光伏发电系统在公用设施用电方面的可行性研究.docx
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光伏发电系统在公用设施用电方面的可行性研究
光伏发电系统在公用设施用电方面
的可行性研究
摘要：
太阳能光伏发电是可再生能源应用的主要方向之一。
文章介绍了太阳能光伏发电系统的组成、分类、优缺点以及目前国内外太阳能光伏发电的应用状况。
我通过查阅资料,表达了自己对解决用电问题的看法,提出运用太阳能光伏发电来解决用电问题。
关键词：
太阳能光伏发电；离网光伏发电；光伏并网发电系统；太阳能电池
TheProposedPromotionofSolarEnergyPhotovoltaicGeneration
LVHai-long
Abstract:
Solarenergyphotovoltaicgenerationisoneofthemajorapplicationdirectionsoftherenewableenergy.Thepaperintrducesthecurrentapplicationofhomeandaboardofsolarenergyphotovoltaicsystemwiththecompositionparts,theclassification,theadvantagesandthedisdantages.Ithroughmyownaccesstoinformation,toexpressmypowertosolvetheissues,proposedtheuseofSolarenergyphotovoltaicgenerationtosolvetheproblemofelectricity.
Keywords:
solarenergyphotovolaticgeneration;offgridphotovoltaicstoragebatterysystem;photovoltaicgridconnectedsystems;solarenergycell
引言
开发清洁的可再生能源以代替矿物能源，是世界各国解决能源问题的主要途径。
太阳能是清洁的可再生能源，研究太阳能光伏发电的有关问题具有现实意义。
太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的一种形式。
在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。
通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将光能转换成的电能贮存起来，以便今后使用；或者通过逆变器将直流电转换成交流电后使用与电网相连，向电网供电。
目前利用太阳能发电有3种型式：
太阳能热发电、太阳能风发电和太阳能光伏电池发电。
1国外、国内光伏发电技术发展概况
随着煤炭、石油等化石能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。
欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。
20世纪80年代以来,世界光伏发电产业得到了迅速发展,平均年增长率达到30%。
近几年由于出现供不应求的局面,其发展更加迅速,成为全球增长最快的高新技术产业之一。
进入21世纪,在欧洲、日本扶持政策的引导下,世界光伏发电技术和产业有了突飞猛进的发展,近5年的年平均增长速度超过了50%。
太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来,世界上增长最快的高新技术产业之一。
已经商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电池等几类。
光伏电池的光电转化效率也不断提高,在实验室中晶体硅光电池转化率达到15%,单晶硅光电池转化率是23.3%,同时太阳能光伏电池/组件的使用寿命也大大增长,最长可达到30年。
目前,光伏发电产业主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。
21世纪以来,一些发达国家纷纷制定了包括太阳能电池在内的可再生能源计划。
太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。
1997年6月,美国副总统戈尔和能源部长分别宣布了一项“克林顿总统百万屋顶光伏计划”。
紧接着,能源部并于11月立即着手安排政府贷款项目,以实施这一宏伟计划。
该计划325个城市的100万个建筑物屋顶上安装3GW光伏系统,预计到2010年可以完成。
日本政府的计划目标是:
至2010年,安装4600MW光伏发电系统。
2004年,德国新安装的并网光伏发电系统大约200MW。
德国可再生能源可满足50%以上总能耗需求。
法国的太阳能发电容量由2002年的0.66MW,发展到2003年的2.9MW。
印度的光伏产业及应用市场居领先地位。
1998—2002年,印度计划安装光伏发电系统150MW。
至2010年,欧盟计划光伏发电总装机容量达到3GW,澳大利亚计划光伏发电总装机容量达到0.75GW。
