毕业设计论文光伏发电系统.docx

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毕业设计论文光伏发电系统

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江西渝州科技职业学院

毕业设计

题目光伏发电系统

专业光伏材料加工与应用技术

班级2011级光伏14班

学生姓名张勤

自考准考证号7104241422

指导教师李军庆

摘要

进入21世纪的人类社会正面临着化石燃料短缺和生态环境严重污染的局面。

廉价的石油时代已经结束，逐步改变能源的消费结构，大力发太阳能是一种非常理想的清洁能源，根据其特点和实际应用需要，目前太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种，通常所说的太阳能发电是指太阳能光伏发展可再生能源，走可持续发展的道路，已经成为世界各国政府的共识。

光伏发电是利用半导体的将光能转变为电能的一种技术。

关键词:

能源、太阳能、光伏发电、半导体、光生伏特效应。

Abstract

Inthealstcentury,humansocietyisfacinyashortageoffossilfuels,seriourenvironmentalpollutionandecologicalsituation,Eraofcheapoilisover,andgraduallychangetheenergyconsumptionstructure,vigorouslydeveloprenewableenergy,sustainabledevelopment.Governmentsaroundtheworldhasbecometheconsensus,solarenergyisanidealcleanenergy,accordingtotheircharacteristicsandneedsofpracticalapplication,thecurrentgenerationofsolarpowerintosolarthermalandphotovoltaicpowergenerationistheuseofphotovoltaiceffectofsemiconductorstolightenergyintoelectricalenergyofatechnology.

Keyword:

energy、solar、photovolaticpowergeneration、semiconductor、photovoltaiceffect.

前言

第一章太阳电池及太阳电池方阵........................2

1.1太阳电池及其分类.........................................2

1.2理想太阳电池.............................................2

1.3太阳电池的特性...........................................2

1.4太阳电池的工作原理.......................................4

1.5太阳电池方阵...........................................4

第二章光伏发电系统的运行方式及应用前景..............4

2.1光伏发电系统的运行方式................................4

2.2光伏发电系统的应用前景....................................5

第三章光伏发电系统..................................6

3.1独立光伏发电系统.........................................6

3.1.1独立光伏发电系统的工作原理.........................6

3.1.2独立光伏发电系统的类型.........................6

3.1.3独立光伏发电系统的组成.........................7

3.2并网光伏发电系统.........................................8

3.2.1并网光伏发电系统的工作原理.....................9

3.2.2并网光伏发电系统的类型.........................10

3.2.3并网光伏发电系统的组成.........................10

3.2.4并网光伏发电系统的优越性........................10

3.2.5并网光伏发电系统的保护装置及“孤岛效应”防护手段...10

第四章光伏发电系统的应用........................11

4.1光伏发电系统在国内的应用.........................11

4.2光伏发电系统在国外的应用........................12

4.3世界光伏发电发展的目标和发展前景........................13

结束语..............................................14

致谢...............................................15

参考文献............................................16

前言

能源是人类生存和社会发展的物质基础，而年人均能耗是评价一个国家贫富的重要标志。

太阳能从整体上来看，是“取之不尽，用之不竭”的可再生能源，同时又是唯一满足宇宙空间中卫星和航空器所需要的能源。

随着能源需求量的不断增加，原有的传统能源（如煤、石油和天然气等矿物化石燃料）不但对环境已产生极其严重的污染，而且在不远的将来就会耗尽。

因此，我们必须研究和发展可再生能源，特别是必须研究和发展太阳能。

太阳能光伏发电系统具有没有转动部件，不产生噪声；没有空气污染；不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维修费用低；运行可靠性、稳定性好的特点；作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达25年以上。

因此，太阳能光伏发电系统是太阳能最重要利用形式之一，本文介绍了太阳电池及太阳电池方阵，太阳能光伏发电系统的运行方式及应用前景、独立与并网光伏发电系统、中国光伏发电系统的应用实例。

第一章太阳电池及太阳电池方阵

1.1太阳电池的分类

太阳电池种类繁多，其分类方法大致如下:

