光伏发电系统设计方案.docx

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光伏发电系统设计方案

光伏发电系统设计方案

一.光伏发电系统背景

1.1介绍

工业革命以来,能源逐渐成为人类生存和现代社会发展的最重要基石。

石油、煤炭是目前人类使用最广泛的能源,而其均为不可再生资源,它们在燃烧的过程中产生了大量二氧化碳、二氧化硫等污染气体,导致全球气温升高,温室效应愈来愈显著,冰川溶解加速。

而硫化物引起的酸雨问题亦更加突出,森林遭到破坏。

而且,石油与煤炭随着开采量的加大,能源枯竭只会提前到来。

一系列世界性的环境气候问题和能源短缺给人类文明带来了前所未有的危机。

因此,要解决社会可持续发展与能源、环境的矛盾,人类必须加快清洁、安全的新能源和可再生能源开发的步伐,以逐步替代传统能源。

在众多新型能源中,太阳能无疑是极具魅力的。

它的能量来源堪称无限,太阳每秒向外放射的能量高达3.865×J,其中到达地球的也有1.765×J之多,相当于6×吨标准煤。

太阳能转换形式多样,主要包括下列三种利用方式：

<1>光热转化。

将辐射能搜集起来,与其他物质作用转化为热能加以利用。

<2>光电转化。

有两种光电转化方式。

一种是先将光辐射能转化为热能,对水加热产生蒸汽,再利用高压蒸汽推动汽轮机,带动发电机发电。

能量转化过程为,先是光热转换,再是热电转换。

另外一种是直接的光电转换。

利用光生伏打效应,太阳能电池接收光能直接输出电能。

<3>生物质转化。

利用植物的光合作用,将太阳能转化为生物质。

目前应用最为广泛的太阳能开发方式是光伏太阳能技术。

太阳能电池接收光照,在部直接产生电势差,对外输出电流,将光能转变为电能。

太阳能有诸多的优点。

相对于传统化石燃料,太阳能电池工作时几乎不产生二氧化碳、硫化物、氮氧化物等污染物。

不会导致温室效应与酸雨。

太阳能的来源广泛,只要有的地方就能够进行太阳能的开采与利用。

太阳能属于可再生资源,太阳的存在时间对于人类几乎是永久的,因此可以认为太阳能永不枯竭。

1997年6月26日,美国在纽约联合国环境与发展问题特别会议上公布了美国百万太阳能屋顶计划〔MSRI。

其宣告：

"现在我们将与企业和社区共同努力,到2010年在美国超过100万个屋顶上安装太阳能电池板,通过利用太阳能,减少对化石燃料的依赖。

捕获太阳的热能,帮助我们降低地球温度。

"

1997年,公共部门还很少关注能源问题,有关全球变暖问题的讨论甚至更少。

在12年后本章即将出版的今天,这两个议题都得到了极大的关注。

到2007年底,估计美国各地已安装超过60万套太阳能系统,美国加利福尼亚州还退出了自己的百万太阳能屋顶计划。

这60万套系统包裹光伏发电、太阳能热水、太阳能游泳池加热系统。

但是太阳能的安装利用不仅限于美国,德国在太阳能和风能系统安装方面世界领先,日本、西班牙和许多其他国家也在积极实施可再生能源项目。

如今越来越多的国家采用了可再生能源组合标准〔RPS,即设定到某一特定日期可再生能源店里在电能供应结构中的比例目标。

这些目标需要工程师们去实现,并要求工程师们理解光伏系统做出明智的系统设计方案。

可再生能源组合标准与精心设计的激励方案相互配合,在推动太阳能技术部署方面的时序效果将延续到2010年以后。

事实上,MSRI有可能扩大到1亿太阳能屋顶计划,从而满足后代的可持续能源需求。

1.2人口与能源需求

地球人口目前已超过67亿,这些居民都需要能源来维持其生活所需。

究竟多少能源、什么能源才能满足这些需求呢？

这正是当代人以及后代人必须解决的问题。

然而,可以肯定发展中国家将试图显著提高人均能源消耗。

例如,1997年中国平均每周建设300MW发电厂。

这些发电厂曾洁采用相对便宜的、旧的、效率较低的燃煤发电技术,并且供电终端以利用效率较低的用户为主。

持续增加化石燃料的使用,其潜在后果是十分深远的。

在开始学习光伏发电系统这一极具前景的未来能源的细节之前,了解当前的能源技术与经济格局是有益的,这使读者能够更好地评估工程师在地球迈向未来可持续能源供给的过程中所要做的贡献。