目前，美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。
美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7MW；日本也建成了发电功率1MW的光伏发电厂。
全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。
太阳能电池光伏发电在不远的将来会占据世界能源的重要席位，要代替部分常规能源，而且将称为世界能源供应的主体。
欧洲光伏工业协会（EPIA）的预测:
2020年,光伏组件年产量40GW,系统总装机容量195GW,光伏发电量为274TWh。
预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；预计到21世界末，可再生能源结构中将占到80%以上，太阳能发电占到60%以上。
20世纪70年代以来,我国太阳能光电技术经过“六五”、“七五”、“八五”3个5年计划攻关,有了一定的发展。
20世纪90年代是我国光伏发电快速发展的时期,我国光伏组件生产能力逐年增强,成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加。
近几年来,我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。
在“十五”期间,我国太阳能光伏发电装机容量约7万kW,到2020年前,我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展。
光伏发电市场会发生巨大的变化:
预计2005—2010年,我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统,发电成本到2010年约为1.20元/（kW·h）;2010—2020年,光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统,发电成本到2020年约为0.60元/（kW·h）到2020年我国光伏产业的技术水平,有望达到世界先进行列。
2太阳能光伏发电的基本原理
2.1光伏效应
当光照射到半导体表面时,光子能量激发半导体的电子和空穴分别向N区和P区移动,使N区储存过剩的电子,带负电;P区储存过剩的空穴,带正电。
在内生电场作用下,N区和P区间产生光生电动势,接通外电路即可产生光电流,称为光伏效应。
光伏发电原理详见图。
图1太阳能发电原理图
2.2禁带宽度
激发半导体电子和空穴自由移动所需的能量称为禁带宽度,通常以电子伏特eV来表示.不同的半导体材料有不同的禁带宽度,不同的禁带宽度有不同的光电转换效率。
制造光伏电池的半导体材料的禁带宽度一般为1.2eV～1.7eV,最好是1.5eV。
太阳能由紫外线、可见光线和红外线组成。
紫外线光子能量约为4eV左右,红外线的光子能量约为0.3eV。
可见光线的光子能量介于紫外线与红外线之间。
晶体硅光伏电池可利用发电的只是可见光线和紫外线。
这部分能量只占太阳光辐射能量的一小部分。
目前普通晶体硅光伏电池,尚不能利用太阳总辐射中比重较大的红外线（大于50%）转换为电能。
太阳高度角（太阳光线与地平面的夹角）的不同,不仅总辐射不同,而且太阳光辐射量的组成也是不同的,光伏电池的发电量也不一样。
不同高度角时,太阳光线辐射量组成见表1：
表1不同太阳高度角的太阳光辐射量组成表（%）
高度角/（°）
红外线
可见光
紫外线
90
30
0
50
53
72
46
44
28
4
3
0
由表1可知,随着太阳高度角的降低,太阳光谱发生变化,红外线呈增加趋势,可见光线、紫外线呈递减趋势。
随着太阳高度角的变化,光伏电池的发电量也将产生同步变化。
禁带宽度还与光伏电池的温度有关。
光伏电池温度除主要与太阳辐射中部分能量转化的热量有关外,也受环境温度的影响。
当电池温度高于标准测试温度时,禁带宽度将变窄,光伏电池功率和开路电压下降;当电池温度低于标准测试温度时,则呈相反的变化。
3太阳能光伏发电系统的组成及分类
3.1太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电技术是利用电池组将太阳能直接转变为电能的技术。
通常所说的光伏技术也可以说是太阳能电池技术。
太阳能光伏系统主要包括：
太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器、逆变器等。
当照明负载为直流时，则不用逆变器。
3.1.1太阳能电池方阵
太阳能电池单体是光电转换的最小单位，尺寸一般为4～100cm2。
太阳能电池单体的工作电压约为0.45～0.5V，工作电流约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。
将太阳能单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。
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“光生伏打效应”。
在光生伏打效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,如同一个能量转换器。
