光伏发电原理及发展现状.docx

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光伏发电原理及发展现状

新能源技术

光伏发电原理及发展现状

学校：

吉林电子信息职业技术学院

班级：

发电2班

姓名：

***

学号：

**********

摘要:

阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。

关键词:

太阳能;光伏电池;光伏阵列;光伏发电系统

引言:

众所周知，太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源，每天到地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，太阳能开发与利用逐步成府重点发展的战略。

热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。

“光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式，正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部分化石能源，而且未来将成为世界能源供应的主体，是世界各国可再生能源发展的重点。

本文阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外光伏发电

技术的发展现状及发展趋势。

1光伏电池的原理及发展现状

1839年，法国的EdmondBecquerel发现了“光伏效应”，即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。

光伏电池是基于半导体P-N结接受太阳光照产生光伏效应，直接将光能转换成电能的能量转换器。

1954年，美国Bell实验室的G．Pearson等发明了单晶硅光伏电池，其原理如图1所示。

图1中，

太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一定能量的光子，在内部产生处于非平衡状态的电子－空穴对;在P-N结内建电场的作用下，电子、空穴分别被驱向N，P区，从而在P-N结附近形成与内建电场方向相反的光生电场;光生电场抵消P-N结内建电场后的多余部分使P，N区分别带正、负电，于是产生由N区指向P区的光生电动势;当外接负载后，则有电流从P区流出，经负载从N区流入光伏电池。

图2为光伏电池等效电路，其中，Iph为与光伏电池面积、入射光辐照度成正比的光生电流（1cm2硅光伏电池的Iph值为16～30mA）;ID，Ish分别为P-N结的正向电流、漏电流;串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成（RS一般＜1Ω）;旁漏电阻Rsh由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致（Rsh一般为几kΩ）;RL为外接负载电阻，IL，UO分别为光伏电池输出电压、电流;当负载开路（RL=∞）时，UO即为开路电压Uoc，其与环境温度成反比、与电池面积无关（在100mW/cm2的光谱辐照度下，硅光伏电池的Uoc一般为450～600mV。

与图2对应的光伏电池解析模型

IL=Iph－ID－Ish

Iph=IscS/1000+CT（T－Tref）

ID=ID0（T/Tref）3e［qE/gnk（1/Tref－1/T）］［eq（Uo+ILRS）/nkT－1］

Ish=（Uo+IIRs）/Rsh

上式中，Isc为RL=0时的短路电流（A）;T为环境温度（K）;Tref为参考温度（一般取298K）;S为实际太阳光辐照度（W/m2）;CT为温度系数（A/K）;q=1．6×10－29C;k=1．38×10－23J/K;n，ID0分别为二极管排放系数、反向电流;Eg为表征半导体禁带宽度的常量（V）。

实用中，为了满足负载需要的电压、电流，需将多个容量较小的单体光伏电池串、并成数瓦到数百瓦的光伏模块（其输出电压一般在十几～几十V），进一步可将多个光伏模块串、并联成光伏阵列。

图3为在环境温度25℃（T=298K），太阳光辐照度S=1000W/m2条件下某光伏模块的仿真输出特性。

图3表明，一定的温度、照度下，光伏电池对应存在一个可能的最大功率输出运行点（Pmax=UpmaxIpmax），但实际工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。

图3（a）中，给出了3条不同阻值RL1，R*L，RL2的电阻负载伏安特性（RL1＜R*L＜RL2），其与光伏电池伏安特性的3个交点A，M，B则为对应的3个实际工作点，只有当负载电阻RL=R*L时光伏电池才运行在最大功率点M，输出最大功率Pmax（UpmaxIpmax）。

事实上，光伏电池的短路电流与辐照度成正比，开路电压与温度成反比，辐照度增加、温度降低将使其最大功率增加，故随着天气（辐照度、温度）变化，应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处，以实现

“最大功率点跟踪（MPPT）”。

自1954年实用光伏电池问世至今，晶体硅光伏电池占了光伏电池总产量的80%以上，广泛应用的单晶硅光伏电池光电转换效率已接近25%;多晶硅光伏电池的光电转换效率虽较低，但其材料成本较低，可望成为主导产品之一。

随着光伏产业的迅猛发展，具有半导体材料消耗少、易批量生产、低成本、对弱光转化率高、易实现光伏建筑一体化等优势的薄膜光伏电池成为第二代光伏电池研发的重点，其中，1976年问世的非晶硅薄膜光伏电池实验室效率已达12．8%;20世纪80年代兴起的铜铟硒（CIS）多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近20%。

