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1、局部阴影下提高光伏阵列输出效率方法研究摘要随着分布式光伏发电的广泛应用，光伏发电系统所处的环境变得越来越复杂，特别是在安装在建成区的中小型光伏系统中，局部阴影遮挡问题难以实现。云层遮挡、光伏电池表面灰尘、树木或建筑物表面阻挡不均匀的光线，导致光伏电池的输出特性发生变化，电压输出功率曲线出现在若干极端点，导致传统的最大功率点跟踪（MPPT）算法可能会被误判。因此，有必要研究一种有效的控制方法来解决局部阴影条件下光伏发电系统最大功率点的跟踪问题。本文分析了光伏电池的工作原理，物理特性和热点效应，并利用Matlab / Simulink建立了考虑局部阴影的光伏阵列仿真模型。然后，通过仿真验证和分析了
2、电压和功率多峰曲线的产生原理和分布规律，并在总结规律的基础上提出了光伏阵列的优化设计，为MPPT方法的研究局部阴影奠定了理论基础。 最大功率点跟踪控制是光伏发电系统的关键技术。通过分析粒子群优化算法在MPPT控制中的优缺点，采用量子粒子群优化算法实现光伏发电系统的MPPT控制。量子粒子群算法具有收敛精度高，难以陷入局部最优的优点，程序实现比粒子群优化算法简单。本文详细介绍了量子粒子群优化算法的原理，基本特征和算法流程。结合光伏发电系统的最大功率跟踪原理，提出了应用于光伏发电系统MPPT控制的理论流程。为了验证基于量子粒子群算法算法的MPPT控制的可行性和稳定性，采用Matlab / Simul
3、ink构建光伏发电系统的总体结构仿真模型。通过仿真和传统的MPPT方法的比较分析中，控制基于粒子群优化和量子粒子群优化，验证了QPSO具有MPPT控制的应用良好的跟踪性能，并有效地提高局部阴影条件下光伏阵列输出效率低。关键词：光伏系统；最大功率点跟踪；量子粒子群优化算法；局部阴影Study on improving the output efficiency of photovoltaic array under local shadowAbstractWith the wide application of distributed photovoltaic power generation,
4、 the environment of photovoltaic power generation system is becoming more and more complex, especially in the small and medium-sized photovoltaic system installed in the built-up area, local shadow shielding problem is difficult to achieve. Cloud cover, dust on the surface of photovoltaic cells, and
5、 uneven light blocking on the surface of trees or buildings lead to changes in the output characteristics of photovoltaic cells, and the voltage output power curve appears at several extreme points, leading to the traditional maximum power point tracking (MPPT) algorithm may be misjudged. Therefore,
6、 it is necessary to study an effective control method to solve the tracking problem of the maximum power point of photovoltaic power generation system under local shadow condition.This paper analyzes the working principle, physical characteristics and hot spot effect of photovoltaic cells, and USES
