太陽能與建筑應用發展探討

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經濟的快速發展，房屋建筑的不斷增多，人們對電能的需求越來越大。傳統能源已不是長久之計，積極開發利用新能源應是國家能源利用的首要任務。在報告中也提出了“推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系”的要求。建筑能耗在能源消費中占相當大的比重，在發達國家已占到能源消費總量的35%~45%，在我國也已經占到能源消費總量的25%以上。因此在我國的建筑領域中，推廣應用太陽能等新能源，可以代替或盡可能減少傳統能源的消耗，現以太陽能為對象展開研究。

一、太陽能在建筑中的應用方法

（一）太陽能光伏發電原理[1]

“光生伏特效應”是光伏電池的工作原理。即當陽光照射太陽能板時，內部產生電子-空穴對，電子流向N區，空穴流向P形成電場，在P-N結的兩端形成電壓。當用導線將太陽能電池的正負極連接時，在外電路中就會有電流流通。

（二）太陽能光伏發電系統的檢測

太陽能光伏發電系統[2][3]有兩種，包括獨立式光伏發電和并網式光伏發電。由于并網式光伏發電包含獨立式光伏發電，因此下面只對并網式發電做分析研究。

（三）對發電系統檢測與控制需求分析

發電系統檢測準備：a）在室外裝設光照強度傳感器，監測室外光照強度b）在電池板上裝設溫度傳感器，監測太陽能光伏方陣表面溫度；c）在電池板輸出端裝設電流、電壓傳感器，監測太陽能光伏方陣輸出電流、電壓;d）對逆變器輸出端的電壓、電流檢測；控制計量需求分析準備：a）對室外溫度和光照強度實時計量；b）對太陽能電池方陣輸出電流、電壓和逆變器輸出電流電壓的計量；通過將實時采集的太陽能電池方陣的輸出電壓和電流值傳給DDC接收器，DDC接收器對接收的數據進行分析得出一定規律，然后對系統控制做進一步優化。通過檢測計量可以對電池板的最大輸出功率點[4][5][6]進行追蹤以及對各環節進行保護。運用MATLAB軟件對MPPT控制[7]模型進行仿真。通過MPPT算法控制使輸出功率最大。目前用于最大功率跟蹤的方法有間歇掃描法、擾動觀察法、改進擾動法、電導增量法和恒壓法，而改進擾動法[8]是模塊化控制回路，跟蹤法簡明，容易實現。其原理是對輸出電壓值進行擾動，若測其功率比之前大則擾動正確可繼續朝該方向進行擾動，反之，擾動錯誤應朝反方向擾動。

（四）并網式發電系統控制

由于光伏電池產生的電能是直流電，而電網中的電流是頻率為交流電。因此，若想將剩余電能傳輸到電網上就必須加上逆變器使電流變成與電網同頻同相交流電。對于逆變器的選擇，在單相中由電力電子技術可知電壓型單相全橋逆變電路是當今市場最常用的一種，其使用簡單、使用器件少、負載能力強。在并網控制中采用雙閉環控制的方法，運用MATLAB軟件中的simulink對雙閉環控制模型進行仿真。

二、太陽能在建筑中的應用方法

（一）MPPT仿真結果

模型中的兩個零階保持器的采樣時間都為0.0001s，占空比每次改變0.001s。在溫度28℃、光強由1000W/2m降至700W/2m下，可以看到輸出電壓從1000W降到800W，在光強為1000W/m2時，溫度從30℃降到25℃輸出電流基本不變，而電壓從100V升至104V，功率也因溫度下降而上升。可以看出輸出功率會穩定在某一個值的附近。因此可見改進擾動法的MPPT控制模型可以很好的用在最大功率跟蹤上面，使太陽能電池高效發電。

（二）并網式發電系統控制仿真結果

在該仿真模型中，逆變器為工具箱中自帶的全橋逆變電路，電容為2200μF，電容給定電壓為350V，電感為10mH開關器件為IGBT，滯環比較器的上限為0.1-0.09，下限為0.09-0.1，并采用幅值為1與電網電壓同頻同相的正弦信號作為電流環給定電流的同步信號。同樣在溫度28℃、光強1000W/2m下進行仿真。仿真結果可以看出在0.06s往后電網電壓的波形與并網電壓的波形基本相似，也就是說可以保持同頻同相，從而實現并網式發電系統的控制。

三、結論

（1）通過仿真的結果可知，在最大功率跟蹤控制上可以較好的找到最大功率點，該方法簡單容易實現（2）并網控制中方法具有簡單、快速、準確等優點，得到電流幅相與電網基本相同。（3）本文也只進行了初步的仿真分析，選擇的參數和條件都是比較理想的，還需要在實際中做進一步研究驗證。

參考文獻：

[1]馮垛生.太陽能發電原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.3-5

[2]周志敏，紀愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]鄭詩程.光伏發電系統及其控制的研究[D].合肥工業大學博士學位論文.2005，3.

[4]趙宏，潘俊民.基于Boost電路的光伏電池最大功率點跟蹤系統.電力電子技術，2004，38（3）：55~57

[5]雷元超，陳春根．光伏電源最大功率點跟蹤控制方法研究．電工電能新技術，2004，23（3）：76~80

[6]吳理博，趙爭鳴，劉建政等．單級式光伏并網逆變系統中的最大功率點跟蹤算法穩定性研究．中國電機工程學報，2006，26（6）：73~77

[7]崔巖，蔡炳煌，李大勇等．太陽能光伏系統MPPT控制算法的對比研究．太陽能學報，2006，27（6），535~539

[8]張超，何湘寧．短路電流結合擾動觀察法在光伏發電最大功率點跟蹤控制中的應用．中國電機工程學報，2006，26（20）：98~102

作者簡介：

1.曹振江，工作單位：山東科技大學，年齡：21，性別：男。民族：漢，學歷：本科，職稱：學生。職務：生活宿管委員。

2，王清玉，工作單位：山東科技大學DOI:10.19474/j.cnki.10-1156/f.006997