新能源及分布式发电技术要点课件

1概述2太阳能发电3风能发电4地热能发电目录6海洋能发电5生物质能的利用7分布式发电与现行电网的关系此PPT课件下载后可自行编辑2.1节太阳能热发电技术的介绍2.2节太阳能光伏发电技术的介绍2.3节太阳能制冷空调的介绍本章的主要内容

2太阳能发电

人类社会面临能源挑战能源需求量增加，储藏量迅速减少矿物燃料枯竭的能源危机局面矿物燃料燃烧产生温室气体，造成全球气候变暖大力开发利用新能源是保证全球能源的长期稳定供应，保护人类生态环境，是实现人类可持续发展的需要利用太阳能发电的必要性

安全可靠使用寿命长运行费用少维护简单随处可用无需长距离输送不容易损坏环保无噪声不需要燃料太阳能发电的优点

我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤(中国2017年能源消耗量为44.9亿吨标准煤，其中煤炭占60.4%，比2016年下降1.6%)。全国大多数地区年平均日辐射量在4×106kJ/m2以上，西藏日辐射量最高达7×106kJ/m2。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有很大的开发潜能。我国太阳能资源利用的优势

太阳能热发电是将太阳辐射能转换为热能，再通过各种发电装置将热能转换为电能的发电技术。2.1太阳能热发电

2.1.1概念太阳能热发电系统太阳能集热系统蓄热与换热系统汽轮机发电系统太阳能热发电系统组成

集热系统：收集太阳能以加热工质转换器：传递热能，加热水汽轮机：由高温高压蒸汽推动以带动发电机发电冷凝器：冷凝乏汽并将之泵入换热器完成循环太阳能热发电的过程

热能Rankine循环Brayton循环Stirling循环电能太阳能热发电系统的组成

太阳能热发电系统太阳能集热子系统吸热与输送热量子系统蓄热子系统蒸汽发生系统动力子系统发电子系统整个系统的效率=太阳场效率×动力系统效率×发电机效率太阳场效率随着集热温度的上升逐渐降低，动力系统的效率则受制于卡诺定律，随着集热温度的上升逐渐增加。卡诺定律是以理想气体为工作物质的可逆卡诺循环，其热效率仅取决于高温及低温两个热源的温度。太阳能热发电系统的效率

为保障热发电系统稳定运行，通常在系统中配置蓄能子系统；或是将太阳能与其它能源组成综合互补的发电系统，在太阳能供应不足的情况下，由其它形式的能源供应。太阳能聚光装置吸热器蓄热子系统太阳能传热介质动力子系统蓄热介质但目前还没有成熟的低成本蓄热技术；而太阳能与其它能源组成综合互补的发电系统虽然可以降低太阳能发电的成本。在一般商业化的太阳能电站，化石燃料的贡献一般限制在总发电量的15%以内。槽式太阳能系统中，镜场系统是电站运行最主要的热量来源；镜场系统利用回路中的集热器追踪太阳运行，将太阳辐射积聚于集热管上，加热集热管内流通的导热油，以完成集热目的。反射镜一般由玻璃制造，背面镀银并涂保护层，也可用镜面铝板或镜面不锈钢板制造反射镜，反射镜安装在反光镜托架上。槽型抛物面反射镜可将入射太阳光聚焦到焦点的一条线上，在该条线上装有接收器的集热管。2.1.2槽式太阳能热发电系统

系统原理及构成根据不同的导热液，槽式集热器把导热液加热到至400度左右，由于槽式太阳能热发电系统的热传输管道特别长，为减小热量损失，管道外要有保温材料、管道要尽量短;长长的管路需专业泵来推动导热液的循环，要设法减小导热液泵功率，这些都是重要的技术。导热液可用苯醚混合液、加压水混合液、导热油等液体，传热方式可直接传热也可采用相变传热。从热交换器输出的过热蒸汽送往蒸汽轮机发电，从蒸汽轮机排出的水蒸汽经冷凝器转为水，再由给水泵送往热交换器，再次产生过热蒸汽推动蒸汽轮机。聚光集热子系统聚光镜接收器跟踪装置换热子系统预热器蒸汽发生器过热器再热器发电子系统蓄热子系统辅助能源子系统基本组成与常规发电设备类似，但需要设置工作流体在接收器和辅助能源系统之间循环的切换装置；用于夜间或阴雨天；维持早晚或云遮间隙时系统正常运行；槽式太阳能热发电系统构成

图2.1槽式太阳能热发电系统集热介质加热低温导热油。通过再热器、过热器、蒸发器、预热器等，将收集到的太阳热能交换给动力回路中的蒸汽，进入汽轮机中做功。集热油回路和动力蒸汽回路分离开来，经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时，利用一个辅助加热器将油回路中的导热油加热。槽式太阳能热发电系统工作过程

槽式技术按其工质不同，分为导热油槽式系统和直接蒸汽发电槽式太阳能集热系统。目前，导热油槽式技术已经比较成熟，但导热油工质本身却存在着很多不足之处。1、导热油在高温下运行时，化学键易断裂分解氧化，从而引起系统内压力上升，甚至出现导热油循环泵的气蚀。因此，导热油槽式系统一般运行温为400度，不易再提高，这直接造成导热油槽式系统的效率不高。2、导热油在炉管中流速必须大于2m/s以上，流速越小油膜温度越高，易导致导热油结焦。3、油温必须降到80度以下，循环泵才能停止运行。4、一旦导热油发生渗漏，在高温下将增加引起火灾的风险。美国LUZ公司的SEGS电站就曾经发生过火灾，并为防止油的泄漏和对已漏油的回收投入大量资金。鉴于导热油工质的上述问题，Cohen和Kear-ney于1994年提出了以水为工质的直接蒸汽发电(DSG)集热器概念，作为槽式集热器未来的发展方向。DSG槽式系统是采用DSG槽式集热器，利用抛物线形槽式聚光器将太阳光聚焦到集热管上，直接加热集热管内的工质水，直至产生高温高压蒸汽推动汽轮发电机组发电的系统。与导热油槽式系统相比，DSG槽式系统同样由聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统构成，但由于利用水工质代替了导热油工质，因此没有换热环节。DSG槽式系统具有以下优势：用水替代导热油，消除了环境污染风险；省略了油蒸汽换热器及其附件等，减少了换热环节的能量损失，电站投资大幅下降。DSG槽式系统有3种运行模式，分别是直通模式、注入模式和再循环模式。直通模式：水经过预热，蒸发和过热后直接推动汽轮机发电，该模式最简单，投资较少，但控制复杂。注射模式：水分别从集热管不同的地方注入，该模式的正常运行需要必要的测试系统，由于系统的复杂性和系统投资较大。循环模式：在集热管路的蒸发段的末端安装一个水汽分离装置，过量的水就通过分离器被循环泵送到集热环路的进水入口段。这种模式具有高度可控性，但是有循环管路的存在以及水汽分离装置等增加了系统的投资。槽式太阳能蒸汽发电系统的三种工作模式

