離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

1、北京交通大學(xué)太陽(yáng)能課程論文離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)黃新 10272041李小夢(mèng) 10272071目錄緒論2一、光伏產(chǎn)業(yè)背景及意義2二、光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀3離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)7一、概述7二、工作原理7三、系統(tǒng)構(gòu)成91.光伏組件方陣92.蓄電池103.控制器104.逆變器12四、優(yōu)勢(shì)141.經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)142.可利用量巨大143.對(duì)環(huán)境沒有污染144.轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、最直接145.最經(jīng)濟(jì)、最清潔、最環(huán)保146.可免費(fèi)使用，無(wú)需運(yùn)輸14五、應(yīng)用領(lǐng)域141.微電網(wǎng)系統(tǒng)142.住宅離網(wǎng)系統(tǒng)153.離網(wǎng)通訊基站系統(tǒng)154.太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)155.建筑一體化系統(tǒng)15六、離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)面臨問題15結(jié)語(yǔ)：16參考文獻(xiàn)1

2、6離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)摘要：本文以光伏產(chǎn)業(yè)為背景，介紹了發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的意義及光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，由此引出光伏產(chǎn)業(yè)中的離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。以離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)為主，重點(diǎn)介紹了離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、組成、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域，由此對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)未來(lái)進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：離網(wǎng)光伏發(fā)電 控制器 逆變器 光伏產(chǎn)業(yè)Abstract：In this paper, the photovoltaic industry as the background, the significance of the development of photovoltaic industry and photovoltaic industry

3、 status quo , which leads to the PV industry in the off-grid solar power generation system. In off-grid solar power system mainly focuses on the off-grid solar power system works , composition, advantages and applications, thus the future prospects for the photovoltaic industry .Key words: off-grid

4、photovoltaic inverter circuit, Controller, Inverter, PV industry緒論一、 光伏產(chǎn)業(yè)背景及意義隨著人們新能源消費(fèi)的不斷擴(kuò)張，傳統(tǒng)化石燃料的不合理不科學(xué)利用，導(dǎo)致全球氣候變暖，造成污染，生態(tài)環(huán)境惡化，化石能源也瀕臨枯竭。面對(duì)能源危機(jī)，許多國(guó)家都在下大力研究和開發(fā)利用可再生能源的新技術(shù)新工藝，如核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芎蜕镔|(zhì)能等。發(fā)生金融危機(jī)后，新能源從單純的替代能源定位逐漸上升至國(guó)家擺脫危機(jī)、占據(jù)未來(lái)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的重要舉措，各國(guó)發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略越來(lái)越明顯。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年光伏投資將達(dá)到140億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他新能

5、源的投資，領(lǐng)跑新能源產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭；主流光伏電池制造的硅資源在地殼中的含量居第二位，沒有資源短缺和耗盡危險(xiǎn)；直接有太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電過程不消耗資源，不排放溫室氣體、廢氣和廢水，環(huán)境友好；沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，不存在機(jī)械磨損，無(wú)噪聲，發(fā)電不用冷卻水；可單獨(dú)建立電站，也可與建筑結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行維護(hù)和管理簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低廉。但目前光伏發(fā)電成本還無(wú)法和傳統(tǒng)能源競(jìng)爭(zhēng)，比風(fēng)能、核能也要高，因此技術(shù)進(jìn)步和各國(guó)的法規(guī)政策支撐是光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動(dòng)力。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)普遍得到各國(guó)政府的重視和支持。最早推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的是得過、日本的太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃，隨后西班牙、法國(guó)、比利

6、時(shí)、意大利、希臘、英國(guó)、美國(guó)等均推出了光伏相關(guān)政策，促使光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，年平均增長(zhǎng)速度超過40%。2009年，中國(guó)政府確立了新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)地位，出臺(tái)了金太陽(yáng)示范工程，修訂了可再生能源法，新型能源規(guī)劃也將發(fā)布。20002008年，在歐美日本多國(guó)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃和太陽(yáng)能光伏政策的推動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，不斷有新公司進(jìn)入，傳統(tǒng)光伏企業(yè)產(chǎn)能迅速擴(kuò)張，占據(jù)光伏市場(chǎng)主流產(chǎn)品晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量迅速增加，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈上游的多晶硅需求急劇增加，以致多晶硅價(jià)格暴漲，一度被炒到500USD/kg。壟斷多晶硅技術(shù)的幾大公司擴(kuò)產(chǎn)有限，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)投產(chǎn)，一度出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的信號(hào)。高售價(jià)的多晶硅占到晶硅電池成本的

