太样能光伏发电原理与应用精.docx

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太样能光伏发电原理与应用精

屋顶太阳能光伏发电系统方案

重庆科技学院

高等教育自学考试本科毕业论文

太阳能光伏发电原理与应用

考生姓名：

吴刚准考证号：

011809103215

专业层次：

本科院（系）：

机械与动力工程学院指导教师：

郭鹏远职称：

讲师

重庆科技学院

二0一二年月日

重庆科技学院

高等教育自学考试本科毕业论文

太阳能光伏发电原理与应用.

考生姓名：

吴刚

准考证号：

011809103215

专业层次：

本科

指导教师：

郭鹏远

院（系）：

机械与动力工程学院

重庆科技学院

二0一二年四月一日

摘要

本文总体阐述了，光伏太阳能发电系统的组成，分类，运行原理等。

并探讨了太阳能光伏并网发电系统，对太阳能发电材料的选择进行了详细描述。

并分别介绍了太阳能光伏电池方阵、光伏并网逆变器、汇线盒、电涌保护器、直流配电柜、交流配电柜的选用。

进行了技术经济比较和环境、社会效益分析。

太阳能是资源最丰富的可再生能源。

具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐及能源与环境的协调发展。

人类对太阳能的早期利用主要是光和热。

光伏发电技术的出现为太阳能利用开辟了广阔的领域。

上世纪90年代以来，太阳能光伏发电的发展很快，已广泛用于航天、通讯、交通，以及偏远地区居民生活等领域。

太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。

在光照条件下，太阳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，以便夜晚和阴雨天使用；或者通过逆变器将直流电转换成交流电后与电网相连，向电网供电。

关键字：

太阳能，电动势，电网

Principlesandapplicationsofsolarphotovoltaic

ABSTRACT

Thepaperexpounds,photovoltaicsolarpowersystemcomposition,classification,operationprinciple.Andexploresthesolarphotovoltaicgrid-connectedgenerationsystemforsolarpower,selectionofmaterialsaredescribedindetail.Inthispaper,solarphotovoltaicbatteryarrayofphotovoltaicgrid-connectedinverter,thelinebox,surgeprotector,DCpowerdistributioncabinet,ACpowerdistributioncabinetselection.Thecomparisonoftechnologyandeconomy,societyandenvironmentalbenefitanalysis.Solarenergyisthemostabundantresourcesofrenewableenergy.Hasdistinctadvantageandtremendousdevelopmentpotential,makefulluseofsolarenergytomaintaintheharmonybetweenmanandnatureandtheharmoniousdevelopmentofenergyandenvironment.Humanearlyusemainlyonsolarlightandheat.Photovoltaicpowergenerationtechnologyforutilizationofsolarenergyhasopenedupvastareas.Goupcenturysince90time,solarphotovoltaicpowergenerationdevelopmentisveryrapid,hasbeenwidelyusedinaerospace,communications,transportation,andremoteareasofresidentialareas.

Solarenergyissolarenergydirectlyintoelectricalenergyofapowerform.Underillumination,solarcellmoduletoproducecertainelectromotiveforce,throughthecomponentparalleltoformthesolarbatterysquarematrix,thematrixtoachievesystemvoltageinputvoltagerequirements.Throughthechargeanddischargecontrollerchargethestoragebattery,thesolarenergyintoelectricenergyandstored,sothatnightandrainydays;orthroughaninverterconvertstheDCpowerisconvertedintoACpowerandgrid

Keywords：

Solarenergy,electricpotential,electricnetwork

目录

摘要...................................................................................................................................................I英文摘要.................................................................................................................................................II前言.....................................................................................................................................................1

第一章太阳能光伏发电系统的组成................................................................................1

1.1太阳能电池方阵.............................................................................................................................1

1.1.1光—热—电转换方式........................................................................................................1

1.1.2光—电直接转换方式........................................................................................................1

1.1.3太阳能电池技术发展........................................................................................................2

1.2控制器............................................................................................................................................4

1.3逆变器.............................................................................................................................................4

1.3.1太阳能逆变方式................................................................................................................5

1.3.2逆变器性能分析.................................................................................................................6

第二章太阳能光伏发电系统的分类................................................................................8

2.1离网光伏蓄电系统.........................................................................................................................8

2.2光伏并网发电系统.........................................................................................................................9

第三章太阳能光伏发电系统的优缺点简诉..............................................................10

3.1太阳能光伏发电系统优点...........................................................................................................10

3.2太阳能光伏发电系统缺点..........................................................................................................10

3．3太阳能发电系统的设计因素.....................................................................................................11

第四章屋顶太阳能光伏发电系统方案......................................................................12

4．1北京地区利用太阳能发电的可行性分析................................................................................12

4．2系统构成....................................................................................................................................12

4.3系统说明.......................................................................................................................................12