进入21世纪，以提高光电转换效率、降低成本为目标的第三代光伏电池，如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方兴未艾。

2光伏发电系统的结构和工作原理

1离网型光伏发电系统

离网型光伏发电系统亦称为独立光伏发电系统，图4为其典型结构示意图。

图4中的蓄电池是离网型光伏发电系统中必不可少的储能器件，光伏阵列受太阳光照发出的电能通过控制器、DC/DC变换器对蓄电池进行高效、快速充电;而蓄电池储存的电能可通过放电器向直流负载馈电或经DC/AC变换向交流负载供电。

控制器根据当前工况通过对DC/DC变换器控制调整光伏阵列等效负载的大小，实现MPPT;另一方面，控制器采用正弦波调制（SPWM）或空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术对电压源型DC/AC逆变器进行控制以输出总谐波畸变率低、稳定可靠的交流电。

防反充二极管可防止蓄电池对光伏阵列放电，以避免反向电流损坏光伏阵列。

离网型光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无

电地区或容量较小（一般不超过几百瓦）的户用光伏系统。

2并网型光伏发电系统

并网型光伏发电系统与公共电网相联接，其典型结构示意图如图5所示。

图5中，实现MPPT的前级DC/DC变换控制与实现逆变、并网控制的后级DC/ACPWM控制独立，降低了后级逆变器并网工作与光伏阵列输出功率的相互影响，在提

高太阳能利用率的同时，提高并网电流品质。

并网型光伏发电系统具有太阳能利用率高、可省略蓄电池储能环节、发电成本较独立型光伏发电显著降低等优点，其是光伏发电技术发展的趋势，主要有大型联网光伏电站和住宅联网型光伏系统两大类，其中，光伏系统与建筑相结合（BAPV）的住宅屋顶联网型光伏系统已成为光伏产业的一个热点。

并网型光伏发电系统的关键技术包括光伏阵列MPPT、逆变、并网控制、并网保护及孤岛效应检测等。

3光伏发电技术的发展趋势

光伏发电技术研究始于1839年“光伏效应”的发现。

1954年，G．Pearson等开发出光电转换效率为6%的单晶硅光伏电池，其为现代晶体硅光伏电池的雏形。

目前，高效晶体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业的热点之一。

在光伏发电技术开发之初的20世纪70年代，由于制造成本高，光伏发电仅用于人造卫星、海岛灯塔等场所，

1976年全球光伏电池年产量仅几百千瓦。

20世纪80年代以来，随着光伏电池技术的不断进步、成本不断降低（2003年，国际市场光伏模块的售价已降至2．5～3美元/瓦;2008年，美国FirstSolar公司CdTe薄膜光伏电池成本为1美元/瓦），光伏产业迅猛发展，1997年全球光伏电池年产量为163．3MW，2007年则增至3733MW。

近年来，世界光伏产业以每年超过30%的速度递增，成为发展速度最快的行业之一。

到2009年底，全球光伏发电装机容量累计达2300万千瓦，当年新增装机约为700万千瓦。

近年来，并网光伏发电的应用比例快速增长，已成为光伏发电的主导市场。

1996年，并网光伏系统比例仅为7．9%，而2007年则增加至80%左右。

目前，光伏与建筑相结合的分布式并网系统市场份额远大于大型联网光伏电站;而大型联网光伏电站是可再生能源发电的重要发展方向，其容量可达MW或GW级，所发电能可直接并入高压电网。

据国际能源组织（IEA）预测:

2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1%，2040年则占总发电量的20%。

我国对光伏电池的研究始于1958年。

20世纪80年代以前，光伏电池年产量一直低于10kW。

进入21世纪以来，我国光伏产业的生产能力快速扩大，2000年光伏电池年产量猛增至3MW;2007年，成为世界最大的光伏电池生产国，占世界总产量的27．2%;2008年产量达2000MWP，仍居世界第一。

2007年，无锡尚德位居世界光伏电池生产厂产量第3。

2007年，我国光伏发电装机容量累计达10万千瓦;2008年约为15万千瓦;2009年则增为31万千瓦。

综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程，呈现出如下发展趋势:

晶体硅光伏电池光电转换效率和生产技术水平持续提高;随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不断降低，硅材料消耗不断减小，光伏电池生产成本大幅降低;CdTe、非晶硅、CIS等薄膜光伏电池已逐步进入市场，随着薄膜光伏电池技术不断进步，薄膜光伏电池的市场份额将快速增长;多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光伏电池，成本远低于晶体硅光伏电池，发展前景广阔;叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子光伏电池等方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限，且有原材料丰富、无毒等优点;光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步，光伏电池生产规模及生产能力快速增长，光伏模块价格大幅降低;并网型光伏发电的应用比例不断增加，逐步成为光伏发电的主流，光伏系统与建筑相结合的太阳能建筑逐步进入商品化生产时期。

