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1、第第4章章太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社2第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.1 太阳的辐射及太阳能利用太阳的辐射及太阳能利用 4.2 光伏发电原理与光伏发电原理与太阳能电池太阳能电池4.3 光伏发电系统的光伏发电系统的MPPT控制技术控制技术4.4 独立式光伏发电系统独立式光伏发电系统4.5 并网式光伏发电系统并网式光伏发电系统4.6 光伏发电的发展前景与经济技术评价光伏发电的发展前景与经济技术评价主要内容主要内容机械工业出版社3第第4章章 太阳能
2、、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术44.1太阳的辐射及太阳能利用太阳的辐射及太阳能利用 4.1.1太阳的辐射太阳的辐射 1.太阳的概况太阳的概况机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 是是太阳系的中心天体，离地球最近的恒星。太阳系的中心天体，离地球最近的恒星。直直径约为径约为1.39106 km，质量约为，质量约为2.2l027 t，为地球，为地球质量的质量的3.32105倍，体积则比地球大倍，体积则比地球大1.3106倍，平倍，平均密度为地球的均密度为地球的1/4；它的质量是整个太阳系的它的质量是整个太阳系的99.865%，主要组成气体：主
3、要组成气体：氢氢80%、氦氦19%，核心，核心为为氢聚合氦的核聚变反应活动氢聚合氦的核聚变反应活动。52.太阳的结构太阳的结构机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术从中心到边缘可分为从中心到边缘可分为：核反应区核反应区辐射区辐射区对流区对流区太阳大气太阳大气6地球绕太阳运行示意图地球绕太阳运行示意图 3.太阳活动太阳活动机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术7 太阳辐射是地球表层能量的主要来源。太阳辐射是地球表层能量的主要来源。太太阳阳对对地地面面辐辐射射的的时时空空变变化化特特点点是是：全全年年以以赤赤道道获获得
4、得的的辐辐射射最最多多，极极地地最最少少。这这种种热热量量不不均均匀匀分分布布，必必然然导导致致地地表表各各纬纬度度的的气气温温产产生生差差异异，在在地地球球表表面面出出现现热热带带、温温带带和和寒寒带带气气候候；太太阳阳辐辐射射夏夏天天大大冬天小，它导致冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低夏季温度高而冬季温度低。4.太阳的辐射太阳的辐射地区地区太阳日平均辐射强度太阳日平均辐射强度kWh/(m2d)W/m2 热带、沙漠热带、沙漠56210250温带温带35130210阳光较少地区（北欧、近极地）阳光较少地区（北欧、近极地）23 80130 不同地区太阳平均辐射强度不同地区太阳平均辐射强度机械工
5、业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术8太阳辐射到地球大气层太阳辐射到地球大气层上届的能量上届的能量为为173000TW，相当于，相当于500万万t标煤标煤/Sec，仅占其，仅占其总辐射量的总辐射量的22亿分之一亿分之一。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术地球上的能流（单位：地球上的能流（单位：106MW、即、即TW）94.1.2 太阳能的转换与利用太阳能的转换与利用机械工业出版社 太阳能必须太阳能必须即时转换即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，成其他形式能量才能贮存和利用，太阳太阳能的转换与利用包括了太阳能的能的
6、转换与利用包括了太阳能的采集、转换、储存、传输与采集、转换、储存、传输与利利用用等方面。等方面。广义的广义的太阳能包含范围极其广阔；太阳能包含范围极其广阔；狭义的仅限于太阳辐射狭义的仅限于太阳辐射产产生的光热、光电、光机、光化学的直接转换生的光热、光电、光机、光化学的直接转换。1.太阳能的光热采集太阳能的光热采集 平板集热器平板集热器 真空管集热器真空管集热器 聚光集热器聚光集热器第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术10机械工业出版社（1）太阳能）太阳能热能转换，并以热能形式贮存热能转换，并以热能形式贮存（2）太阳能）太阳能电能转换，并以电能形式贮存电能转换，并以电
7、能形式贮存（3）太阳能）太阳能氢能转换，并以氢能形式贮存氢能转换，并以氢能形式贮存（4）太阳能）太阳能生物质能转换，并贮存于生物生物质能转换，并贮存于生物 质质（5）太阳能机械能转换，并以机械）太阳能机械能转换，并以机械 能形式贮存能形式贮存第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术2.太阳能的转换太阳能的转换 11机械工业出版社（1）热能储存热能储存 1）显热储存，利用材料的显热储能）显热储存，利用材料的显热储能 2）潜热储能，）潜热储能，利用材料在相变的潜热储能利用材料在相变的潜热储能 3）化学储能，利用化学反应储热）化学储能，利用化学反应储热 4）塑晶储热塑晶储热，
8、利用，利用塑晶塑晶材料储能材料储能 5）太阳）太阳池储热池储热，利用，利用具有一定盐浓度梯度的盐水池具有一定盐浓度梯度的盐水池储能储能第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术3.太阳能的储存太阳能的储存 12机械工业出版社（2）电能储存电能储存 利用蓄电池、超级电容以及超导材料实现电能的储能。利用蓄电池、超级电容以及超导材料实现电能的储能。第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术（3）氢能储存氢能储存 利用气相、液相、固相或化合物形式利用气相、液相、固相或化合物形式将太阳能转换成将太阳能转换成氢能并实现储能氢能并实现储能。（4）机械能储存（飞轮磁