从材料来分，有硅太阳电池、砷化镓太阳电池、铟镓磷太阳电池、铜铟镓硒太阳电池和碲化镉太阳电池等。

从内部材料体型来分，有大块晶片太阳电池和薄膜太阳电池。

从材料的晶体结构来分，有单晶太阳电池、多晶太阳电池和非晶太阳电池。

从内部和外部结构来分，有普通太阳电池、聚光型太阳电池和级联太阳电池等。

从内部结构的p-n结多少或薄层多少来分，有单结太阳电池、多结或多层太阳电池。

从技术方法来分，有网板电极太阳电池和激光刻槽电极太阳电池。

从p-n结结构来分，有同质结太阳电池和异质结太阳电池。

除了上面的固体太阳电池之外，还有液体太阳电池，如电解液、染料太阳电池等。

1.2理想太阳电池

没有光照时，太阳电池就是一个普通的p-n结二极管。

热平衡态下，由于没有光照，太阳电池两端没有电压，外接电路也没有电流。

在内部的带电粒子：

电子和空穴以漂移方式和扩散方式跨过p-n结，在内部达到平衡。

有光照时，太阳电池p-n结两侧产生大量电子-空穴对。

为了使太阳电池产生电力，必须把光生电子-空穴对的少数载流子提取。

为了使太阳电池光-电转换效率高，必须具有以下条件；

1）高电池：

光生载流子的收集率要高；

2）高电压：

光生电池的收集应在尽可能高的电压下出现；

3）低寄生电阻：

尽可能使低的寄生串联电阻高的寄生并联电阻出现。

1.3太阳电池的特性

1）I-V特性，可表示为

I=Ip-Io[exp（qV/nkT）-1]

Ip:

短路时的光电流；V=0.4~0.7v

2）开路电压

开路电压Uoc：

即将太阳电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳电池的输出电压值。

即电流为0时的最大电压。

Voc与得到的光强成对数地增大，这个特性使太阳电池非常适用于普通使用的电池的充电。

3）短路电流

短路电流Isc：

就是将太阳电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳电池两端的电流。

即电压为0时的最大电流。

理想情况下，V=0,Isc=Ip。

短路电流Isc与得到的光强成正比。

4）最大输出功率

太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线。

如果选择的负载阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。

此时的工作电压和电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示。

5）填充因子

太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。

FF是衡量太阳电池输出特性的重要指标，是代表太阳电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳电池的输出功率越大。

FF的值始终小于1。

实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，实际太阳电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。

串、并联电阻对填充因子有较大影响。

串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。

6）光-电转换效率

太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的输出功率与入射到太阳电池表面的能量之比。

太阳电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结构性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。

影响其效率的主要因素有：

①光谱的影响；②晶格缺陷和复合中心的影响；③电池表面对光的反射的影响；④环境的温度的影响；⑤负载情况的影响。

而提高电池效率的方法，近年来所开发的技术主要有：

①激光刻槽埋藏栅线技术；②埋层电极、表面钝化等；③单双层减反射膜；④背表面场的形成；⑤发射区形成和磷吸收。

1.4太阳电池的工作原理

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。

这个把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳电池。

太阳电池工作原理的基础，是半导体p-n结的光生伏特效应。

所谓光生伏特效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应，叫做光生电压。

这种现象，就是著名的光生伏特效应。

时p-n结短路，就会产生电压流。

1.5太阳电池方阵（solarcellarray）

太阳电池方阵是由若干个太阳能电池组件或太阳能电池板在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。

太阳电池方阵可分为平板式和聚光式两大类。

平板式方阵，只需把一定数量的太阳电池组件按照电性能的要求串、并联起来即可，不需加装汇聚阳光是装置，结构简单，多用于固定安装的场合。

聚光式方阵，加有汇聚阳光的收集器，通常采用平面反光镜，抛物面反射镜或菲涅尔透镜等装置来聚光，以提高入射光谱辐照度。

聚光式方阵，可比相同功率输出的平板式方阵少用一些单体电池，使成本下降；但通常需要装设向日跟踪装置，有了转动部件，从而降低了可靠性。

太阳电池方阵安装前应做好充足的准备。

安装前应对每个太阳电池参数进行检查测试；挑选工作参数相近的组件装在同一个子方阵内；挑选额定工作电流相等或相近的组件进行串联；组件接线盒上穿线孔应加工完毕。

组件在安装时应轻拿轻放，安装位置和排列方式应符合施工设计规定，固定面与机架表面要相吻合，组件与机架的连接螺丝拧紧，且与机架上的位置应平直，机架上组件间的风道间隙、机架间空隙应不小于8mm。

第二章光伏发电系统的运行方及应用前景

2.1光伏发电系统的运行方式

太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统与并网光伏发电系统：

1）独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。

主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。

2）并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。

并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。

但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。

而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，越来越多的国家开始有计划地推广城市光伏并网发电，其中太阳电池与建筑相结合的并网屋顶太阳能光伏发电系统--光伏建筑一体化（BIPV）是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。

2.2光伏发电系统的应用前景

近年来，随着环境问题日益突出，绿色发展理念逐渐深入人心，全球经济的发展方向和导航标已然转向低碳经济，太阳能光伏产业受到世界各国的重视。

国家“十二五”规划纲要提出，要大力发展节能环保、新能源等战略性新兴产业，新能源产业重点发展太阳能热利用和光伏光热发电、生物质能等。

得益于近年来各方面对太阳能光伏产业发展的重视，目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。

据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。

随着光伏发电产业竞争的不断加剧，大型光伏发电企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的光伏发电企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。