1.3能量单位

能量度量有多种方式,包括卡〔cal、英热单位〔Btu、夸德〔quad、英尺·磅〔ft·lb和千瓦时〔kW·h。

以下为基于地球系统大约27℃条件下的这些量的定义：

1卡〔cal是将1mL水的温度升高1℃所需要的热量。

1英热单位〔Btu是将1lb水的温度升高1℉所需要的热量。

1夸德〔quad是1000万亿〔Btu。

1英尺·磅〔ft·lb是将1lb物体升高1ft所需要的能量。

1千瓦时〔kW·h是1kW功率运行1h所需要的能量。

根据这些定义,可得出以下换算公式：

1Btu=252cal

1kW·h=3413Btu=2655000ft·lb

1ft·lb=0.001285Btu

1quad=Btu=2.930×kW·h

1.4当前世界能源使用模式

全球一次能源年消费量为397.40quad。

发达国家耗能约为75％,而发展中国家还有近20亿人口没有电力,这些国家大多数在热带地区。

2005年,全球一次能源消费量增长到462quad,仍有20亿人口没有电力。

市场作用力和市场反应之间存在时间延迟。

注意,1973年石油禁运以后,石油产量持续上升,此后20世纪70年代和80年代初石油价格明显上涨。

在这段时期,高昂的石油价格推动了能源效率的立法,例如美国国家能源储备和政策法案、建筑施工能源效率规程和增加车辆行驶里程的要求。

消费者也通过减少恒温器、安装保温层以及采取其他能量储存措施予以响应,降低能源使用量。

其结果是在20世纪80年代中期,由于需求量减少,石油产量也随之降低。

在同一时期,由于用电效率提高,取消了核电厂的建设,使核电增长速度明显放缓。

由于发展中国家正在争取与发达国家平等的能源权益,世界面临着巨大的能源需求挑战。

请注意,能源权益是实现较高生活标准的一个条件。

然而实现较高的生活标准需要付出代价,这不仅仅包括货币债务,如果以最廉价、成本第一的方式追逐能源权益,则存在着环境明显退化的潜在影响。

遗憾的是,这种情景极有可能出现,东欧和亚洲等地区已经按着这种方式发展。

事实上,采用最低成本的能源方式,更可能导致较高的人均能耗,单挺尸产生不宜呼吸的空气和不宜饮用的水,反而有可能使生活水平下降。

北美人口略超过世界人口的5％,消耗了世界能源的26%;而中国和印度几乎占世界人口的1/3,只消耗了世界能源的18%。

人均国民生产总值与人均千瓦数比值最高的国家与低值国家相比,已经发展成为更高能源效率的经济体。

一些国家已经从制造业为主的经济体转变为信息产业为主的经济体,用于制造业的能源仅占较小比例。

处于低端的国家往往去想使用更多手工劳动力的农业,或使用底薪工人和低成本能源的制造业。

由于发展中国家利用廉价担但有污染的当地能源来提高其制造能力,这有可能迫使发达国家放松污染控制标准,从而保持对发展中国的产品竞争力。

在自由贸易协定的反对意见中,有一部分是基于环境问的担忧,因为该协与禁止任何国家队实时地环境标准的国家生产的货物征收进口关税。

因此,发达国家面临想发展中国家输出能源效率的挑战。

事实上,当初美国拒绝签署关于温室气体减排的京都协定书的观点之一就是,它没有要求发展中国家采取同等的温室气体排放限制。

光伏能源非常清洁,但是在大多数情况下,与化石能源发电的初装机直接成本相比,当前光伏的使用成本还没有竞争力。

这意味着消费者必须熟悉全生命周期成本,工程是必须能够创造最有成本一一效益优势的光伏解决方案。

这也意味着为了确保持续降低光伏发电价格,还必须完成大量的研究和开发工作。

它还意味着必须努力为能源引起的环境退化也贴上价格标签,从而使这项代价能够计入任何能源社会的总成本当中。

最后,由于对石油价格控制和禁运的担忧,火力发电的原料从石油转换为煤炭和天然气。

其中"可再生能源"包括水电、风能、生物质能、地热和光伏等能源。

1.5净能、英热单位经济和可持续性试验

简而言之,一种能源的净能是指从该资源所获取能量和获取并转换它所需能量两者之间的差值。

例如,为了能够燃烧一桶石油,需要勘探、开采、输送、精炼,以及建设燃烧设施。