7、70%，高昂的原料成本讓電池企業(yè)不堪重負(fù)，許多企業(yè)將目光轉(zhuǎn)向不受原材料限制、生產(chǎn)流程短、成本更低的薄膜電池，一時(shí)間，國(guó)內(nèi)各地紛紛上馬非晶硅項(xiàng)目。而2008年9月金融危機(jī)的出現(xiàn)，使得國(guó)外對(duì)太陽(yáng)能電池的需求減緩，多晶硅材料價(jià)格暴跌，直到目前的價(jià)格約5060USD/kg，導(dǎo)致晶硅電池成本下降約1USD/W，薄膜電池相對(duì)于晶硅電池的成本優(yōu)勢(shì)已不明顯，價(jià)值昂貴的設(shè)備，一些企業(yè)已退出薄膜電池市場(chǎng)，一些已經(jīng)計(jì)劃上非晶硅生產(chǎn)線的公司減緩了其速度，而兩大非晶硅電池整線輸出設(shè)備供應(yīng)商之一的美國(guó)應(yīng)用材料公司已經(jīng)宣布終止其整線輸出業(yè)務(wù)，非晶硅薄膜電池的發(fā)展遭遇瓶頸，多家薄膜電池公司陷入困境。近幾年CdTe和CIGS薄

8、膜電池也得到了快速發(fā)展，均已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，并在薄膜電池中的比重越來(lái)越大。其他如染料敏化電池（DSSC）、有機(jī)電池（Organic SC）和聚光電池（CPV）還未形成產(chǎn)業(yè)化，正處在研發(fā)過程中，預(yù)計(jì)要經(jīng)過一段較長(zhǎng)時(shí)間的摸索才有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能。二、 光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀在過去的十多年間，在政策的驅(qū)動(dòng)下光伏市場(chǎng)發(fā)展極為迅速，尤其是歐日本和美國(guó)。圖1顯示了2001年到2009年全球光伏年安裝量及區(qū)域分布。可見，歐洲是光伏產(chǎn)品的主要消費(fèi)者，這主要得益于得過、西班牙、意大利、希臘、比利時(shí)、法國(guó)等的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策，其中德國(guó)仍然是全球最大的光伏市場(chǎng)。美國(guó)和日本都保持較高速度的發(fā)展，2009年的安裝量都已接

9、近500MW。國(guó)內(nèi)光伏利用一直比較少，直到2009年金太陽(yáng)工程的啟動(dòng)， 在一些示范性工程的推動(dòng)下光伏安裝量已達(dá)到160MW，2010年達(dá)到600MW。圖1 20012009年全球光伏年安裝量及區(qū)域分布（光伏安裝量/MW）制備太陽(yáng)能電池板需要經(jīng)過非常復(fù)雜的工藝程序，主要有以下幾步：多晶硅單晶硅棒/多晶硅錠硅片電池片電池組件?？梢娮鳛榫w硅太陽(yáng)電池的上游多晶硅的生產(chǎn)制約著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。作為光伏產(chǎn)品的核心部分，太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量以年平均超過40%的速度增長(zhǎng)。圖2所示為2000-2009年太陽(yáng)能電池各地區(qū)產(chǎn)量增長(zhǎng)情況。可見，盡管國(guó)內(nèi)不是太陽(yáng)能利用的市場(chǎng)，但電池產(chǎn)量卻突飛猛進(jìn)，有2000年的3MW發(fā)展到

10、2007年1088MW，成為最大的電池生產(chǎn)國(guó)家，到2009年電池產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到世界總產(chǎn)量的一半。圖2 全球20002009年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量及區(qū)域分布（太陽(yáng)能電池產(chǎn)量/MW）光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了十幾年的高速發(fā)展之后，從2011年至今遭遇“寒冬”，多家國(guó)外大型光伏企業(yè)宣布破產(chǎn)，國(guó)際光伏市場(chǎng)持續(xù)低迷。近兩年的光伏業(yè)已經(jīng)今非昔比，2012年的光伏業(yè)，沒有最冷，只有更冷。截至2012年12月，光伏組件的價(jià)格從2008年以前的每瓦3.8美元降至每瓦0.6美元。2012年光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷的一切，并不僅是這一年內(nèi)發(fā)生的事情所產(chǎn)生的后果。早在2009年，多晶硅就被定位為十大產(chǎn)能過剩行業(yè)之一。但由于當(dāng)時(shí)的暴利和行業(yè)的紅火，大