7、Matlab/Simulink to establish a photovoltaic array simulation model considering local shadows. Then, the generation principle and distribution law of voltage and power multi-peak curve are verified and analyzed by simulation, and the optimal design of photovoltaic array is proposed on the basis of su
8、mmarizing the law, which lays a theoretical foundation for the study of local shadows by MPPT method.Maximum power point tracking control is the key technology of photovoltaic power generation system. By analyzing the advantages and disadvantages of particle swarm optimization algorithm in MPPT cont
9、rol, quantum particle swarm optimization algorithm is adopted to realize MPPT control of photovoltaic power generation system. Quantum particle swarm optimization (qpso) algorithm has the advantages of high convergence accuracy and difficulty in getting into local optimum. This paper introduces the
10、principle, basic characteristics and algorithm flow of quantum particle swarm optimization algorithm in detail. Combined with the maximum power tracking principle of photovoltaic power generation system, the theoretical process of MPPT control applied to photovoltaic power generation system is propo
11、sed.In order to verify the feasibility and stability of MPPT control based on quantum particle swarm optimization (qpso) algorithm, Matlab/Simulink was used to construct the overall structure simulation model of photovoltaic power generation system. Through the comparison and analysis of simulation
12、and traditional MPPT method, the control is based on particle swarm optimization and quantum particle swarm optimization, which verifies that QPSO has good tracking performance in the application of MPPT control, and effectively improves the low efficiency of photovoltaic array output under local sh