太阳能集热器只能收集太阳的直射光线，而对散射部分无能为力，因此集热器的聚光系统必须使光轴指向太阳，即跟踪太阳。要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行，采用自动跟踪装置，使得槽式聚光器时刻对准太阳，以保证从源头上最大限度的吸收太阳能非常关键，据统计采用跟踪比非采用跟踪所获得的能量要高出37.7%。由于太阳时刻处于运动状态，因此全天候全自动太阳跟踪装置的设计就成了一个难点。两轴跟踪系统：要求入射光和主光轴方向一致，根据太阳高度角和赤纬角的变化情况而设计，它具有最理想的光学性能，是最好的跟踪方式，获得最多的太阳能。但制造和维修成本高。单轴跟踪系统：只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面内。单轴跟踪型只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面就行，结构简单，跟踪精度要求不高；阳光充裕的地方一般优先考虑单轴跟踪。槽式太阳能热发电跟踪系统

太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，非常适合商业并网发电。光电跟踪视日运动轨迹跟踪优点灵敏度高，结构设计较为方便程序驱动执行机构跟踪太阳，精确度高缺点受到天气的影响很大有累积误差跟踪太阳的控制检测方式

美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站(1985-1991)LUZ公司对系统组件不断改进世界上目前最大的太阳能槽式热发电厂Andasol1号竣工(2009年)Andasol2、

Andasol3相继建成2022/10/14应用情况

美国鲁兹(LUZ)公司是槽式太阳能热发电技术应用的先行者，1985-1991年间，公司在美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，是世界上规模最大、成效最高的太阳能热发电工程。LUZ公司在已经建成9座槽式太阳能热发电站的基础上，对系统中的组件不断进行技术改进，在欧洲的西班牙热发电研发中心PSA进行试验，系统采用更先进的聚光器，结构形式由轴式单元发展为衍架式单元(Eurotrough)。衍架式单元(Eurotrough)型聚光器系统还采用高性能的高温真空管接收器。德国Schott公司对高温真空管作了改进:为防止两端温度过高影响封接质量，在局部增加了太阳辐射反射圈；减少遮光面积使真空管有效利用长度大于96%；调整相关玻璃材料配方使可伐与玻璃管封接得更好。此次试验还采用DSG技术，即直接用水作为介质的新型槽式发电技术。利用这一技术可以取代大量的换热器，进而实现简化系统、提高效率、降低成本的目的。SEGS电站中的太阳能聚光阵列

座落在美国加州南部的太阳能热电厂(SolarEnergyGeneratingSystems，SEGS)自1990年建成后就一直独占太阳能热电厂的榜首，SEGS由分布在么哈维沙漠(MojaveDesert)里相互独立的9个子电厂组成，总装机容量为354兆瓦。该电厂从设计、施工到运营皆由Luz跨国公司一手完成.图2.4Andasol1号Andasol1号的年发电量可达到175千兆瓦时每年减少15万吨二氧化碳的排放。太阳能可以把盐加热到摄氏390度。电站可以凭着储存热量在太阳下山之后继续提供7.5小时的满负荷电力(50兆瓦)。该公司还在Andasol1号附近建设了Andasol2号太阳能槽式热发电厂。2011年西班牙北部建设了Andasol3号。图2.4Andasol1号的50万平方米收集阳光的镜子及精细的镜面细节2009年7月1日，世界上目前最大的太阳能槽式热发电厂Andasol1号在西班牙的安达卢西亚格拉纳达省正式竣工。德国航空航天中心的科研人员参与了关键技术的大量开发工作，并通过卫星数据选择了合适地点、辅助了抛物线集热槽精确施工。图2.5拉德赫萨太阳能电场拉德赫萨太阳能电场拉德赫萨太阳能电场位于西班牙巴达霍斯，采用槽型抛物面太阳能发电技术，同时也使用熔盐存储热量。拉德赫萨太阳能电场由RenovablesSAMCA公司建造和运营，占地494英亩(约合2000亩)，每年的发电量估计在170千兆瓦时左右。2011年10月12日，我国哈纳斯新能源集团在宁夏盐池举行“哈纳斯高沙窝槽式太阳能-燃气联合循环(ISCC)发电站”开工仪式。该项目是中国乃至亚洲首个槽式太阳能-燃气联合循环(ISCC)发电站示范工程，规划容量92.5MW，投资总额为22.5亿元，于2013年10月建成投产。2.1.3塔式太阳能热发电系统

系统原理及构成塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统是一种中央式聚光的太阳能热发电系统，主要由布置在太阳能场上的定日镜阵列、中心接受器、控制中心和发电系统组成。系统由定日镜阵列将入射太阳光反射和会聚于设置在高塔上的中心接受器的吸收表面，产生高温高压蒸汽或气体(550～7000C)，驱动发电系统发电。2.1.3塔式太阳能热发电系统

系统组成聚光子系统集热子系统发电子系统蓄热子系统辅助能源子系统系统特点规模大热传递路程短热损耗少聚光较高温度较高塔式太阳能热发电系统聚光子系统包括定日镜群和跟踪装置。技术及投资关键是定日镜阵列。定日镜：塔式系统中投资最大的部件，成本占总投入的一半以上。国际上在其光学性能、结构、控制方式及制造成本等方面不断投入力量进行研究。塔式太阳能热发电系统两种类型定日镜结构200m²定日镜设计概念图集热子系统：包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。。核心部件：接收器，功能是将太阳能转化为工作流体的热能。接受器吸收聚集的辐射流，将其转换为热能并传递给工质；接受器的制造材料要求很高，应能承受高温及长期周期性的温度剧变。塔式太阳能热发电系统接收器的设计主要取决于流体工作的温度和压力范围、辐射通量。目前接收器主要有外露式和空腔式两种类型。为了保持整个系统相对持续的运行，需设置一定容量的贮能系统，一般采用共熔混合物为贮热介质。1950年原苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型试验装置1950年西西里岛联合建造了世界首座并网运行的塔式太阳能热电站1980年美国在加利福尼亚州南部Barstow沙漠地区附近兴建了一座大型塔式太阳能热电站Solarone应用情况

应用情况20世纪90年代后期，以色列魏兹曼科学研究院对塔式系统进行了改进1996年，美国在Solarone原址建造了10MW的塔式太阳能热发电系统SolarTwoSolarTwo采用硝酸盐作为蓄热介质，接收器内的硝酸盐被加热到565℃用来直接生产蒸汽或储存在绝热的储槽内，供多云时段或日落后使用。该研究院设计通过接收器的空气被加热到1200℃，推动燃气轮机发电机组，燃气轮机排放的500℃左右气体再用于推动另一台发电机组，从而使系统的总发电效率达到25%-28%。应用情况2012年8月北京延庆成功建设亚洲首座塔式太阳能热发电实验电站—八达岭太阳能热发电实验电站2005年10月底国内首座“70kw塔式太阳能热发电系统’于在南京市江宁太阳能试验场顺利建成该发电系统运行稳定性、操控机动性、安全可靠性等方面均达到研发建设目标。实验基地占地208亩，定日镜把太阳光反射到百米太阳塔顶吸热器，传热介质自塔底向上流过吸热器将热量带走，产生500℃以上的蒸汽推动蒸汽轮机发电，塔底的储热系统用来存储多余的热量。电站名称SOLARONESEGSVI电站类型塔式槽式所在地美国加州美国加州额定功率/MW1030年运行小时数/h27003019年净发电量/106kWh2790.6表2.1SEGSVI电站和Solarone电站的技术指标对照聚光方式平面反射镜圆柱抛物面反射镜反射镜总面积/m272540188000反射镜镜数/面1818960000汽轮机蒸汽入口参数/℃.bar-1510/104371/100总投资/亿美元1.41.16投资比/美元.Kw-1140003870使用寿命/年3030续表2.1发电系统定日镜装置高温接收器装置燃气机发电机组水冷却系统天然气供气系统控制系统70kW塔式太阳能热发电系统组成及工作原理