太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
3.1.2蓄电池组
蓄电池组其作用是储存太阳能电池方阵收光照时所发出的电能并可随时向负载供电。
太阳能光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求如下：
（1）自放电率低。
（2）使用寿命长。
（3）深放电能力强。
（4）充电率高。
（5）少维护或免维护。
（6）工作温度范围宽。
（7）价格低廉。
目前我国与太阳能光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。
配套200Ah以上的铅酸电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。
3.1.3控制器
控制器是对太阳能光伏发电系统进行控制与管理的设备。
由于控制器可以采用多种技术方式进行控制，同时实际应用对控制器的要求也不尽一致，因而控制所完成的功能也不一样。
控制器对整个系统实施过程控制,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,控制器还应具备温度补偿的功能。
光伏系统在控制器的管理下运行。
控制器可以采用多种技术方式实现其控制功能。
比较常见的有逻辑控制和计算机控制有两种方式。
智能控制器多采用计算机控制方式。
3.1.4逆变器
逆变器是将直流变换成交流电的设备。
由于太阳能电池和蓄电池发出的直流电，当负载是交流负载时，逆变器是将直流电转换成交流电的必不可少的设备。
按运行方式逆变器可以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光伏发电系统，为独立负载供电。
并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，将发出的电能馈入电网。
按输出波形逆变器又可以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。
从长远看，晶体管正弦波（或准正弦波）逆变器将成为发展的主流。
4太阳能光伏发电系统的分类
目前,太阳能光伏发电系统大致可分为两类:
离网光伏蓄电系统与光伏并网发电系统。
4.1离网光伏蓄电系统
离网光伏蓄电系统是一种常见的太阳能应用方式,系统简单,适应性广,但因其蓄电池的体积偏大和维护困难,限制了使用范围,其系统结构示意图如图1所示。
图1离网光伏蓄电系统
4.2光伏并网发电系统
当用电负荷较大时,太阳能电力不足就向市电购电。
在背靠电网的前提下,光伏并网发电系统省掉了蓄电池,从而扩展了使用的范围,提高了灵活性,并降低了造价,其系统结构示意图如图2所示。
图2光伏并网发电系统
5太阳能光伏发电系统的优缺点
5.1太阳能光伏发电系统优点
步入70年代后,由于2次石油危机的影响,光伏发电在世界范围内受到高度重视,发展非常迅速.从远期看,光伏发电将以分散式电源进入电力市场,并部分取代常规能源。
不论从近期和从近期看,光伏发电可以作为常规能源的补充,在解决特殊应用领域,如通信、信号电源,和边远无电地区民用生活用电需求方面,从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。
光伏发电的优点充分体现在以下几个方面:
（1）充分的清洁性。
（如果采用蓄电池方案,要考虑对废旧蓄电池的处理）
（2）绝对的安全性。
（并网电压一般在220V以下）
（3）相对的广泛性。
（4）确实的长寿命和免维护性。
（5）初步的实用性。
（6）资源的充足性及潜在的经济性等。
5.2太阳能光伏发电系统缺点
光伏发电系统也具有一定的局限性。
太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。
光伏发电的局限性包括以下几个方面:
（1）地理位置局限。
光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设,也就是所谓的光伏屋顶就地供电。
如果离开建筑物来建设光伏发电,将会大大增加成本或者破坏环境和生态。
（2）时间周期局限。
由于光伏发电的条件是出太阳时,光伏发电设备才能正常工作发电.因此,白昼黑夜,一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大.为了应付这个情况,电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。
（3）气象条件局限。
气候对光伏发电影响.采用光伏并网发电无蓄电池方案时,如果一个城市上空的气候大幅变化,将造成电力负荷的大幅波动;当一个城市上空的空气质量比如空气污染,或能见度变差比如雾天,阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。
（4）容量传输局限.在解决了光伏发电的成本问题后,大功率,高电压,远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心,由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量,调速器及励磁系统,将给交流电网带来新的经济和稳定问题。