13、adow conditions.Key words: photovoltaic system; maximum power point tracking; quantum particle swarm optimization algorithm; local shadowV目 录摘要IAbstractIII第一章 绪论11.1课题的研究背景和意义11.2国内外研究现状21.2.1国外太阳能光伏发电发展现状和发展趋势21.2.2国内太阳能光伏发电发展现状和发展趋势31.2.3光伏发电系统MPPT的研究现状51.3本文主要研究内容5第二章 光伏电池的工作原理及特性分析72.1 引言72.2光伏电
14、池的发电原理72.2.1 光伏电池的光电效应82.2.2 光伏电池的分类82.3 热斑效应92.3.1热斑效应的产生机理92.3.2 热斑效应的解决办法102.3.3光伏阵列多峰模型112.4光伏电池的输出特性分析122.5光伏电池输出特性MATLAB仿真分析142.5.1无阴影情况下光伏电池输出特性分析152.5.2有阴影情况下光伏电池输出特性分析162.6 本章小结17第三章 阴影情况下不同结构光伏阵列输出特性分析183.1 引言183.2 光伏阵列结构介绍183.3 SP、TCH、BL、HC光伏阵列建模193.3.1 SP结构193.3.2 TCT结构203.3.3 BL结构213.3.
15、4 HC结构233.4 阴影状态下SP、TCH、BL、HC阵列输出特性比较243.5 本章小结26第四章 局部阴影下提高光伏输出效率的方法研究274.1 引言274.2 阴影离散化方法提出274.3 阴影离散化方法实现研究284.4本章小结29第五章 光伏MPPT控制算法研究305.1 引言305.2 光伏MPPT基本原理305.3 传统MPPT算法研究与仿真分析325.4 粒子群PSO算法研究与仿真分析345.4.1常见智能算法分析345.4.2粒子群算法研究与仿真分析365.5 改进PSO算法及仿真分析395.6 改进PSO算法与传统MPPT算法比较415.7 本章小结42第六章 结论与展
16、望436.1结论436.2展望44参考文献45致谢49VII第一章 绪论1.1课题的研究背景和意义随着化石能源的逐渐枯竭和人类生态环境的恶化，作为清洁和绿色能源的太阳能受到越来越多的国家的关注和关注。光伏发电是其中的一种利用方式。能量质量高，施工周期短等优点被广泛使用。中国丰富的太阳能资源已成为缓解电力短缺和环境污染两大问题的主要手段之一。目前，太阳能通过“补充能源”的作用逐渐转变为下一代“替代能源”。 在国家政策的指导下，预计将尽快扩大规模，为中国的低碳经济发展提供能源支持。随着光伏发电技术的不断发展和应用，光伏电池的种类日益增多，成本逐渐降低。虽然光伏发电具有很大的优势，但也存在一些缺点：
17、（1）光伏转换用光伏电池的成本太高，初期投资成本很高。许多光伏产业发展良好的国家通过各种福利政策和相关补贴来鼓励光伏产业的发展。没有国家政策的支持，光伏产业将难以广泛发展。 （2）光伏电池的转换效率低。通常，光伏电池的转换效率低于。 （3）为了有效利用土地资源，加强了光伏与建筑的融合趋势，在城市建筑表面安装了许多光伏发电设备。在这种情况下，光伏发电设备很可能被堵塞，这不仅会降低功率，还会导致热点效应。作为将太阳能转换为电能的功率器件，光伏电池具有非线性输出特性，其随光强度和环境温度的变化而变化。特别是在建筑光伏，光伏电池安装在建筑物屋顶或建筑物墙壁上，由周围的公共设施，建筑物屏蔽，使光伏电池阵
18、列更容易形成部分阴影，并具有安装角度和入射角度不同的是，太阳使阴影也在改变位置和面积，所有这些问题使得光伏电池的输出特性出现更严重的峰值特征，光伏阴影条件下的光伏阵列，由于光线遮挡光伏电池组件强度下降，输出功率降低，输出功率的降低不仅会导致发电成本的增加，而且还不能满足家用光伏发电系统用户的用电需求。阴影阴影引起的热点效应也会给光伏发电系统带来严重的安全事故。正是由于热点效应，德国大型光伏电站的整个光伏阵列发生火灾，造成巨大的经济损失。为了解决热点效应，并联旁路二极管通常用于光伏阵列中以保护光伏模块。然而，在局部阴影的条件下，光伏阵列的输出特性将是多峰值的，这使得追踪光伏发电系统的最大功率更加
