光伏并网发电系统中MPPT控制和实现过程

1、.PAGE 1. - - . 可修编-毕 业 论 文作 者： 学 号：学 院：专 业：电气工程及其自动化题 目：光伏并网发电系统中MPPT控制和实现方法的研究 指导者：(姓 名) (专业技术职务)评阅者：(姓 名) (专业技术职务) 年 月 吉 林.1摘 要石油、煤炭、天然气、铀等资源短缺引发了光伏产业的大开展，能源替代形式的迫切性和环境保护的严峻性使得太阳能光伏发电技术倍受瞩目。本文基于光伏模块直流物理模型，在Matlab仿真环境下，开发了光伏阵列通用仿真模型。利用该模型，可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联方式组合下的光伏阵列I-V特性。此外，该模型还融合了光伏

2、阵列的最大功率跟踪MPPT功能，可以用于光伏发电系统和风光复合发电系统的动态仿真。关键词：光伏技术；太阳能电池；光伏阵列特性；最大功率点跟踪MPPT；Matlab 仿真AbstractShortage of resources such as oil, coal, natural gas and uraniumetc. had led to great development of photovoltaic industry, Great attention has been paid on solar energy. Photonology due to the stringnent nee

3、d of alternative energy and the challenge of enviRonmental protection.A Versatile simulation model for phot ovoltaic array is developed based on the DC physical model of photovoltaic module under Matlab environment. By the model，the I-V characteristics of photovoltaic array with different binations

4、can be simulated at any corresponding insolation level, ambient temperature and parameters of the photovoltaic module. In addition to that, the model includes the function of Ma*imum Power Point Tracking(MPPT) . It can be used in the dynamic simulation of photovoltaic systems and wind -solar hybrid

5、systems.Key words:photovoltaic technology; solar cell;characteristic of photovoltaic array; MPPT; Matlab simulation .1目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327798967摘要 PAGEREF _Toc327798967 h IHYPERLINK l _Toc327798968Abstract PAGEREF _Toc327798968 h IIHYPERLINK l _Toc327798969第1章绪论 PAGEREF _Toc327798

6、969 h 1HYPERLINK l _Toc3277989701.1 课题背景及研究的意义 PAGEREF _Toc327798970 h 1HYPERLINK l _Toc3277989711.1.1 课题背景 PAGEREF _Toc327798971 h 1HYPERLINK l _Toc3277989721.1.2 课题研究的意义 PAGEREF _Toc327798972 h 1HYPERLINK l _Toc3277989731.2 光伏技术概述 PAGEREF _Toc327798973 h 1HYPERLINK l _Toc3277989741.3 光伏产业现状与分析 PAG

7、EREF _Toc327798974 h 2HYPERLINK l _Toc3277989751.3.1 产能与市场分析 PAGEREF _Toc327798975 h 2HYPERLINK l _Toc3277989761.3.2 产业链分析 PAGEREF _Toc327798976 h 2HYPERLINK l _Toc3277989771.4 本文的研究容 PAGEREF _Toc327798977 h 3HYPERLINK l _Toc327798978第2章太阳能光伏发电系统原理及组成 PAGEREF _Toc327798978 h 4HYPERLINK l _Toc3277989

8、792.1 太阳能光伏发电系统的工作原理 PAGEREF _Toc327798979 h 4HYPERLINK l _Toc3277989802.2 太阳能光伏发电系统的组成 PAGEREF _Toc327798980 h 4HYPERLINK l _Toc327798981第3章光伏电池的根本原理和输出特性 PAGEREF _Toc327798981 h 6HYPERLINK l _Toc3277989823.1 太阳电池根本原理 PAGEREF _Toc327798982 h 6HYPERLINK l _Toc3277989833.1.1 半导体根底知识 PAGEREF _Toc32779

9、8983 h 6HYPERLINK l _Toc3277989843.1.2 光伏效应 PAGEREF _Toc327798984 h 11HYPERLINK l _Toc3277989853.2 几种太阳能电池 PAGEREF _Toc327798985 h 12HYPERLINK l _Toc3277989863.2.1 单晶硅太阳电池 PAGEREF _Toc327798986 h 12HYPERLINK l _Toc3277989873.2.2 新型高效单晶硅太阳电池 PAGEREF _Toc327798987 h 14HYPERLINK l _Toc3277989883.2.3 多晶

10、硅太阳电池 PAGEREF _Toc327798988 h 16HYPERLINK l _Toc3277989893.2.4 非晶硅太阳电池 PAGEREF _Toc327798989 h 16HYPERLINK l _Toc327798990第4章带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型 PAGEREF _Toc327798990 h 19HYPERLINK l _Toc3277989914.1 光伏电池特性 PAGEREF _Toc327798991 h 19HYPERLINK l _Toc3277989924.2 光伏阵列通用仿真模型 PAGEREF _Toc327798992