9、悬浮储能）机械能储存（飞轮磁悬浮储能）利用热力学原理将太阳能转换成为机械能并利用热力学原理将太阳能转换成为机械能并以飞轮的以飞轮的形式实现储能形式实现储能。其中：。其中：飞轮磁悬浮储能是一种先进的物飞轮磁悬浮储能是一种先进的物理储能方式。具有：功率大、容量大、效率高；动态特理储能方式。具有：功率大、容量大、效率高；动态特性好，响应速度快，可瞬间充放电；安全可靠、绿色环性好，响应速度快，可瞬间充放电；安全可靠、绿色环保、寿命长（不小于保、寿命长（不小于25年年)等优点。等优点。13机械工业出版社 应用光学原理，通过光的应用光学原理，通过光的反射和折射反射和折射进行进行直接传输直接传输，或者将太阳
10、能转换成或者将太阳能转换成其他形式的能量其他形式的能量进行进行间接传输间接传输。第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.太阳能的传输太阳能的传输5.太阳能的利用太阳能的利用 （1）太阳辐射的热能利用太阳辐射的热能利用 （2）太阳能光热利用太阳能光热利用 （3）太阳能热发电太阳能热发电 （4）太阳能综合利用太阳能综合利用 （5）太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术14机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术6.太阳能应用史太阳能应用史 太阳能综合利用技术得到前所未有的快速发展，大约经太阳能综合利用技术得到前所未有的快速发展，大约经
11、历了以下历了以下7个阶段：个阶段：第一阶段（第一阶段（19001920年）年）：研究重点是研究重点是太阳能动力装置太阳能动力装置，应用目的较，应用目的较明确，开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达明确，开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64 kW，但造价很高，但造价很高；第二阶段（第二阶段（19201945年）年）：研究处于低潮，参加人数和研究项目大为研究处于低潮，参加人数和研究项目大为减少，其原因与减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战有关，太阳有关，太阳能不能解决当时对大规模能
12、源的急需；能不能解决当时对大规模能源的急需；第三阶段（第三阶段（19451965年）年）：二战后的二战后的20年间出现了石油、天然气资源年间出现了石油、天然气资源的匮乏，从而再次推动了太阳能的研究与应用，成立了国际太阳能学术组织，的匮乏，从而再次推动了太阳能的研究与应用，成立了国际太阳能学术组织，重新兴起太阳能研究热潮重新兴起太阳能研究热潮；第四阶段（第四阶段（1965196519731973年）年）：太阳能光伏发电起步，但研究太阳能光伏发电起步，但研究工作停滞不前。主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段、工作停滞不前。主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段、尚不成熟，并且投资大、效果不理想、难以
13、与常规能源竞争，尚不成熟，并且投资大、效果不理想、难以与常规能源竞争，因而因而得不到公众、企业和政府的重视和支持得不到公众、企业和政府的重视和支持；第五阶段（第五阶段（1973197319801980年）年）：19731973年年1010月爆发中东战争，月爆发中东战争，欧欧派克采取石油减产、提价等办法，导致了世界范围的派克采取石油减产、提价等办法，导致了世界范围的“能源能源危机危机”（也称（也称“石油危机石油危机”）。使人们认识到：现有的能源）。使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡，从而使许结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡，从而使许多国家、尤其是工业发达
14、国家，重新加强了对太阳能及其他多国家、尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其他可再生能源技术发展的支持，在世界范围内可再生能源技术发展的支持，在世界范围内再次兴起了开发再次兴起了开发利用太阳能热潮；利用太阳能热潮；第六阶段（第六阶段（1980198019921992年）年）：太阳能利用进入太阳能利用进入8080年代又开年代又开始回落，逐渐进入低谷。主要原因是：始回落，逐渐进入低谷。主要原因是：原油价格大幅回落，原油价格大幅回落，而太阳能产品价格居高不下，技术没有重大突破，缺乏竞而太阳能产品价格居高不下，技术没有重大突破，缺乏竞争力；争力；太阳能提高效率和降低成本的目标没有实现；太阳能提高效
15、率和降低成本的目标没有实现；第七阶段（第七阶段（19921992今）今）：19921992年联合国在巴西召开年联合国在巴西召开“世界世界环境与发展大会环境与发展大会”，通过了，通过了里约热内卢环境与发展宣言里约热内卢环境与发展宣言等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一框架，确立等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一框架，确立了可持续发展的模式。了可持续发展的模式。19961996年，联合国在津巴布韦召开年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议世界太阳能高峰会议”，发表了，发表了哈拉雷太阳能与持续发哈拉雷太阳能与持续发展宣言展宣言 ，讨论了，讨论了世界太阳能世界太阳能1010年行动计划（年行