19、困难。传统的最大功率跟踪方法如扰动观测法和电导增量法的跟踪失败将进一步降低光伏阵列的输出功率，严重影响光伏发电的转换效率。据调查统计，本地影子造成的功率损耗约占各种商用电池应用总功率损耗的70。因此，有必要深入分析阴影阴影情况下光伏阵列的特性，研究适合局部阴影条件的最大功率跟踪技术。当外部环境任意改变时，总是可以输出光伏发电系统的最大功率。此外，在工业光伏中，光伏阵列容易被山脉和云层阻挡，从而产生多峰值输出特性。如果光伏阵列不能在最大功率点工作，光伏发电的效率将降低，降低企业的利润。因此，为了最大化太阳能电池的有效性，有必要研究在局部阴影条件下光伏阵列的输出特性，并提出提高光伏发电效率的方法。
20、1.2国内外研究现状1.2.1国外太阳能光伏发电发展现状和发展趋势自20世纪70年代民用领域采用太阳能光伏技术以来，太阳能光伏发电技术发展迅速，太阳能电池产量逐年增加。1976年，全球产量仅为几百千瓦，1983年增加到21.7兆瓦，1992年增加到57.9兆瓦，2000年增加到200兆瓦。全球光伏发电的装机容量也在迅速增加。 2006年，全球光伏发电装机容量为6GW。截至2016年底，全球光伏发电累计装机容量达到303GW，10年增长50倍。随着太阳能电池材料，结构，制造技术等的改进，元件的价格也在下降。随着应用技术的逐步完善和发展，太阳能电池发电的应用范围和规模正在迅速扩大。起初，它从空间应
21、用转移到一些特殊的地面耗电场所，以及远程和非电力农村地区的少量电力供应，并逐步发展到微波中继站和其他领域。通讯电源，光电水泵和家用电源灯。一些大功率并网太阳能发电站已投入运行。随着太阳能电池制造和应用技术的不断发展和完善，太阳能电池发电将在整个能源组织中占据相当大的份额。国际太阳能电池研发领先国家是德国，日本，美国，澳大利亚等发达国家。未来，光伏发电系统主要集中在高效率，低成本，长寿命，美观性和实用性的方向上。专家预测，到2050年，太阳能光伏发电将占总发电量的13至15。1997年，美国宣布了百万屋顶光伏计划，该计划的重点是到2010年在100万个屋顶或其他可能的建筑部分安装太阳能系统。该计
22、划加速并促进了美国光伏产业的发展，降低了电力成本发电量低于6美分/ kWh，保持并巩固了美国光伏产业在世界上的领先地位和在世界市场上的主导地位。1998年，德国政府提出了10万个屋顶计划。德国政府已经对公共电网太阳能发电站每千瓦时发电提供0.574欧分（5.74元人民币）的补贴，居民的屋顶发电价格将高于太阳能发电站。德国的电价为每千瓦时0.1欧元，而电力公司以每千瓦时0.5欧元的价格回购太阳能，这种差异刺激了居民。到2004年，德国已安装了10万个太阳能屋顶，2016年德国光伏发电总量达到38.2TWh。由于德国政府采取了一系列强有力的措施促进光伏发电，德国光伏产业已成为一个非常活跃的经济产业
23、。到2010年，日本政府已经安装了5000MW屋顶光伏发电系统，并通过政策推动了国内光伏发电市场的增长。它成功实施了1994年至2003年的一轮补贴，使日本的光伏产业在2004年安装了1,100mw，成为当时世界上光伏发电容量最大的国家。为鼓励人们在日本使用太阳能，要求居民安装太阳能设备成本投资，50由政府补贴，太阳能电网，政府采购，住宅用电价格低于购买价格，因为居民感觉利用太阳能的好处，日本在2006年，每年有8万个屋顶安装了太阳能发电设备。由于太阳能光伏技术在未来能源，环境和人类社会的发展中发挥着重要作用，自20世纪80年代以来，光伏发电的装机容量保持了10至15的增长率。 20世纪90年
24、代末，世界市场太阳能光伏发电供不应求，发展更加迅速。近年来，美国，日本和俄罗斯在该国太空太阳能发电站的研究和试验上投入了大量资金，希望能够大规模利用太阳能为人类提供无穷无尽的供应，电力前景非常有吸引力。1.2.2国内太阳能光伏发电发展现状和发展趋势中国的太阳能光伏发电产业始于20世纪70年代，并在20世纪90年代中期进入稳定发展时期。太阳能电池和组件的产量逐年稳步增长。截至2005年底，中国光伏电池总产量超过250MW，光伏组件总产量超过400MW。中国光伏发电市场的发展情况如下：20世纪90年代初，光伏发电主要应用于通信和工业领域。自1995年以来，已建成40多个县，乡，村级各种规模的光伏电
25、站，主要集中在特殊领域和偏远地区。自2000年以来，中国的光伏技术已进入大规模并网发电阶段，并开始建设10千瓦，100千瓦和兆瓦的并网光伏示范系统。自2002年以来，国家发展和改革委员会（国家发改委）启动了“西部省区无电乡镇轻工程”。通过光伏和小规模风力发电，该项目最终将解决西藏，新疆，青海，甘肃，内蒙古，陕西，四川等西部七省区近100万户和400万人的用电问题。根据2017年REN21可再生能源全球状况报告，2016年全球光伏发电总量为333.1TWh，其中中国光伏发电量占全球总量的19.9，位居全球第一。世界。不仅光伏发电总量，中国腾格里沙漠太阳能园区和大同光伏领导者分别占据“2016年世