11、 h 22HYPERLINK l _Toc3277989934.2.1 光伏阵列数学模型 PAGEREF _Toc327798993 h 22HYPERLINK l _Toc3277989944.2.2 光伏列阵最大功率跟踪数学模型 PAGEREF _Toc327798994 h 23HYPERLINK l _Toc3277989954.2.3 光伏列阵Matlab通用仿真模型 PAGEREF _Toc327798995 h 24HYPERLINK l _Toc3277989964.2.3 光伏列阵Matlab通用仿真模型在光伏并网系统中的应用 PAGEREF _Toc327798996 h

12、26HYPERLINK l _Toc327798997结论 PAGEREF _Toc327798997 h 28HYPERLINK l _Toc327798998参考文献 PAGEREF _Toc327798998 h 29HYPERLINK l _Toc327798999致 PAGEREF _Toc327798999 h 30HYPERLINK l _Toc327799000附录 PAGEREF _Toc327799000 h 31.1第1章 绪论1.1 课题背景及研究的意义 课题背景目前人类的能源消费构造中，石油、煤炭、天然气、铀等矿物资源占到了人类能源供应量的80 %以上。资料显示，地球

13、上尚未开采的原油储藏量已缺乏两万亿桶，可供人类开采时间不超60年；天然气储藏估计在131800152900 Mm3，将在5765年枯竭；煤的储量约为5 600亿t，可以供应约160年；铀的年开采量目前为每年约6万t，可维持70年左右。如果矿石资源一旦短缺，而新的能源体系又没有完全建立，将有可能造成全球性的能源危机，从而导致全球性的经济危机。近年来频频出现的电、煤、油等常规能源危机严重影响了国家的经济开展和居民的日常生活，能源问题日益成为制约国际社会经济开展的瓶颈。为了摆脱能源短缺的困扰，开发太阳能资源，寻求经济开展新动力成为各国能源开展的主要课题1。1.1.2 课题研究的意义我国地处北半球，南

14、北距离和东西距离都在5000 km以上。在我国广阔的土地上，大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2以上，日辐射量最高达7 kWh/m2。我国2/3以上地区的年日照大于2000 h，与同纬度的其他国家和地区相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，我国太阳能资源的理论储量达每年17000亿t标准煤。对太阳能这种可再生能源的开发和利用主要表现在太阳能光伏发电上，在我国开展光伏产业有着三大有利因素：(1)光伏电站适合特殊的居住环境，特别是青藏高原有着得天独厚的地理环境优势。(2)国际环境基金工程对光伏产业开展的巨大支持和推动作用，由原国家经贸委、GEF(全球环境基金)、世界银行支持的中国可再生能源商

15、业化开展促进工程于2001年12月正式启动，这为国中小光伏企业提供了一个良好的开展机遇。(3)国家能源政策的支持，国家将开发利用新能源和可再生能源放到国家能源建立开发战略的优先地位，这为开展光伏产业提供了巨大的政策支持3。1.2 光伏技术概述太阳能光伏(photovoltaic)技术是将太阳能转化为电力的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是硅，地壳中硅储量丰富。太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极，照射在半导体上时，两极交界处便产生电流。太阳能光伏系统中最重要的是电池，是收集的根本单位。大量的电池合成在一起构成光伏组件，有时用逆变器对电流进展转换，以适合不同

16、电器的使用要求或与电网相匹配。太阳能光伏电池主划分为：晶体硅电池(包括单晶硅monoc-Si、多晶硅multi-Si、带状硅ribbon/sheetc-Si)、非晶硅电池(a-Si)、非硅光伏电池(包括硒化铜铟CIS、碲化镉CdTe)。近年来原材料多晶硅价格的不断上涨，致使晶体电池的本钱大幅攀升，但也使得非晶硅电池本钱优势更加明显。此外，薄膜电池可大大节约原材料使用，成为太阳能电池的开展方向，但是其技术要求非常高，而非晶硅薄膜电池作为目前技术最成熟的薄膜电池，成为目前薄膜电池中最富增长潜力的品种。1.3光伏产业现状与分析2004年至2007年年底，太阳能光伏产业形成了爆炸性增长，全球太阳能电池

17、产量增加了43.7 %，而中国太阳能电池产量更是猛增了77倍，成为全球名列前茅的太阳能电池生产国。在国际市场和国政策的推动下，中国的光伏产业正迎来了开展顶峰期，特别是2021年中国光伏产业继续快速开展，太阳能电池和组件产量将占世界产量的27%以上。截至2007年底，我国太阳能电池产量达1088 MW，位居世界前列2。1.3.1 产能与市场分析在世界光伏市场的拉动下，我国光伏产业得到了迅猛开展，至2007年底，我国太阳能电池产量已位居世界前列。但另一方面，我国光伏市场开展依然缓慢，2007年全国光伏系统仅安装了20MW，不到太阳能电池生产总量的2%。截止2007年底，我国光伏系统累计安装100M

