太阳能及光伏发电的特点与优势Word文档格式.docx
《太阳能及光伏发电的特点与优势Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能及光伏发电的特点与优势Word文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
根据相关资料显示，目前，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了污染，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升高口近若干年来全球C02排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。
因此，环境污染问题成为人们普遍关注的焦点。
环境污染对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。
例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；
工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。
除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。
环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。
严重的环境污染还会造成社会问题。
随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突曰益增加。
随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。
1．1．2太阳能及光伏发电的特点与优势
太阳能可以不分地域地辐射到地球的每一个角落，从而成为二十一世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。
太阳是个巨大的能源，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。
煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。
太阳每秒钟发出的能量有3．865X1026J，相当于每秒钟燃烧1．32X1016t标准煤所发出的能量。
全世界人们～年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一。
太阳能作为一种巨量可再生能源，利用太阳能的潜力是十分巨大的。
和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性：
（1）取之不尽，用之不竭
太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。
根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳象目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射3．286×
1028j的辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。
也就是说太阳能至少还可象现在这样有60亿年可以稳定地被利用。
（2）就地可取，不需运输
矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。
这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。
（3）分布广泛，分散使用
太阳能年辐射总量一般大于5．04×
106kJ／m2，就有实际利用价值，若每年辐射量大于6．3×
106kJ／m2，则为利用较高的地区。
世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。
虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源，称得上具有分布较广、到处都有的优点。
（4）不污染环境，不破坏生态
人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如S02、C02等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。
此外，其他新能源中水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。
但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。
（5）周而复始，可以再生
在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。
太阳能属于可再生能源。
煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。
当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。
太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形
式。
光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，此外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。
太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。
以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点
：
（1）结构简单，体积小且轻。
独立供电的太阳能电池组件结构都比较简单。
（2）容易安装运输，建设周期短。
只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源。
（3）维护简单，使用方便。
如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被沾污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。
（4）清洁、安全、无噪声。
光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。
（5）可靠性高，寿命长，并且应用范围广。
太阳能光伏发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适用于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。
光伏发电有更加激动人心的计划。
一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便全球供电。
据测算，到2050年，即使全部太阳能发电供给全球用电，占地也不过全部海洋面积的2．3％或全部沙漠的51．4％。
另一方案是天上发电，早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可以提供5×
106kW电力。
1．2二十一世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。
由于传统能源（如煤、石油、天然气等）的供给已出现短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源。
大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。
作为无污染的清洁能源之一太阳能越来越受到大家的关注，尤其在解决偏远地区的用电问题，发挥着重要的作用。
我国光伏发电的现状及前景：
我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。
我国太阳能光伏发电技术开始于20世纪70年代，开始时主要用于空间。
70年代中期后，光伏发电应用逐渐扩大到地面并形成了我国的光伏产业。
光伏发电在改善人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在21世纪可持续发展中发挥更大作用。
技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。
在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。