不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力,由于上述
（1）,
（2）,（3）的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。
（5）光能转换效率偏低.和传统能源（矿物能源,石油,水能,原子能,等）的转换效率相比,光伏能量的转换效率不能令人满意。
6太阳能光伏发电的设计
太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。
软件设计包括：
负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池组件、蓄电池用电量的计算和两者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。
硬件设计包括：
负载的选型及必要的设计，太阳能电池组件和蓄电池的选型，太阳能电池方阵支架的设计，逆变器的选型及设计，以及控制和测量系统的选型和设计、配电设备的设计。
对于大中型光伏发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电设备的设计、低压配电线路的设计以及辅助和备用电源的选型和设计。
软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般有计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可采取估算的办法。
太阳能系统设计的总规则，是在满足负载供电的需求的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量减少初始投资。
系统设计者应当知道，在光伏发电系统设计中作出的每个决定都能影响造价。
由于不恰当的选择，可轻易的是投资成本成倍的增加，并且不见得就能满足使用要求。
在作出要建立一个独立光伏发电系统以后，可按下述步骤进行设计：
计算负载，确定蓄电池的容量，确定太阳能电池方阵的容量，选择控制器和逆变器，考虑混合发电的问题等。
在设计计算中，需要考虑的基本数据中主要有：
现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月太阳总辐射量、直接辐射量及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天，最大风速及冰雹、降雪等特殊气候情况等。
气象资料一般无法做出长期的观测，只能根据以往10至20年间的平均值作为依据。
但是很少有独立光伏发电系统建立在太阳能辐射数据资料齐全的城市，而偏远地区的太阳能辐射数据可能并不类似最近的城市。
因此，只能采用某个临近城市的气象资料或类似类似地区气象观测站所记录的数据，类似是要把握好可能偏差的因素。
需知，太阳能资源的估算会直接影响到系统的性能和造价。
另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，要设法计算出倾角面上的辐射量。
可将独立太阳能光伏发电系统的总体设计内容图如下：
独立太阳能光伏发电系统总设计框图
容量设计师太阳能光伏发电总体设计的核心和重点，其设计步骤如图：
独立太阳能光伏发电系统容量设计步骤框图
（1）计算负载
负载计算是独立太阳能光伏发电系统设计的重要内容之一。
通常的办法，是列出负载的名称、功率要求、额定工作电压和每天用电小时数。
交流负载和直流负载均应分别列出。
功率因数在交流功率的计算中可不予考虑。
绕后，将负载分类和按工作电压进行分组，计算每组的总工作功率要求。
再选定系统的工作电压，计算整个系统在这一电压下所要求的平均安培·小时数（Ah），即算出所有负载的每天平均耗电量之和。
关于系统工作电压的选择，经常是选最大功率负载所需求的电压。
在交流负载为主的系统中，直流系统电压应当考虑作在220V，直流负载时12V或其倍数24V、48V等。
从理论上说，负载的确定是直截了当的，而实际上负载的要求却往往是不确定的。
例如，家用电器所要求的功率可从制造厂商的资料上得知，但对他们的工作时间并不知道，每天、每周和每月的使用时间很可能估计过高，这样起累计的结果会造成设计的光伏发电系统容量和造价上升。
实际上，某些较大功率的负载可安排在不同的时间内使用。
在严格的设计中，我们必须掌握独立光伏发电徐彤的负载特性，即每天24h中不同时间的负载功率，特别是对于集中的供电系统，了解用电规律即可适时加以控制。
（2）蓄电池容量的确定
系统中蓄电池容量最佳值的确定，必须综合考虑太阳能电池方阵发电量、负荷容量及逆变器的效率等。
蓄电池容量的计算方法有很多，一般可通过下式算出：
式中C—蓄电池容量，Wh;
D—最长无日照期间用电时数，h;
F—蓄电池放电效率的修正系数，通常取1.5；
—平均负荷容量，Kw;
L—蓄电池的维修保养率，通常取0.8；
U—蓄电池的放电深度，通常取0.5；
—包括逆变器等交流回路的损耗率，通常取0.7~0.8。
（3）太阳能电池功率确定及方阵设置
求平均峰值日照数。