18、W，约占世界累计安装量的1%。根据预测，中国光伏需求量到2021年也只有1800MW，这意味着仅过去一年的产能就可满足未来十余年后的规划目标。1.3.2产业链分析从产业链构成上看，光伏产业的上游企业是硅材料生产企业，太阳能电池生产位居光伏产业链的中游，具体到光伏产业链的下游企业，除太阳能电池并网发电在发电工程等领域的具体应用外，还包括太阳能电池组件的生产、安装以及太阳能光伏电池与机电产业、建筑材料的结合利用等方面。目前，光伏行业关联企业以两种模式存在，即一体化模式和专业化模式。所谓一体化，即打通光伏行业的上下游产业链，就是一家光伏企业既做上游产品又做下游产品，实现一体化开展；所谓专业化，则是指

19、仅仅从事产业链中*一段的生产。1.4 本文的研究容随着新型能源的开发利用，光伏发电技术得到了迅猛开展。其中对于光伏发电组成局部的研究手段也越来越多。本文选用了最大功率跟踪MPPT作为研究的主要容，并对所得出的数学模型进展了建模与仿真。本文所要完成的主要容包括以下几个方面：1光伏电池的分类2光伏电池输出特性的研究3根据光伏电池物理模型建立了其数学模型4比较各种MPPT方法，并选用了一种方法进展仿真验证5缺乏及展望.1第2章太阳能光伏发电系统原理及组成2.1太阳能光伏发电系统的工作原理工作原理：白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压到达系

20、统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进展充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进展供电。蓄电池组的放电情况由控制器进展控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的平安使用。2.2太阳能光伏发电系统的组成图2-1双级式光伏并网发电系统光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。其各局部设备的作用是：太阳能电池方阵：在有光照无论是太

21、，还是其它发光体产生的光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏打效应。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的根本要：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah

22、以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立

23、负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器本钱高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：a、过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。交流配电柜：其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。6太阳能跟踪系统：太阳能跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率，最大限度的提高

24、太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太能利用率。.1第3章光伏电池的根本原理和输出特性3.1太阳电池根本原理半导体根底知识1导体、绝缘体和半导体按固体的导电能力划分，可分为三类：善于传导电流的物质称为导体，如铜、铝、铁等金属，它们的电阻率大约为10-910-6；不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物质称为绝缘体，如橡胶、玻璃、塑料和干木材等，它们的电阻 率为10-510-20；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，电阻率为10-5107,如硅、锗、砷化镓和硫化镉等材料都是半导体。半导体材料的电阻率随温度升高和照射光强的增大而减少，在半导体中参加微量的杂质对其导电性质有决定性的影响，

25、这是半导体材料的重要特性。2硅的晶体构造硅是最常见和应用最广的半导体材料，硅的原子序数为14，它的原子核外有14个电子，这些电子围绕着原子核作层状的分布运动如图3-1所示，第一层2个，第二层8个，还剩4个排在最外层，称为价电子，硅的物理化学性质主要有它们决定。硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列组成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的品格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。在硅的晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与饼个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起

26、，掏成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱地摊列在一起的隧体称为多晶体。非晶体没有上述特征，但仍保存了相互问的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。图3-2是硅的晶胞构造，称为金刚石结够。一个硅原子和几个相邻的硅原子以共价键联结，这四个硅原子恰好在正四面体的四个顶角上，而该原子则处于四面体的中心。图3-1 硅原子构造图3-2 硅的晶胞构造 图3-3 硅原子的电子能级图3-4 单原子的电子能级对应的固体能带3能级和能带圈物质是由原子构成的，而原子是出原子核及围绕原子核运动的电子所组成,电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电子都有确定的能

27、量，最里层的轨道，电子距原子核距离最近，受原子核的束缚最强，相应的能量最低。第二层轨道具有较大的能量，趣外层的电子受原予核的束缚越弱，能量越大。以人造卫星绕地球的环行运动作一个比喻，越外层的电子轨道相当于越高的人造卫星轨道，要把人造卫星送到更高的轨道上去必须给它更大的能量，这就是说，轨道越高，能量也越高。为了形象地表示电子在原子中的运动状态，用一系列上下不同的水平横线来表示电子运动所能取的能量值，这些横线就是标志电子能量上下的电子能级。图33是单个硅原子的电子能级示意图，字母E表示能量，脚注1、2、表示电子轨道层数，括号中的数字表示该轨道上的电子数。图中说明，每层电子轨道都有一个对应的能级。电

28、子不存在具有瓣层轨道中间的能量状态。在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子的电子轨道相互交叠，互相作用。这样，与轨道相对应的能级就不是如图2-3所示的单一的电子能级，而是分裂成能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，这些出很多条能量相差很小的电子能级形成一个“能带。每个单原子的电子能级对应的固体能带，如图3-4所示。外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它所对应的能带较宽；层电子互相影响小，它所对应的能带较窄。电子在每个能带中的分布通常是先充满能量较低的能级，然后逐步填充较高的能级，并且每个能级只允许填充两个具有一样能量的电子。层电子能级所对应的能带都差被电子填满的，最外层价电子能级新对应的能带