尽管与传统发电方式相比，目前光伏发电的成本仍偏高，尚不具备大规模商业开发的条件，但以太阳能为主体的新能源将成为21世纪世界能源供应的主体，可以预测随着光伏产业的快速发展，光伏发电的成本将不断下降并逐步逼近传统发电成本的水平，从而成为具备竞争能力的可再生能源。

一、项目基本信息：

1.11地热能源利用背景：

地热资源是一种新型可持续再生能源。

它来自于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。

地下水在深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近地表层．有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和热水到达地面。

自史前起，地热就已被用于洗浴和蒸煮。

通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。

其具有持续供能，无废料，无污染，无需地面贮存的低用地，低成本低碳再生能源。

在美国，欧盟，新两兰，冰岛，日本等国，开发地壳深部蕴葳的中高温地热生产电能，已达到2000万千瓦，仅美国加州已利用地热发电260万千瓦。

我国拥有丰富的深层地热资源，但地热能在中国能源结构中的比例仅占0.5％，地热发电装机不到10万千瓦，与国外地热利用水平差距很大。

我们需要引入国外地热发电的新思路，采纳地热地质新理论，应用先进的勘探方法和地热工程新技术，在国内开发这一新型低碳清洁能源。

1.12地热能发电技术背景：

进入21世纪，能源已成为制约世界经济和社会可持续发展的瓶颈。

地热资源作为可再生的绿色清洁能源具有巨大的开发潜力，是2l世纪最受人关注的新能源之一。

1904年．意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站（功率为550W），开地热能利用之先河。

其后，意大利的地热发电发展到50多万kW。

日本自1966年松川（Matsukawa）地热电站开始运行．到1996年全国地热发电容量已超过52万kW。

截至2005年．全世界地热发电总装机8900MW，利用地热发电所生产的电力达56800GWht。

目前．应用最多的地热发电方式为干蒸汽发电系统。

这类热田发电单机组容量为35～120MW，印度尼西亚、意大利、日本以及美国均建有此类电站．这些电站的总发电量占地热能总发电量的一半。

我国西藏羊八井地热电站主要采用这种形式。

世界上大多数地热田属液态热储．湿蒸汽地热发电站或扩容蒸汽地热电站应用液态地热系统中的热液流体发电，日本、新西兰、美国、意大利、菲律宾、墨西哥等国家应用得较好。

双循环式发电也应用液态地热系统发电．但由于热储温度较低，不能通过压力变化扩容成蒸汽，只能通过低沸点的中间介质来发电．一般单机组装机容量小于3MW。

双循环发电在菲律宾、墨西哥是较常见的。

1.2地热发电原理：

地热发电基本原理是用水流作为载体，流经地壳内部断裂带以热传导和对流方式将地层深部具有中高温（超过摄氏1500—2000C）的地热能量送上地面，由高效的二级闪蒸汽轮发电机转换为电能，输送到供电网。

同时把排放的余温水，供当地居民取暖和其它日常生活用途。

在注水井和生产井（井深3—5公里）之间循环使用水流。

合理配置钻井相对位置和距离，保持水温和流量动态平衡，可以确保系统长期持续工作。

美国地热电站的可用系数高达95％，能够稳定供电。

目前，国外一套基本型地热发电机组的发电能力为20兆瓦，可供20万人口用电需求。

若开发区域的地热资源丰富，可建立多套组合形成更大规模供电。

1.3地热能发电可行性分析：

随着能源开采科学技术的发展和能源开采设备的不断更新，地热能在常用能源中所占的比重越来越大。

从下面的全球一次能源需求图可以看出，到2030年前后，全球对地热能的使用比重将达到32%，超过目前石油、天然气、水能以及核能的比重。

到那时，地热能将引发全球新一轮的能源风暴。

就近期来看，地源热泵的利用在世界上发展迅速，如德国新增热泵单元数2008年约为1998年的10倍。

目前，全世界利用热泵技术开发的地热能已占地热直接利用总量的30％以上。

二、双循环式发电工艺：

2.1工作原理：

双循环式发电又称中间介质法地热发电，通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质,使之变为蒸汽,然后以此蒸汽推动气轮机并带动发电机发电.在这种发电系统中采用2种流体,一种是以地热流体作热源,它在蒸汽发生器中被冷却后排入环境或打入地下;另一种是以低沸点工质流体作为工作介质（如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等）.这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化,产生的低沸点工质蒸汽送入汽轮机发电机组发电.做完功后的蒸汽,由汽轮机排出,并在冷凝器中冷凝成液体,然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作.该方式分为单级中间介质法系统和双级（或多级）中间介质法系统。

