光伏发电原理及发展现状.docx

1、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：于浩 学号：1301100228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

2、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 Edmond Becquerel 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

3、 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(1 cm2硅光伏电池的 Iph值为 16 30 mA);ID， Ish

4、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 1 );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 k);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 100 mW/cm2的光谱辐照度下， 硅光伏电池的 Uoc一般为 450 600 mV。与图 2 对应的光伏电池解析模型,IL= Iph ID IshIph= IscS/1 000+ CT(T Tref)ID= ID0(T/Tref)3eqE/gnk(

5、1/Tref1/T) eq(Uo+ ILRS)/nkT1Ish=(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 298 K);S 为实际太阳光辐照度(W/m2); CT为温度系数(A/K);q = 1 6 1029C;k=1 38 1023J/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

6、列。图 3 为在环境温度 25 (T =298 K) ， 太阳光辐照度 S = 1 000 W/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

7、(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、

8、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

9、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

10、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/AC PWM 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

11、 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/

12、瓦;2008 年， 美国 First Solar 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 3 MW， 2007 年则增至 3 733 MW。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 2 300 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

13、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 10 kW。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 3 MW;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 2 000MWP， 仍居世界

14、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，

15、 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

16、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