太阳能与建筑应用发展探讨

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经济的快速发展，房屋建筑的不断增多，人们对电能的需求越来越大。传统能源已不是长久之计，积极开发利用新能源应是国家能源利用的首要任务。在报告中也提出了“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”的要求。建筑能耗在能源消费中占相当大的比重，在发达国家已占到能源消费总量的35%~45%，在我国也已经占到能源消费总量的25%以上。因此在我国的建筑领域中，推广应用太阳能等新能源，可以代替或尽可能减少传统能源的消耗，现以太阳能为对象展开研究。

一、太阳能在建筑中的应用方法

（一）太阳能光伏发电原理[1]

“光生伏特效应”是光伏电池的工作原理。即当阳光照射太阳能板时，内部产生电子-空穴对，电子流向N区，空穴流向P形成电场，在P-N结的两端形成电压。当用导线将太阳能电池的正负极连接时，在外电路中就会有电流流通。

（二）太阳能光伏发电系统的检测

太阳能光伏发电系统[2][3]有两种，包括独立式光伏发电和并网式光伏发电。由于并网式光伏发电包含独立式光伏发电，因此下面只对并网式发电做分析研究。

（三）对发电系统检测与控制需求分析

发电系统检测准备：a）在室外装设光照强度传感器，监测室外光照强度b）在电池板上装设温度传感器，监测太阳能光伏方阵表面温度；c）在电池板输出端装设电流、电压传感器，监测太阳能光伏方阵输出电流、电压;d）对逆变器输出端的电压、电流检测；控制计量需求分析准备：a）对室外温度和光照强度实时计量；b）对太阳能电池方阵输出电流、电压和逆变器输出电流电压的计量；通过将实时采集的太阳能电池方阵的输出电压和电流值传给DDC接收器，DDC接收器对接收的数据进行分析得出一定规律，然后对系统控制做进一步优化。通过检测计量可以对电池板的最大输出功率点[4][5][6]进行追踪以及对各环节进行保护。运用MATLAB软件对MPPT控制[7]模型进行仿真。通过MPPT算法控制使输出功率最大。目前用于最大功率跟踪的方法有间歇扫描法、扰动观察法、改进扰动法、电导增量法和恒压法，而改进扰动法[8]是模块化控制回路，跟踪法简明，容易实现。其原理是对输出电压值进行扰动，若测其功率比之前大则扰动正确可继续朝该方向进行扰动，反之，扰动错误应朝反方向扰动。

（四）并网式发电系统控制

由于光伏电池产生的电能是直流电，而电网中的电流是频率为交流电。因此，若想将剩余电能传输到电网上就必须加上逆变器使电流变成与电网同频同相交流电。对于逆变器的选择，在单相中由电力电子技术可知电压型单相全桥逆变电路是当今市场最常用的一种，其使用简单、使用器件少、负载能力强。在并网控制中采用双闭环控制的方法，运用MATLAB软件中的simulink对双闭环控制模型进行仿真。

二、太阳能在建筑中的应用方法

（一）MPPT仿真结果

模型中的两个零阶保持器的采样时间都为0.0001s，占空比每次改变0.001s。在温度28℃、光强由1000W/2m降至700W/2m下，可以看到输出电压从1000W降到800W，在光强为1000W/m2时，温度从30℃降到25℃输出电流基本不变，而电压从100V升至104V，功率也因温度下降而上升。可以看出输出功率会稳定在某一个值的附近。因此可见改进扰动法的MPPT控制模型可以很好的用在最大功率跟踪上面，使太阳能电池高效发电。

（二）并网式发电系统控制仿真结果

在该仿真模型中，逆变器为工具箱中自带的全桥逆变电路，电容为2200μF，电容给定电压为350V，电感为10mH开关器件为IGBT，滞环比较器的上限为0.1-0.09，下限为0.09-0.1，并采用幅值为1与电网电压同频同相的正弦信号作为电流环给定电流的同步信号。同样在温度28℃、光强1000W/2m下进行仿真。仿真结果可以看出在0.06s往后电网电压的波形与并网电压的波形基本相似，也就是说可以保持同频同相，从而实现并网式发电系统的控制。

三、结论

（1）通过仿真的结果可知，在最大功率跟踪控制上可以较好的找到最大功率点，该方法简单容易实现（2）并网控制中方法具有简单、快速、准确等优点，得到电流幅相与电网基本相同。（3）本文也只进行了初步的仿真分析，选择的参数和条件都是比较理想的，还需要在实际中做进一步研究验证。

参考文献：

[1]冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.3-5

[2]周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究[D].合肥工业大学博士学位论文.2005，3.

[4]赵宏，潘俊民.基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统.电力电子技术，2004，38（3）：55~57

[5]雷元超，陈春根．光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究．电工电能新技术，2004，23（3）：76~80

[6]吴理博，赵争鸣，刘建政等．单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究．中国电机工程学报，2006，26（6）：73~77

[7]崔岩，蔡炳煌，李大勇等．太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究．太阳能学报，2006，27（6），535~539

[8]张超，何湘宁．短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用．中国电机工程学报，2006，26（20）：98~102

作者简介：

1.曹振江，工作单位：山东科技大学，年龄：21，性别：男。民族：汉，学历：本科，职称：学生。职务：生活宿管委员。

2，王清玉，工作单位：山东科技大学DOI:10.19474/j.cnki.10-1156/f.006997