太陽能光伏發(fā)電技術

1、太陽能光伏發(fā)電技術軟件工程 康南 171250554摘要：本篇論文分為四大部分：首先，介紹太陽能光伏發(fā)電技術發(fā)展的原因、背景；其次，介紹光伏發(fā)電的應用原理；然后解析光伏發(fā)電裝置的各個組成部分，并說明其作用；最后得出我們應大力發(fā)展、普及太陽能利用技術的結(jié)論以及參考文獻。1.背景太陽能的熱利用和光能利用是其兩個最重要的應用領域，之所以特別引人注目，是由太陽能的特殊性決定的。太陽能具有能量巨大，不會枯竭，清潔能源，不受地域限制等優(yōu)點。當太陽光照射到地球時，一部分光線被反射或散射，一部分光線被吸收，只有約70%的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達地球表面。到達地球表面的太陽光一部分被表面物體所吸收

2、，另一部分又被反射回大氣層。在地球大氣層之外，地球與太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射能基本上是一個常數(shù)。這輻射度稱為太陽常數(shù)，或者為大氣質(zhì)量（AM0）為零的輻射。其數(shù)值為1.3670.007KW/m2。太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射度為1367KW/m2。地球赤道周長喂為40000KM，從而可計算出，地球可獲得的能量可達173000TW。在海平面上的標準峰值強度為1KW/m2，地球表面某一點24的年平均輻射強度為0.20KW/m2,相當于有102000TW的能量。人類依賴這些能量維持生存。經(jīng)濟、資源、環(huán)保是困擾現(xiàn)代社會發(fā)展的三大問

3、題，簡稱為3E。要發(fā)展經(jīng)濟首先要有資源，約50萬年前人類發(fā)現(xiàn)了“火”，直到今日仍大量消耗化石燃料。隨工業(yè)化的推進和人口的增長，資源的消耗量日增，從而可預見若干年后的資源危機。除資源枯竭問題外，在化石燃料的使用過程中，環(huán)境保護也是個不容忽視的問題。環(huán)境問題是以全球變暖和酸雨為代表。 我國太陽能資源非常豐富，理論儲量每年17000億t標準煤。太陽能開發(fā)利用的潛力非常廣闊。我國光伏電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年增加。 我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50 x1018kJ，全國各地太陽年輻射總量達335837kJ/cm2a，中值為586kJ/cm

4、2a。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時間為3005.7h，相對日照為68%，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽總輻射為816kJ/cm2a，比全國其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻

5、射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時數(shù)僅為1152.2h，相對日照為26%，年平均晴天為24.7天，陰天達244.6天，年平均云量高達8.4。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。2.光伏發(fā)電原理當光照在半導體材料時，半導體材料的不同部位之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。1887年，德國物理學家赫茲發(fā)現(xiàn)，光照射到某些物質(zhì)上，會引起物質(zhì)向外發(fā)射電子。后來，這光致電變的現(xiàn)象被統(tǒng)稱為光電效應。 光電效應包括光電子發(fā)射、光電導效應和光生伏特效應。光照射在物體上，物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，也叫外

6、廣電效應。光照在物體上，物體的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導效應，物體產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，光電導效應和光生伏特效應發(fā)生在物體內(nèi)部，統(tǒng)稱為內(nèi)光電效應。光生伏特效應又包括勢壘效應、丹倍效應、光電磁效應和貝克勒效應等幾種形式。光伏電池是一種可將太陽能直接變換為電能的半導體光電器，可將太陽能按比例地變換成電能。光伏電池的變換效率為輸入太陽能與輸出電功率之比。 為正確定義光伏電池的效率，需附加若干條件，IEC（國際電工標準委員會）作如下規(guī)定：地面用光伏電池的額定效率需使用溫度25、光照強度為1kW/m2（或100mW/cm2）及符合IEC規(guī)定的空氣質(zhì)量標準的基準光下進行測定，統(tǒng)稱測試的

7、基本狀態(tài)。當太陽光（或其他光）照射到太陽能電池上，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子-空穴對。在電池的內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。如在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能。把上述太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能的工作原理可概括下面三個過程。第一，太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，稱為“光生載流子”，兩者的電性相反，電子帶負電，空穴帶正電；第二，電性相反的光生載流子被半導體p-n結(jié)所產(chǎn)生的靜電場分離開；第三，光生載流

8、子電子和空穴分別被太陽能電池的正、負極所收集，并在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設同期短的優(yōu)點。 光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器

9、三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件,所以,光伏發(fā)電設備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。理論上講,光伏發(fā)電技術可以用于任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。 國產(chǎn)晶體硅電池效率在10至13左右，國外同類產(chǎn)品效率約18至23。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活

10、生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源、通訊電源等，另外，還包括一些移動電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達國家已經(jīng)大面積推廣實施。我國并網(wǎng)發(fā)電還未起步，不過，2008年北京奧運會部分用電將會由太陽能發(fā)電和風力發(fā)電提供。3.光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用電負載的特點，可以分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等幾種。其主要區(qū)別是系統(tǒng)中是否帶有逆變器。一般來說，離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成。太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為2cm*2cm到