我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。
但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。
通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公‘生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；
同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。
近期我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。
目前，国内光电池硅片的生产能力己达4．5MW，在西藏7个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的100kW。
2002年光伏系统累计装机容量仅40MW，而2004年深圳市已建成870kW光伏发电系统，是目前我国最大的城市光伏景观工程。
2003年国内光伏电池的生产能力约20MW，但实际生产量仅仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1％左右。
在2002"
"
2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程"
项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10％。
北京申办2008年奥运会，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想
2008年奥运会是最成功的一届奥运会，光伏发电应用担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。
2008年北京奥运会建成多个50kW～150kW的光伏发电系统，场馆周围80％的路灯以及部分场馆的照明与空调将利用太阳能电池供电。
上海2010年世界博览会总量达1MW～10MW的城市光伏发电系统，还有旨在解决8000万边远地区居民无电缺电问题的国家光明工程、家用太阳能光伏电源系统、乡村太阳能光伏电站、青藏铁路工程光伏电源系统、通信用光伏电源系统等。
综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，世界光伏产业每年以31％的速度发展，而我国每年只有15％的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。
光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。
我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。
第2章光伏电池的原理及其特征
光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。
它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。
其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；
化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。
目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高（澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到24％），所以现在开发得也最快。
2．1光伏电池的原理及模型
2．1．1光伏电池的光伏效应
当适当波长的光照到到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。
例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P．N结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子一一电子和空穴。
由于P．N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P．N结两端形成光生电动势，这就是P—N结的光伏效应。
由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成白N区流向P区的光生电流，在P．N结短路情况下构成短路电流I舻在P．N结开路情况下，P．N结两端建立起光生电势V0c，这就是开路电压。
如将P．N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P．N结起了电源的作用，这就是光伏电池的基本工作原理。
显然，光伏电池之所以能在光照下形成短路电流I渺开路电压Voc，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。
若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。
这样，太阳
的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。
图2．1为光伏电池的单元模型。
电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。
将每个单元进行串、并联并封装后就成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件需要再进行串、并联后形成光伏电池阵列，就构成了“太阳能发电机（SolarGenerator）”。
这与传统的发电方式是完全不同的：
既没有旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、无噪声的发电机。
图2-1单个太阳能电池的模型
2．1．2光伏电池的物理模型
光伏电池受光的照射便产生电流。
这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。
目前使用的光伏电池可看作P．N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P．N结为理想状态的情况下，可根据图2．2表示的理想状态的太阳能电池等效电路图来考虑。
在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间
的关系式，可由下式给出：
其中I为电池单元输出电流（A）；
IL为PN结电流（A）；
Io为二极管的反向饱和电流（A）；
v为外加电压（V）；
q是电子电荷（1．6X10。
19c）；
K是玻耳兹曼常数（1．38x10。
23J／K）；
T是绝对温度（K）；
n为二极管指数。
但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻Rs来表示；
同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻Rsh来等效表示。
此时的等效电路可根据图2．3来描述，其伏安特性可由2．2式给出。
图2-3实际太阳能电池等效电路
此式叫做光伏电池的超越方程式。
2．2光伏电池的输出特性及其影响因素
光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。
而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。
本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。
2．2．1光伏电池的I-V和P-V特性曲线
光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。
在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P．N结特性和电阻分散参数确定。
对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=VI。
如图2．4所示。
（a）光伏电池的I-V特性曲线
（b）光伏电池的P-V特性曲线
图2．4光伏电池的I．V和P．V特性曲线
可以看出，此I．V曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第三章中将对此问题进行研究。