11、量投資者瘋狂進(jìn)入，最終導(dǎo)致產(chǎn)能進(jìn)一步過剩。在2010年后全國(guó)仍有100多家中小企業(yè)上馬，這些企業(yè)目前多數(shù)虧損嚴(yán)重。2012年，全球光伏組件的需求量約為25G瓦，而僅中國(guó)的光伏組件產(chǎn)能就高達(dá)40G瓦。進(jìn)入2012，太陽(yáng)能光伏組件的產(chǎn)值和銷售額雙雙下降，中國(guó)光伏企業(yè)的資產(chǎn)負(fù)債率不斷增長(zhǎng)，部分企業(yè)甚至面臨現(xiàn)金鏈斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)深陷泥潭。數(shù)據(jù)顯示，2012年多晶硅產(chǎn)業(yè)情況進(jìn)一步惡化，產(chǎn)量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，停產(chǎn)企業(yè)數(shù)量達(dá)到近90%。專家預(yù)計(jì)行業(yè)回暖估計(jì)要到2014年。圖3 20122013 世界主要國(guó)家和地區(qū)光伏新增裝機(jī)量（MW）令人意外的是，即便在這樣的低迷狀態(tài)下，2011年全球光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量依然達(dá)

12、到了23.8GW，我國(guó)光伏產(chǎn)量達(dá)到了11GW，均依然保持了近40%的年增速！雖然，與2010年140%的年增速相比，已經(jīng)下降了不少，但是，這從側(cè)面也說明了光伏產(chǎn)業(yè)的抗跌能力，這也是為什么在目前價(jià)格如此低迷的情況下，依然有無(wú)數(shù)的各行各業(yè)的巨頭企業(yè)磨刀霍霍、躍躍欲試、緊鑼密鼓地準(zhǔn)備大舉進(jìn)軍光伏產(chǎn)業(yè)的原因。德國(guó)從2005年通過的可再生能源法決定對(duì)光伏進(jìn)行上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼，拉開了世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的序幕；2010年，德國(guó)宣布對(duì)光伏補(bǔ)貼下調(diào)，又奏響了本次低迷的哀鴻。這說明，政府的政策對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)的影響有何等巨大。盡管到2015年光伏發(fā)電成本將低于火電，但在那之前，光伏產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)還是要靠政府補(bǔ)貼來(lái)生存的。德國(guó)2

13、010年本來(lái)已經(jīng)決定要降低光伏補(bǔ)貼，但2011年3月的日本福島核危機(jī)和隨之而來(lái)的歐債危機(jī)，使得德國(guó)政府在2011年6月又宣布不再下調(diào)。到了2012年1月，光伏發(fā)電價(jià)格從0.28歐元/千瓦時(shí)調(diào)低到0.24歐元/千瓦時(shí)，同時(shí)，個(gè)別議員提出對(duì)于光伏補(bǔ)貼設(shè)置裝機(jī)容量上限的提議被政府否決。但鑒于目前光伏組件成本大幅下降的事實(shí)，德國(guó)政府有可能在2012年7月1日將光伏發(fā)電補(bǔ)貼一次性再下調(diào)15%左右，并在今后保持每月2%的降幅。在成本的下降的情況下，上網(wǎng)電價(jià)的下調(diào)是自然而合理的措施。只要光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)的降幅沒有超過40%，對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)都應(yīng)當(dāng)是好消息。德國(guó)2011年的裝機(jī)從2010年的6GW上升到了7.5

14、GW，說明德國(guó)本國(guó)的光伏裝機(jī)雖然增速下降，但依然在增長(zhǎng)。西班牙、意大利等其它國(guó)家，由于受歐債危機(jī)的影響，雖然維持著高補(bǔ)貼，但由于銀行利率的過高影響了銀行對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)的貸款意愿，因此，光伏發(fā)電的市場(chǎng)增速反而不如德國(guó)。美國(guó)的奧巴馬政府對(duì)光伏也推出了一攬子補(bǔ)貼政策，雖然沒有德國(guó)的上網(wǎng)電價(jià)法的效果直接和有效，但也間接刺激了光伏市場(chǎng)。美國(guó)從2010年的1.2GW上升到了2011年的3GW，增幅達(dá)到2.5倍，預(yù)示著美國(guó)這個(gè)超級(jí)大國(guó)光伏市場(chǎng)開始啟動(dòng)。而在我國(guó)，從2008年起，開始啟動(dòng)屋頂和大型地面并網(wǎng)光伏發(fā)電示范項(xiàng)目的補(bǔ)貼示范；2009年初完成了甘肅敦煌10MWp級(jí)大型荒漠并網(wǎng)光伏電站的招標(biāo)工作，同時(shí)太陽(yáng)能