11、15cm*15cm不等。單體的工作電壓為0.450.5V，工作電流為2025mA/cm2，一般不能單獨作為電源使用。將電池單體進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，電池組件可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并裝在支架上，就成為太陽能方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率。防反充二極管又稱阻塞二極管。其作用是避免由于太陽能電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電時或出故障時，蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。它串聯(lián)在太陽能電池方陣的電路中，其單向?qū)ㄗ饔?。要求其能承受足夠大的電流，而且正向電壓降要小，反向飽和電流要小。一般可選合適的整流二極管。蓄電池組是貯存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的

12、電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)對所用的蓄電池組的要求是：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強；充電效率高；少維護或免維護；工作溫度范圍寬；價格低廉。目前我國與太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封免維護鉛酸蓄電池；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池?？刂破魇枪夥l(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。光伏電站的控制器一般應具有以下功能：信號檢測，檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)各種裝置和各個單元的狀況和參數(shù)，為對系統(tǒng)進行判斷、控制、保護等提供依據(jù)。需要檢測的物理量有輸入電壓、充電電流、輸出電壓、輸出電流以及蓄電池升

13、溫等。蓄電池最優(yōu)充電控制，控制器根據(jù)當前太陽能資源情況和蓄電池荷電狀態(tài)，確定最佳充電方式以實現(xiàn)高效、快速地充電，并充分考慮充電方式對蓄電池壽命的影響。蓄電池放電管理，對蓄電池放電過程進行管理，如負載控制自動關機、實現(xiàn)啟動、防止負載接入時蓄電池端電壓突降而導致的錯誤保護等。設備保護，光伏系統(tǒng)所連接的用電設備，在有些情況下需要控制器來保護，如系統(tǒng)中因逆變電路故障而出現(xiàn)的過電壓和負載短路而出現(xiàn)的過電流等，如不及時加以控制，就有可能導致光伏系統(tǒng)或用電設備損壞。故障診斷定位，當光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時，可自動檢測故障類型，指示故障位置，為對系統(tǒng)進行維護提供方便。運行狀態(tài)指示，通過指示燈、顯示器等方式指示光伏系

14、統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障信息。 光伏發(fā)電系統(tǒng)在控制器的管理下運行。控制器可以采用多種技術方式實現(xiàn)其控制功能。比較常見的有邏輯控制和計算機控制兩種。智能控制器多采用計算機控制方式。逆變器是將直流電變換為交流電的設備。由于太陽能電池方陣和蓄電池組發(fā)出的是直流電，當負載是交流電時，逆變器是不可缺少的。對逆變器的基本要求是：能輸出一個電壓穩(wěn)定的交流電。無論是輸入電壓出現(xiàn)的波動，還是負載發(fā)生變化，它都要達到一定的電壓穩(wěn)定精確度，靜態(tài)時一般為2%。能輸出一個頻率穩(wěn)定的交流電。要求該交流電能達到一定的頻率穩(wěn)定精確度，靜態(tài)時一般為0.5%。輸出的電壓及其頻率在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。一般輸出電壓可調(diào)范圍為5%，輸出頻率

15、可調(diào)范圍為2Hz。具有一定的過載能力，一般能過載125%150%。當過載150%時，應能持續(xù)30s；當過載125%時，應能持續(xù)1min及以上。輸出電壓波形含諧波成分應盡量小。一般輸出波形的失真率應控制在7%以內(nèi)。以利于縮小濾波器的體積。具有短路、過載、過熱、過電壓、欠電壓等保護功能和報警功能。啟動平穩(wěn)，啟動電流小，運行穩(wěn)定可靠。換流損失小，逆變功率高，一般在85%以上。具有快速的動態(tài)響應。 逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。逆變器按輸出波形又可分為

16、方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器，電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器，成本高，但可用于各種負載。對于小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，只要求進行見簡單的測量，如蓄電池電壓和充放電電流，測量所用的電壓表和電流表一般就裝在控制器上。對于太陽能通信電源系統(tǒng)、管道陰極保護系統(tǒng)等工業(yè)電源系統(tǒng)和中大型太陽能光伏電站，往往要求對更多的參數(shù)進行測量，如太陽輻射、環(huán)境氣溫、充放電電量等，有時甚至要求具有遠程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)打印和遙控功能，這就要求為太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機監(jiān)控系統(tǒng)。4.參考文獻1SRWenhamM.A.GreenM.E.WattR.Corkish譯作者狄大偉高兆利等：應用光伏學，上海交通大學出版社，2008年4月第1版。 2楊貴恒、強生澤、張穎超、鄧勇：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應用，化學工業(yè)出版社，2011年5月北京第1版。 3馮垛生、王飛：太陽能光伏發(fā)電技術圖解指南，人民郵電出版社，2011年5月第1版。 4羅玉峰、陳裕先、李玲：太陽能光伏