26、界最大光伏电站”排名第一和第二位。虽然中国光伏产业发展迅速，发展机遇良好，但仍存在制约产业进一步快速发展的不利因素和障碍，体现在以下四个方面：（1）硅原料短缺。硅原料短缺是阻碍市场化的核心环节，应采取有效措施进一步扩大硅材料的生产能力。（2）严重的环境污染。太阳能硅片本身不含环境污染成分，但在生产太阳能硅片的过程中会产生大量的污染成分，会造成严重的环境污染，需要进一步提高生产过程中的废物净化能力。（3）激励政策远远不够。是中国传统的国家能源类型，能源消费结构简单，过于依赖，煤炭，法律，法规和政策，以促进可再生能源系统的发展是不完善的，近年来，尽管“国务院促进健康发展光伏产业的几点意见（国发20
27、13 24号），“关于推进先进光伏技术应用和产业升级的意见，如一些政策文件，但对于光伏产业的快速发展，努力启动中国国内光伏市场相当不足。（4）光伏发电的配套技术尚不成熟。与国外相比，中国的并网逆变/控制产品自集团研发以来尚未商业化生产，而且与进口相比，电池技术达不到标准，使用寿命低。总的来说，中国的光伏发电产业正在加速上升势头，国家政策偏向逐年增加，行业发展形势令人鼓舞。 2017年，中国将从单一模式转变为我们不得不依靠原材料价格来降低成本，依靠技术来降低生产成本。目前，在光伏发电技术中，黑硅和PERC（钝化发射极和背面局部接触电池）是降低成本的主要技术方法。黑硅的成本不高，因此多晶硅芯片的成
28、本可以降低，在未来几年内将继续得到广泛应用; PERC（钝化发射极和背面局部接触电池）是最具成本效益和效率的技术，但由于其技术复杂性，它尚未在中国广泛使用。经过一段时间的蓬勃发展，PERC（钝化发射极和背面局部接触电池）技术将在中国得到广泛应用。中国的光伏发电产业仍然存在一些不足。首先，整体行业竞争压力过大，光伏电池组件价格居高不下。其次，由于硅片材料的技术难度，目前的技术创新仍然有点不足。以下几点是光伏发电产业发展的总结：（1）在能源和环境的制约下，光伏发电在各种能源中脱颖而出。近年来，随着对国内外光伏产业的关注，光伏发电产业取得了重大突破，光伏发电产业越来越贴近人们的生活。中国的光伏发电产
29、业在当今世界处于领先地位。（2）随着光伏发电技术的快速发展和光伏电池总产量的不断增加，光伏发电已成为能源结构不可或缺的重要组成部分，光伏发电产业将成为支柱产业未来的新能源。（3）光伏电池未来发展趋势可观。在政府的大力支持下，近年来光伏发电产业的发展尤为迅速。但在快速发展的过程中，存在一系列问题，如产业链异常和价格偏高。因此，在大力发展光伏产业的同时，要更加注重产业的健康发展。（4）创新是光伏发电产业生存的基础，也是光伏发电产业可持续发展的关键。量子点太阳能电池，钙钛矿太阳能电池和新型MPPT技术可有效提高光伏电池的效率，从而推动光伏电池产业的发展。1.2.3光伏发电系统MPPT的研究现状在光伏
30、发电系统中，光电转换效率低是不可避免的问题。同时，光伏电池的输出功率不仅与所用材料有关，而且外部环境的变化也会导致其输出特性发生变化。为了确保光伏电池能够在不同环境下的最大功率点工作，许多专家和学者对寻找光伏发电的最大功率点进行了深入的研究。通过控制方法使光伏电池以最大功率输出运行的技术称为最大功率点跟踪的MPPT技术。随着最大功率跟踪方法的不断创新，已经产生了许多用于均匀照明的MPPT方法。两种最广泛和最实用的MPPT方法是摄动观测法和电导增量法。扰动观测方法可以在光照条件下更好地解决MPPT问题。电导增量法（INC）在结构上比P&O法更复杂，但更容易适应外部环境的突变，其动态跟踪能力强于P
31、&O法。光伏发电系统输出的U-P特性曲线的多峰情况一般是由光伏阵列的阴影屏蔽引起的。目前，国内外学者提出了多种峰值优化跟踪方法，如基于法则的跟踪方法，基于复合传统方法的跟踪方法和基于人工智能的全局优化跟踪算法。基于人工智能的控制方法包括神经网络控制模糊逻辑控制遗传算法，人工鱼群算法，粒子群优化算法等。其中，粒子群优化原理简单，操作简便，收敛速度快，适合全局搜索，已越来越多地应用于光伏控制。粒子群优化是一种基于群体协作的随机搜索算法，根据鸟类的觅食行为开发。当它应用于最大功率跟踪控制算法时，可分为粒子群优化过程和最大功率跟踪两个链路电位解算算法中的每个问题（即最大功率点的电压）是搜索中的“粒子”