塔高33米，额定功率70kw，效率>=20%；采用32面20m2定日镜，双轴跟踪误差<=2mrad，镜面反射率>=85%；接收器为以空气为介质的空腔式结构，工作温度>=900℃。70kw塔式太阳能热发电系统主要技术指标

系统原理及构成碟式太阳能热发电系统实拍图利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林(stiring)发电装置发电。目前该系统太阳能转化电能效率达到了30%。2.1.4碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能发电系统

系统组成旋转抛物面反射镜接收器跟踪装置蓄热系统系统特点寿命长效率高灵活性高体积小投资少安装方便系统组成及其特点

20世纪70年代末到80年代初由瑞典的USAB及美国的多家机构发起研究德国、韩国等国家的科研部门相继展开碟式太阳能热发电的研制开发，并完成样机测试1982年美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电实验2004年，美国SES公司在Sandia国家实验室建造了5套25kw碟式斯特林系统2022/10/14光电转换效率最高达29.4%，吸热器的效率为65%-90%。装置由320个小镜面组成，镜面总面积89m2，工作温度达1090℃，光电转换效率29%，最大功率24.6kw应用情况

2009年，西班牙建成一座71MW的碟式太阳能发电厂2007-2008年，3kW太阳能斯特林发电样机和第一个碟式发电系统相继研制成功2009年12月，SES在美国亚利桑那州的Peoria建成容量为1.5MW的Maricopa碟式太阳能电厂2005年8月，SES公司建造了由40套25kw组成的1Mw碟式系统，以便为850Mw电站建设积累经验2022/10/14应用情况在山帝亚国家实验室接受测试，产生了电压240V、频率50-60Hz具有电网质量的交流电Maricopa电厂已达到甚至超过预期目标，并能在75km/h的大风下正常运行1994年澳大利亚建造了一套旋转抛物反光镜面积达引400m2的50kw碟式系统“十五”期间，我国中科院电工研究所与皇明太阳能集团联合研制了3种直径5m的太阳能聚光镜和一个1kW碟式斯特林发电系统2010年，中科院理化技术研究所研制了1kW碟式太阳能行波热声发电系统2012年7月底，大连宏海新能源发展有限公司与瑞典Cleanergy公司合作完成100kw碟式太阳能光热示范电厂在内蒙古鄂尔多斯成功安装2022/10/14应用情况电厂共由10台10kw碟式太阳能斯特林光热发电系统组成，总容量为100kw上海齐耀动力技术有限公司研制的50kW燃气式斯特林发电机；西安航空动力公司完成25kW太阳能斯特林发电样机以下几点是碟式太阳能发电发展需要考虑的：1、扩大生产规模。与塔式、槽式太阳能热发电系统相比，碟式系统可通过标准化规模化生产大大降低成本。2、在接收器上采用热管技术。接收器是太阳能热发电的核心，目前国际上多采用空腔式接收器，光热转换率达90%以上。在太阳能热发电中利用热管的高效传热性能、优良的均温性能，可以解决高温太阳能接收器的‘热点’问题，提高接收器和发电系统的效率和安全性能。采用热管技术，使碟式斯特林发电系统接收器集吸热、蓄热、发电三位一体，提高了系统效率，降低了系统成本。热管技术的应用拓展了热管技术的应用领域、决了太阳能高温热发电中的难题。目前，太阳能热发电技术得到了较大发展，在去几十年中世界各地兴建了许多这种类型的实验与示范电站，表2.3给出了三种太阳能热电站的发展状态以及优缺点。表2.3三种太阳能热电站的比较塔式槽式碟式发展状态提供高温过程热，联网发电运行。处于实验示范阶段，最大容量为10MW中温热，联网发电运行。商业化阶段，最大容量为80MW，总容量为354MW。提供高温过程热，分散独立运行。处于实验示范阶段，独立系统容量小于50kW优点从长远来看前景很好，效率高。可以通过蓄热或互补降低成本。具有商业化运行的经验，互补方式已得到验证。高的转化效率，可以模块化或者复合运行。缺点聚光场与吸热场优化配合问题还需要研究。真空管的寿命还没有得到大规模的验证。定日镜更换成本高。没有商业化的与碟式聚光器配合的Stirling机。2.2太阳能光电转换技术太阳能发电有热发电和光伏发电两种。光伏发电：将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。1839年，法国科学家贝克勒尔(A.E.Becqurel)首先发现了“光生伏打效应”。第一个实用单晶硅光伏电池(SolarCell)直到一个多世纪后的1954年才在美国贝尔实验室研制成功。2.2太阳能光电转换技术太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，最近10年，太阳能电池产量年平均增长率为37%，最近五年的年平均增长率为45%。按世界各主要国家可再生能源发展计划推算，2010年-2040年，光伏产业的复合增长率将高达25%，可预见的高速增长将持续40年以上。2.2太阳能光电转换技术70年代出现第一批商用光伏发电产品。美国在1998年启动“百万光伏屋顶计划”。同时期，日本每年投资110亿日元于光伏发电。德国已实施“10万光伏屋顶计划”。荷兰则建立1MW光伏发电系统。欧盟计划实施“百万光伏屋顶”项目，一半建在欧州。国际提出“百万kW光伏发电系统规划”。2.2太阳能光电转换技术光伏发电增长最快的三个国家——德国、日本和美国，增长率依次为30%、29%和21%。日本人均占有额5W高于德国人均3.4W。2004年，德国建设5MW光伏发电，可为1800户供电。美国计划在2020年以前安装3GW光伏发电容量(增加15%)累计达15GW。届时全世界光伏发电总装机容量将为70GW。2.2太阳能光电转换技术我国1990年以前光伏电池的生产能力还只有4.5MW/年。2004年达100MW，实际产量为42MW。受国际市场的拉动，我国近几年光伏产业发展迅速，出现了一批新兴的光伏产业群体，无锡尚德已成跻身世界排名前十位的光伏公司。1995年，25kW离网式光伏电站在我国西藏双湖县建成。2.2太阳能光电转换技术1995年在山东一个海岛上建成30kW混合式光伏与风力发电系统，年发电量约56MW。2004年，我国深圳园林花卉博览园建成1MW并网光伏电站。全国光伏发电装机容量累计为65MW。预计我国15年内光伏发电装机容量的发展为：2004年：65MW；2010年：500MW；2020年：1000MW。2.2.1光伏发电原理1839年，法国科学家贝克勒尔意外地发现光生伏打效应。1954年第一个实用单晶硅光伏电池直到一个多世纪后的才在美国贝尔实验室研制成。20世纪70年代中后期开始，光伏电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。太阳能电池是太阳能光电转换的最核心的器件。目前占生产、市场和应用主导地位的是晶体硅太阳能电池。1.硅的晶体结构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做层状的轨道分布运动，第一层2个电子，第二层8个电子，还剩4个电子排在最外层，称为价电子。