在P-V特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟I-V曲线说明了同一个问题。
2．2．2光伏电池的主要参数
光伏电池的几个重要技术参数：
1．短路电流Isc在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
2．开路电压Voc：
在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
3．最大功率点电流（IM）：
在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。
4．最大功率点电压（VM）：
在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。
5．最大输出功率（PM）：
在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。
6．填充因子：
7．光伏电池的转换效率：
输出功率Po与阳光投射到电池表面上的功率P。
之比，其值取决于工作点。
通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率n，
以上各个参数可以在图2．5中表示如下：
图2．5中，在曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点（MaxPowerPoint，MPP），即图中M点。
M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零
图2．5光伏电池的特性
2．2．3太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响
图2-4中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。
为了得知太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响程度，在环境温度为25*C时，我们采用型号为E6M的单晶硅光伏电池，对其最大输出电压和最大输出电流受光强影响的程度做了测试，得到的数据见表2-1和图2-6。
表2-1光伏电池在光强变化时参数
图2-6不同光强下的光伏电池的光照特性曲线
从该实验中可知，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。
光强从200----1000W／m2时开路电压变化比较平稳。
在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大；
当天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为0。
而短路电流是随光强的增加而成正比的增加。
所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。
对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量。
提高转换效率从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电系统的成本，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。
2．2．4温度对光伏电池输出特性的影响
温度上升将使光伏电池开路电压下降，短路电流则略微增大，如图2．4所示。
随着光伏电池结温的上升，其最大输出功率不断下降，其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池具有负的温度系数。
对于常用的单晶硅和多晶硅来说，随着温度的增加其电压、填充因子FF和效率都有不同程度的下降。
整体而言当温度升高时光伏电池的额定输出功率会略微下降，工作环境温度的高低对光伏电池的最大输出功
率也会有直接影响。
第3章最大功率点跟踪的控制策略研究
最大功率就是使光伏电池始终保持最大功率输出。
由于光伏电池的光电转换效率比较低，光伏电池的输出功率受日照强度以及温度影响，系统工作点会因此飘忽不定，这必然导致系统效率的降低。
为了在限定的条件下有效利用光伏电池，必须实现最大功率点跟踪（MaxPowerPointTracking，MPPT）控制，以便光伏电池阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。
3．1MPPT研究的必要性
光伏发电系统中，光伏电池在不同太阳辐照度下输出最大功率时，其两端电压值并不固定，而且当工作温度发生变化时，相应于同一辐照度的最大功率，电压值也将发生变化。
由上一章的图2-4光伏电池I-V和P-V特性曲线，它表示了在特定的太阳辐照度和温度下，电池传送的电流I（功率P）与电压V的关系，曲线表明电池具有明显的非线性特征。
图2．4中，功率曲线类似为一个抛物线，即光伏电池在输出最大功率PM（=IMVM）时，最大功率点电压（最大工作电压）VM小于开路电压Voc，最大功率点电流（最大工作电流）IM小于短路电流I∞。
并且电池电压在0~VM间变化时，功率曲线为递增函数，当电池电压在VM~V0c间变化时，功率曲线为递减函数。
研究表明，光伏电池的输出功率取决于太阳辐照度和其工作温度。
随着工作温度的升高，短路电流I。
c稍微升高，开路电压Voc和最大功率点电压VM下降，光伏电池输出最大功率PM下降。
同一块光伏电池Isc值与太阳的辐照度成正比，输出最大功率PM也随着辐照度的增加而增加。
为了实现在任何外部条件下太阳能电池阵列输出当前日照下最多的能量，理论和实践上提出了光伏电池阵列的MPPT问题。
随着光伏发电系统的日益普及，光伏发电系统较高的造价和仍处在较低的转换效率使得MPPT技术的研究愈发重要。
3．2MPPT原理
图3-1为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线，由图可知当阵列工作电压小于最大功率点电压VMax时，阵列输出功率随太阳能电池端电压VPv上升而增加。
当阵列工作电压大于最大功率点电压VMax时，阵列输出功率随VPv上升而减少。
MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压VPv，使阵列能在各种不同的日照和环境温度下智能化地输出最大功率。
图3-1太阳能电池阵列的输出功率曲线
3．3MPPT的算法
由第二章太阳能电池的输出特性可知，太阳能电池的电压与电流是非线性的关系，由于环境温度与日照强度的不同工作曲线有所不同，但是每一条工作曲线只有一个最大功率点，此最大功率点即为太阳能电池的最佳工作点。
因此为了提高太阳能电池阵列的工作效率，需要控制太阳能电池阵列的输出，使太阳能电池阵列随时都工作在最大功率点。
关于太阳能电池阵列的最大功率跟踪法有许多文献都有这方面的讨论，而且最大功率点跟踪的算法有很多种，常用的有：
电压回授法、功率回授法、滞环比较法、电导微增法、微扰观察法等。
在实现的过程中，进行调节时所依据的变量也不同，有依据电压的，也有依据功率的。
输出特性，计算出太阳能电池的最大功率点，然后调节太阳能电池的工作点，使工作点电压尽量接近最大功率点电压，并且随着最大功率点电压的变化而变化。
这样做较为复杂，而且计算最大功率点需要时间。
如果在天气情况变化较快时，计算出来的最大功率点可能与当时的最大功率已经相差较大了，因此这种方法用的较少。
依据功率调节是指在调节的过程中，测量蓄电池的充电功率，依据它来调节太阳能电池的工作点，使蓄电池能够保持最大的充电功率。
但是，这样做似乎并不能保证太阳能电池有最大功率输出，而只是保证蓄电池有最大功率输入。
这里可以从实际应用的角度考虑，对太阳能电池经最大功率跟踪的目的是希望负载获得最大功率。
假如仅仅实现太阳能电池的最大功率输出，而蓄电池不能获得最大功率充电，那么这样做也没什么意义；
另外如果DC／DC转换电路的效率足够高，可以近似地认为蓄电池获得最大功率充电时，太阳能电池输出的功率也是最大的。
3．3．1电压回授法
电压回授法是最简单的一种最大功率跟踪法，经由事先的测试，得知光伏阵列在某一日照信号和温度下至最大功率点的电压大小，再调整光伏阵列的端电压，使其能与实现测试的电压相符，来达到最大功率点跟踪的效果。
电压回授法可分为固定参考电压法和可变参考电压法，如图3-2（a）和（b）。
此控制方法的最大缺点是当环境条件大幅度改变时，系统不能自动的跟踪到光伏电池的另一最大功率点，因此造成能量的浪费。
图3．2电压回授法方块图
3．3.2功率回授法
由于电压回授法无法随环境条件的改变自动跟踪到最大功率点，因此功率回授法加入了输出功率对电压变化率的判断，以便能适应天气的变化而达到最大功率点跟
升级会员 