15、屋頂計(jì)劃與“金太陽(yáng)示范工程”的財(cái)政補(bǔ)貼項(xiàng)目也相繼推出；2010年由政府主導(dǎo)的西部五省13個(gè)項(xiàng)目280MWp的光伏發(fā)電工程也已經(jīng)招標(biāo)落定，并開始啟動(dòng)；2011年8月，國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了“光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)法”，制定了1元/度的上網(wǎng)電價(jià)。這一系列的政策措施給中國(guó)未來(lái)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間，我國(guó)的光伏裝機(jī)容量從2010年的0.6GW上升到了2011年的2.2GW，年增幅達(dá)到367%。而根據(jù)國(guó)家有關(guān)新能源規(guī)劃，到2015年我國(guó)光伏總裝機(jī)容量將達(dá)到15GWp，2020年將達(dá)到50GWp。綜上所述，即便在去年世界經(jīng)濟(jì)大蕭條、光伏行業(yè)低迷慘淡的行情下，全球光伏裝機(jī)依然有將近40%的年增長(zhǎng)率，而

16、世界最大的兩個(gè)經(jīng)濟(jì)體，美國(guó)和中國(guó)，則分別達(dá)到250%和367%的增速。這說明，全球光伏行業(yè)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)動(dòng)力和抗跌性，而且去年的市場(chǎng)分配也預(yù)示著，中國(guó)和美國(guó)，這兩個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)的新興市場(chǎng)國(guó)，正在快速崛起，替代德國(guó)成為為世界光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)國(guó)將指日可待。德國(guó)光伏補(bǔ)貼電價(jià)從2005年的0.57歐元/度到現(xiàn)在的0.24歐元，我國(guó)光伏補(bǔ)貼電價(jià)從2008年的4元/度到今天的1元/度，預(yù)示著光伏上網(wǎng)電價(jià)在穩(wěn)步下降，這說明，各國(guó)政府對(duì)光伏補(bǔ)貼的目的圓滿地達(dá)到了。而隨后的兩到三年，光伏市場(chǎng)還是需要政府繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)貼，但隨著發(fā)電成本的下將，補(bǔ)貼的金額是有限而且可控的。光伏產(chǎn)業(yè)從依賴政府補(bǔ)貼到無(wú)需補(bǔ)貼而完全市場(chǎng)化，在幾年內(nèi)就

17、可以實(shí)現(xiàn)。從光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展之初到今天為止，阻擋光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大的障礙就是高成本。因此，2011年光伏行業(yè)的價(jià)格普降，導(dǎo)致了光伏發(fā)電價(jià)格的一次加速下降，使光伏發(fā)電的成本已經(jīng)從煤電的5-8倍降低到了煤電的1.53倍，使得光伏發(fā)電的價(jià)格距離低于火力發(fā)電的時(shí)間大大縮短。關(guān)于光伏發(fā)電成本何時(shí)能夠低于火電成本，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的話題?，F(xiàn)在看來(lái)，原來(lái)被認(rèn)為最激進(jìn)的估計(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)成為最保守的預(yù)測(cè)?，F(xiàn)在，業(yè)內(nèi)普遍接受2015年將是光伏發(fā)電成本低于火力發(fā)電的情形出現(xiàn)的一個(gè)分水嶺，將是歷史上第一次光伏發(fā)電能夠不再依賴各國(guó)政府的補(bǔ)貼而進(jìn)入真正市場(chǎng)化的拐點(diǎn)，這意味著光伏發(fā)電成為替代能源的序幕拉開，這里面蘊(yùn)藏的商機(jī)幾乎可以

18、說是無(wú)限的。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，2011年的光伏產(chǎn)業(yè)低谷，對(duì)于光伏發(fā)電的市場(chǎng)化應(yīng)用其實(shí)是難得的機(jī)遇。離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)一、 概述太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池組件和其他輔助設(shè)備將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)。一般將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，通過太陽(yáng)能電池組將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能供給負(fù)載系統(tǒng)，并將多余能量經(jīng)過充電控制器轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的形式存儲(chǔ)在蓄電池中。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過太陽(yáng)能電池組接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過逆變器后向電網(wǎng)輸出與電壓同頻、同相的正弦交流電流。離網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)被廣泛

