光伏發(fā)電技術(shù)401

1、光伏發(fā)電技術(shù) 401 引言能源是現(xiàn)代社會存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，能源消費也相應(yīng)的持續(xù)增長。隨著時間的推移，化石能源的稀缺性越來越突顯，且這種稀缺性也逐漸在能源商品的價格上反應(yīng)出來。在化石能源供應(yīng)日趨緊張的背景下，大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源已成為未來各國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。 太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實的長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。 1 光伏技術(shù)以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對

2、的廣泛性、確實的長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。進入90年代以來，日益惡化的生態(tài)環(huán)境使得人們逐步認識到，人類必須共同采取行動走可持續(xù)發(fā)展的道路。各國紛紛開始根據(jù)國情治理和緩解已經(jīng)惡化的環(huán)境，并把大力開發(fā)利用可再生能源作為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。太陽能光伏技術(shù)在這種形勢下進入了快速發(fā)展的階段。自70年代開始采用太陽能光伏技術(shù)以來，全世界已經(jīng)安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)超過了2000MW。這些光伏發(fā)電系統(tǒng)主要集中在通訊、管網(wǎng)保護、交通信號和邊遠地區(qū)居民供電等。近幾年來，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)價格降低和性能提高，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。不少發(fā)達國家開始實施太陽能光伏

3、發(fā)電系統(tǒng)的屋頂計劃，系統(tǒng)總裝機容量超過了200MW。其中德國西門子太陽能公司在慕尼黑建成了1MW的世界上最大的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。與此同時，一些發(fā)展中國家在世界銀行和其它一些國際機構(gòu)的扶持下也開始發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。自1992年以來，世界銀行提供了上億美元的貸款和上億美元的全球環(huán)境基金贈款，先后支持了印度、斯里蘭卡、肯尼亞、印度尼西亞等國家的太陽能光伏發(fā)電項目。1994年開始，我國利用全球環(huán)境基金贈款實施了10MW太陽能戶用光伏電源系統(tǒng)。可以說，進入90年代后，太陽能光伏發(fā)電進入了一個新的發(fā)展階段。1.1 國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是20世紀80年代以來世界上增

4、長最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2004年。世界太陽能光伏發(fā)電裝機總?cè)萘窟_到964.9MW。2006年底達到4961.69Mw。已經(jīng)商品化、實用化的太陽能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類。在國際市場上，太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元。光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率也不斷提高，目前，光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國，其光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80。今后光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發(fā)展。專家們預(yù)測到2050年，太陽能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占1315。我國的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)幾乎與世界發(fā)展同步，也是在70年代開始將

5、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域。到1999年底，我國已經(jīng)完成的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量在15MW左右，其中正常使用的系統(tǒng)容量在10MW左右。90年代以前，我國邊遠地區(qū)的太陽能光伏發(fā)電市場資金主要是由國家扶貧項目和其它援助項目支撐。90年代以后，隨著邊遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)牧民收入水平的提高，邊遠地區(qū)的太陽能光伏發(fā)電市場開始向商業(yè)化發(fā)展。根據(jù)世界銀行的資料顯示，我國西部地區(qū)經(jīng)營太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的公司發(fā)展到了60多家。這可以從一個側(cè)面表明，我國的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)具有了一定的市場潛力和市場吸引力。此外，我國的太陽能光伏發(fā)電屋頂系統(tǒng)的發(fā)展也已經(jīng)起步?！熬盼濉逼陂g，國家科委將太陽能屋頂系統(tǒng)列為

6、國家科技攻關(guān)項目。目前，估計我國太陽能光伏發(fā)電市場年銷售量為200MW，并且以年20%的速度發(fā)展，預(yù)計到2015年有可能超過2000 MW。1.2 新型電力電子器件1.21新型電力電子器件的發(fā)展1958年世界上第一個晶閘管（SCR）的研制成功宣告了電力電子技術(shù)的誕生,在電源變換等領(lǐng)域很快就獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步及應(yīng)用方面的需要，人們又在一般晶閘管的基礎(chǔ)上研制出了一系列特殊晶閘管，如快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管等，這些器件性能參數(shù)的不斷提高，電源變換技術(shù)的進步創(chuàng)造了先決條件。隨后電力電子器件又向高頻化、可自關(guān)斷、場控發(fā)展，出現(xiàn)了功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管等器件。功率場效應(yīng)

7、管（Power MOSFET）它是單極性的電壓控制器件，具有輸入阻抗高、控制方便、熱穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、開關(guān)速度快、無二次擊穿等優(yōu)點。絕緣柵極晶體管（IGBT）它集MOSFET電壓激勵和達林頓功率管大電流、正向飽和壓降低的特性于一體，具有工作頻率高、可靠性高、開關(guān)損耗低、脈沖拖尾電流低、工作安全區(qū)大等優(yōu)點。1.22 新型電感器件的發(fā)展變壓器、電抗器等大體積元件使電子設(shè)備體積、重量的進一步減小以及性能的進一步提高受到了限制。為此國內(nèi)外加緊了這方面的研究，并取得了豐碩的成果。例如：片狀電感器與傳統(tǒng)電感器相比，體積縮小到了后者的幾分之一至幾十分之一。很適合高密度安裝，且可靠性高、高頻特性均優(yōu)于傳