硅原子结构

硅晶体和所有的晶体都一样是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一个方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。硅的晶体结构2.能级和能带

上图所示为单原子的电子能级及其对应的能带，字母E表示能量，脚标表示电子轨道层数，括号中的数字表示该轨道上的电子数。每层电子轨道都有一个对应的能级。由很多条能量相差很小的电子能级形成一个能带。3.禁带、价带和导带

根据量子理论，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内运动，在能带之间的区域没有电子态，这个区域叫做“禁带”。全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳价电子，称为“价带”。有的能带只有部分能级上有电子，一部分能级是空的。这种部分填充的能带，在外电场的作用下，可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带”。

金属（a）、半导体（b）、绝缘体（c）的能带如上图所示。价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，Eg称为“禁带宽度”或“带隙”。金属、半导体、绝缘体的能带(a)金属；(b)半导体；(c)绝缘体4.电子和空穴具有一个断键的硅晶体

晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。半导体在热力学零度时,电子填满价带,导带是空的。此时的半导体和绝缘体的情况相同,不能导电。当温度高于热力学零度时,电子如果从价带跃迁到导带后,在价带中留下一个空位,称为空穴。具有一个断键的硅晶体如图所示。

半导体的本征导电能力很小,它是由电子和空穴传导电流,而在金属中仅有自由电子传导电流。5.掺杂半导体

例如,在纯净的硅中掺入少量的五价元素磷,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硅原子进行共价结合。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,这样的半导体叫做电子型或n型半导体。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,这样的半导体叫做空穴型或p型半导体。

单位体积(1cm3)中电子或空穴的数目叫做“载流子浓度”,它决定着半导体电导率的大小。

n型半导体中,电子是“多子”,空穴是“少子”;p型半导体中则相反,空穴是“多子”,电子是“少子”。n型和p型硅晶体结构6.载流子的产生与复合

载流子产生：由于晶格的热振动,电子不断从价带被“激发”到导带,形成一对电子和空穴(即电子-空穴对)。载流子复合：不存在电场时,由于电子和空穴在晶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,即电子跳到空穴的位置上,把空穴填补掉,这时电子-空穴对就随之消失。7.载流子的输运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。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。

一般太阳能电池最常用的半导体材料的带隙在1-2eV之间，而在1.4eV左右可获得最高的光电转化效率。半导体材料分为：直接带隙半导体材料：光吸收系数大(吸收同样多的太阳光，半导体材料的厚度较小)。间接带隙的半导体材料：光吸收系数小，厚度要求比直接带隙要厚的多。晶体硅材料是间接带隙材料，带隙的宽度(1.12eV)与1.4eV有较大的差值。

太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应，将太阳光辐射直接转换为电能。当p型硅和n型硅相接，将在晶体中p型和n型硅之间形成界面，即pn结。附近电子和空穴的相互扩散，从而在结区形成一个由n区指向p区的内建电场。

6.载流子的产生与复合

载流子产生：由于晶格的热振动,电子不断从价带被“激发”到导带,形成一对电子和空穴(即电子-空穴对)。载流子复合：不存在电场时,由于电子和空穴在晶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,即电子跳到空穴的位置上,把空穴填补掉,这时电子-空穴对就随之消失。7.载流子的输运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。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。

8.太阳能电池原理(1)p-n结工作原理

如图(a)所示,在交界处n区中电子浓度高,要向p区扩散,在n区一侧就形成一个正电荷的区域;同样,p区中空穴浓度高,要向n区扩散,p区一侧就形成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的区域即通常所说的p-n结,如图(b)所示。(2)光伏效应光伏效应原理如下图所示。

当光伏电池的两端接上负载,这些被分离的电荷就形成电流。光伏电池是把太阳辐射能转变为电能的器件。太阳能电池实际上就是一个大面积平面二极管，在阳光照射下就可产生直流电。影响转换效率的主要因素:主要因素串联电阻接触电阻半导体材料体电阻电极电阻并联电阻电池边缘漏电引起复合电流引起9.太阳能电池理论分析太阳能电池的等效电路模型负载被短路时，流经二极管的暗电流非常小，可以忽略短路电流总小于光生电流9.太阳能电池理论分析人们发现仅使用单二极管模型无法获得满意的结果。为此，使用两个二极管叠加的办法来拟合电池的暗特性，用表示体区或表面通过陷阱能级复合的饱和电流，所对应的二极管理想因子为n=1；用表示pn结或晶界耗尽区内复合的饱和电流，所对应的二极管理想因子为n=2。9.太阳能电池理论分析由公式可见，和项主要决定太阳能电池暗特性曲线中间部分的形状。因此，太阳能电池最重要的基本参数包括：短路电流、开路电压、最大工作电压、最大工作电流、填充系数、转换效率、串联电阻和并联电阻。此时，太阳能电池的I-V特性方程可写为：10.太阳能电池的填充系数