19、應(yīng)用于偏僻山區(qū)、無(wú)電區(qū)、海島、通訊基站等應(yīng)用場(chǎng)所。系統(tǒng)一般由太陽(yáng)電池組件組成的光伏方陣、太陽(yáng)能充放電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)型逆變器、直流負(fù)載和交流負(fù)載等構(gòu)成。光伏方陣在有光照的情況下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過太陽(yáng)能充放電控制器給負(fù)載供電，同時(shí)給蓄電池組充電；在無(wú)光照時(shí)，通過太陽(yáng)能充放電控制器由蓄電池組給直流負(fù)載供電，同時(shí)蓄電池還要直接給獨(dú)立逆變器供電，通過獨(dú)立逆變器逆變成交流電，給交流負(fù)載供電。二、 工作原理在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是近些年來(lái)發(fā)展最快，也是最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。太陽(yáng)能是一種輻射能，利用太陽(yáng)能發(fā)電需要借助能量轉(zhuǎn)換器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能發(fā)電

20、有兩種方式：一種是光熱電轉(zhuǎn)換，另一種是光電。光熱電光電概念通過利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般由太陽(yáng)能集熱器將吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。利用光電效應(yīng)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，基本裝置是太陽(yáng)能電池。缺陷效率低成本高優(yōu)勢(shì)壽命長(zhǎng)、不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽(yáng)能發(fā)電可以大中小并舉，達(dá)到百萬(wàn)千瓦的電站，小到直供一戶用電的離網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能電池同晶體管一樣，由半導(dǎo)體構(gòu)成。它的主要材料為硅，也有一些其他合金材料。用于制造太陽(yáng)能電池的高純硅需要經(jīng)過提純處理。太陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)，是指光照明使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位

21、之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。太陽(yáng)能電池是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成。P型半導(dǎo)體由單晶硅摻入少量的三價(jià)元素構(gòu)成，半導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)形成帶正電的空穴。N型半導(dǎo)體由單晶硅摻入少量五價(jià)元素組成，會(huì)在內(nèi)部形成帶負(fù)電的電子，當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體接觸后，由于擴(kuò)散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光照射在太陽(yáng)能電池的表面后，能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子空穴對(duì)，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下分離開，在太陽(yáng)能電池的兩級(jí)累積，這樣太陽(yáng)能電池便可以給外接負(fù)載提供電流，如圖4所示。圖4 光生電流的產(chǎn)生得到電流三、 系統(tǒng)構(gòu)成太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模各異，如小到0.32W的太陽(yáng)能家庭院燈，大到M

22、W級(jí)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電站。盡管光伏系統(tǒng)規(guī)模大小不一，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池、控制器、DC/AC變換器和用電負(fù)載構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5：圖5 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1. 光伏組件方陣太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的是太陽(yáng)能電池，它是收集太陽(yáng)光的核心器件。大量的太陽(yáng)能電池組和在一起構(gòu)成光伏組件或太陽(yáng)能電池光伏組件方陣。太陽(yáng)能電池主要分為：晶體硅電池（單晶硅、多晶硅、帶狀硅）、非晶硅電池、非硅電池（硒化銅銦、碲化鎘）。太陽(yáng)能電池的類型及特性：種類效率特點(diǎn)第一代太陽(yáng)能電池單晶硅24.7%（UNSW）16%17%效率高、工作穩(wěn)定、體積小、成本高多晶硅

23、12%17%工作穩(wěn)定、成本低、使用廣泛、轉(zhuǎn)換效率較低第二代太陽(yáng)能電池非晶硅13%5%8%價(jià)格低。但轉(zhuǎn)換效率低，會(huì)有衰減染料敏化12%價(jià)格很低但不穩(wěn)定銅銦硒8%12%硒是稀有金屬有機(jī)太陽(yáng)能電池6.5%柔性，但不穩(wěn)定砷化鎵超過30%效率高，價(jià)格高第三代太陽(yáng)能電池量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池理論極限達(dá)68%熱載流子太陽(yáng)能電池由于技術(shù)和材料的原因，單一太陽(yáng)能電池的發(fā)電量十分有限，實(shí)用中的太陽(yáng)能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件。近年來(lái)，作為太陽(yáng)能電池主流技術(shù)的晶體硅電池的原材料價(jià)格不斷上漲，致使晶體硅電池的成本大幅攀升，使得非晶硅電池的成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。2. 蓄電池蓄電池組是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中