29、，能否被填满，主要取决于晶体的种类。如铜、银、金等金属晶体，它们的价电子能带有一半的能级是空的，而硅、锗等的价电子能带全被电子填满。4禁带、价带和导带晶体中的电子不存在两个能带中间的能量状态，即电子只能在各能带运动，在能带之间的区域没有电子态，这个区域叫做“禁带。电子的定向运动就形成电流。这种运动是因为它受到外电场的作用，使电子获得了附加的能量，电子能量增大，就有可能使电子从能带中较低的能带跃迁到较高的能带。这一重要现象，是理解半导体导电特性的出发点。完全被电子充满的能带称为“满带，最高的满带容纳价电子，称为“价带，价带上面完全没有电子的称为“空带。有的能带只有局部能级有电子，一局部能级是空的

30、。这种局部填充的能带，在外电场的作用下，可以产生电流。而没有放电子填满、处于最高满带的一个能带称为“导带。图35所示的是金属、半导体、绝缘体的能带。由图35(b)看出，价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参加导电运动，必须从外界获得大于或等于它的附加能量，的大小就是导带底部与价带顶部之耀的能量差，称为“禁带宽度或“带隙。常用单位是电子伏(电子伏是电学中的能量单位，eV，leV是指在强度为1Vcm的电场中，使电子顺着电场方向移动lcm新需的能量)。如硅的禁带宽度在室温下为1.12eV，这就是说，由外界给予价带里的电子1.2eV的能量，电子就有可能越过禁带跳跃到导带里。金属与半导体的区别在于金属在

31、一切条件下具有良好的导电性，它的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，到使接近绝对零度，电子在外电场的作用下仍可以参加导电。半导体的禁带宽度比金属大，但却远小于绝缘体。半导体在绝对零度时，电子填满价带，导带是空的，此时与绝缘体一样不能导电。当湿度高于绝对零度时，晶体部产生热运动，使份带中少量电子获得足够的能量，跳跃到导带(这个过程叫做激发)，此时半导体就具有一定的导电能力。激发到导带的电子数目是由温度和晶体的禁带宽度决定的。温度越高，激发到导带的电子越多，导电性越好，温度一样，禁带宽度小的晶体激发到导带的电子就多，导电性就好。半导体与绝缘体的区别在于禁带宽度不同。绝缘体的禁带宽度比较大，它在室温时

32、激发到导带上的电子非常少，其电导率很低；半导体的禁带宽度比绝缘体小，室温时有相当数量的电子跃迂到导带上去，如每立方厘米的硅晶体，等带上约有1010个电子，而每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。因此，导体的电导率远远高于半导体。图3-5 金属、半导体、绝缘体的能带5掺杂半导体实际使用的半导体都掺有少量的*种杂质，这里所指的“杂质是有选择的。例如在纯洁的硅中掺人少量的五价元素磷，这些磷原子在晶格中取代硅原子，并用它的四个价电子与相邻的礁原子进展共价结合。磷有五个份电子，除去四个还剩一个。这个多余的价电子虽然没有被束缚在价键里面，但仍受到磷原子核的正电荷的吸引。不过这种吸力很弱，只要很少

33、的能量(约004ev)就可以使它偏离磷原子到晶体成为自由电子，从而产生电子导电运动；同时，磷原子由层二缺少一个电子而变成带正电的磷离子。由于磷原子在晶体中起着施放电子的作用，所以把磷等五价元素叫做施主型杂质(或叫n型杂质)，其浓度用符号表示。在掺有五价元素(即施主型杂质)的半导体中，电子的数目远远大于空穴的数目，半导体的导电主要是由电子来决定，导电方向与电场方向相反，这样的半导体叫做电子型或n型半导体。如果在纯洁的硅中掺人少量的三价元素硼，它的原子只毒三个价电子，当硼和相邻的四个硅原子作共价结合时，还缺少一个电子，要从其中一个硅原子的价键中获取一个电子填补。这样就在硅中产生了一个空穴，而硼原子

34、由于承受了一个电子变成为带负电的硼离子。硼原子在晶体中起着承受电子丽产生空穴的作用，所以叫做受主型杂质(或叫p型杂质)，其的浓度用符号表示。在含有三价元素(即受主型杂质)的半导体中，空穴的数目远远超过电子的数目，半导体的导电主要是空穴决定的，导电方向与电场方向一样，这样的半导体叫做空穴型或P型半导体。图3-6是n型和p型硅晶体构造示意。图3-6 n型和p型硅晶体构造图3-7 均匀半导体中载流子的扩散6载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发到幕带，形成一对电子和空穴。这就是载流子产生的过程。不存在电场时，由于电子和空穴在品格中的运动是无规则的，在运动中，电子和空穴常常碰在一起