11.太阳能电池的效率

11.太阳能电池的效率晶体硅太阳能电池的光谱响应最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合。光的能量随着波长的减少而增加。为了产生电子-空穴对形成电流，需波长小于1.1的光，也就是可见光和靠近可见光的近红外线才具有足够的能量。太阳光谱中波长大于1.1的长波的光能不能被利用，只在光能临界值之上一个光子只产生一个电子-空穴对，剩余的能量又被转换为未利用的热量。12.能量损耗的缘由不是所有的光线都能够在pn结周围被吸收和转换；不是所有的电子-空穴对很快地在界面分离。解决方法是使用高纯的硅材料，这样必须支付高昂的材料成本。在产业生产时要兼顾材料的纯度和生产成本，要求达到的转换效率和价格之间具有平衡关系。13.影响太阳能电池的效率的因素晶界等存在缺陷；硅表面的光反射，阳光中的一部分不能进入太阳能电池中；通过蒸发层减反膜或表面织构化，反射损失可减少很多。太阳能电池的温度：硅电池的效率在寒冷的阳光明媚的冬季高于炎热的夏季，这正好与太阳能集热器的性能相反。14.太阳能电池的能量损失主要途径光学损失表面反射遮挡损失光谱响应特性电学损失载流子损失欧姆损失15.太阳能电池的分类主要单晶硅电池多晶硅电池非晶硅电池铜铟硒电池其他纳米氧化钛敏化电池多晶硅薄膜电池有机太阳能电池1998年前单晶硅电池曾经长时期占领最大的市场份额，1998年后才退居多晶硅电池之后。最新的动向是单晶硅电池向超薄、高效发展，不久的将来，可有l00μm左右甚至更薄的单晶硅电池问世。德国的研究已经证实40μm厚的单晶硅电池的效率可达到20%，有可能借助改进的生产工艺实现超薄单晶硅太阳能电池的工业化生产，并可能达到已在实验室获得的效率的数值。15.太阳能电池的分类(1)单晶硅电池单晶硅电池的基本结构多为n+／p型，多以p型单晶硅片为基片，其电阻率范围一般为1～3，厚度一般为200-300。单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作，与多晶硅不同的是所用的减反膜主要为SiOx或Ti02薄膜。制备SiOx和Ti02薄膜通常采用热氧化或常压化学气相沉积工艺。(1)单晶硅电池单晶硅电池主要用于光伏电站，特别是通信电站，也可用于航空器电源，或用于聚焦光伏发电系统。像单晶硅的结晶是非常完美一样，单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色多为黑色或棕黑色，也适合切割成小片制作小型消费产品，如太阳能庭院灯等。(1)单晶硅电池多晶硅电池的基本结构都为n+／p型，都用p型单晶硅片，电阻率0.5-2，厚度220～300。制作过程的主要特点是为以氮化硅为减反射薄膜，商业化电池的效率多为14%～16%，主要特点是多晶硅电池是正方片，在制作电池组件时有最高的填充率。由于多晶硅的生产工艺简单，可大规模生产，所以自1998年以来，多晶硅电池的产量和市场占有率为最大。(2)多晶硅电池多晶硅电池与单晶硅相同，性能稳定，也主要用于光伏电站建设，作为光伏建筑材料，如光伏幕墙或屋顶光伏系统。多晶结构在阳光作用下，由于不同晶面散射强度不同，可呈现不同色彩。此外，通过控制氮化硅减反射薄膜的厚度，可使太阳能电池具备各色各样的颜色，如金色、绿色等，因而，多晶硅电池更具有良好的装饰效果。(2)多晶硅电池非晶硅a-Si禁带宽度为1.7eV，吸收系数比晶体硅大将近一个数量级。非晶硅太阳能电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近，材料的本征吸收系数很大，可明显节省昂贵的半导体材料。非晶硅的光暗电导率随光照时间加长而减少，经200℃退火2小时可恢复原状，即S•W效应。(3)非晶硅电池基本结构为n/p型，主要用PECVD工艺沉积在具有Sn02(F)的导电玻璃而成。现发展为2个pn结甚至3个pn结的非晶硅电池，商品化的非晶硅电池产品稳定的效率多在5%～7%左右。最大特点是微米级材料厚度、吸收系数大。非晶硅电池基本独霸消费市场，如手表、计算器和玩具等。此外，作为半透明光伏组件也可用于门窗或天窗。(3)非晶硅电池HIT电池是日本三洋公司开发的高效太阳能电池。这种电池具有结构特性优秀、温度系数低、生产成本低廉和转换效率高等优点，所以在光伏市场上受到青睐。两种已经商业化的高效太阳能电池HIT太阳能电池利用PECVD在表面织构化后的n型CZ-Si片的正面沉积很薄的本征α-Si:H层和p型α-Si:H在硅片的背面沉积薄的本征α-Si:H层和n型α-Si:H层利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极。所有的制作过程都是在低于200℃的条件下进行，这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。HIT电池制作过程①低温下完成，有效地保护载流子寿命；②双面制结，可以充分利用背面光线；③表面的非晶硅层对光线吸收特性好；④采用的n型硅片其载流子寿命大、硅片薄；⑤织构化的硅片对太阳光的反射降低；⑥利用PECVD在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化。HIT电池制作过程由美国的Sunpower公司出品，完全采用背电极接触方式，正负极交叉排列在背面，前表面没有任何遮挡，pn结位于背面，效率可达20%以上。为了降低成本、扩大市场，在美国塞浦路斯半导体公司帮助下，Sunpower公司做了大量的研究，如尝试采用丝网印刷和激光刻槽技术代替光刻，改进扩散炉、湿化学腐蚀和清洁设备等。Sunpower背电极接触高效电池Sunpower公司高效太阳能电池A-300年代2003年面积148.8cm2开路电压0.665V短路电流5.75A功率为3W效率20%以上染料敏化纳米晶光电化学太阳能电池DSSC又称NPC是一种光电化学式电池，由Gratzel在1991年首先提出。纳米晶颗粒由于粒径小而具有许多特殊的不同于块体材料的性质，形成的膜具有非常大的比表面积。由于其禁带宽度较宽，不利于直接吸收太阳光，但在表面上可以吸附大量禁带宽度较窄的染料分子，因而可以有效地吸收太阳光。(5)纳米晶化学太阳能电池DSSC包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。(5)纳米晶化学太阳能电池染料的分类无机染料光敏化剂有机染料光敏化剂选材CdS、CdSe等羧酸多吡啶钌磷酸多吡啶钌多核联吡啶钌染料纯有机染料等缺点类材料有毒会破坏环境核心元素钌稀缺优点成本低成本高①寻找宽频光电响应，高的光电转换效率的纳米晶体系，以解决TiO2体系吸收可见光谱带窄的缺点。②降低合成纳米晶体系的烧结温度，以便寻找在低温下烧结出以玻璃为衬底的透明纳米晶薄膜及光敏染料的新途径。③寻求理想的、可工业化的、在常温下以离子导电为主的固体电解质。(5)纳米晶化学太阳能电池发展的关键问题2.2.2光伏电池的制备

硅光伏电池是目前使用最广泛的光伏电池。晶体硅光伏电池制造工艺技术成熟,性能稳定可靠,光电转换效率高,使用寿命长,已进入工业化大规模生产阶段。1.硅材料的优异性能(1)硅(Si)材料丰富,易于提纯。(2)Si原子占晶格空间小(34%),这有利于电子运动和掺杂。(3)Si掺杂后,容易形成电子-空穴对。(4)容易生成大尺寸的单晶硅(ϕ400×1100mm,重438kg)等。2.硅材料的制备

制造光伏电池的硅材料以石英砂(SiO2)为原料,先把石英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅,冶金硅与氯气(或氯化氢)反应得到四氯化硅(或三氯氢硅),然后通过氢气还原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法(Cz法)或区熔法(Fz法)制成单晶硅棒。从硅材料到制成光伏电池组件,需要经过一系列复杂的工艺过程,以多晶硅光伏电池组件为例,其生产过程大致是:硅砂→硅锭→切割→硅片→电池→组件。3.光伏电池组件的制备

(1)光伏电池单体。前面叙述的光伏电池,在光伏电池的结构术语中,称为光伏电池单体或光伏电池片,是将光能转换成电能的最小单元。光伏电池单体的工作电压为0.45~0.5V(开路电压约为0.6V),典型值为0.48V,工作电流为20~25mA/cm2,一般不直接作为电源使用。

(2)光伏电池组件。光伏电池实际使用时要按负载要求,将若干单体电池按电性能分类进行串并联,经封装后组合成可以独立作为电源使用的最小单元,这个独立的最小单元称为光伏电池组件。光伏电池的单体、组件和方阵(a)单体;(b)组件;(c)方阵光伏电池组件的连接方式。将单体电池连接起来构成电池组件,主要有串联连接、并联连接和串、并联混合连接方式,如下图所示。光伏电池的连接方式(a)串联方式;(b)并联方式;(c)串、并联混合2.2.3光伏电池的设计1.光伏电池的组成

(1)光伏电池组件的串、并联组合。电池组件的并联连接,使方阵的输出电流成比例地增加;组件串联连接时,使方阵输出电压成比例地增加。方阵组合连接要遵循下列几条原则:1)串联时需要工作电流相同的组件,并为每个组件并接旁路二极管。2)并联时需要工作电压相同的组件,并在每一条并联支路中串联防反充(防逆流)二极管。

