倾斜角可调光伏支架设计课程设计.docx

1、倾斜角可调光伏支架设计课程设计倾斜角可调光伏支架设计（光伏发电技术课程设计 ）第 1 章 绪论 31.1 能源与环境 31.2太阳能 31.3 光伏发电的优缺点 41.4光伏发电现状 5第 2 章 光伏发电 62.1光伏发电原理及特性 62.1.1光伏电池的种类 72.2光伏市场 72.3光伏的应用 92.3.1独立光伏系统 102.3.2并网光伏系统 102.3.3大规模光伏电站 122.3.4光伏发电应用展望 12第 3 章 固定式光伏支架倾斜角选择 143.1固定式光伏支架与其他支架的比较 143.2固定可调式支架结构 143.3固定可调式支架与固定倾角式支架主要经济指标比较 153.4

2、常见的固定可调式光伏支架技术经济比较 153.5最佳倾斜角的选取 163.6 光伏发电太阳能电池板最佳倾斜角与转换效率 17第 4 章 倾斜角可调光伏支架设计 194.1倾斜角可调光伏支架的连接方式 194.2倾斜角可调光伏支架的特征 194.3倾斜角可调光伏支架的设计 204.4倾斜角可调光伏支架的构建 214.5倾斜角可调光伏支架的优势 22第五章总结 错. 误!未定义书签。第 1 章 绪论1.1 能源与环境近年来，由于传统发电系统所利用的燃料都是煤、天然气等有限自然资源，且它们的燃 烧产物，大多都会给自然环境造成比较大的污染，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国 之一，也是少数几个以煤炭

3、为主要能源的国家之一，在能源生产和消费中，煤炭约占商品能 源消费构成的 75%，已成为我国大气污染的主要来源。所以，在高科技技术的引领之下，我 国逐渐将光能、水能以及风能等清洁能源应用在了发电系统的设计当中，从而让其有效缓解 了我国能源短缺以及环境污染的严重程度。无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有 限的。中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的 10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、 确实的长寿命和免维护性、资源的充足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。世界能源危机促使光伏发电快速发展

4、， 2006 年 1 月 1 日我国也正式颁布了中 华人民共和国可再生能源法，指明了我国的基本国策和发展方向。为了实现能源和环境的 可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点，光伏产业发展迅速，并首先在太阳能 资源丰富的国家如德国、日本、美国等国家得到了大面积的推广和应用比如美国，奥巴马政 府推出 “绿色能源计划 ”，提出 3 年内使太阳能等可再生能源利用量增加 1 倍，到 2012 年， 可再生能源发电比例提高到 10%。在日本，政府 2008 年 11 月发布了 “太阳能发电普及行动 计划”，确定太阳能发电量到 2030 年的发展目标要达到 2005 年的 40 倍，并降低单位成本。2

5、007 年，中国光伏发电累计装机总量也已达 10 万千瓦。至 2008 年底，我国太阳能光 伏发电累计装机约为 15 万千瓦， 2010 年预计达到 30 万千瓦。 2010 年 5 月 25 日，昆明 石林太阳能光伏并网实验示范电站开始运行，一期发电容量达到 20 兆瓦。实际上太阳能发 电本身有更激动人心的计划，比如利用沙漠或海洋的空间面积发电，太空发电计划等，正待 人们去遐想和研究如何利用太阳能。1.2太阳能太阳能(Solar Energy), 般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳内部 高温核聚变反应所释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球大气层，是地球上光和热的 源泉自地球

6、形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件， 但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用(光热转换) 和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能 量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核 能而产生的能，来自太阳的辐射能量。太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。人 类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化 碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由 古代

7、埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的且属于一次能源。地球本身蕴藏的能 量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。与原子核反应有关的能源正是核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称 为原子核能，简称核能，俗称原子能。它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的 核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质 在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外，还可以用作其它类型 的动力源、热源等。图1.1光伏电站1.3光伏发电的优缺点光伏发电是清洁、可再生能源，与燃煤电厂相比，节约燃煤，排放无污染。光伏电站的 建设