16、动计划（1996199620052005年）年）等重要文件，使太阳能研究与利用走出低谷，等重要文件，使太阳能研究与利用走出低谷，并逐渐得到加强。并逐渐得到加强。17太阳能应用（家庭）太阳能应用（家庭）机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术18机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术19太阳能应用（公共建筑）太阳能应用（公共建筑）机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术20机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术21太阳能发电幕墙太阳能发电幕墙
17、机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术22机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术太阳能供电的高层立体停车场太阳能供电的高层立体停车场23太阳能应用（光伏发电站）太阳能应用（光伏发电站）光伏发电站光伏发电站-1机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术24光伏发电站光伏发电站-2机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术25机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术光伏发电站光伏发电站-326机械工业出版社第第
18、4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术27太阳能应用（太阳能汽车）太阳能应用（太阳能汽车）机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术28机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术29机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术30其他太阳能应用（路灯、草坪灯、太阳帽等）其他太阳能应用（路灯、草坪灯、太阳帽等）机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术31机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术3
19、2机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术334.2 光伏发电原理与太阳电池光伏发电原理与太阳电池 光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳太阳能电池能电池（Solar Cell）将太阳将太阳的的光能直接转化为光能直接转化为电能。电能。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术344.2.1 太阳能光伏发电的原理太阳能光伏发电的原理 太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应（应（Photovoltaic Effect），将太阳辐射直接转，将太阳辐射直接
20、转换为电能。换为电能。所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。导体光伏效应的效率最高。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术35一般半导体硅材料的结构一般半导体硅材料的结构 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术36 P
21、型半导体型半导体机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术37N型半导体型半导体 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术38太阳能电池晶片太阳能电池晶片 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术39太阳能电池晶片受光的物理过程太阳能电池晶片受光的物理过程 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术404.2.2 太阳能电池的发展与分类太阳能电池的发展与分类 太阳能电池是由太阳能电池是由太阳能电池晶片太阳能电池晶片组成的光组成的光伏发电基本元件。伏
22、发电基本元件。目前目前主要有主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池膜电池等几种类型，单晶硅和多晶硅太阳能电等几种类型，单晶硅和多晶硅太阳能电池用量最大，非晶硅太阳能电池用于一些小系池用量最大，非晶硅太阳能电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。统和计算器辅助电源等。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术411.太阳能电池的发展史太阳能电池的发展史1839年法国物理学家年法国物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应为光伏效应；1877年年W.G.Adams和和R.E.Day研究
23、了硒的光伏效应，并制作了第研究了硒的光伏效应，并制作了第一片硒太阳电池；一片硒太阳电池；1921年爱因斯坦因解释了关于光电效应的理论而获得了诺贝尔年爱因斯坦因解释了关于光电效应的理论而获得了诺贝尔（Nobel）物理奖；）物理奖；1958年第一个光伏电池供电的卫星发射年第一个光伏电池供电的卫星发射；2000年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过287.7 MW；安装超过；安装超过1000 MW，标志太阳能时代的到来；，标志太阳能时代的到来；2004年我国太阳能电池产量达年我国太阳能电池产量达50 MW以上。以上。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与