正因为如此，一大批国内优秀的光伏发电企业迅速崛起，逐渐成为光伏发电产业中的翘楚！

我们坚信，随着我国政府对光伏产业发展在政策扶持方面力度的不断加大，光伏发电市场的发展前景将是一片广阔。

第三章光伏发电系统

3.1独立光伏发电系统

3.1.1独立光伏发电系统的工作原理

独立光伏发电系统（如图3.1）利用太阳电池板在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池充电；在阴天气或者无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。

图3.1独立太阳能光伏发电系统的组成

3.1.2独立光伏发电系统的类型

独立光伏发电系统可分为以下4种类型:

1）无蓄电池的直流光伏发电系统

无蓄电池的直流光伏发电系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。

太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。

系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。

无蓄电池的直流光伏发电系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能利用效率。

这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。

2）有蓄电池的直流光伏发电系统

有蓄电池的直流光伏发电系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。

有阳光进，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。

夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。

这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。

当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。

3）交流及交、直流混合光伏发电系统

交流及交、直流混合光伏发电系统与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。

交、直流混合光伏发电系统即能为直流负载供电，也能为交流负载供电。

4）市电互补型光伏发电系统

市电互补型光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。

这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。

我国大部分地区多年都有2/3以上的晴好天气，这样形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过度性的好办法。

3.1.3独立光伏发电系统的组成

独立太阳能光伏发电系统一般由太阳电池组件组成的光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载和交流负载等构成。

1）太阳电池组件

太阳电池组件是太阳能供电系统中的主要部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部件，其作用是将太阳的辐射能量转换为直流电能；

2）太阳能充放电控制器

太阳能充放电控制器也称“光伏控制器”，其作用是对太阳能电池组件所发的电能进行调节和控制，最大限度地对蓄电池进行充电，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。

在温差较大的地方，光伏控制器应具备温度补偿的功能。

3）蓄电池组

蓄电池组其主要任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

太阳能光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求如下：

a.自放电率低；

b.使用寿命长；

c.充电效率高；

d.少维护或免维护；

e.工作温度范围宽；

f.价格低廉。

4）逆变器

独立太阳能光伏发电系统逆变器是独立太阳能光伏发电系统发电系统的核心部件，负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。

对逆变器的基本技术要求如下：

a.能输出一个电压稳定的交流电；

b.能输出一个频率稳定的交流电；

c.输出的电压及其频率，在一定范围内可以调节；

d.具有一定的过载能力，一般应能过载125%~150%；

e.输出电压波形含谐波成分应尽量小；

f.具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能；

g.启动平稳，启动电流小，运行稳定可靠；

h.换流损失小，逆变效率高，一般应在85%以上；

i.具有快速的动态响应。

3.2并网光伏发电系统

3.2.1并网光伏发电系统的工作原理

并网光伏发电系统（如图3.2）就是光电组件发出的直流电通过逆变器变换为交流电后直接并入低压输电网中的发电系统。

在有光的时候，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或直接将产生的全部电能并入电网；在没有阳光时，负载用电全部由电网供给。

图3.2并网太阳能光伏发电系统的组成

3.2.1并网光伏发电系统的类型

根据并网太阳能光伏发电系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为逆流和非逆流并网太阳能光伏发电系统两种。

1）有逆流并网光伏发电系统

当太阳能光伏系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电（卖电）；当太阳能光伏系统提供的电力不足时，由电能向负载供电（买电）。

由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。

2）无逆流并网光伏发电系统

太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当太阳能光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。

并网光伏发电系统的工作原理：

当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网；在没有阳光时，负载用电全部由电网供给。

3.2.3并网光伏发电系统的组成

并网光伏发电系统是由光伏阵列、国家电网、（并网）逆变器、负载、计量仪表和漏电保护构成。

这里与独立光伏发电系统相比，最大的区别在于逆变器是并网逆变器，它多了以下功能:

1）自动开关；

2）最大功率点跟踪控制；

3）防止孤岛效应；

4）自动调整电压。

3.2.4并网光伏发电系统的优越性

与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有下面最主要的3个优点：

1）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达25%—45%，从而使发电成本大为降低。

省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。

2）进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。

3）可起调峰作用。

联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。

3.2.5并网保护装置及“孤岛效应”防护手段

并网保护装置主要实现以下保护功能：

低电压保护、过电压保护、低频率保护、国频率保护、过电流保护以及孤岛保护策略等内容。

通常大型光伏电站需要设置冗余保护装置，保证系统故障时及时处理。

孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时，并网装置仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。

当电网的某一区域处于光伏发电的孤岛状态时电网将不再控制这个电力孤岛的电压和频率。

孤岛效应会对光伏发电系统与电网的重连接制造困难，同时可能引起电气元件以及人身安全危害，因此孤岛效应必须避免。

目