8、不仅有较好的投资收益，而且对改变环境和节约资源具有明显的社会效益。为了实现能 源和环境的可持续发展，国家将光伏发电作为发展的重点进行扶持。与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在：1.无枯竭危险；2安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；3不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂 地区；4无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；5.能源质量高；6.使用者从感情上容易接受；7.建设周期短，获取能源花费的时间短。缺点但是，太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点，在现有的条件下，生产国内 自己使用的电池板还说的过去，不过大量出口等于污

9、染中国，造福世界了，据统计，生产一 块1m1.5m的太阳能板必须燃烧超过40公斤煤，但即使中国最没有效率的火力发电厂也能 够用这些煤生产130千瓦时的电一一这足够让2.2瓦的发光二极管（LED）灯泡按照每天工 作12小时计算发光30年。而一块太阳能电池板的设计寿命只有 20年。1.照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；2.获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。3.效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上 也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能 与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要

10、受到经济性的 制约。4.光伏板制造过程中不环保5.不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、 云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的， 这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为 能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射 能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之 一。1.4 光伏发电现状为应对全球化石燃料加速枯竭的能源危机和日益高涨的能源需求 , 各国大力推动可再生 能源快速发展 , 改变能源消费结构

11、, 可再生能源将逐渐替代常规化石燃料能源。 根据德国全球 变化咨询委员会的研究 , 要实现全球能源可持续发展 , 则所要求的可再生能源替代比例将从 2020 年的 20 %提升到 2050 年的 50 % 。2011 年, 联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 对 6 种可再生能源资源 ( 生物能、太阳能、地热能、水电、海洋能、风能 ) 进行评估 , 结果表 明太阳能资源可开发潜力是所有可再生能源中最高的。太阳能资源开发中光伏发电存在巨大 的潜能。如欧盟(EU)所有合适的屋顶和外墙覆盖着太阳能电池板，则在2020年可满足其40 % 的用电需求；国际能源署(IEA)研究表明，若全球干燥沙

12、漠面积的 4 %安装光伏组件，则可满 足全球能源需求 。 2010 年,全球新增光伏装机容量达 16. 6 GW , 较2009 年增长 130 %, 累 计光伏装机容量超过 40 GW 。相比之下, 虽然2010 年新增风电装机绝对量增加 ,但风电市场 的年增长率却出现了 20 年来的首次下跌 , 较2009 年新增的装机容量下降了 7 % 。随着技术 的进步 , 太阳能电池效率的大幅提高、 成本急剧降低及化石燃料价格的飞涨 , 太阳能光伏开发 利用则步入商业化高速发展阶段。第2章光伏发电2.1光伏发电原理及特性太阳能光伏发电技术利用太阳能电池的光生伏打效应 （半导体材料表面受到太阳光照射时

13、，其内产生大量电子-空穴对，在内建电场作用下运动并产生光生直流电 ）,是一种将太阳辐射能直接转变为电能的发电方式。根据应用场合的不同，光伏发电系统可分为离网光伏发 电系统（或独立光伏发电系统）和并网光伏发电系统。光伏发电与气象条件密切相关 ，出力的变化具有很强的周期性，包括日变化周期和季节变化周期；受太阳能辐射时空分布随机性和 间歇性等影响，光伏发电出力具有不连续和不稳定特性，见图2.1。通过光伏发电预报技术 可为电网科学调度和制定发电规划提供依据，有效降低光伏发电出力波动对电网的冲击4 OOO rm 5oo3 0002 5002 0()0! 500! (H)O5000时间（冃旧）图2.1 2

14、010年8月17日武汉地区某光伏并网逆变器输出功率曲线其主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧厘米以上的P型单晶硅。包括p-n结、电极和减反射膜等部分。 受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子 和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从2 2厘米至5.9 5.9厘米，输出功率为数十至数百毫瓦， 它的理论光电转换效率为20% ,实际已达到11.2%14.8%。单晶砷化傢太阳电池的理论光电转换效率为 24% ,实际达到18%。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。

15、级联 p-n结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的 p-n结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐增长，这种电池可以充分利用日光 ，光电转换效率大大提高。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射体、绒面和 多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。2.1.1 光伏电池的种类1880 年欧洲就开发出以硒为基础的太阳能电池， 1954 年贝尔实验室开发出了实用的， 转 换效率为 6%的单晶硅太阳能电池。我国是在 1958年进行太阳能电池研究的， 1971 年用于卫 星东方红二号， 1973 年用于地面。太