32、空间，所有粒子都具有目标函数（光伏系统的总功率输出）决定适应该值，通过反复迭代找到最大的优势。目前，多峰技术的评价还没有统一的标准，每种方法各有利弊。面对许多新的控制方法的出现，多峰仍具有很大的研究价值和发展空间。1.3本文主要研究内容本文研究了局部阴影条件下光伏发电系统的最大功率点跟踪。为了摆脱传统控制技术在多峰功率条件下跟踪最大功率点的失败，本文重点研究了全局最优搜索算法与光伏控制相结合的方法。在分析粒子群优化算法的优缺点和量子粒子群优化算法的理论研究的基础上，提出了一种基于的光伏发电系统控制方法，以克服局部最优跟踪问题。并获得更可靠的跟踪优化算法。论文共分六章。每章的主要内容如下：第一章
33、总结了光伏发电系统的发展背景，着重阐述了局部阴影条件下光伏发电系统方法研究的意义和重要性。此外，还分析了光伏发电系统结构组合与最大功率点跟踪控制的研究现状。第二章研究了光伏发电系统的组成，分类和应用。分析了光伏电池的工作原理和等效数学模型，建立了光伏阵列工程的数学模型。分析了在局部阴影条件下利用旁路二极管产生多个峰值的原理，建立了具有局部阴影的光伏阵列的多峰数学模型。第三章局部阴影下光伏阵列的建模与输出特性分析。仿真验证了光伏阵列模型的可行性和光伏阵列多峰数学模型的正确性。分析了局部阴影条件下光伏阵列最大功率点的分布和规律，提出了光伏阵列的优化设计。第四章研究了局部阴影下最大功率点跟踪原理。首
34、先，详细研究了外部环境的原理和影响，分析了传统和局部阴影方法的优缺点。本文主要分析了粒子群算法的基本原理，算法流程及优缺点，提出了量子粒子群算法在光伏发电系统控制中的应用，并提出了算法参数设置和算法参数设置。算法流程。第五章建立了基于量子粒子群算法的光伏系统控制仿真模型。通过模拟阴影的多种分布，比较了传统的基于粒子群优化算法和量子粒子群算法的算法，并进行了基于量子粒子群算法的仿真验证控制算法具有良好的收敛速度和跟踪精度，可用于局部阴影情况下光伏发电系统的最大功率点跟踪，提高电力系统的利用率。第六章对全文进行了总结，并提出了研究中存在的问题和不足，展望了研究工作的未来需求。49第二章 光伏电池的
35、工作原理及特性分析2.1 引言光伏发电系统是利用太阳能发电的装置。根据与电力系统的关系，一般可分为独立的光伏发电系统和光伏并网发电系统。 伏电池是光伏发电系统的核心部件，但光伏电池单体的电压和电流输出很小。通常，光伏电池单体串联并联连接形成光伏模块，然后光伏模块形成光伏阵列，可提供更多功率。研究光伏电池具有重要意义，以下部分将研究光伏电池的原理和特性。2.2光伏电池的发电原理1839年法国物理学家A.E.Becquerl发现了光伏效应。1883年，Charles Fritts通过在硒半导体上涂覆非常薄的金（Au）层以形成半导体金属结来制造出第一个太阳能电池。在20世纪50年代，人们逐渐了解半导
36、体的物理特性和加工技术的进步。美国的贝尔LABS发现，在将一定量的杂质添加到硅晶体中后，半导体对光更敏感。后来，第一个具有实用价值的太阳能电池诞生了。光伏发电是利用半导体界面的光伏效应将光能直接转换为电能的技术。该技术的关键组成部分是太阳能电池。在太阳能电池串联封装和保护之后，可以形成大面积太阳能电池模块，并且可以通过与功率控制器和其他部件组合来形成光伏发电装置。当太阳照射在半导体p-n结上时，形成新的空心电子对。在内置于p-n结的电场的作用下，空穴从n区流向p区，电子从p区流向n区。当电路接通时，形成电流。这就是光伏电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换模式，另一种是光电直接
37、转换模式。（1）光热电转换方法利用太阳辐射产生的热能发电。通常，吸收的热能通过太阳能收集器转换成工作介质的蒸汽，然后驱动蒸汽轮机发电。前一工艺是光热转换工艺;后一种工艺是热电转换工艺，就像普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率低且成本高，并且其投资估计比普通热电站贵至少5-10倍。（2）光电直接转换模式。该模式使用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能。光电转换的基本装置是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光伏效应而将太阳光能直接转换为电能的装置。它是半导体光电二极管。当太阳照射在光电二极管上时，光电二极管将太阳光能量转换为电能并产生电流。当许多电池串联或并联连接时，它们可以成为具有相对大输出
