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机械与车辆学院

《节能技术》结课论文报告

太阳能光伏发电技术与应用

（2015-2016学年第二学期）

姓名：

黄毅

学号：

130********9

班级：

13级能源与动力工程一班

上课时间：

2016年2月29日—2016年4月22日

成绩：

目录

前言-2-

一、什么是太阳能-3-

二、太阳能光伏发电-5-

三、光伏发电技术的现状与趋势-7-

四、光伏发电系统-9-

五、太阳能光伏发电的应用-12-

六、我国光伏发电的发展难点-16-

总结-17-

参考文献-18-

前言

太阳能作为新能源和可再生能源的一种，因其清洁环保，永不衰竭的特点，受到世界各国的青睐。

太阳能是21世纪最有潜力的能源，太阳能产业是新兴的朝阳行业，具有极高的投资价值。

充分开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义。

光伏产业十多年来在全球范围内得到了快速发展，光伏技术作为一种新型发电方式，其拥有的巨大市场发展潜力越来越引起人们重视。

我国已经成为光伏产业制造大国，特别是在晶体硅太阳电池的整个产业链上，从多晶硅材料、硅片、电池到组件都形成了世界上最大的生产规模，为光伏技术规模化推广创造了很好的条件。

光伏产业作为一个新兴型的战略性产业，在全球范围内都得到了高度关注。

光伏产业发展与光伏技术推广应用是世界发展潮流，光伏发电将在人类社会可持续发展中发挥极其重要的作用。

但如今，光伏发电还不被大多数人们了解，而与太阳能相关的大多数问题又如此与我们的生活息息相关，所以，我希望通过我的这篇论文，能通俗易懂地向大众普及这方面的知识。

一、什么是太阳能

太阳能，指太阳以可见光、红外线、紫外线等辐射形态到达地球的能量。

地球上形成风和雨，原因都来自太阳能，因此，风能、水能从广义上讲也是太阳能的一部分。

太阳通过光热、光电、光合作用转换成的可被人们利用的热能、电能、生物质能等，是狭义的太阳能。

太阳能的利用涉及物理学、气象学、半导体学、热力学、生物学、机械工程学、建筑环境学等学科。

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。

据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射总量约为50*1018kJ，全国各地太阳能年辐射总量达335-837kJ/cm2*a，中值为586kJ/cm2*a。

从中国太阳能年辐射总量分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、海南岛东部和西部以及台湾的西南部等广大地区的太阳能辐射总量较大。

其中，青藏高原地区的太阳能年辐射总量最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄清洁，透明度高，纬度低，日照时间长。

例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均日照时数为3005.7h，相对日照为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8天，太阳能年辐射总量为816kJ/cm2*a，比全国其他省和同纬度地区都要高。

四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中以四川盆地为最，那里雨多雾多，晴天较少。

其他地区的太阳年辐射总量居中。

在北纬30°-40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律，太阳能不是随纬度的增加而减少，而是随纬度的增加而增加。

所以，在我国有非常优越的太阳能资源优势，开发太阳能资源，能为我国人们的生产生活提供重要大量的可再生能源，提高人们的生活水平，创造环境友好的可持续发展的优越条件。

二、太阳能光伏发电

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

图2-1光伏发电原理图

理论上讲，光伏发电技术可以用与任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

目前多晶硅电池效率在18%-20%。

光伏组件由一个或多个太阳电池片组成。

光伏发电原理：

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。

如图2-1所示。

硅原子有4个价电子，如果在纯硅中掺入有5个价电子的原子，如P，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个价电子的原子，如B，则形成P型半导体。

当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳电池。

当太阳光照射到P-N结后，空穴由N极向P极移动，电子由P极向N极移动，形成电流。

三、光伏发电技术的现状与趋势

2011年，全球光伏新增装机容量约为27.5GW，较上年的18.1GW相比，涨幅高达52%，全球累计安装量超过67GW。

全球近28GW的总装机量中，有将近20GW的系统安装于欧洲，但增速相对放缓，其中意大利和德国市场占全球装机增长量的55%，分别为7.6GW和7.5GW。

2011年以中日印为代表的亚太地区光伏产业市场需求同比增长129%，其装机量分别为2.2GW，1.1GW和350MW。

此外，在日趋成熟的北美市场，新增安装量约2.1GW，增幅高达84%。

其中，中国是全球光伏发电安装量增长最快的国家，2011年的光伏发电安装量比2010年增长了约5倍，2011年电池产量达到20GW，约占全球的65%。

截至2011年底，中国共有电池企业约115家，总产能为36.5GW左右。

其中产能1GW以上的企业共14家，占总产能的53%；在100MW和1GW之间的企业共63家，占总产能的43%；剩余的38家产能皆在100MW以内，仅占全国总产能的4%。

