产水平显著提高的同时开启了产业发展的新篇章,标志着我国光伏产业的初步形成。
九十年代至今,我国光伏产业一直保持着稳步发展的状态,工艺技术不断提高的同时,生产设备也在不断更新换代,生产量的逐渐增加预示着我国光伏产业即将步入攻坚克难的全新阶段。
表1-4所示为光伏电池发展阶段表。
表1-4光伏电池发展阶段
光伏电池发展阶段
组成
转换效率(%)
商业状态
特征
体晶体光伏电池
单晶硅
16-18
商业
应用最久
多晶硅
12-17
生产量最大
化合物半导体(GaAs)
28-35(GaAs)
太空应用
效率高,成本高
薄膜光伏电池
非晶硅薄膜
非晶/微晶硅薄膜
8-10
12
已产业化
前景开阔但不稳定
颇有竞争力
化合物薄膜(CdTe)
化合物薄膜(CIGS)
10-12
10-15
正在产业化
原料毒性
原料紧张
多结叠层薄膜
可吸收宽太阳光谱
染料敏化电池(TiO2)
11
研发
价格低廉但不稳定
新概念光伏电池
量子阱电池等
效率高,开发难度大
图1-2所示为世界和我国光伏电池的生产量图。
由图1-2可知,无论是从世界整体水平出发,还是仅仅就我国情况而言,光伏电池的生产量都呈现指数增长趋势,2011年全世界累计生产量约为2001年全世界累计生产量的一百倍,2011年我国累计生产量约为2001年累计生产量的两倍,虽然与国际水平有所差距,但是不可否认的是未来光伏电池的生产量仍将显著增加。
图1-3所示为全世界不同种类光伏电池的生产量图。
图1-3全世界不同种类光伏电池的生产量
单晶硅光伏电池作为应用最广的光伏电池,随着技术的不断发展,生产量有所下降,但是其在各种类型光伏电池生产量中仍处于主导地位。
为了推动光伏发电系统的发展,2013年国家相关部门出台政策明确规定了全国不同地区光伏电站标杆上网电价,表1-5所示为国家发改委通知规定的全国光伏电站标杆上网电价表,政策出台的目的是进行大力推广,通过经济补贴吸引企业、机构、个人的关注以实现对新能源系统的宣传普及。
表1-5国家发改委通知规定的全国光伏电站标杆上网电价
资源区
光伏电站标杆上网电价
各资源区所包含的地区
I类
0.90元/(kW·
h)
宁夏、青海海西、甘肃嘉峪关、武威、张掖、酒泉、敦煌、金昌、新疆哈密、塔城、阿勒泰、克拉玛依、内蒙古除赤峰、通辽、兴安盟、呼伦贝尔以外的地区
II类
0.95元/(kW·
北京、天津、黑龙江、吉林、辽宁、四川、云南、内蒙古赤峰、通辽、兴安盟、呼伦贝尔、河北承德、张家口、唐山、秦皇岛、山西大同、朔州、沂州、陕西榆林、延安、青海、甘肃、新疆除I类外其他地区
III类
1.0元/(kW·
除I类、II类资源区以外的其他地区
表1-6所示为我国实现光伏电池组件成本和光伏发电电价降低的路线表。
表1-6我国实现光伏电池组件成本和光伏发电电价降低的路线
2012
多晶硅(元/kg)
1500
700
500
400
300
125mm*125mm裸硅片(元/W)
24
10
8.5
5.5
光伏电池(元/W)
31
9.5
7
组件(元/W)
40
20
17.5
系统(元/W)
50
30
26
18
电价(元/kWh)
2.38
1.70
1.47
1.19
1.02
表1-7所示为2006-2012年我国各年光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表。
表1-72006-2012年我国各年光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量
当年年底累计装机容量(MW)
当年新增装机容量(MW)
80
100
145
45
373
228
893
520
3500
2607
7000
由表1-5、表1-6和表1-7可知,在我国电价补贴政策发布后,我国年新增光伏发电系统装机容量呈现出爆发性增长趋势,在一定程度上达到了推广和普及的目的。
1.2.2国外太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势
表1-8所示为2000-2012年全球光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表。
表1-82000-2012年全球光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量
2000
1425
-
2001
1753
328
2002
2220
467
2003
2798
578
2004
3911
1113
5340
1429
6915
1575
9443
2528
15772
6329
23210
7438
40019
16809
71271
31252
101271
30000
由表1-8可知,2011年我国累计装机总量约为2001年累计装机总量的一百五十倍,根据此发展趋势可以预料在未来十几年甚至几十年的时间内光伏发电系统的装机容量将会快速增加。
表1-9所示为全球光伏发电系统累计装机容量前六名表。
表1-9全球光伏发电系统累计装机容量前六名
排名
国家
至2012年年底累计装机容量(MW)
1
德国
32278
2
意大利
16250
3
美国
7583
4
中国
5
日本
6914
6
西班牙
5100
虽然受到经济因素的影响,发达国家推动光伏发电系统发展的脚步有所减缓并且普遍下调补贴费率,但是从表1-9中可知,欧洲市场在全球光伏发电系统市场中仍占有较大的比重且装机量仍保持在稳步增长的状态。
德国作为全球科技大国,从政府到企业都非常重视光伏产业的发展,政府部门出台政策法规、提供研发资金支持并制定相应的能源发展计划,目的就是在最短的时间内以最高的效率实现光伏产业的链条化;
相关企业积极响应国家号召,建立研究实验室,开发先进仪器设备,大力宣传推广分布式光伏发电系统。
然而,随着产业结构的调整和全球经济发展趋势的变化,光伏市场的发展重心已经不仅仅局限在发到国家,我国作为新兴光伏产业国家已经逐渐形成技术优势和装机容量优势成为世界范围内的第二大市场,美国和日本紧随其后。
日本政府借鉴德国政府的发展政策,提供研发资金支持的同时,在全球范围内率先启动光伏应用市场,有效地推动了本国光伏制造业的发展。
1.3本文研究内容
1.3.1课题研究内容和目标
本文以研究离网型光伏发电系统为目标,以相关基本理论为基石,通过模块化设计,利用仿真工具进行模拟,旨在实现对该系统的深入研究。
以光伏电池(将光能转换为电能)、蓄电池(储存电能)、变换器(将直流电能变换为交流电能、将直流电能变换为直流电能)、控制器(控制能量转换过程)等硬件模块和最大功率点跟踪原理及算法等理论作为研究基础,对系统的设计主要包括对太阳能电池板的配置和计算、蓄电池组的配置和计算、DC-DC变换器的设计、DC-AC逆变器的设计和控制器的设计等。
借助MATLAB的仿真功能,依据已知的对各个模块的工作原理、基本结构的分析与研究,旨在实现对系统多个模块的模拟仿真。
图1-4所示为是家用5KW离网型光伏发电系统结构示意图,该系统主要为家用空调和新能源观光电动汽车充电器提供电能。
家用空调为分体式空调器一般为交流220V、50HZ、800W-1500W,观光电动汽车充电器为直流48V、3kW。
系统主要构成模块如图1-4所示,阳光充足的条件下,系统正常工作,光伏电池完成能量的转换过程,没
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- 毕业设计 论文 家用 kw 离网型光伏 发电 系统 设计