24、的儲(chǔ)能裝置，由它將太陽(yáng)能電池方陣從太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換來(lái)的電流變?yōu)榛瘜W(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)，以供負(fù)載使用?；瘜W(xué)電源主要由正極、負(fù)極和電解質(zhì)構(gòu)成。蓄電池工作時(shí)，正極和負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)均為可逆反應(yīng)。蓄電池的重要特征就是反復(fù)充放電，當(dāng)蓄電池充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)在蓄電池中，同時(shí)伴隨放熱過程；蓄電池放電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過程。蓄電池的特性直接影響離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率、可靠性和價(jià)格。因此，蓄電池容量的選擇一般遵循以下原則：首先在能夠滿足負(fù)載用電的前提下，把白天太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能盡量存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)預(yù)訂的連續(xù)陰雨天時(shí)負(fù)載所需要的電能。目前離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)常

25、用的是閾控密封鉛酸蓄電池、深放電吸液式鉛酸蓄電池等。3. 控制器1) 控制器工作原理a) 并聯(lián)型充放電控制器圖6 并聯(lián)型充放電控制器并聯(lián)型充放電控制器充電回路中的開關(guān)器件T1是并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣的輸出端，當(dāng)蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)，開關(guān)器件T1導(dǎo)通，同時(shí)二極管D1截止，則太陽(yáng)電池方陣的輸出電流直接通過T1短路泄放，不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不會(huì)出現(xiàn)過充電，起到“過充電保護(hù)”作用。D1為防“反充電二極管”，只有當(dāng)太陽(yáng)電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時(shí)，D1才能導(dǎo)通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天氣時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蓄電池向太陽(yáng)電池方陣反向充電，起到“放反向充電保護(hù)”作用。開關(guān)器件T2

26、為蓄電池放電開關(guān)，當(dāng)負(fù)載電流大于額定電流出現(xiàn)過載或負(fù)載短路時(shí)，T2關(guān)斷，起到“輸出過載保護(hù)”和“輸出短路保護(hù)”作用。同時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓小于“過放電壓”時(shí)，T2也關(guān)斷，進(jìn)行“過放電保護(hù)”。D2為“防反接二極管”，當(dāng)蓄電池極性接反時(shí)，D2導(dǎo)通使蓄電池通過D2短路放電，產(chǎn)生很大電流快速將保險(xiǎn)絲BX燒斷，起到“防蓄電池反接保護(hù)”作用。檢測(cè)控制電路隨時(shí)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)使T1導(dǎo)通進(jìn)行“過充電保護(hù)”； 當(dāng)電壓小于“過放電壓”時(shí)使T2關(guān)斷進(jìn)行“過放電保護(hù)”。b) 串聯(lián)型充放電控制器：圖7 串聯(lián)型充放電控制器串聯(lián)型充放電控制器和并聯(lián)型充放電控制器電路結(jié)構(gòu)相似，唯一區(qū)別在于開關(guān)器

27、件T1的接法不同，并聯(lián)型T1并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣輸出端，而串聯(lián)型T1是串聯(lián)在充電回路中。當(dāng)蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)，T1關(guān)斷，使太陽(yáng)電池不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，起到“過充電保護(hù)”作用。2) 太陽(yáng)能充放電控制器的幾種充放電保護(hù)模式：a) 直充保護(hù)點(diǎn)電壓：直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時(shí)候用大電流和相對(duì)高電壓對(duì)蓄電池充電，但是，有個(gè)控制點(diǎn)，也叫保護(hù)點(diǎn)，就是上表中的數(shù)值，當(dāng)充電時(shí)蓄電池端電壓高于這些保護(hù)值時(shí)，應(yīng)停止直充。直充保護(hù)點(diǎn)電壓一般也是“過充保護(hù)點(diǎn)”電壓，充電時(shí)蓄電池端電壓不能高于這個(gè)保護(hù)點(diǎn)，否則會(huì)造成過充電，對(duì)蓄電池是有損害的。b) 均充控制點(diǎn)電壓：直充結(jié)束后，蓄

28、電池一般會(huì)被充放電控制器靜置一段時(shí)間，讓其電壓自然下落，當(dāng)下落到“恢復(fù)電壓”值時(shí)，會(huì)進(jìn)入均充狀態(tài)。為什么要設(shè)計(jì)均充？就是當(dāng)直充完畢之后，可能會(huì)有個(gè)別電池“落后”（端電壓相對(duì)偏低），為了將這些個(gè)別分子拉回來(lái)，使所有的電池端電壓具有均勻一致性，所以就要以高電壓配以適中的電流再充那么一小會(huì)，可見所謂均充，也就是“均衡充電”。均充時(shí)間不宜過長(zhǎng)，一般為幾分鐘十幾分鐘，時(shí)間設(shè)定太長(zhǎng)反而有害。對(duì)配備一塊兩塊蓄電池的小型系統(tǒng)而言，均充意義不大。所以，路燈控制器一般不設(shè)均充，只有兩個(gè)階段。c) 浮充控制點(diǎn)電壓：一般是均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時(shí)間，使其端電壓自然下落，當(dāng)下落至“維護(hù)電壓”點(diǎn)時(shí)，就進(jìn)入浮充狀態(tài)