16、阳能电池是将光能转换为电能的器件。现在商用的太阳能电池其转换效率在 8%-17% 之间，实验室已有大于 21%的报道；材料多数为单晶硅、多晶硅、无晶硅，也有塑料薄膜太 阳能电池（*），转换效率在4%-8%之间；国内商业价格在18-38元/WP （峰瓦）。在国外，德国、澳大利亚、美国的研发能力强，日本次之。但日本的生产能力在 2005年以前占世界的46.5%。澳大利亚后来居上，其BP Solar公司目前成为世界上太阳能电池领域最 大的、最成功的公司。从产生技术的成熟度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段 : 第一代太阳电池：晶体硅电池 ;第二代太阳电池：各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池（a-Si）

17、、碲化镉太阳电池（CdTe）、 铜铟镓硒太阳电池（CIGS）、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等 ；第三代太阳电池：各种超叠层太阳电池、热光伏电池（ TPV）、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞 离化太阳电池等新概念太阳电池。电池结构划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。 按照使用的基本材料不同，太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、燃料敏化电 池和有机薄膜电池几种。硅基太阳电池硅基电池包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。产业化晶体硅电池的效率可达到14% 20% （单晶体硅电池16%20%,多晶体硅

18、14%16%）。目前产业化太阳电池中，多晶硅和 单晶硅太阳电池所占比例近 90%。硅基电池广泛应用于并网发电、离网发电、商业应用等领 域。2.2光伏市场近 30 年来, 太阳能电池技术在研发、 商业化生产和市场开拓方面都获得了长足进步 ,已成 为世界快速稳定发展的新兴产业之一。目前,全世界已有 17.5 万个村庄使用太阳能电池发电，美国有超过 20 万个家庭使用各种 类型的太阳能电池发电装置。光伏系统已广泛用于通信、照明、农业灌溉、阴极保护、水质 净化、环境监测、健康护理、航海和航空、公共电力，以及其它商业领域。光伏系统的广泛 应用引起了公众与政府的极大兴趣，从而使得光伏系统技术的进一步发展提

19、供了机会。20 世纪 90 年代后期发展更加迅速， 1999 年生产达到 200MW， 2002 年年产量已超过 559.3MW,较上年增长39.34%0在产业方面，各国一直通过扩大生产规模、提高自动化程度、 改进技术水平、开拓市场等措施来降低成本，并取得了巨大的进展。商品化效率从 10%-13% 提高到 13%-17%，生产规模增从每年 1-5MW 发展到 15-50MW ，并正向 2GW 甚至 10GW 的 方向发展。在各国政府清洁能源计划和相关政策、法规的推动下，产业界纷纷扩大太阳能电池的生 产能力。德国的 10 万个屋顶光伏太阳能计划及 2000年开始实施的“可再生能源电力法”， 对德

20、国太阳能产业的发展起到了巨大推动作用， 2000年前 3 个月，德国的太阳能电池总装数 量等于在此之前的总和。 2000 年内，欧洲至少有 4 个全自动化太阳能电池生产线投入运行， 加上其他新建厂和原有厂，总生产能力达到 100MW ,是4年前的10倍。在澳大利亚，BP solar公司目前已成为世界太阳能领域最大、最成功的公司之一。该公司 生产的高效率太阳能电池是世界上投入商业运行效率最高的硅太阳能电池，基于薄膜技术生 产的太阳能电池板也处于领先地位，2001年，该公司25MW生产线投入运行，并在德国、西 班牙等国建立了太阳能电池生产厂，2001年产量为60MW ,其后两年内将达到100MW的

21、生 产能力。BP solar公司的产品已经在世界各大洲投入使用，并在 60多个国家实现了商业化。在日本，夏普公司投资 1亿美元，于 2000年3月把其 30 MW 太阳能电池生产线扩大成 60MW。三菱公司计划将6MW的工厂扩大到12MW ,并在近期把销售计划提高到 50MW。 三洋电器宣布，在 2001-2005年间，把其太阳能电池生产能力增加 8倍，现有的生产能力为 每年15MW ,以后每年投资0.48-0.95亿美元，到2005年，使生产能力增加到每年120MW。 届时，日本太阳能电池生产能力预计达 340MW ,其中三洋公司占30%的份额。在美国，OhiO公司的FirSt SOlarO