3)防止个别性能变坏的电池组件混入电池方阵。

(2)光伏电池组件的热斑效应。在光伏电池方阵中,当组件中的某单体电池被损坏时,而组件的其余部分仍正常工作,这样正常工作的那部分光伏电池就要对损坏的光伏电池提供负载所需的功率,使该部分光伏电池如同一个工作于反向偏置下的二极管,从而消耗功率而导致发热。这就是“热斑效应”。串联光伏电池组件热斑形成示意图并联光伏电池组件热斑形成示意图

热斑效应的防护:串联回路,需要并联一个旁路二极管VDb以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮挡的组件所消耗,如图所示。并联支路,需要串联一只二极管VDs,以避免产生的能量被遮挡的组件所吸收,串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防反充的功能。光伏电池组件热斑效应防护电路

(3)防反充(防逆流)和旁路二极管。1)防反充(防逆流)二极管。防反充二极管的作用:①防止光伏电池组件在不发电时,蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送;②在电池中,防止组件各支路之间的电流倒送。2)旁路二极管。当有较多的光伏电池组件串联组成电池或电池的一个支路时,需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个(或2~3个)二极管VDb,这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管。

旁路二极管一般根据组件功率大小和电池片串的多少,安装1~3个二极管,如图所示。图(a)采用一个旁路二极管,当该组件有故障时,组件将被全部旁路;图(b)和图(c)分别采用2个和3个二极管将电池组件分段旁路,可以做到只旁路组件的一半或1/3,其余部分仍然可以继续正常工作。旁路二极管接法示意图

(4)光伏电池的电路光伏电池由光伏电池组件串、旁路二极管、防反充二极管和带避雷器的直流接线箱等构成,常见电路形式有并联、串联和串、并联混合方阵电路,如图所示。光伏电池基本电路示意图(a)并联电路;(b)串联电路光伏电池基本电路示意图(c)串、并联混合电路2.光伏电池的计算

光伏电池串联是为了获得所需要的工作电压,并联是为了获得所需要的工作电流。一般独立光伏发电系统电压往往被设计成与蓄电池的标称电压相对应或者是它的整数倍,而且与用电器的电压等级一致。一般带蓄电池的光伏发电系统电池的输出电压为蓄电池组标称电压的1.43倍。对于不带蓄电池的光伏发电系统,在计算电池的输出电压时一般将其额定电压提高10%,再选定组件的串联数。

例如,一个组件的最大输出功率为108W,最大工作电压为36.2V,设选用逆变器为交流三相,额定电压为380V,逆变器采取三相桥式接法,负载要求功率是30kW,设计光伏电池。光伏电池输出电压为UP=Uab/0.817=380/0.817≈465V考虑电压富余量,输出电压为465×1.1=512V,则组件的串联数为512V/36.2V≈14块。现则组件总数为30000W/108W=277块,从而并联数为277/14≈19.8,取并联数为20块。结论:系统应选择上述功率的组件14块串联,20块并联,组件总数为14×20=280块,系统输出最大功率为108W×280≈30.2kW。2.2.4光伏电池分类1.新型高效单晶硅光伏电池为了提高光伏电池的转换效率,探索了多种结构和技术来改进电池的性能。下面介绍几种高效、低成本硅光伏电池：

(1)发射极钝化及背表面局部扩散(PERL)光伏电池。

(2)埋栅(BCSC)光伏电池。(3)高效背表面反射器(BSR)光伏电池。(4)高效背表面场和背表面反射器(BSFR)光伏电池。

PERL光伏电池BCSC光伏电池2.多晶硅薄膜光伏电池

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。多晶硅薄膜光伏电池具有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光伏电池。3.非晶硅光伏电池

非晶硅也称无定形硅或a-Si，是直接吸收半导体材料，光的吸收系数很高,仅几微米厚就能完全吸收阳光。(1)非晶硅的优点。

①有较高的光学吸收系数，很薄的非晶硅就能吸收大部分的可见光。

②禁带宽度比晶体硅大，与太阳光谱有更好的匹配。

③制备工艺和所需设备简单，沉积温度低,耗能少。

④可沉积在廉价的衬底上，可做成能弯曲的柔性电池。(2)非晶硅光伏电池结构及性能。1)非晶硅光伏电池结构。性能较好的非晶硅光伏电池结构有p-i-n结构。非晶硅光伏电池结构

2)非晶硅光伏电池的性能。a.目前商品化非晶硅光伏电池的光电效率一般为6%~7.5%。非晶硅光伏电池的温度变化情况与晶体硅光伏电池不同，温度升高，对其效率的影响比晶体硅光伏电池要小。b.光致衰减效应。非晶硅光伏电池经光照后，会产生10%~30%的电性能衰减，这种现象称为非晶硅光伏电池的光致衰减效应。为减小这种光致衰减效应又开发了双结和三结的非晶硅叠层光伏电池，目前实验室中其光致衰减效应已减小至10%。

4.化合物薄膜光伏电池

目前,光伏电池价格偏高,开发研制薄膜光伏电池就成为降低光伏电池价格的重要途径。薄膜光伏电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其半导体层很薄，可以大大节省光伏电池材料，降低生产成本，是最有前景的新型光伏电池。

5.砷化镓光伏电池(1)砷化镓光伏电池的优点:

①砷化镓的禁带宽度与太阳光谱匹配好，效率高。

②砷化镓的禁带宽度大，可以在高温下工作。

③砷化镓的吸收系数大光伏电池可做得很薄。

④砷化镓光伏电池耐辐射性能好。(2)砷化镓光伏电池的缺点:

①价格比较昂贵。

②砷化镓密度高，这在空间应用中不利。

③砷化镓比较脆，易损坏。

6.聚光光伏电池

聚光光伏电池是能在高倍太阳光下工作的光伏电池。大面积聚光器上接受的太阳光汇聚在一个较小的范围内，光伏电池得到较高的光能，使单体电池输出更多的电能，其潜力得到了发挥。为了保证焦斑汇聚在聚光电池上，聚光器和聚光光伏电池通常安装在太阳跟踪装置上。跟踪方法有单轴跟踪和双轴跟踪之分，单轴跟踪只在东西方向跟踪太阳，双轴跟踪则除东西方向外，同时还在南北方向跟踪。

7.光电化学电池光电化学电池的结构1、2—电极;3—电解质溶液

1)光生化学电池。当受到外部光照时，光被溶液中的溶质分子所吸收，引起电荷分离，在光照电极附近发生氧化还原反应。这类电池称为光生化学电池。2)半导体电解质光电化学电池。2.3光伏电池的模型和特性1.光伏电池等效电路

光伏电池模型主要分为物理模型和外特性模型两大类。物理模型较为复杂，外特性模型则是根据其运行输出特性分析，得出等效电路模型。光伏电池等效电路模型的典型形式是单二极管形式，如图所示。光伏电池单元的等效电路模型(a)单二极管形式;(b)简化形式2.光伏电池伏安特性

如图所示的光伏电池电压电流关系曲线,简称为伏安特性曲线。光伏电池伏安特性曲线

最大功率点M对应的电流值为最佳输出电流Im，对应的电压值为最佳输出电压Um；由Im和Um构成的矩形几何面积即为该特性曲线所能包揽的最大面积，称为光伏电池的最佳输出功率或最大输出功率Pm。