当地热井输出的热水进入换热器后，在换热器中将热量传给低沸点介质。

可再生能源放热以后。

温度降低了的地热水排人回灌井或作其它应用。

低沸点介质在换热器中吸热，变为具有一定压力的蒸汽，推动汽轮机并带动发电机发电。

从汽轮机排出的气体，在冷凝器中凝结成液体。

用泵将液体送入换热器，重新吸热蒸发变成气体。

如此周而复始，地热水的热量不断地传给低沸点介质进行连续发电。

2．双循环式发电工艺原理图：

2.2双循环式发电特点：

双循环发电方式的特点是地热水与发电系统不直接接触．而是将地热水的热量传给某种低沸点介质（如丁烷、氟利昂等），由低沸点介质推动汽轮机来发电。

这种发电方式由地热水系统和低沸点介质系统组成，故称之为双循环式发电，也称之为中间介质法发电。

优点是能够更充分地利用地下热水的热量,降低发电的热水消耗率,缺点是增加了投资和运行的复杂性。

.缺点是增加了投资和系统运行复杂性，技术难度大，操作维修水平要求较高。

该系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。

发展双循环系统的关键是开发高效热交换器。

2.3双循环式发电装置：

蒸汽-低沸点介质联合双循环余热发电装置由两级发电系统构成（见下图）,其中一级发电系

统以余热蒸汽为工作介质在螺杆膨胀动力机中膨胀做功,带动发电机组发电,二级发电系统将二级发电系统做功完毕的乏汽作为热源,加热作为工作介质的低沸点介质（DME）,推动螺杆膨胀动力机发电;整个系统还包括蒸发器、冷凝器等热交换器及储液罐、冷却风机等。

朗肯循环结构简单比较适合低温余热发电因此两级发电系统都采用朗肯循环热力系统,热力循环T-S过程如下图所示。

在一级发电系统中,蒸汽在膨胀螺杆机中绝热膨胀做功（过程1-2）,乏汽在蒸发热交换器中等压冷凝释放潜热和部分显热（过程2-3-4）,留下的低温低压的工质水回收循环利用。

在二级发电系统中,进入蒸发热交换器中的高压不饱和低沸点介质DME吸收乏汽的热量变成高温高压的过热蒸气（过程e-f-a）;然后根据膨胀螺杆动力机工作的要求,利用调节阀把产生的高温高压过热DME蒸气调节到适合的状态,并送到膨胀螺杆动力机中绝热膨胀做功（过程a-b）;做功后的低温低压DME工质在冷凝器中等压冷凝放热（过程b-c-d）,再经密封泵升压重新变成高压不饱和液体（过程d-e）,完成一个热力循环。

2.4工况变化对双循环式发电的影响：

（一）余热蒸汽的干度

如果余热蒸汽因干度发生变化形成汽液混合物,使螺杆机中的膨胀成为两相三元流动,那么工质中的液相对螺杆膨胀机就会造成一定的动力损失,不过由于工质的黏度变大对泄漏间隙又会产生一定的封闭作用,减少了螺杆膨胀机的泄漏损失,可以弥补部分因动力损失给螺杆机运行带来的效率降低。

另一方面,虽然理论上螺杆机选定后膨胀比保持不变,发电功率主要取决于工质的进口温度,几乎与干度无关,但是由于工质中液相的存在,使得工质在机内的焓降减小,对装置的发电量和发电效率还是会造成不利影响。