35、，即电子跳到空穴的位最上，把空穴填补掉，这时电子和空穴对就随之消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即载流子复合。按能带论的观点，复合就是导带中的电子落进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。在一定的温度F，晶体不断产生电子和空穴，电子和空穴不断复合，如果没有外来的光、电、热的影响，则单位时间肉，产生和复合的电子、空穴数目到达相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，这叫做热平衡状态。在外界因素的作用下，例如n型硅受到光照，价带中的电子吸收光子能量跳入导带(这种电子称为光生电子)，在价带中留下等量空穴(这静现象称为光激发)，电子和空穴的产生率就大于二复合率。这些多于平衡浓度的光生电子和空穴称为非平衡载

36、流子。由光照而产生的非平衡载流子称为光生载流子。7、载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运动。载流子在热平衡时作不规则的热运动，运动方向不断改变，平均位移等于零，不会形成电流。载流子不断改变方向是因为在运动中不断与晶格、杂质、缺陷发生碰撞的结果。经过一次碰撞，改变一次方向，这种现象叫做散射。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。如在一杯清水中滴一滴红墨水，过一段时间整杯水

37、都变红了，这就是扩散运动的结果。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是存在载流子浓度差的结果。让我们考虑一维平面扩散的情况。例如光线均匀照射一块半导体，如图3-7所示。假设光在外表很薄的一层全被吸收并在那里产生非平衡载流子。因为这些载流子在光线入射方向存在浓度梯度，将沿光线入射方向扩散，最后在体复合而消失。只要入射光保持不变，在外表处非平衡载流子浓度也将不变。扩散和复合就不断进展。很明显，扩散的强弱与浓度梯度成正比，浓度梯度越大，扩散越快。虽然电子郓空穴均沿同一方向扩散，但是由于电子和空穴的扩散系数不一样，因此不能相互抵消。光伏效应当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区

38、和p区被吸收，分别产生电子空穴对。由于人射光强度从外表到太阳电池体成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差异，沿光强衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时，由于建电场豹方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留在n区。同理，在p区中到达结区p侧边界的光生电子立即被建电场拉向n区，空穴被阻留在p区。同样，空间电荷区中产生的光生电子一空穴对则自然被建电场分别拉向n区和p区。p-n结及两边产生的光生载流子就被建电场所别离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电予，使p送带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光

39、生电动势。上述过程通常称作光生伏打效应或光伏效应。光生电动势的电场方向和平衡p-n结建电场的方向相反。当太阳电池的两端接上负载，这些别离的电荷就形成电流。图3-8形象地表示了太阳电池的发电原理，太阳电池是把太阳能转变为电能的器件。图3-8 太阳能电磁发电原理构造 1-栅线电极；2-减反射膜；3-扩散区；4-基区；5-底电极3.2几种太阳能电池单晶硅太阳电池1单晶硅材料制造太阳电池的硅材料以石英砂为原料，先把石英砂放人电炉中用碳复原得到冶金硅，较好的纯度为9899。冶金硅与氯气(或氯化氢)反响得翻四氯化硅(或三氯氢硅)，经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气复原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法(CZ法

40、)或区熔法(FZ法)制成单晶硅棒，硅材料的纯度可进一步提高，要求单晶硅缺陷和有害杂质少。在制备单晶硅的过程中可根据需要对其掺杂，地面用晶体硅太阳电池材料的电阻率为053cm，空间用硅太阳电池材料的电阻率约为10cm。制成的单晶硅棒或硅锭后，用圆切片机或多线切片机切成024O44mm的薄片，地面用晶体硅太阳电池常用尺寸为直径为1OOmm的圆片或lOOmmlOOmm的准方片，目前也有125mm125mm、150mm150mm的准方片或方片；空间太阳电池的尺寸为20mm20mm或20mm40mm。圆切片视切片时，硅材料的损失接近50g，线切片机的材料损失要小些。空闼用太阳电池基片的导电类型为P型，地

41、面用太阳电池基片的导电类型一般也为p型。2单晶硅太阳电池这里简要介绍太阳电池的制作过程：切好的硅片表甜可能有油脂、金属、各种无枫化合物或尘埃的沾污，需用多种化学试剂进展清洗。在切割硅片时会在硅片外表留下切割损伤，要通过外表腐蚀去除。在清洗和腐蚀过程中要用去离子水冲洗。去离子水是一种非常清洁的水，它是经过多种过滤，并用阴、阳树脂和混合树脂去除水中的离子碍到的，其电阻率高达lO18cm。硅片外表可制备绒面，即在每平方厘米硅外表形成数百万个金字塔状的四面方锥体，见图3-9。在这种外表，入射光经过屡次的反射和折射，降低了光的反射，增加了光的吸收，提高了太阳电池的短路电流和转换效率。经过外表处理的硅片即