由光伏电池伏安特性曲线可得到光伏电池的功率电压输出特性曲线，如图左所示。由图可知，特性曲线右侧电压较高区域内，光伏电池可近似视为电压源，具有明显的低内阻特性；而在左侧电压较低区域内，光伏电池又近似视为电流源，具有明显的高电阻特性。光伏电池的功率电压输出特性

在电压源与电流源的交点处为功率输出最大值。在最大功率点的两侧，光伏电池的功率输出会急剧下降至零值。3.光伏电池串并联输出特性一般光伏电池的输出电压随温度的升高呈负特性，即输出电压随温度升高而降低，因而在计算电池组件串联级数时，要留有一定的裕量。为提高光伏电池的利用率，最佳选择是使其工作于光伏电池总伏安特性曲线的最大功率点位置，光伏电池串联后的伏安特性如下图所示。

同样，在确定光伏电池的并联数量时，要考虑负载的总耗电量、当地年平均日照情况，同时考虑蓄电池组的充电效率、电池表面不清洁和老化等带来的不良因素，光伏电池并联后的伏安特性如左图所示。2.3.4光伏电池的仿真建模

在仿真中，常选用基于物理特性建立的模型，虽然这一模型较为复杂，但其仿真精度更高，并能够反映外界实时变化的情况。参照光伏电池的物理模型，可建立用于实现其仿真的MATLAB/Simulink仿真模型，如下图所示。

下图是在温度25℃、光照强度1000W/m2的仿真条件下仿真出的单个光伏电池输出的特性曲线。2.4最大功率点跟踪技术2.4.1最大功率点受外界影响因素

光伏电池的输出特性会受多方面因素影响，如光照强度、温度、负载状态等都会使它的输出发生变化。当然，在不同条件下的光伏电池最大功率点的位置也会变化。为了更好地使光伏发电系统在各种条件下都能发出最大的功率，首先应研究外界温度和光照强度变化对光伏电池输出特性的影响。下面分别以单个光伏电池模型仿真出的电压-电流特性和功率-电压特性为例，分析在不同的温度和光照强度下其输出特性的变化情况。

下图表示设定环境温度为25℃不变，不同光照强度对光伏电池电压-电流特性的影响；

由图可知，短路电流Isc随光照强度的升高明显增大，而开路电压Uoc将随光照的升高略有增大。

下图表示保持光照强度为1000W/m2不变，不同温度对光伏电池电压-电流特性的影响。

由图可以看出，温度对开路电压有明显影响，而特性曲线在恒流源线性区受温度影响变化不大，随温度升高短路电流Isc只是略有增加。

图(a)表示设定环境温度为25℃不变的情况下，不同光照强度对光伏电池功率-电压特性的影响；图(b)表示保持光照强度为1000W/m2不变的情况下，不同温度对光伏电池功率-电压特性的影响。2.4.2最大功率点跟踪(MPPT)原理要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时变更系统负载特性，即调整光伏电池的工作点，使之能在不同的光照强度和温度下始终工作在最大功率点附近，这一跟踪过程就称为最大功率点跟踪。下图为带有MPPT功能的光伏发电系统结构原理框图。带有MPPT功能的光伏发电系统结构原理框图

现以在可变光照强度下工作的光伏电池输出特性为例，简单介绍MPPT控制过程及原理。图中有两条在不同的光照强度下光伏电池工作的输出特性曲线(曲线1和曲线2)。

光伏发电系统中的MPPT控制策略，就是先根据实时检测光伏电池的输出功率，再经过一定的控制算法预测当前工况下光伏电池可能的最大功率输出点，最后通过改变当前的阻抗或电压、电流等电量的方式来满足最大功率输出的要求。2.4.3各种MPPT控制方法的分类介绍

MPPT控制方法可根据控制算法进行分类，也可根据具体实现环节的控制参数分类。若根据MPPT控制算法的特征和具体实现机理的过程,可将MPPT控制方法分为三大类:①基于参数选择方式的间接控制法;②基于采样数据的直接控制法;③基于现代控制理论的人工智能控制法。1.基于参数选择方式的间接控制法

(1)恒电压跟踪法(CVT)。下图所示为一组硅型光伏电池在忽略温度效应条件下的输出特性与负载匹配曲线。

由图可知,在光伏电池温度不变的条件下,光伏电池的最大功率点与光照强度成正比。

(2)开路电压比例系数法。开路电压比例系数法是为了克服环境和自身结温变化对系统的影响，由恒定电压法改进而成的。(3)短路电流比例系数法。短路电流比例系数法与开路电压比例系数法类似。(4)曲线拟合法是根据光伏电池的P-U特性曲线，通过对光伏电池端输出电压UL和输出电流IL的不断采样，建立一个与其功能相似的电路原理性模型，再与已得到的最大功率点直接建立拟合曲线方程。(5)查表法。查表法是根据实际需要，预先设定好各种参数模型并存储在数据表中，当系统运行时，再根据实际工况选择不同的参数，通过查表调取相关数据来进行MPPT控制。

2.基于采样数据的直接控制法

此类方法的主要特征是根据电压、电流的检测值经MPPT控制方法直接实现控制。(1)扰动观测法(定步长)。扰动观测法是研究最多的一种MPPT控制方法。(2)变步长式扰动观察法。变步长式扰动观察法是常规扰动观察法改良衍生出来的。(3)电导增量法。电导增量法是通过比较光伏电池的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率跟踪的一种控制方法。(4)实际测量法。实际测量法又称为扫描法.(5)寄生电容法。寄生电容法是根据光伏电池单元存在的结电容所提出的方法。3.基于现代控制理论的智能控制法

(1)模糊逻辑控制法。模糊逻辑控制法(简称模糊控制)是一种基于模糊逻辑算法的MPPT控制方法。

(2)神经网络控制法。神经网络控制法是将神经网络应用于MPPT的一种控制方法。常用的多层神经网络结构图如右图所示。(3)滑模控制法。滑模控制法的原理在于控制的不连续性，通过不断变化的开关特性迫使系统在一定条件下沿规定状态轨迹附近做小幅度、高频率地上下“滑模运动”，以到达并保持在所设计的滑动面上。多层神经网络结构2.5基于采样数据的直接MPPT控制法2.5.1恒电压控制法1.恒电压控制的原理

外界环境条件一定时,光伏电池有且仅有一个最大功率点输出，对该输出特性进一步分析可以发现，当温度基本保持不变，而光照强度变化时，典型的输出功率-电压曲线如图所示。不同光照强度下的功率-电压曲线2.恒电压控制的仿真

光伏发电系统可由光伏电池、变换器、负载、采样和控制电路四部分组成，如下图所示。一般光伏发电系统结构拓扑

根据上图所示的系统结构，若负载为独立于电网运行，即可组成独立光伏发电系统；若负载通过另一变换器接入电网，则构成并网系统。

在具体恒电压控制法实现过程中，首先是对光伏电池侧传感器输出信号进行采样得到运行参数，然后在控制电路中将系统参数通过控制算法和控制程序转换成PWM控制脉冲，以实现对系统的控制。恒电压控制法在实际工程应用中，一般要提前测试好系统参数，得出最佳PWM脉宽，再采用固定PWM脉宽方式去实现控制。在MATLAB仿真平台上搭建恒电压控制模型如图所示。MATLAB/Simulink恒电压控制模型表2-2各种恒电压控制法的改进方案改进方案具体过程手工调节通过手动调节电位器按照季节给定不同的Um。其缺点是需要较大的人工维护工作量，效率较低。根据温度查表调节事先用相同光伏电池测得不同温度下的最大功率点电压Um，构成温度电压对照表储存在控制器中。在实际运行中，控制器可以根据实测光伏电池的温度来相应地修正输出电压，使其与外界温度相匹配。参考光伏电池法