8、統(tǒng)電感器。在鐵芯變壓器方面，日本借助現(xiàn)代生產(chǎn)控制設(shè)備，對百余年來傳統(tǒng)鐵芯變壓器的結(jié)構(gòu)進行了一次重大改革，將鐵芯由傳統(tǒng)的矩形截面結(jié)構(gòu)改為圓形截面結(jié)構(gòu)。這種變壓器被命名為R型變壓器，是現(xiàn)今鐵芯變壓器中最理想的形與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變壓器相比，其漏磁減小到0.1至0.2，損耗、重量、體積等也大為減小。1.23 新電源變換技術(shù) 隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，與之相適應(yīng)的控制電路也不斷產(chǎn)生，一些有利于提高電源變換系統(tǒng)性能的新技術(shù)也應(yīng)運而生。這些新型控制電路與新技術(shù)促進了電源變換技術(shù)的發(fā)展。脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）在DC-DC與DC-AC變換電路中獲得了廣泛應(yīng)用。在PWM技術(shù)中有直流PWM和正弦PWM

9、控制之分。利用SPWM技術(shù)可將直流電壓變換成正弦波電壓。功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)源于國際電工委員會IEC555-2標準對接入電網(wǎng)中的設(shè)備的干擾的嚴格要求和強制性執(zhí)行。該技術(shù)是使輸入電流正弦化，并與輸入電壓同相位。高頻軟開關(guān)技術(shù)為了使開關(guān)電源能在高頻下高效率地運行，國內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界自20世紀70年代以來，不斷研究開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)，所謂“軟開關(guān)”指的是零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。它是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件中的電流（或電流）按正弦或準正弦規(guī)律變化，當電流自然過零時，使器件關(guān)斷；或電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零。2 光伏發(fā)電的原理和組成2.1 光伏發(fā)電的原理光伏

10、發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)周期短的優(yōu)點。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。其基本原理如圖3-1所示。圖3-1 光伏發(fā)電基本原理不論是獨立使用還是并網(wǎng) 發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件

11、構(gòu)成，不涉及機械部件，所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器,下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源 無處不在。太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。2.2 光伏發(fā)電的組成太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其

12、作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當是控制器的可選項。蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。逆變器：在很多場合，都需要提供220V AC、110V AC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12V

13、DC、24V DC、48V DC。為能向220V AC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24V DC的電能轉(zhuǎn)換成5V DC的電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)組成如下圖：3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式和應(yīng)用太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 3.1 光熱電轉(zhuǎn)換方式光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通

14、的火力發(fā)電一樣.太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴510倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資2025億美元，平均1kW的投資為20002500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。 3.2光電直接轉(zhuǎn)換方式光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池串

15、聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的太陽能光伏發(fā)電方式有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 3.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用上世紀60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源

16、形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：一、用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；（3）光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。二、交通領(lǐng)域如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。三、通訊/通信領(lǐng)域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。 四、石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫閘門陰極保護

17、太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等。 五、家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。 六、光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。 七、太陽能建筑將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。 八、其他領(lǐng)域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；（3）海水淡化設(shè)備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。我國太陽能光伏應(yīng)用現(xiàn)狀：2007

18、年，中國光伏電池產(chǎn)量達到1000 MW，成為僅次于日本的全球第二大光伏制造基地，但國內(nèi)光伏系統(tǒng)安裝量僅約20 MW，光伏系統(tǒng)的累積裝機容量達100 MW，相當于世界當年安裝量的0.5%和世界累計安裝量的0.8%。其中：農(nóng)村電氣化（包括道路照明）累計裝機容量41MW，通訊和工業(yè)應(yīng)用30MW，光伏產(chǎn)品（路燈、草坪燈、城市景觀、LED照明、交通信號等）22.7MW，并網(wǎng)光伏發(fā)電6.3MW4 光伏發(fā)電的展望及趨勢隨著煤炭，燃油的資源逐步減少，可再生能源將成為未來發(fā)展的主流，同時，傳統(tǒng)的燃料能源在燃燒過程中，會產(chǎn)生大量的溫室氣體，這些溫室氣體將會導(dǎo)致氣候變暖，海平面上升，以及一些不可預(yù)料的氣象災(zāi)害。使用太陽能作為取之不盡的清潔能源，是未來能源發(fā)展的趨勢，在國家財政的扶植下，未來將會建立大量的太陽能光伏電站，總裝機容量將會超過10GW，相當于10座百萬千瓦級的大型火電機組。市場前景將會非常巨大，能否在未來的市場中占有一席之地，將決定公司的未來發(fā)展遠景。 能源是現(xiàn)代社會存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，能源消費也相應(yīng)的持續(xù)增長。隨著時間的推移，化石能源的稀缺性越來越突顯，且這種稀缺性也逐漸在能源商品的價格上反應(yīng)出來。在化石能源供應(yīng)日趨緊張的背景下，大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源已成為未來各國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。在各國政府的扶持下，世界太陽能電池產(chǎn)量快速增長，1995-2005年