29、，目前均采用PWM（既脈寬調(diào)制）方式，類似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點(diǎn)，一低就充上一點(diǎn)，一股一股地來(lái)，以免電池溫度持續(xù)升高，這對(duì)蓄電池來(lái)說是很有好處的，因?yàn)殡姵貎?nèi)部溫度對(duì)充放電的影響很大。其實(shí)PWM方式主要是為了穩(wěn)定蓄電池端電壓而設(shè)計(jì)的，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)減小蓄電池充電電流。這是非?？茖W(xué)的充電管理制度。具體來(lái)說就是在充電后期、蓄電池的剩余電容量（SOC）80%時(shí)，就必須減小充電電流，以防止因過充電而過多釋氣（氧氣、氫氣和酸氣）。d) 過放保護(hù)終止電壓：這比較好理解。蓄電池放電不能低于這個(gè)值，這是國(guó)標(biāo)的規(guī)定。蓄電池廠家雖然也有自己的保護(hù)參數(shù)（企標(biāo)或行標(biāo)），但最終還是要向

30、國(guó)標(biāo)靠攏的。需要注意的是，為了安全起見，一般將12V電池過放保護(hù)點(diǎn)電壓人為加上0.3v作為溫度補(bǔ)償或控制電路的零點(diǎn)漂移校正，這樣12V電池的過放保護(hù)點(diǎn)電壓即為：11.10v，那么24V系統(tǒng)的過放保護(hù)點(diǎn)電壓就為22.20V 。目前很多生產(chǎn)充放電控制器的廠家都采用22.2v(24v系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)?？刂破鞯淖饔檬鞘固?yáng)能電池和蓄電池高效、安全、可靠的工作，以獲得最高效率并延長(zhǎng)蓄電池使用壽命?？刂破鲗?duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽(yáng)能電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的輸出電能?？刂破魇钦麄€(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。通過控制器對(duì)蓄電池充放電條件加以限制，防止蓄電池反充電、過充電及過放電。另外，還具

31、有電路短路保護(hù)、反接保護(hù)、雷電保護(hù)、及溫度補(bǔ)償，為逆變器或負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓源的功能。4. 逆變器輸出為交流的離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成，而逆變器是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。1) 離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求a) 直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流

32、輸出電壓的穩(wěn)定。b) 逆變器應(yīng)盡量減少電能變換的中間環(huán)節(jié)，以降低成本、提高效率。c) 具有較高的效率。由于目前太陽(yáng)電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。d) 具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱、過載保護(hù)等。e) 在中、大容量的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許

33、多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電源品質(zhì)有較高的要求。對(duì)于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器而言，高質(zhì)量的輸出波形有兩方面的指標(biāo)要求：一是穩(wěn)態(tài)精度高，包括THD值小，基波分量相對(duì)參考波形在相位和幅度上無(wú)靜差；二是動(dòng)態(tài)性能好，即在外界擾動(dòng)下調(diào)節(jié)快，輸出波形變化小。f) 逆變器的輸出電壓與國(guó)內(nèi)市電電壓同頻、同幅值，以適用于通用電器負(fù)載。g) 逆變器要具有一定的過載能力，一般過載125%150%。當(dāng)過載150%時(shí)，應(yīng)能持續(xù)30s，當(dāng)過載125%時(shí)，應(yīng)能持續(xù)60s以上。逆變器應(yīng)在任何負(fù)載條件（過載條件除外）和瞬態(tài)情況下，保證標(biāo)準(zhǔn)的額定正弦輸出。2) 逆變器工作原理逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷难b

34、置，基本工作框圖如圖：其性能特點(diǎn)有：采用DSP芯片控制；智能功率模塊組成；純正弦波輸出；輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)頻；具有過壓、欠壓、過載、短路、輸入極性反接等各種保護(hù)功能。逆變效率85%；并具有交流旁路功能，輸入輸出具有優(yōu)異的EMI/EMC指標(biāo)，可配RS232/485接口，具有高可靠性。3) 逆變器的種類及特點(diǎn)種類方波逆變器修正波逆變器正弦波逆變器交流電壓波形方波階梯波正弦波優(yōu)點(diǎn)線路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，維修方便比方波有明顯改善、高次諧波含量減少，當(dāng)階梯達(dá)到17個(gè)以上時(shí)輸出波形可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)正弦波，當(dāng)采用無(wú)變壓器輸出時(shí)，整機(jī)效率很高輸出波形好、失真度低，對(duì)收音機(jī)及通信設(shè)備干擾小、噪聲低，還有保護(hù)功能齊全、整機(jī)性能高等