将历年逐月平均倾斜方阵上的日总辐射量化成Mw/cm2表示，除以标准日太阳副照度，即为平均峰值日照时数Tm，其计算式为：
确定方阵最佳电流。
方阵应输出的最小电流（Imin）为：
式中Q—负载每天总耗电量；
—蓄电池充电效率；
—方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9~0.95；
—方阵组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，通常可取0.9~0.95。
由方阵面上各月中最小的太阳总辐射量可算出各月中最小的峰值时数Tm，则方阵应输出的最大电流为：
方阵的最佳电流介于
和
之间，具体数值可由实验确定。
先选定以电流值，方法是按月求出方阵应输出的发电量，对蓄电池全年的荷电状态进行实验。
求方阵输出发电量（
）是：
2
式中N—当月天数。
而各月负载耗电量为：
两者相减，如
=
-
为正，表示该月方阵发电量大于用电量，能给蓄电池充电。
若
为负，表示该月来补充，蓄电池处于亏损状态。
如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度（一方阵发电量小于耗电量，要用蓄电池储存的电能般为
0.5），则应增加方阵输出电流；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值，则可减少方阵输出电流。
当然，也可以增加或减少蓄电池容量。
如有必要，还可以改变方阵倾角的值，以得出最佳的方阵电流Im。
确定方阵工作电压。
方阵工作电压应该足够大，以保证全年能有效的对蓄电池充电。
因此，方阵在任何季节的工作电压需要满足:
U=Uf+Ud+Ui
式中Uf—蓄电池浮充电压；
Ud—因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降；
Ui—温度升高引起的压降；
厂商出售的太阳能电池组件，所标出的标称工作电压和输出功率最大值（Wp）,都是在标准状态下测试的结果。
有太阳能电池的温度特性曲线可知，当温度升高时，其工作电压有明显的升降，可用下面的公式计算压降：
Ui=a（Tmax-25）Ua
式中a—太阳能电池的温度系数（对单晶硅和多晶硅电池a=0.005，对非晶硅电
池a=0.003）；
Tmax—太阳能电池的最高工作温度；
Ua—太阳能电池的标准工作电压；
确定方阵功率。
方阵功率按下式计算：
方阵功率（F）=最佳工作电流（I）
最佳工作电压（U）
这样，只要根据算出的蓄电池容量和太阳能电池方阵电流、电压及功率，参照厂商提供的蓄电池和太阳能电池组件的性能和参数，就可以选取合适的组件和规格。
由此可很容易地确定法构成方阵的组件的串联数和并联数。
光伏方阵对于荫蔽十分敏感。
在串联贿赂中，单个组件或部分电池被遮光，就可鞥造成该组件或电池上产生反向电压，因为受其他串联组件的驱动，电流被迫通过遮光区域，产生不希望的加热，严重时可能对剑造成永久性的破坏。
采用一个二极管旁路可以解决这个问题。
太阳能电池方阵的设置。
对于位于北半球的我国，方阵的方位应正南设置。
但只要在正南
20°之内，方阵的输出功率将不会降低多少。
如出于某种考虑不是真难设置，则应尽可能偏西南20°以内，这意味着方阵输出峰值将在正午过后的某时，有利于冬季使用。
方阵设置于非正南方向时，其功率输出大至按照一余弦函数减少。
关于方阵设置倾斜角的问题，对于小型光伏发电系统，一般采用按当地纬度的整数固定设置。
如果要考虑冬季能多发些电，方阵倾斜角可适当比当地纬度加大一些，一般去5°~15°。
7光伏发电系统在克拉玛依市公共设施用电方面的设计
目前国内在太阳能利用在太阳能干燥、太阳能建筑一体化、太阳能热泵等技术领域也做了许多前期研究工作和建设示范，并且取得里一定的成果。
太阳能灯将由城建中的应用推广到道路照明、景观及其他公用设施用电，以降低电能耗。
以太阳能路灯进行说明：
克拉玛依市现有路灯约40000盏,灯高平均约9m,使用光源以400W钠灯为主,工作时间平均12h/d,每年都要投入相当多的财力、物力、人力对其进行维护,而对能源的消耗更是会随着数量的增加而上升。
一套额定功率为150W太阳能灯的照明效果相当于一套负载功率为400W的常规路灯，通过比较分析，一套常规路灯一天耗电3.2度，一年耗电1168度，1度电消耗标准煤350g，一套常规路灯在一年中消耗标煤0.41t。
若用150W太阳能灯替换400W的常规路灯，一年可间接节电1168度，节约标煤0.41t。
以运行一年数据为参考,做出与太阳能灯的经济、环境效益对比如表2。
表2常规路灯与太阳能路灯的经济效益对比
对比灯具
光源
日耗电量
年耗电量
年耗煤
常规路灯
400W
12.8万KWh
4672万KWh
1.64万吨
太阳能灯
150W
0
0
0
（注:
普通路灯除电费外还包含土建施工、电缆敷设、维护以及电缆盗损等费用。
）
如果能在新建的道路上应用光伏独立供电的太阳能路灯,虽然一次投资额高于常规路灯,但可减少常规路灯所需土建施工、电缆敷设、维护等费用,以及运行电费,节约了大量的能源,从而减少了SO2等污染物的排放,经济效益与环境效
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