规模、技术、成本的差异化竞争格局逐渐明晰。

国内前十家组件生产商的出货量占到电池总产量的60%。

在今后的十几年中，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。

中国太阳能光伏发电发展潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，到2030年光伏装机容量将达1亿千瓦，年发电量可达1300亿千瓦时，相当于少建30多个大型煤电厂。

国家未来三年将投资200亿补贴光伏业，中国太阳能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长，并吸引了更多的战略投资者融入到这个行业中来。

中国太阳能光伏发电发展的潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，到2030年光伏装机容量将达到1亿千瓦，年的发电量可达1300亿千瓦，相当于少建30多个大型煤电厂。

国家未来三年将投资200亿财政补贴光伏产业，中国太阳能光伏发电又将迎来新一轮的快速增长，并将吸引更多的战略投资者加入到这个行业中来。

无论从世界还是从中国来看，常规能源都是有限的，中国的一次性能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界的10%。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的洁净性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充分性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。

四、光伏发电系统

光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式光伏发电系统。

独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。

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

独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统、太阳能户用电源系统、通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

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之后直接接入公共电网。

可以分为带蓄电池的并网光伏发电系统和不带蓄电池的并网光伏发电系统。

带有蓄电池的并网光伏发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电，常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网光伏发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在大型的系统上。

并网光伏发电系统又可分为集中式和分布式两种。

集中式的主要特点是能将所发电直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。

这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。

而分布式有投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点。

光伏发电系统通常由光伏方阵、蓄电池组（可选）、蓄电池控制器（可选）、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等组成。

高倍聚光光伏系统（HCPV）还包括聚光部分（通常为聚光透镜或者反射镜）。

光伏发电系统各部分设备的作用如下：

（1）光伏方阵。

光伏方阵（PVArray）又称光伏阵列，是由若干个光伏组件或光伏板按一定方式装在一起并且具有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。

在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。

在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。

（2）蓄电池组（可选）。

蓄电池组的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：

a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。

（3）蓄电池控制器（可选）。

蓄电池控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。

由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

（4）逆变器。

逆变器是将直流电转换成交流电的设备。

由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。

并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。

正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

（5）跟踪系统。

由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。

世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。

采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。

把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！

五、太阳能光伏发电的应用

上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。

如：

太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。

在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。

太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。

太阳能光伏建筑一体化

太阳能光伏建筑一体化（BuildingIntegretedPhotovoltaic，简称BIPV）是应用太阳能发电的一种新概念，是将光伏组件或材料集成到建筑上，使其成为建筑物不可分割的一部分，光伏组件发挥遮雨、挡风、隔热等功能，离开光伏组件之后建筑将失去这些功能。

BAPV（光伏组件附在建筑上）是指通过简单的支撑结构将光伏组件附着安装在建筑上，不会增加建筑防风遮雨的性能。

通常所说的光伏属于此范畴。

早期光伏建筑以BAPV为主，近期BIPV形式的光伏建筑有增多的趋势。

BIPV组件可以划分为两种形式：

一种是光伏屋顶结构，另一种是光伏幕墙结构。

将光伏发电与建筑结合有明显的优势：

（1）建筑耗能占总耗能的50%，两者结合可以有效削减建筑用电。

（2）发电上网最为方便，不需要架设输电线路，既可以省去输电费用，又可以降低电力输送的损耗。

（3）发电不需要额外用地。

（4）避免了放置光电阵列的额外占用，使宝贵的建筑空间与建筑结构合而为一，省去了单独为光电设备提供的支撑结构，并可代替常规建筑材料，节省材料费用。

（5）减少城市热能效应，由于光伏陈列安装在屋面和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷，并改善室内环境。

光伏农业

简单来说，光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力提供等领域的一种新型农业。

光伏农业符合生物链关系和生物最佳生产原料能量系统要求、遵循农产品生产规律并创新物质和能量转换技术，以达到智能补光、补水及调温的目的，而其产出的农产品将比现有方式生产的产品更安全、更营养、更多产。