35、優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高次諧波多，損耗大，噪聲大，對(duì)收音機(jī)及通信設(shè)備干擾大線路比較復(fù)雜，對(duì)收音機(jī)和某些線路設(shè)備仍有一些高頻干擾線路相對(duì)復(fù)雜、對(duì)維修技術(shù)要求高、價(jià)格較高太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電或蓄電池釋放的直流電經(jīng)逆變主電路的調(diào)制、濾波、升壓后，得到與交流負(fù)載額定功率、額定電壓相同的正弦交流電并提供給負(fù)載系統(tǒng)使用。四、 優(yōu)勢(shì)1. 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，其體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是太陽(yáng)能取之不盡用之不竭；二是在目前技術(shù)發(fā)展水平下太陽(yáng)能已具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更加明顯。從離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的建設(shè)成本來(lái)看，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用和推廣，尤其是上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和太陽(yáng)能光

36、伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，以及建筑房頂、外墻等平臺(tái)的符合開發(fā)利用，每kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電的建設(shè)成本在2010年達(dá)到700010000元，相比其他可再生能源已具有同樣的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。2. 可利用量巨大太陽(yáng)每分鐘放射的能量大約是1.61023kW，其中到達(dá)地球的能量可達(dá)到6109t標(biāo)準(zhǔn)煤。按此計(jì)算，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.8921013千億噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬(wàn)倍。太陽(yáng)的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說，太陽(yáng)能可源源不斷供給地球的時(shí)間是無(wú)限的，這就決定了開發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解決資源匱乏、枯竭的最有效途徑。3. 對(duì)環(huán)境沒有污染從目前各種發(fā)電方式的碳排放量來(lái)看，不

37、計(jì)算其上游環(huán)節(jié)：煤電為275g，油發(fā)電為204g，天然氣為181g，風(fēng)力發(fā)電為20g，太陽(yáng)能光伏發(fā)電幾乎為零排放。并且，太陽(yáng)能發(fā)電在發(fā)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排放，沒有噪聲，不產(chǎn)生對(duì)人體有害物質(zhì)，不會(huì)污染環(huán)境。4. 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、最直接太陽(yáng)能光伏發(fā)電直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接，減少能量損失，減少系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本及不穩(wěn)定性。5. 最經(jīng)濟(jì)、最清潔、最環(huán)保6. 可免費(fèi)使用，無(wú)需運(yùn)輸五、 應(yīng)用領(lǐng)域1. 微電網(wǎng)系統(tǒng)微型電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立控制單元，使得各種類型的發(fā)電設(shè)備、能源存儲(chǔ)、負(fù)載和控制設(shè)備集成在一起產(chǎn)生電能或供熱給用戶。它可以滿足用戶的多樣化需求，系統(tǒng)的容量從數(shù)十

38、千瓦到數(shù)百千瓦甚至兆瓦。該系統(tǒng)可以支持的諸多負(fù)載，如照明、桌面電風(fēng)扇、彩色電視、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、空調(diào)等。諸如冰箱可以全天候使用是依賴于系統(tǒng)中，控制器集成太陽(yáng)能充電電路和逆變器電路以及一個(gè)微處理器，保護(hù)電池以防過充和過放，保護(hù)控制器避免短路或反向連接的太陽(yáng)能面板或電池以及由于電力不足的提前預(yù)警。2. 住宅離網(wǎng)系統(tǒng)住宅離網(wǎng)系統(tǒng)可安裝在屋頂或地面。根據(jù)IEA的調(diào)查顯示，有14.56億人生活在缺少電力的環(huán)境，其中83%生活在農(nóng)村，這也是多數(shù)離網(wǎng)系統(tǒng)被應(yīng)用在農(nóng)村的原因。它具有低成本潔可再生，可靠方便，便于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，一次性投資可換回25年以上的電力供應(yīng)。3. 離網(wǎng)通訊基站系統(tǒng)隨著電信在現(xiàn)代社會(huì)的廣泛使用及重要性，電信基礎(chǔ)設(shè)施被不斷的建立在城市與城市之間。為了尋找適合的離網(wǎng)供電來(lái)源，同時(shí)以最小化能源成本投入和對(duì)環(huán)境影響，電信行業(yè)急于從光伏行業(yè)尋找替代普通電