22、fTOIedO正在建年生产能力100MW 的薄膜CdTe电池生 产线，该生产线于2000年第二季度开始生产，初期年生产能力 20-30MW。美国ManneSola 将在NeVada建造全自动化的年产100MW太阳能电池的制造厂。近年来，发展中国家的太阳 能电池产业一直保持着世界太阳能电池 10%左右的产量。其中印度近几年发展迅速，居发展 中国家领先地位，目前其太阳能电池年生产量约 60MW ,累计安装量50-60MW。世界太阳能 电池市场增长更加迅速，从过去的年增长 15%发展到近 3年平均年增长率超过 30%。太阳能电池产业的迅速崛起带动了相关领域的发展，同时太阳能电池技术还创造了许多 工作

23、岗位和就业机会。例如1996年，世界范围销售的太阳能电池产品总量超过 90MW ,在10亿美元的全球市场，美国公司占有 43%的份额，太阳能工业直接雇佣了近 2万人，并在诸 如玻璃制造、金属加工、管道阀门、建筑和系统设计，以及蓄电池和电气设备等领域提供了 15万个工作岗位。实际上，每 1 亿美元的太阳能电池产品销售额就创造了 3800个工作岗位。 太阳能电池产业为世界 140多个国家创造了可持续发展的经济机会。从 1958年起，中国就近行了太阳能电池的研究， 20世纪 70年代初，中国成功地制造出 空间使用的太阳能电源。 20世纪 70年代中期以来，中国自制的太阳能航标灯、太阳能灯塔、 气象及

24、通信用太阳能电源开始使用，太阳能电池技术的应用逐渐扩大到地面并逐步形成了中 国的太阳能电池产业。 20 世纪 80 年代，中国先后引进了美国的单晶硅太阳能电池和非晶硅 太阳能电池生产设备， 使中国的太阳能电池工业开始起步。 目前我国大约有 40多家研究机构 和大学参与太阳能电池技术研究与开发活动， 太阳能系统的研究与开发工作取得了很大进展， 主要包括100-500W控制及逆变成套设备、1-5kW光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏电视 系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源、集中式光伏电站及 5kW 光伏并网示范系统等，在部件万面，主要有10kW、15kW逆变器及30kW正弦波逆变器等，同时还成功地研

25、究出新型太 阳能电池及组件特性测试设备。在化石能源短缺、CO2减排压力及多国财政补贴政策刺激下，光伏发电成为全球发展最 快的可再生能源发电技术 。根据EPIA2011年的统计,20012010年全球光伏累计装机容 量增长迅速，见图2.2。在灵活而富有成效的激励政策下如上网电价法 （FlT）的实行，全球的光伏帀场将会在未来数年内继续咼速发展近10年来，全球光伏的年装机容量及年增长率见图 2.3。由图可看出，2008年出现历 史上高位增长,年增长率达145 %,在金融危机爆发后，2009年的年增长率有所放缓,但 2010年实现了年增长率为130 %的高增长。德国累计光伏装机容量遥遥领先其他国家 ，

26、2010 年年底达到18. 0GW ,占其电力供应的13 %。02001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010年份图2.3 20012010年全球年光伏装机容量2.3光伏的应用近年来随着技术的发展和刺激政策的出台，并网光伏发电系统市场份额不断扩大，并在2000年取代了离网光伏系统成为全球光伏应用最大的市场 14。2006年全球并网光伏发电系统所占份额达到75 %以上15,而发达国家并网光伏发电系统的市场份额更高。据统计 I 2008年年底欧盟累计的并网光伏发电系统占 98. 7 %,离网光伏系统仅占1.3 % 16。而根 据SO IarbuZ

27、Z 2010的统计,2009年新增的离网系统不到3. 7 %,而新增并网系统占到96. 3 % 以上。2007年以来,MW 级并网光伏电站大量涌现，全球并网光伏发电步入大规模发展阶段。2008年以来，全球建成约2 000个大型并网光伏电站（容量超过200 kW）,其中50 %以上电站 为MW级，且主要分布在西班牙、德国、美国等国。 2008年新增大型并网光伏电站占当年新增光伏装机容量的53. 8 %。目前我国太阳能光伏发电应用形式主要为农村电气化和通信及工业供电中的独立光伏发 电系统，并存在一部分光伏与建筑集成系统和荒漠光伏电站。2.3.1独立光伏系统独立光伏发电系统指采用光伏组件方阵为主要供