4.4并网与运行...................................................................................................................................13

第五章发展前景与面临的问题......................................................................................15

5.1发展前景.......................................................................................................................................15

5.2面临的问题...................................................................................................................................15致谢................................................................................................................................................17参考文献................................................................................................................................................18论文原创性声明................................................................................................................................19

前言

本章主要讲述太阳能光伏系统的组成结构和工作原理，并结合实例讲述光伏系统的常见类型、一般设计原理和方法、光伏系统的测试以及性能分析，并描述了太阳能光伏系统的发展趋势。

太阳能光伏发电应用非常广泛，光伏发电系统应用的基本形式可分为两大类：

独立发电系统和并网发电系统。

应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。

随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。

太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。

在光照条件下，太阳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，以便夜晚和阴雨天使用；或者通过逆变器将直流电转换成交流电后与电网相连，向电网供电。

1太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电技术主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换（逆变器、充电器、控制系统、储能系统、并网技术等领域，本文主要就太阳能并网电站涉及的主要技术进行综述。

1.1太阳能电池方阵

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

1.1.1光—热—电转换方式

光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。

因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

1.1.2光—电直接转换方式

光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

简单的说就是:

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。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

1.1.3太阳能电池技术发展与效率的测量

太阳能电池技术是太阳能发电技术的主要组成部分。

太阳能电池主要有以下几种类型：

单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。

各类型电池主要性能如表1。

表1.各类电池主要性能表

种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点晶硅电池单晶硅14%-17%23%效率高，技术成熟原料成本高多晶硅13%-15%20.3%效率高，技术成熟原料成本较高

非晶硅5%-8%13%弱光效应好，成本相对较低转化率较低薄膜电池碲化镉5%-8%15.8%弱光效应好，成本相对较低有毒污染环境铜铟硒5%-8%15.3%弱光效应好，成本相对较低稀有金属

晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。

单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点。

非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池较低的优点。

而碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制。

我国从上世纪50年代起就开始对太阳能电池进行研究，上世纪80至90年代先后从国外引进多条太阳能电池生产线。

近几年，太阳能电池的研究开发和生产飞跃发

展。

整体上看，我国不但在太阳能电池生产能力上进入国际先进行列，而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平，同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先成果。

目前，薄膜电池的转换效率达到6％～8％，近两年内可达到10％～12％，五年内有望达到18%，其功率衰退问题也已解决。

薄膜电池对弱光的转化率十分高，即使在5月天照样能够发电。

其技术正在成为太阳能电池主流技术，与晶体硅太阳能电池技术并驾齐驱。

其它一些可以从PV电池直流I-V曲线中得出的数据表征了它的总体效率——将光能转换为电能的好快程度——可以用一些参数来定义，包括它的能量转换效率、最大功率性能和填充因数。

最大功率点是最大电池电流和电压的乘积，这个

位置的电池输出功率是大的。

图1.1光伏电池—电压特性曲线图

填充因数图1.1是将PV电池的I-V特性与理想电池I-V特性进行比较的一种方式。

理想情况下，它应该等于1，但在实际的PV电池中，它一般是小于1的。

它实际上等于太阳能电池产生的最大功率（PMAX=IMAXVMAX）除以理想PV电池产生的功率。

填充因数定义如下：

FF=IMAXVMAX/（ISCVOC

其中IMAX=最大输出功率时的电流，VMAX=最大输出功率时的电压，ISC=短路电流，VOC=开路电压。

转换效率（h）是光伏电池最大输出功率（PMAX）与输入功率（PIN）的比值，即：

h=PMAX/PIN

PV电池的I-V测量[15]可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）两种情况下进行。

正偏测量[16]是在PV电池照明受控的情况下进行的，光照能量表示电池的输入功率。

用一段加载电压扫描电池，并测量电池产生的电流。

一般情况下，加载到PV电池上的电压可以从0V到该电池的开路电压（VOC）进行扫描。

在0V下，电流应该等于短路电流（ISC）。

当电压为VOC时，电流应该为零。

在如图1所示的模型中，ISC近似等于负载电流（IL）。

PV电池的串联电阻（rs）可以从至少两条在不同光强下测量的正偏I-V曲线中得出。

光强的大小并不重要，因为它是电压变化与电流变化的比值，即曲线的斜率，就一切情况而论这才是有意义的。

记住，曲线的斜率从开始到最后变化很大，我们所关心的数据出现在曲线的远正偏区域（far-forwardregion），这时曲线开始表现出线性特征。

在这一点，电流变化的倒数与电压的函数关系就得出串联电阻的值：

rs=ΔV/ΔI

1.2控制器

太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。

太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。

既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。

此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。

太阳能控制器通常有6个标称电压等级：

12V、24V、48V、110V、220V、500V.

控制器对整个