42、可制作p-n结，制结是单晶硅太阳电池的关键工艺。制结的方法有热扩散、离子注入、外延、激光和高频电注入法等，其中热扩散法最常用的。制p-n结之后，先丝网印刷银浆上电极和烧结再印刷银铝浆下电极和烧结。烧结的温度通常约为800，反面的鲳在烧结时还会扩散进基片，形成P+层，有利于光生载流子的收集和电极的制作。最后用等离子体腐蚀去除周边p-n结。 空间用太阳电池的电极通常是用真空蒸镀和光刻技术制备的，上电极通常是钛、 钯、银，下电极为铝、银。制备的栅线电极遮光面积小，可以提高短路电流和转换效率。经过抛光的硅片有高达30以上的光反射，绒面电池的反射率亦达10以上。为减少光的反射损失，通常要在光照磷沉积减反

43、射膜，以提高太阳电池的短路电流和转换效率。道常在完成电极后沉积减反射膜。常用的减反射膜材料有氧化硅、二氧化钛、氮化硅、二氧化锡和五氧化二钽等。有时还沉积双层减反射膜以进一步降低太阳电池外表的反射。沉积减反射膜的方法有真空蒸镀法、常压化学气相沉积法和自转式涂布法等。经过上述的制作过程，单体太阳电池逐要进展测试分档，完成整个太阳电池片的制作。3单晶硅太阳电池的性能目前国产单晶硅太阳电池的转换效率道常为1618。研究和试验说明，太阳电池的工作温度升高会引起短路电流的少量于高和开路电压的降低。太阳电池的标准测试条件下，测试温度是25，但太阳电池实际工作的湿度要高得多。图3-10给出了单晶硅太阳电混的温

44、度特性曲线，由图可以看出，开路电压随温度升高雨下降，温度升高1，电压降低为22.6mv，电压湿度系数一般为一2.2mV。填充因子随温度升高而下降，短路电流随温度升高略有升高，综合起来晶体硅太阳电池的转换效率随温度升高而下降。温度每升高1，输出功率损失率0.350.45。假设温度不变，当光强增加时，短路电流就线性增大，故开路电压随光强面对数增加。只要串联电阻可以忽略，填充因子也随光强的增加而增大。综合起来，单晶硅太阳电池的效率随光强的增大而按对数增加。但当光强增大到对串联电阻的影响十分最著时，引起太阳日电池的填充因子降低，进而使其效率下降。图3-9 硅片外表的绒面图3-10 单晶硅太阳电池的温度

45、特性曲线新型高效单晶硅太阳电池为了提高太阳电波的转换效率，搜索了多种构造和技术来改进电池的性能：采用背电场减小了背表露处的复合，提高了开路电压；浅结电池减小了正表断复合，提高了短路电流；金属一绝缘体一半导体(MIS)和金褐一绝缘体一NP(MINP)太阳电池则进一步降低了电池的正外表复合。近几年外表钝化技术的进步，从薄的氧化层(10nm)到厚氧化层(约110nm)，使外表态密度和外表复合速度大大低，单晶硅太阳电池的转换效率得到了迅速的提高。下面介绍几种高效、低本钱硅太阳电池。1发射极钝化及背外表局部扩散太阳电池(PERL)电池正反两面都进展钝化，并采用光刻技术将电池外表的氧化层制作成倒金字塔。两

46、面的金属接触面都进展缩小，其接触点进展硼与磷的重掺杂，局部背场技术(LBSF)使背接触点处的复合得到了减少，且反面由于铝在二氧化硅上形戒了很好的反射弧，使入射的长波光反射回电池体，增加了对光的吸收，如图218所示。这种单晶硅电池的效率已达24.7，多晶硅电泡的效率已达19.9。2埋栅太阳电池(BCSC)采用激光刻槽或机械刻横。激光在硅片外表刻槽，然后化学镀铜，制作电极。如图3-11所示光电效率已达17，我国实验室效率为19.55。3高效背外表反射器太阳电池(BSR)这种电池的反面和反面接触之闻用真空蒸镀的方法沉积一层离反射率的金属外表一般为铝)。它能发射透过电池基体到达背外表的光路电流增加。金

47、属圈3-12BCSC太阳电池背反射器就是将电池反面做成反射面，从而增加光的利硐率，使太阳电池的短路电流增加。4高效背外表场和背外表反射妻太阳电池(BSFR)BSFR电池也称为漂移场太阳电池，它是在BSR电弛构造的根底上再做一层P+层。这种场有助于光生电子一空穴对的别离和少数载流子的收集。目前BSFR电混的效率为14.8。图3-11 PERL 太阳电池图3-12 BCSC 太阳电池多晶硅太阳电池1多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池是以多晶硅为基体材料的太阳电池。多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，生产的时闻和本钱均有所下降，是一种较廉价的太阳电池。多晶硅太阳电池按材秘的厚度分，可分为体电池和薄膜