38、功率的方形太阳能电池阵列。太阳能电池是一种很有前景的新型电源，具有持久性，清洁性和灵活性三个优点。与火力发电和核能发电相比，太阳能电池不会造成环境污染。2.2.1 光伏电池的光电效应光电效应指在高于某特定频率的电磁波的照射下，一些物质内部的电子会被光字激发出来而形成电流。半导体的光电效应最强，光伏电池就是由特殊的半导体材料制成，这些半导体材料会在光照或受热的情况下变成导体，而在低温情况下由于导电带为空，价电子带的存在使得其成为绝缘体，因此，不能通过电流。如果这种材料被置于光照环境中，光子会进入半导体。光子的能量E由光照的频率决定，如下公式所示：其中h为普朗克常数（h=6.626x10-34Js
39、），f为光照频率，c为光速。光伏电池材料实际上是一个大的P-N结。在P-N结两端就建立了一个电动势，外接负载形成回路，就会有电流通过，输出功率，并且光照越强功率就越大。光伏电池单体在标准照度（1000W/m2）下的工作电压一般为0.450.5V，工作电流为2025 mA/cm2，由于光伏电池单体输出功率非常小，机械性能差，一般不能直接作为电源使用，而是若干单体经过串、并联并严密封装为不同性能的光伏组件后使用，把封装好的光伏组件按不同的数目串、并联即可组成不同装机容量的光伏阵列用于光伏发电系统。2.2.2 光伏电池的分类光伏电池种类繁多，根据材料可分为：硅光伏电池、有机半导体光伏电池以及化合物半
40、导体电池。其中单晶硅光伏电池的使用寿命长、转换效率高，但是制作成本也相对较高，且单个光伏电池单元大小受到单晶尺寸的限制。单晶硅电池的光电转换效率普遍在16%18%，多晶硅电池的转换效率在15%16%。从制做成本上比较，多晶硅电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，得到较大的发展。因此多晶硅占到晶硅电池的2/3,占光伏电池市场份额55%以上。多晶硅电池虽然成本上占据优势，除光电转换效率低于单晶硅电池外，其使用寿命要比单晶体硅电池短。化合物光伏电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓V族化合物、砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜硒薄膜电池。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池转换效率较非晶硅薄膜太阳能电
41、池效率高，成本较单晶硅电池低，并且易于大规模生产但由于镉有毒，会对环境造成严重污染，因此，并不是晶体硅光伏电池最理想的替代产品，砷化镓V族化合物电池的转换效率可达28%，砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐射能力强，对热不敏感，适合制造高效单结晶电池。但是砷化镓材料价格不菲，因而在很大程度上限制了砷化镓电池的普及。铜铟硒薄膜电池适合光电转换，不存在光至衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后光伏电池发展的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此这类电池的发展必然受到限制。有机薄膜光伏电池的主要材
42、料为色素或高分子材料。其特点是制作简单、成本低、环保及柔软性好，但是光电转换效率仅为5%左右。随着人类对光合成系高效转换原理的深入认识，有机薄膜电池受到越来越多的关注。2.3 热斑效应2.3.1热斑效应的产生机理太阳能电池是整个光伏系统的核心部分，在实际使用过程中，会有一定概率出现光伏电池局部遮挡、裂纹或不匹配、内部损害等，导致个别光伏电池单体的特性与整体不一致，产生的电流小于其它正常光伏电池单体的电流。这些个别的光伏电池不仅对系统整体没有贡献，反而会成为系统电路中的负载，消耗其它光伏电池产生的能量，个别光伏电池如同工作于反向电压的二极管一样，压降和电阻都很大，消耗大量的功率而发热，这就是热斑