光伏农业的光伏技术主要有：

光伏提水技术（光伏扬水系统）、光伏水泵、滴灌、喷灌、微灌等产品。

光伏农业的意义相较于传统农业而言，光伏农业是一场实现农场变工厂、田间变车间的生产方式变革。

在国内，伴随而来的“光伏下乡”相关政策即将出台。

其在现代农业中有着广泛的运用前景和重大的现实意义：

首先，有利于种植、养殖环节的环境综合保护。

如太阳能杀虫灯等设备的应用可有效解决传统农业中因大量使用化肥和农药而带来的土壤肥力下降、（蔬果）农药兽药残留严重、农业废弃物大量增加的问题，从而达到保护农村生态环境、减少食品安全事故的目的。

其次，可为种植、养殖基地提供能源供给，比如，建立光伏温室大棚能给蔬菜、花卉、苗木、牲畜等种植养殖场所提供热量和电力，以确保其顺利过冬。

第三，可改善农民生活。

现在国家正在大力推进文明村镇建设，其中一个重要内容便是加快农村基础设施建设，如能将太阳能照明、太阳能取暖等在农村逐步推广，这无疑将为农民提供生活便利。

第四，光伏农业也可运用在林业生产或水利建设上，比如太阳能水情监测报告系统、林业监测报告系统、水利灌溉系统等都需要利用光伏科技和太阳能。

由此，笔者有理由相信，光伏农业将是解决我国现代农业发展长期困境的发动机，是进一步发展农村经济、改善农民生活的必然选择，也是农业生产方式变革时势所趋。

从目前的情况看，光伏农业主要有以下几类：

（1）太阳能杀虫灯。

（2）新型太阳能生态农业大棚。

（3）太阳能光伏养殖场。

（4）新型农村太阳能发电站。

（5）太阳能污水净化系统。

（6）农用太阳能小产品。

如手电筒、路灯、灭蚊灯、充电器等。

太阳能光伏发电技术除了以上应用以外，还有一些现阶段比较成熟的应用案例。

如：

用户太阳能电源。

如照明、电视、收录机等；家庭屋顶并网发电系统；光伏水泵：

解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

通讯/通信领域：

太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

石油、海洋、气象领域：

石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

六、我国光伏发电的发展难点

尽管现阶段我国退出众多政策扶持太阳能光伏发电项目，该项目本身也具有良好的发展优势，但在发展过程中依然存在很多阻碍，其中有：

1、光伏并网的审批和操作程序复杂。

2、缺少明确的光伏发电上网电价。

3、缺少可再生能源电力附加的具体使用办法。

4、没有具体可行的财税和金融扶持政策。

5、电力公司在发展可再生能源电力中的角色和责权利不清晰。

6、有可执行的光伏并网技术标准。

7、地区、行业、企业和个人使用可再生能源电力积极性不高。

所以，在未来的几年里，我们应该想尽办法把新能源产业带起来，努力做好新能源开发的科研工作，向人民大众普及新能源并利用。

总结

通过对太阳能光伏发电技术的了解，让我更加深刻的认识到发展利用可再生能源是当今世界必须要走的能源之路。

只有这样才能最大限度的降低环境污染，从而保卫我们生存的地球。

光是一种清洁、可再生能源，并且太阳能资源在我国广泛分布。

由于我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。

同时，在研究这个论题时，也让我更加深刻的理解事物的发展是存在两面性的。

在太阳能开发利用的同时，还存在许多的技术难关，还有环境是否也会遭到破坏！

这些问题是每个人都要想的。

在此同时，也希望开发利用太阳能的技术越来越完善。

希望尽快的实现太阳能时代的目标，那时边远以及用电困难的地区都能用上太阳能发电供电，解决用电问题。

实现“阳光工程”、“光伏屋顶工程”。

感谢，刘利娜老师的授课与指导。

参考文献

[1]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术.北京：

化学工业出版社，2005.

[2]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理，第二版.北京：

化学工业出版社，2012.

[3]李俊峰，王斯成，王勃华等.2013中国光伏发展报告.北京：

中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会，中国光伏产业联盟，2013.

[4]宋亮，太阳能发电基本知识与应用案例.广州：

暨南大学出版社，2015.