然后,必须将成品油输送到燃烧

地点,而且在石油燃烧后,还需要修复开采、输送、精炼和燃烧所造成的一切环境损害。

所有这些步骤都需要能量。

最后,如果为了获得并转换一桶石油,消耗能量超过了一桶石油等值的能量,那么人们就应该认真思考是否首先选择燃烧石油。

某些情况下,消耗能量去获得某种资源是有意义的。

举例而言,假如发现了石油的另一用途,譬如为癌症治疗提供一种主要化学物质。

那么消耗一定能量去获得该资源而不是石油,即使所耗能量可能超过石油自身的能量,但为了比石油更重要的通途也是有意义的。

另一种情况是使用低等级或低品质的能源形势去生成更高等级或更高品质的能源形势。

有时候,这种做法能够使能源利用更有价值。

例如,燃煤发电需要3单位煤炭能产生1单位电能。

然而,在发明直接用煤炭驱动电视机的技术以前,这种低效率的煤炭转化为电能的过程很可能会继续下去,尽管燃煤的环境问题尽人皆知。

"净能"概念是1976年由奥德姆引入的。

他们将净能的概念纳入一种经济学的新标准,认为这比金本位制更有意义,并称其为英热单位标准。

英热单位标准认为任何事物都有能量涵。

亨德森撰写了大量关于英热单位经济概念的书籍。

这里鼓励读者在学期中间阅读奥德姆和亨德森的文献,并进行启发性的讨论,如何实现经济系统向能源本位的转变。

对一种能源可持续性的测试包括两个因素:

第一个因素是资源是否有限。

有限资源一般称为不可再生,而无线资源称为可再生。

第二个因素是资源是否具有正净能。

也就是说,如果消耗能量去生产该资源,该资源能够发出比生产能耗更多的能量吗？

一种资源能够产生比生成该资源更多的能量,这个想法可能看似不符合热力学第二定律。

然而,如果我们使用一个非常巨大的储能库里的能源,用作待转化的能量来源,那么能源就变得几乎无限。

太阳估计还将存在40亿年,这种情况下我们就拥有了一个这样的储能库。

因此,举例而言,如果光伏电池在生命周期所产生的电能多于再生产、应用及销毁过程中所耗能量,包括环境能量成本,那么可以认为光伏电池具有正净能。

1.6光伏实现的向电力直接转换

1839年,贝克勒尔在观测照片电流效应时首次发现太能够直接转换成电力。

然后,1876年亚当斯和Day发现硒具有光伏特性。

1900年,普朗克提出了光的量子特性,这为其他科学家建立该理论打开一扇大门。

1930年,威尔逊提出了固体量子理论,在光子和固体属性之间建立了理论联系。

10年后莫特和肖特基发展出固定二极管理论,1949年巴丁、布拉坦和肖克利发明了双极型晶体管。

理所当然,这项发明彻底改变了固态器件世界。

然后,1954年查平、富勒和皮尔逊开发出第一块太阳电池,效率6%。

仅仅四年后,第一块太阳电池用在先锋者1号轨道卫星上。

有人可能会奇怪,为什么经过这么长时间才开发出光伏电池。

答案在于难度,为了获得合理水平的电池效率,需要制作出足够忖度的材料。

在双极晶体管出现以及空间项目来临之前,没有什么原动力让人们关注高纯度半导体材料的制备。

煤炭和石油满足了世界对电力的需求,真空管也满足了电子工业的需要,然而,由于在空间应用中真空管和常规能源是不切实际的,固态技术才获得了立足之地。

光伏电池有半导体材料制成,36狂电池或更多电池装配成一块组件,在过去50年里,产业已经从双极型晶体管发展到包含数百万晶体管的集成电路,同时也促进了光伏电池的开发,这种观点十分重要。

初始成本的减少很大程度上是由于光伏电池制造方面的持续改进。

目前,制约因素是光伏电池能量成本以及世界围的精炼硅短缺。

因此,未来挑战将是降低太阳电池生产过程的能量,同时保持或提高太阳电池性能、效率和可靠性。

另一项重要发现是,1995年世界光伏组件的45%由美国制造,然后2002年欧洲、日本和世界其他国家的产量达到世界光伏组件的80%,2007年达到93%。

正如美国允许消费类电子制造业向其他国家转移,光伏产业似乎也出现了同样的现象。

继续观察未来的趋势将耐人寻味。

作为本书开篇的测试,确定光伏电池相关的净能是否为正数,这是非