43、效应。光伏电池单体与二极管有类似的P-N结结构，都具有反向雪崩击穿现象，因为光伏电池可以产生反向电压。当光伏电池两端的反向电压大到该电池的反向雪崩击穿电压值时，通过的电流会急剧增大，在短时间内就能增长到一个很大的值，于是便出现了雪崩效应。发生雪崩效应后反向电压也大幅度的增长，使光伏电池的温度积累增长，严重时就会使光伏电池损坏。并且，如果在光伏组件中出现问题的是并联部分，择影响不大，只是这部分光伏电池贡献较小，但是如果出现问题的是串联部分的话，问题就比较严重，不仅问题电池部分的输出电流减少，还会使整个光伏组件的输出电流变得与问题电池部分的输出电流一致，输出电压降低，整个光伏组件的输出功率减少，整
44、体的转换效率降低。当光伏组件接收不均匀光照或个别受灰尘遮挡甚至是规格不一情况，上述情况统称为光伏组件受局部阴影影响。此时，一部分受阴影影响的光伏电池将不再提供能量给负载，相反会成为电路中的负载消耗其它正常光伏电池产生的功率，这种功率的消耗通过热量的形式进行，当这种热量积累太久达到一定上限就会烧毁光伏电池及其封装材料，使整个光伏电池失效，造成不可恢复损害，这就是所谓的热斑效应。其产生原理是由于光伏电池的核心构成材料是PN结，即光伏电池能够被反向击穿。由于串联支路上的电流是相等的，根据基尔霍夫电压和电流定律，当正常工作电池输出的电流比受遮挡电池的短路电流大时，受遮挡的电池将带负压，将作为负载以热量
45、形式消耗其它正常光伏电池提供的能量。因此整个光伏组件的输出功率将减小，从而导致系统的转换效率降低。热斑效应严重时会毁坏整个光伏组件，造成永久损坏，需釆取必要的保护措施。光伏电池被遮挡而产生的阴影在实际生活中是很常见的，其中这种情况在与建筑物结合的光伏并网发电系统中最为普遍。因为光伏阵列大多都安装在建筑物表面或者屋顶，这时更高的建筑物、电线杆以及树木等障碍物随着季节、时间的变化，太阳光通过这些障碍物产生的阴影都有可能投射在光伏电池上从而产生阴影。其他常见的情况还有：大规模光伏阵列遭遇大面积云彩时会产生阴影，许多便携式、可移动式太阳能设备在其移动过程中都有可能产生阴影。热斑效应严重时会损坏整个光伏
46、电池组件，造成永久损坏，因此研究热斑现象和采取必要的保护措施是很有必要的。2.3.2 热斑效应的解决办法针对热斑效应，国际电工委员会制定了严格的认证试验标准，光伏产品必须在一定的条件下经受住严格的测试才能通过认证投入生产使用。同时我们为了避免热斑效应的产生，首先要保持光伏电池组件的清洁，然后在安装光伏电池阵列时，要尽量选择合适的环境，以免产生不要的遮挡。由于热斑效应对串联和并联产生的影响大不一样，因此在光伏电池的串并联阵列中，还可以利用变换光伏阵列中电池模块串并联的连接模式来降低热斑效应的发生概率。最常用的办法就是在组件上并联一个旁路二极管以及串联一个阻塞二极管，二极管不影响组件的政策工作，但
47、是当组件中的电池被遮挡时，二极管就会发挥作用，有效解决热斑效应的问题，避免被遮挡的电池过热损坏。图2-1中的旁路二极管在正常情况时，处于反偏状态，不会影响光伏电池的工作，但是当这块光伏电池出现问题被遮挡时，该旁路二极管两端形成正向偏压，二极管就会导通，支路电流中超过被遮挡光伏电池光生电流的部分就会被旁路二极管分流，从而限制了电流，避免了发热现象。当阵列中的一并联回路被遮挡时，该支路上的阻塞二极管就发挥作用，防止光伏阵列通过这个并联支路放电，保障该支路中的所有串联光伏电池的安全。图2-1带旁路二极管和阻塞二极管的光伏阵列Figure 2-1 Photovoltaic array with byp
48、ass diode and blocking diode理论上，为了避免热斑效应发生，应该在每块光伏电池旁并联一个二极管，但是使用大量的二极管也存在一定的缺点，不仅增加了发电成本，功率的损耗加大，而且当光伏电池阵列的电压较低时，并联二极管的反偏电压会对光伏阵列的工作电压造成很大影响。因此，一般只在一组光伏电池旁并联一个二极管来达到预防作用。2.3.3光伏阵列多峰模型上一节提到采用并联旁路二极管能有效消除光伏阵列热斑效应，但在局部阴影作用下，旁路二极管的开断状态使光伏阵列曲线出现多阶多峰的现象。为此，可提出适用于局部阴影条件下光伏阵列多峰模型。下面以两块光伏组件串联结构的光伏阵列为例，对受局部阴影情况下光伏阵列的输出进行研究。光伏阵列等效结构如图所示。图2-2 光伏组件串联的等效电路图Figure 2-2 Equivalent circuit diagram of photovoltaic modules in series假设两