48、电池，多晶醚体太阳电池一般称为多晶硅太阳电池。多晶硅材料是由多个不同取向的单晶晶粒组成的，影响多晶硅太阳电池性能的主要因数是晶粒尺寸和形态、晶界及基体中的有害杂质含量和分布。近几年多晶硅材料研究和生产的进展迅速，有害杂质的含量得翻了有效的控制，好的多晶硅材料少子扩散长度已超过100um，平均的晶粒尺寸到达毫米量级，晶粒也呈撞状(如图3-13所示)，减少了光生载流子在这些晶界的损失。近几年世界上多晶硅电池的效率和产量在迅速提高，国到达17%，工业化生产转换效率到达16%以上。图3-13 多晶硅的晶粒形态2多晶硅体太阳电池的性能多晶硅太阳电池的性能根本与单晶硅一样，工业化生产多晶硅太阳电池转换效率

49、与国产单晶硅太阳电池效率的差距已很小。晶体硅太期电涟的其他特性与单晶硅太阳电池类似，如温度特性，太阳电池性毙随入射光强的变化等。3多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成，其特点是在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。目前多晶硅薄膜太阳电池效率达16.9，但仍处于实验室阶段，如果能找到一种好的方法在廉价的衬底上制备性能良好的多晶硅薄膜太阳电池，该电池就可以进入商业化生产，这也是目前研究的重点。多晶硅薄膜太阳电池出于其良好的稳定性和丰富的材料来源，是一种很有前途的地面用廉价太阳电池。非

50、晶硅太阳电池以上说的晶体硅太阳电池通常的厚度为300m左右，这是因为晶体硅是间接吸收半导体材料，光的吸收系数低，需要较厚的厚度才能充分吸收。非晶硅亦称无定形硅或Si，是直接吸收半导体材料，光的吸收系数很高，仅几个微米就能完全吸收，因此电池可以做得很薄，材料和制作本钱较低。无定形硅从微观原子排列来看，是一种“长程无序而“短程有序的连续无规则网络构造，其中包含有大量的悬挂键、空位等缺陷。在技术上有实用价值的是-Si：H合金。在这种合金膜中，氢补偿了-Si中的悬挂键，使缺陷态密度大大降低，掺杂成为可能。1非晶硅优点(1)、有较高的光学吸收系数，在0.3150.75m的可见光波长围，其吸收系数比单晶硅

51、高一个数量级，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大局部的可见光，制备材料本钱也低。(2)、禁带宽度为1.52.0eV，比晶体硅的1.12eV大，与太谱有更好的匹配。(3)、制备工艺和所需设备简单，沉积温度低(300400)，耗能少；(4)、可沉积在廉价的衬底上，如玻璃、不锈钢甚至耐温材料等，可做成能弯曲的柔性电池。由于非晶硅有上述优点，许多国家都很重视非晶硅太阳电池的研究开发。2非晶硅太阳电池构造及性能(1)、非晶硅太阳电池构造用简单方法能制成大面积光电化学电池，为降低太阳电池生产本钱提供了新的途径，因而光电化学电池被认为足太阳能利用的一个崭新方法。(2)、光电化学太阳电池的构造与分类光电

52、化学电池的构造如图214所示，光电化学太阳电池的构造面进展电荷别离，如电极为n型半导体，电解质溶液会在界面发生氧化反响，这类电池称为半导体-电解质光电化学电池。由于在光电转换形式上它与一般太阳电池有些类似，都是光子激发产生电子和空穴，也称为半导体一电解质太阳电池或温式太弭电池。但它与p-n结太阳电池不同，是利用半导体-电解质液体界面进展电荷别离而实现光电转换的，所以也称它为半导体-液体结太阳电池。图3-14光电化学太阳电池的构造第4章 带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型4.1光伏电池特性典型的光伏电池电流I电压V、功率P电压V特性如图4-1，图4-2所示。图4-1表示I-V、P

53、-V随太阳辐射变化而变化的规律。图4-2则表示P -V 随环境温度变化的规律。由图4-1可以看出太阳电池I-V、P-V特性，与太阳辐射强度、环境温度之间是高度非线性的。为了使光伏电池的效率最大化，需要使其工作在最大功率点附近，为此要不断调节其输出电压，使负载阻抗与光伏电池组的阻相匹配。就需要进展最大功率点追踪。图4-1 典型光伏电池I-V、P-V特性随太阳特性强度变化曲线图4-2 典型光伏电池P-V特性随温度变化曲线目前有N种方法来对光伏发电系统的最大功率点的来进展跟踪，在此简单介绍3种方法：1固定电压法固定电压法(Constant Voltage TrackingCVT)又称恒定电压控制法、

54、定电压跟踪法。观察P -U 特性曲线发现，在一定的光伏电池温度下，光照强度变化时，其最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，即根本对应一个固定电压值。基于此，CVT控制法的思想就是：将光伏阵列的输出电压恒定控制在处，使阵列近似工作在最大功率点状态。因此，在实际控制中，用户只需从电池生产厂商处获得的数据，并将工作电压箝位在值即可。固定电压法是一种简化的最大功率点跟踪控制方法，这种控制方法实际上是一种稳压控制。CVT的优点是跟踪器的制造及控制都比较简单方便，且易实现，造价较低，可靠性高，系统工作电压具有良好的稳定性，比一般光伏系统可望多获得20%的电能。但由于忽略了温度对阵列输出电压的影响，这种控