24、控制技术422.太阳能电池的分类太阳能电池的分类太阳能电池主要有以下几种类型：太阳能电池主要有以下几种类型：（1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 （2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 （3）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 （4）其他形式太阳能电池）其他形式太阳能电池:CdTe/碲化镉碲化镉薄膜薄膜太阳能电池、太阳能电池、CIS/铜铟硒铜铟硒薄膜薄膜太阳能电池太阳能电池、有机薄膜有机薄膜太阳能电池太阳能电池等。等。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术43 其中其中Iph为光生电流为光生电流，ID为暗电流为暗电流，IL为光伏电池输为光伏电池输出的负载
25、电流出的负载电流，UOC为光伏电池的开路电压为光伏电池的开路电压，RL为负载为负载电阻，电阻，Rs为串联电阻为串联电阻，Rsh为旁路电阻为旁路电阻。光伏电池等效电路光伏电池等效电路机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.2.3光伏阵列与输出特性光伏阵列与输出特性1.光伏电池（光伏电池（Soler Cell）的电特性）的电特性44光伏电池等效电路中各变量关系光伏电池等效电路中各变量关系 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术45光伏电池的伏安特性光伏电池的伏安特性机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术
26、太阳能、光伏发电与控制技术2.光伏电池的伏安特性光伏电池的伏安特性（1）暗特性条件下的光）暗特性条件下的光 伏电池的伏安特性；伏电池的伏安特性；（2）明特性条件下的光）明特性条件下的光 伏电池的伏安特性伏电池的伏安特性46光伏电池光伏电池组件组件的伏安特性的伏安特性机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术3.光伏阵列（光伏阵列（Photovoltaic Array）及其输出特性及其输出特性47光伏电池串联后的伏安特性光伏电池串联后的伏安特性机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术3.光伏阵列（光伏阵列（Photovol
27、taic Array）及其输出特性及其输出特性48光伏电池并联后的伏安特性光伏电池并联后的伏安特性机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术49光伏阵列的输出负载特性光伏阵列的输出负载特性机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术50典型的光伏发电系统典型的光伏发电系统 1.太阳能太阳能光伏发电系统的构成光伏发电系统的构成机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.2.4 光伏发电系统的构成与分类光伏发电系统的构成与分类 51 太阳能太阳能光伏发电系统的构成光伏发电系统的构成（1）太阳
28、能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。是光伏发电的核心部件。（2）充放电控制器、逆变器）充放电控制器、逆变器 本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。换的电能经过
29、变换后可以供一般的用电设备使用。（3）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备 蓄电池或其他蓄能元件如超导、蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术522.光伏发电系统的分类光伏发电系统的分类（1）小型太阳能供电系统（）小型太阳能供电系统（Small DC System）该系统的特点
30、是系统中只有直流负载而且负载功率比较该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术53（2）简单直流系统（）简单直流系统（Simple DC System）该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使该
31、系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄没有蓄电池，也不需要控制器电池，也不需要控制器。整个系统。整个系统结构简单，直接使用太阳结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。水泵就使用了这种类型的光伏系统。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术54（3）大型太阳能供电系统（）大型太阳能供电系统（Large DC System）该系统的特点是系
32、统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站
33、等。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术55 该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。（4）交流、