（二）余热蒸汽的压力和流量

在一级发电系统的进口工质为饱和蒸汽的情况下,保持蒸汽流量和排气参数不变,进口工质压力的减小会导致发电量和效率降低,但是不会影响二级发电系统的发电量。

如果一级进口的工质温度和压力保持不变但是流量减少,那么一级和二级发电系统的发电量都会降低,整个装置的净发电量也会减少,但总发电效率几乎不变。

六、参考文献：

【1】彭第、孙友宏、潘殿琦《地热发电技术及其应用前景》吉林大学2008.12；

【2】崔俊奎《分布式地热系统双循环发电效率分析与梯级供热试验研究》天津大学2009.7；

【3】朱家玲.《地热能开发与应用技术》北京化学工业出版社,2006.；

【4】吕太、高学伟,、李楠《地热发电技术及存在的技术难题》东北电力大学2009.01；

【5】黄金、朱冬生、李元希《新型蒸汽-低沸点介质联合双循环余热发电装置》南华理工大学2009.04；

【6】赵异波、何湘宁《新能源发电技术的最新进展》浙江大学2002.02；

【7】廖志杰《中国低碳地热发电的回顾与展望》北京大学地球和空间科学学院2011.02；

【8】中国能源网《地热能源的开发利用，惠及百姓》；

【9】田晓东、陈道隆《我国地热资源丰富，亟待开发》科学创新与品牌2011年第10期；

摘要：

能源与能源的利用一直是我们现在讨论的热点话题，本文主要探讨了核能发电作为新能源的代表在能源经济发展中发挥的巨大作用。

关键词：

能源经济；核能发电；新能源

0引言

　能源是现代社会赖以生存和发展的基础,传统的燃料能源正在一天天减少,对环境造成的危害也日益突出,清洁燃料的供给能力密切关系着国民经济的可持续性发展。

能源分析家认为，在石油供应紧张的情况下，核电有望重新得到重视。

核能必须是能源构成的一部分。

核能发电比用天然气发电和用煤发电都便宜。

与燃烧时产生影响气候的二氧化碳的化石燃料相比，核能发电是“无碳的”。

更重要的是，核能发电使用的铀来自稳定的国家。

1能源经济的现状与存在问题

当今世界共有超过440个核反应堆。

每一个都是全球电力供应网上的关键部分，占世界总发电量的17%，美国混合供电比例的20%。

由于人们越来越多的担心矿物燃料燃烧排放出的温室气体导致全球变暖问题，核能发电就被看作是一种新型的替代能源。

现在核能发电已几乎占世界零排放发电总量的一半，约占美国零排放发电总量的70%。

      科学界已达成共识，大气中的二氧化碳和其他温室气体的浓度升高正在改变着地球的气候。

国际社会继续致力于联合国气候变化框架公约（UNFCCC），此公约于1994年被确定为国际法，并得到美国政府的持续支持。

联合国气候变化框架公约的根本目标是“使大气中的温室气体的浓度稳定在一定水平，以防止人类行为对气候造成的影响。

”

      要稳定温室气体的浓度，我们还面临着巨大的挑战。

到21世纪末，世界人口可能要比现在至少增加50%，而且世界经济预计是现在经济总量的几倍。

由于社会将在2100年达到一个稳定的状态，我们必须建立一个低碳排放的大型能源系统。

      为了保持和扩大无碳能源项目，以实现全球气候政策目标的同时满足日益增长的电力需要，核能发电技术方面进行创新是必须的。

在核能发电厂的设计、系统、元件和规章制度（把目标与严谨的技术知识结合起来）方面的更新和提高，对于降低成本和强调安全、保障、废物管理和核扩散方面的问题，是至关重要的。

在很大程度上科学知识和创新技术可以减少人们的担忧并提高政治及公众的接受程度，将决定核能是否能在限制碳排放的将来在国内及世界能源供应结构中占据重要的位置。

中国在“十一五”国民经济与社会发展规划中提出了单位GDP能源消费降低20%的目标。

然而，2006年上半年的实际情况是：

GDP增长10.9%的同时，煤、电同比分别增长了12.8%和12%，能源消耗增长仍然快于经济增长，全国单位GDP能耗同比上升0.8%，若2006年全年单位GDP能源消耗高于2005年，意味着“十一五”期间单位GDP降低20%的目标必须在4年内完成，每年要降低5.4%。

“十一五”期间中国各主要行业节能降耗形势不容乐观，完成节能降耗20%的目标任务十分艰巨。

世界各国经济发展和能源结构的历史和现实表明，能源结构优质化和经济发展水平密切相关。

在发达国家的能源生产与消费结构中，清洁能源所占比例之高引人注目。

与世界发达国家之能源格局形成鲜明对照的是，中国的能源结构和消费结构不甚合理，未能充分实现结构优化。

由于技术落后等原因，中国水力资源的开发尚处于起步阶段，但短期内成效不会太大。

而中国的核能等新能源的开发也落后于世界水平。

中国不合理的能源结构带来了严重的环境污染问题。

中国以煤炭为主的能源结构带来了环境污染严重、效率低下、终端服务落后以及能源技术水平差等问题。

由煤炭使用造成的当地、区域、全球环境问题严重阻挠了未来的发展。

2能源经济发展的出路对策

转变经济增长方式；构建新的产业体系与发展模式；调整和优化能源结构；推广节能技术和加强节能管理。

以上我们探讨了能源经济的相关问题，在现今世界能源经济发展的浪潮中，核能工业作为一种环保型的新能源在能源经济中占有很重要的位置，核能发电已