55、制方法并不是实质上的最大功率点跟踪，对于四季温度或者日温变化比较大的地区，CVT控制并不能完全地跟踪，导致控制精度差，系统工作电压的设置对系统工作效率的影响较大。为抑制CVT控制适应性差的缺点，可以采用手工调节的方式进展改进，即根据实际工作温度，手动设置相对应的值，此种方法比较麻烦和粗糙。也可以通过微处理器离线查询数据表格的方式改进，事先将不同温度下的值存储在EPROM中，微处理器通过光伏阵列上的温度传感器获取电池温度，通过查表确定当前的值。由于固定电压法优越的性价比和良好的可靠性、稳定性，目前在光伏系统中仍被较多地使用，特别是在光伏水泵系统中。随着MPPT技术的数字化与微处理器化，该方法逐渐

56、被其他方法所替代。2开路电压法开路电压法基于这样一个原理：随着外界光照强度和温度的改变，光伏阵列的开路电压发生变化，相应的最大功率点处的电压也近似地成比例变化。光伏阵列最大功率点处电压与阵列开路电压的近似线性关系可表示为：公式(2)中与同单位，比例系数k 为常数且小于1，一般取0.76(误差在2%)，通过仿真试验，验证了这一取值以及开路电压法的实际应用意义。开路电压可以通过断开光伏阵列的负载来测得，其测量所需的时间是毫秒级的，测量间隔(即：采样周期)可以控制在秒级。开路电压法类似于固定电压法，但固定电压法跟踪的是恒定的电压，开路电压法跟踪的则是变化的电压。并且此法不用考虑外界环境变化，只是采样

57、光伏阵列的开路电压，简单方便，防止了在最大功率点附近的振荡。由于负载侧断开会产生功率损耗，的采样周期不可能设定得很短，而在每个周期光伏阵列都是以恒定电压工作的，这就使得开路电压法不能工作在有连续输出的光伏系统中，且当环境条件迅速变化时，会带来较大的功率损失。同样，光伏阵列并不是工作在真正的最大功率点上。3扰动观察法扰动观察法(Perturbation and ObservationP&O)也称为登山法，是目前研究最多也是实现MPPT最常用的方法之一。其原理是：对光伏阵列的输出电压施加周期性的扰动，并检测输出功率值相对于前一周期的变化情况，如果功率增加了，则下一周期继续对电压施加一样方向的扰动，

58、否则改变扰动的方向。算法流程如图4-3所示。图4-3 扰动观察法算法流程图P&O法具有控制思想简单、被测参数少、易实现等优点，与CVT法相比，它是一种真正的最大功率点跟踪。但此法最大的缺点是，在最大功率点处会有振荡现象，导致局部功率损失。因此，扰动步长的选择很重要，较小的步长能减小最大功率点处的振荡，但是会降低跟踪速度，无法适应迅速变化的环境，可能使光伏阵列长时间工作于低功率输出区。在非常低的太辐射下，例如，日出和日落的时候，功率曲线变得非常平滑，这就使得找到最大功率峰值变得非常困难。并且，当外部环境发生较快变化时，会发生程序在运行中的“误判现象。针对扰动观察法存在的上述缺点，可以采用模糊控制

59、等方法优化扰动步长，也可以采用三点加权比较防止“误判现象。在实际应用中，光伏电池与负载之间通常接入的是PWM变换器，可将占空比D 作为控制变量，即基于占空比的扰动观察法。4.2光伏阵列通用仿真模型在实际应用中，光伏模块通常通过串并联的方式，组合成MN 光伏阵列其中M、N分别为光伏模块串、并联数。因此，光伏阵列的I-V 特性，就是实际需要的特性。光伏阵列数学模型本文用于Matlab 建模的光伏阵列数学模型如下：任意太阳辐射强度Rwm-2和环境温度 TaC条件下，太阳电池温度TcC为:其中，R 为光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射;为太阳电池模块的温度系数。设在参考条件下，为短路电流，为开路电压,、为最

60、大功率点电流和电压,则当光伏阵列电压为V,其对应点电流为I:中, 4-1考虑太阳辐射变化和温度影响时,其中,4-2:太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为1kW/m2，25; ：在参考日照下，电流变化温度系数Amps/； ：在参考日照下，电压变化温度系数V/ ；R ：光伏模块的串联电阻Ohms，由下式决定4-3其中：: 材料带能, =1.12eV( 硅);参考条件下，光伏阵列最大功率点电压和电流;参考条件下，光伏阵列短路电流和开路电压; :参考条件下，光伏阵列开路电压和短路电流温度系数;:光伏阵列各模块的单元串联数;N:光伏阵列模块的串联数；Np:光伏阵列模块的并联数；:参考条件下, 光伏电池