在光伏发电系统中增加一小块与光伏电池相同特性的光伏电池模块，检测小光伏电池的开路电压，按照固定系数计算得到当前最大功率点电压Um，以此作为调整系统工作电压的依据，使之不增加成本即可得到接近MPPT的控制效果。3.恒电压控制法的改进和发展2.5.2干扰观测法1.干扰观测法的工作原理

干扰观测法的工作原理:首先在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率，然后在该电压基础之上加一个正向电压扰动量，再次检测光伏电池的输出功率。若所测输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的右边，可以继续增加正向扰动电压；若所测输出功率降低，则说明最大功率点在当前工作点的左边，应该反向增加扰动电压，使得工作点朝左移。如此循环，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内，即可认为达到了最大功率点。2.干扰观测法的分类

根据干扰步长和控制效果的不同，可分为常规干扰观测法和改进型干扰观测法。在常规干扰观测法中，根据控制电压干扰法的控制流程图参数的不同，又分为电压干扰法、占空比干扰法等。电压干扰法可以通过比较功率和电压的变化方向来判断系统的工作区域，再对参考电压进行相应的调整使光伏发电系统工作在最大功率点附近。电压干扰法的控制流程图

以典型的独立光伏发电系统为例说明占空比干扰法。如图所示。独立光伏发电系统结构拓扑

在上图所示Buck电路中，稳态时负载端电压UL和光伏电池PV端输出电压UPV具有如下关系UL=UPVD式中：D为占空比。这样只要控制DC/DC变换器开关的占空比D就可调节光伏电池的输出电压，从而实现MPPT控制。该方法称为占空比干扰法。3.干扰观测法的控制参数选取

(1)扰动步长的选取原则。作为干扰观测法的重要参数，扰动步长的选取对于此法的控制性能有着决定性的影响。但步长不是一成不变的，且和实际系统存在着紧密联系，需要针对系统参数和动态响应特性进行合理选取。因此研究如何合理选择扰动步长具有重要意义。(2)控制周期的选取。控制周期Ta是干扰观测法的另一重要参数，它对算法能否有效跟踪最大功率点有着决定性作用。4.干扰观测法的适用对象

当外界环境参数变化太快时，如光照强度发生突变，干扰观测法可能会发生电压崩溃。

如图所示，当光照强度发生突变(如太阳光突然被云层挡住)时，光伏电池的P-U曲线将由Ⅰ变为Ⅱ。干扰观测法适用于外界环境较稳定的中小功率光伏发电系统，以牺牲部分动态响应速度来提升系统稳态精度和抗扰动能力。干扰观测法MPPT控制在光照强度突变时运行分析5.干扰观测法的仿真根据MPPT控制方法的干扰观测法，建立一个光伏发电系统通过Buck电路对蓄电池进行最大功率充电的电气主电路模型，如下图所示。该模型包括光伏电池模块、主电路模块和控制模块。独立光伏发电系统电气主电路模型

在MATLAB/Simulink中建立一个采用传统定步长干扰观测法进行MPPT控制的仿真模型，如下图所示。MATLAB/Simulink干扰观测法MPPT控制仿真模型

该仿真中设定系统光伏电池的额定功率为300W,在20、25、30ms和35ms时刻光照强度分别设置为700、800、900W/m2和1000W/m2。6.干扰观测法的改进和发展

由于传统干扰观测法具有诸多缺陷，如稳态精度不够、光照强度剧烈变化出现误判断、步长和控制周期选取有冲突等，因此就出现了对其改进的一些控制方法。

(1)变步长干扰观测法。变步长干扰观测法的控制思想是加入步长变化环节，在工作点远离最大功率点区间时，设定扰动步长相对较大，在工作点接近最大功率点区间时，设定步长相对较小。这样既能在稳态时减小功率损失，又能在外界条件剧烈变化时提高动态响应和系统稳定性，从而达到预定控制效果。

(2)与遗传算法相结合的干扰观测法。把遗传算法应用于MPPT中，可以使变换器克服外界条件剧烈变化造成的干扰，迅速搜索到最大功率点。下面以Boost电路为例，说明这种算法。遗传算法的实现可以分为以下几步:1)选取优化变量。2)选择适应函数。3)选择操作。4)交叉操作。5)变异操作。6)终止条件判断gen=MAXGEN。2.5.3电导增量法1.电导增量法的原理电导增量法通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号。电导增量法的控制思想与干扰观测法类似，通过不断比较光伏电池工作时的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。由光伏电池工作特性曲线可知，最大功率点处的光伏电池输出功率PPV与输出电压UPV满足条件

可得

式中：G为输出特性曲线的电导；dG为电导G的增量。由于增量dUPV和dIPV可以分别用ΔUPV和ΔIPV来近似代替，可得

由以上分析可知，电导增量法的控制流程也相对简单，其控制流程如图所示。由上述分析可知，与干扰观测法类似，传统的电导增量法也用了电压参考值设定变化的原理来进行MPPT控制。由于最大功率点处电导判据会趋于0，因此采用电导和电导增量的方法，可以有效地避免在最大功率点附近反复进行左右摆动，改善了系统稳态性能。电导增量法MPPT控制流程图2.电导增量法的仿真分析

在MATLAB/Simulink平台建立电导增量法的控制模型，如图所示。MATLAB/Simulink电导增量法MPPT控制仿真模型根据控制仿真模型,设定系统光伏电池额定功率值为300W,在20、25、30ms和35ms时刻的光照强度分别设置为700、800、900W/m2和1000W/m2,其仿真曲线如图所示。电导增量法MPPT控制仿真曲线(a)电压、电流曲线;(b)MPPT过程曲线3.电导增量法的改进

(1)具有功率前馈控制的变步长电导增量法。固定步长的电导增量法在稳定情况下具有较好的跟踪性能，但当外界环境出现大的变化，如光照强度发生大幅度瞬间变化时，系统就会出现误判断，动态响应效果不理想，造成相应的功率损失，有时甚至会出现电压崩溃的现象。为此派生出一种改进的电导增量法，又称具有功率前馈控制的变步长电导增量法。这种方法引入了功率控制环，使控制方法更加高效稳定。

与传统的电导增量法相比，这种改进的电导增量控制法，功率参考值Pref在每个控制周期里的设定调整流程图如右所示。改进的电导增量法控制流程图

相比于定步长的电导增量法，变步长的电导增量法可以在动态响应和稳态精度上实现较好的折中，而步长变化规则的选择,无疑是实现跟踪算法的关键。

(2)最大功率输出变步长电导增量法。电导增量法中，电导与电导增量之和与最大功率点之间具有潜在的关系。当光伏电池的工作点离最大功率点较远时，这两者之和保持不变；而当工作点在最大功率点附近时,这两