28、电电源 ，通过独立小电网为居住相对集 中的用户群供电的系统。通常供电半径不超过 1km ,以保证末端用户的供电电压。这样的系 统一般用于解决偏远山区、沿海的村落供电问题。独立光伏系统可根据有无储能设备分为两种形式 ：一种不带储能设备，系统发出来的电直接供负载使用，这种情况下负载的工作完全取决于太阳辐射情况 ；另外一种带储能设备，光伏阵列发出的电能除直接供负载使用外 ，剩余部分可通过储能设备（一般是蓄电池）储存起来,供需要时使用。我国政府于 2002年启动的“送电到乡”工程大部分使用带储能设备的独 立光伏户用系统，解决了西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川）近800个 无电乡的用

29、电问题,光伏发电总容量达到19.6MWP。另一种应用比较广泛的独立系统是太阳 能公共场所照明系统,北京市计划2007年在近郊安装3.3万盏太阳能路灯,其它省市政府也 在不断地加大对太阳能照明系统的投入力度，包括路灯、交通灯等。图2.4 “送电到乡”项目照片2.3.2并网光伏系统并网光伏系统是指太阳电池方阵经过电力变换器与电网并联发电。并网光伏系统可分为 户用并网光伏系统、光伏建筑一体化（BlPV）系统 和大规模光伏电站。2007年8月,发展改 革委、环保总局、电监会、能源办共同推出了节能发电调度办法 （试行）；2007年9月，国家电力监管委员会正式实施电网企业全额收购可再生能源电量监管办法 ，

30、这将进一步推动大规模并网光伏系统的发展。到目前为止，我国已经实现了兆瓦级电站的建设，国家又相继 支持了几个兆瓦级课题项目，力求在大规模光伏并网发电领域取得突破。户用并网光伏系统：这是专门供给家庭用电需要的光伏系统 ，通常与电网并联，光伏阵列发出的电力供应家 用电器使用，如有多余，可以输入电网。光伏阵列发出的电力不足时，则由电网向家用电器供 应部分或全部电力。光伏户用系统结构较为简单，控制器和逆变器可以集成为一体，蓄电池应 选择专门用于光伏系统的产品,我国有从10W到IkW的系列产品。近年来,由于用户对供 电可靠性的要求不断提高，户用风/光互补系统应用正在兴起。BlPV系统：BlPV系统是应用光

31、伏发电的一种新概念，是太阳能光伏系统与现代建筑的完美结合。 在 现代建筑设计中，在建筑结构外表面铺设光伏组件提供电能。在城市里发展太阳能光伏发电 可高效利用太阳能所发的电能，我国已经有不少示范项目成功地实现了光伏系统与建筑结合 的一体化模式,在有限的城市空间实现太阳能的无限利用。 2004年，亚洲最大的IMWP太阳能并网光伏电站在深圳国际花卉园艺博览园落户 ；2005年，首都博物馆300kWp并网光伏系 统建成;国家体育馆100kWp并网光伏电站正在施工中。这些项目充分展示了我国在太阳能光 伏发电与现代建筑一体化领域的成就。图2.5深圳国际花卉园艺博览园IMWp系统 图2.6首都博物馆300k

32、Wp系统图2.7国家体育馆10OkWP系统233大规模光伏电站随着化石能源的逐渐消耗殆尽，环境问题日益严重，可再生能源正在快速发展为战略替 代能源,太阳能将必然成为最重要的电力能源。 位于广阔的沙漠、干旱和半干旱地区的超大规 模光伏电站,其容量可达到10MW以上,甚至达到几GWO据统计，我国有荒漠面积108万km2 ,主要分布在光照资源丰富的西北地区。规模在 10MW以上,甚至达到几GW的光伏电站，可集中分布在几十km2的广阔地域。若将20 % 的面积用于开发太阳能光伏发电,将产生30万亿kWh电能,相当于2006年全年发电量的 11倍。2005年,我国首座荒漠光伏电站在西藏羊八井地区建成,电站容量为100kWp ,预计 在未来几年内扩建成10MW的规模。