34、直流供电系统（）交流、直流供电系统（ACDC System）机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术56（5）并网系统（）并网系统（Utility Grid Connect System）这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（器（DC-AC）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需
35、是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术57（6）混合供电系统（混合供电系统（
36、Hybrid System）混合供电系统中，除了太阳能光伏发电系统将太阳能电池混合供电系统中，除了太阳能光伏发电系统将太阳能电池阵列所转换的电能经过变换后供用电负载使用外，还使用了燃阵列所转换的电能经过变换后供用电负载使用外，还使用了燃油发电机或燃气发电机作为备用电源。这种系统综合利用各种油发电机或燃气发电机作为备用电源。这种系统综合利用各种发电技术的优点，互相弥补各自的不足，而使整个系统的可靠发电技术的优点，互相弥补各自的不足，而使整个系统的可靠性得以提高，能够满足负载各种需要，并且具有较高的灵活性性得以提高，能够满足负载各种需要，并且具有较高的灵活性。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏
37、发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术58（7）并网）并网混合供电系统（混合供电系统（Hybrid Grid Connect System）在在混合供电系统增加并网逆变器，实现混合发电并网供电混合供电系统增加并网逆变器，实现混合发电并网供电系统。这种系统通常将控制器与逆变器集成在一起，采用微电系统。这种系统通常将控制器与逆变器集成在一起，采用微电脑进行全面协调控制，综合利用各种能源，可以进一步提高系脑进行全面协调控制，综合利用各种能源，可以进一步提高系统的负载供电保障率统的负载供电保障率。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术594.3 光伏发电系统的
38、光伏发电系统的MPPT控制技术控制技术1.光伏电池的最大功率点光伏电池的最大功率点不同光照强度下光伏电池的伏安特性不同光照强度下光伏电池的伏安特性 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术60光照强度不变的光照强度不变的光伏电池光伏电池P-V特性曲线特性曲线 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术61不同温度下光伏电池不同温度下光伏电池I-V、P-V特性曲线特性曲线(光照恒定光照恒定)机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术622.最大功率点跟踪算法最大功率点跟踪算法机械工业出版
39、社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池（大，也就是让光伏电池（Solar Cell）工作在最大功率点，）工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率从而提高光伏电池的转换效率。最大功率点跟踪控制（最大功率点跟踪控制（Maximum Power Point TrackingMPPT）是实时检测光伏阵列的输出功率，采用是实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作状态下光伏阵列可能的最大一定的控制算法预测当前工作状态下光伏阵列可能的最大功率
40、输出，功率输出，通过改变当前的阻抗通过改变当前的阻抗特性特性来满足最大功率输出来满足最大功率输出的要求，使光伏系统可以运行于最佳工作状态。的要求，使光伏系统可以运行于最佳工作状态。63机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 MPPT的实现是一个动态自寻优过程的实现是一个动态自寻优过程，通过对光伏阵列当，通过对光伏阵列当前的输出电压和电流的检测，得到当前阵列的输出功率，前的输出电压和电流的检测，得到当前阵列的输出功率，与已被存储的前一时刻功率进行比较，舍小存大、再检测、与已被存储的前一时刻功率进行比较，舍小存大、再检测、再比较，如此周而复始。再比较，如此周
41、而复始。（1）固定电压跟踪法）固定电压跟踪法（2）扰动观察法）扰动观察法（3）电导增量法）电导增量法（4）功率回授法）功率回授法（5）模糊逻辑控制）模糊逻辑控制（6）滞环比较法）滞环比较法（7）神经元网络控制法）神经元网络控制法（8）最优梯度法）最优梯度法 常用最大功率点跟踪算法：常用最大功率点跟踪算法：64机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术固定电压跟踪法（固定电压跟踪法（CVT）实现）实现MPPT的过程的过程 65机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术扰动观察法实现扰动观察法实现MPPT的过程的过程 66机械
42、工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术在在J-d两点的扰动观察法两点的扰动观察法MPPT控制算法控制流程控制算法控制流程 67机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术增量电导法增量电导法的的MPPT控制算法控制策略与流程控制算法控制策略与流程 整理后得到整理后得到MPPT的条件的条件 MPPT获取条件由：获取条件由：代入代入 P=UI得：得：68机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术采用模糊逻辑方法进行采用模糊逻辑方法进行光伏阵列光伏阵列MPPT控制算法控制流程控制算法控制流程 6
43、93.其它提高输出功率的方法其它提高输出功率的方法机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 由于地球的自转使太阳光入射光伏阵列的角度时刻在变由于地球的自转使太阳光入射光伏阵列的角度时刻在变化，使得光伏阵列吸收太阳辐射受到很大的影响，进而影化，使得光伏阵列吸收太阳辐射受到很大的影响，进而影响到光伏阵列的发电能力。响到光伏阵列的发电能力。光伏阵列的放置形式有光伏阵列的放置形式有固定安固定安装式装式和和自动跟踪式自动跟踪式两种形式，自动跟踪装置包括两种形式，自动跟踪装置包括单轴跟踪单轴跟踪系统系统和和双轴跟踪系统双轴跟踪系统。单轴跟踪可分为单轴跟踪可分为东西水平
44、轴跟踪东西水平轴跟踪、南北水平轴跟踪南北水平轴跟踪和和极极轴跟踪轴跟踪3种；双轴跟踪可分为种；双轴跟踪可分为方位方位轴跟踪轴跟踪和和高度高度轴跟踪轴跟踪两两种。对聚焦精度要求不高的平板光伏阵列和弧线型聚焦的种。对聚焦精度要求不高的平板光伏阵列和弧线型聚焦的聚光器可采用控制系统相对简单的单轴跟踪，而对点型聚聚光器可采用控制系统相对简单的单轴跟踪，而对点型聚焦的聚光器则应采用双轴跟踪。焦的聚光器则应采用双轴跟踪。1）太阳光跟踪系统）太阳光跟踪系统70太阳光双轴自动跟踪系统太阳光双轴自动跟踪系统机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术光照跟踪系统工作原理示意图光
45、照跟踪系统工作原理示意图 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术71步进电机驱动的光伏阵列光照度跟踪系统步进电机驱动的光伏阵列光照度跟踪系统机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术72太阳光单轴跟踪设备实物图太阳光单轴跟踪设备实物图 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术73太阳光双轴跟踪设备实物图太阳光双轴跟踪设备实物图 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术742）光伏阵列跟踪系统及聚光原理应用）光伏阵列跟踪系统及聚光原理应用 折射式
46、聚光器主要是折射式聚光器主要是菲涅耳菲涅耳透镜，聚光倍数可达到数倍数十倍以上。透镜，聚光倍数可达到数倍数十倍以上。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术754.太阳能电池板温度控制器的总体控制方案太阳能电池板温度控制器的总体控制方案 温度控制方案流程图温度控制方案流程图 太阳能电池板有一定的工作温度，一般在太阳能电池板有一定的工作温度，一般在-4085，超过或低于这个区间的话，电池的发电，超过或低于这个区间的话，电池的发电效率就要随温度的升高或降低而大大下降。效率就要随温度的升高或降低而大大下降。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能
47、、光伏发电与控制技术76774.3.3 光伏电池最大功率点的仿真与实现光伏电池最大功率点的仿真与实现机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏电池的输入输出特性受外界环境影响，而且总会存光伏电池的输入输出特性受外界环境影响，而且总会存在一个最大功率点，对应最大功率点电压及最大功率点电在一个最大功率点，对应最大功率点电压及最大功率点电流。流。光伏发电系统中，实现最大功率点跟踪功能是在光伏发电系统中，实现最大功率点跟踪功能是在DC/DC级级。把该级作为光伏电池的负载，。把该级作为光伏电池的负载，利用利用Boost升压升压电路电路来实现来实现光伏电池光伏电池
48、与与负载电阻负载电阻的的匹配匹配来实现来实现电压的调节电压的调节，主要是靠主要是靠改变占空比改变占空比来实现的这种方法结构简单，易于实来实现的这种方法结构简单，易于实现，而且效率高，被广泛采用。现，而且效率高，被广泛采用。其其实质实质是是使光伏电池与后级的动态负载相匹配当外界使光伏电池与后级的动态负载相匹配当外界环境发生变化时，不断调整开关管的占空比，实现光伏电环境发生变化时，不断调整开关管的占空比，实现光伏电池与负载的最佳匹配，获得光伏电池的最大功率输出。池与负载的最佳匹配，获得光伏电池的最大功率输出。1）Boost电路实现电路实现MPPT仿真原理仿真原理78机械工业出版社第第4章章 太阳能
49、、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 Boost转换电路的输出电比输入电压高，属于转换电路的输出电比输入电压高，属于升压电路升压电路，它是由它是由储能电感储能电感、功率元件功率元件、二极管二极管以及以及滤波电容滤波电容等元件等元件组成。组成。1）Boost电路实现电路实现MPPT仿真原理仿真原理Boost 转换电路转换电路79机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 功率管功率管Q截止截止功率管功率管Q导通导通80机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 当当BoostBoost电路输出负载为电路输出负载为纯
50、电阻纯电阻时，如果转换电路的效率时，如果转换电路的效率为为100%100%，则则电路的输入输出功率相等，在电路的输入输出功率相等，在忽略忽略BoostBoost电路自电路自身电感及电阻的情况下身电感及电阻的情况下，电路的，电路的等效输入阻抗等效输入阻抗可以用公式可以用公式表示为：表示为：R R 是电路的是电路的等效输入阻抗等效输入阻抗，D D为是为是开关的占空比开关的占空比，R RL L是是负载负载阻抗。阻抗。1）Boost电路实现电路实现MPPT仿真原理仿真原理81机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术2）光伏电池）光伏电池MPPT原理仿真模型原理仿真