【正文】 約為 元 /(kW h)。20212020 年，太陽能光伏發(fā)電將會由獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到 2020 年將約為 元 /(kw h)。到2020 年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列 。 2． 太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成和特性 太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 一般來說，太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。太陽能電池陣列是整個系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉(zhuǎn)化為電能 ?？刂破魇钦麄€系統(tǒng)的核心部件之一，其運行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 運行 。蓄電池的功能在于儲存太陽能電池陣列受光照時所發(fā)出的電能并在無光照時向負(fù)載供電 。逆變器是將直流電變換為交流電的設(shè)備， 由于太陽能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當(dāng)系統(tǒng)向交流負(fù)載供電時，逆變器是不可缺少的。常用的太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖 所示。 太陽能電池 太陽能電池原理及分類 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是太陽能電池單體。太陽能電池單體實際上是一個 PN 結(jié)， PN 結(jié)在光照下會產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng) PN 結(jié)處于平衡狀態(tài)時， PN 結(jié)處有一個耗盡層，耗盡層中存在著勢壘電場，電場方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。當(dāng) PN 結(jié)受到光照時，硅原子受光激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對，在勢壘電場 的作用下，空穴向 P 區(qū)移動，電子向 N 區(qū)移動，從而 P 區(qū)就有過剩的空穴， N 區(qū)就有過剩的電子，這樣便在 PN結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢。光生電動勢的一部分抵消勢壘電場，另一部分使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負(fù)電，從而在 P 區(qū)與 N 區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在太陽能電池單體兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。由上可知，太陽能電池單體將光能轉(zhuǎn)換成電能的工作原理可概括為以下四個過程 : (l)太陽能電池單體吸收光子，在 PN 結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生稱為“光生載流子”的電子一空穴對，兩者的電性相反，電子帶負(fù) 電，空穴帶正電 。 中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 (2)在太陽能電池單體 PN 結(jié)光生載流子，通過擴(kuò)散作用到達(dá)空間電荷區(qū) 。 (3)到達(dá)空間電荷區(qū)的光生載流子被勢壘電場分離，電子被分離到 N區(qū)，空穴被分離到 P 區(qū) 。 (4)被勢壘電場分離的電子和空穴分別被太陽能電池單體的正、負(fù)極收集，若在太陽能電池單體正負(fù)極之間接入負(fù)載，則有光生電流流過，從而獲得電能 實際中使用的太陽能電池是若干個太陽能電池單體經(jīng)過串并聯(lián)并封裝后形成的太陽能電池組件，是可以單獨作為電源使用的最小單元，其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合可以形成太 陽能電池陣列，以滿足負(fù)載功率要求。 太陽能電池多為半導(dǎo)體材料制造，種類繁多，形式各樣，下面按照太陽能電池的材料進(jìn)行分類介紹 : (l)硅太陽能電池 :指以硅為基體材料的太陽能電池，如單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等，多晶硅太陽能電池又有片狀多晶硅太陽能電池、鑄錠多晶硅太陽能電池、筒狀多晶硅太陽能電池和球狀多晶硅太陽能電池等多種。硅太陽能電池特點是由于硅資源豐富，可以大規(guī)模生產(chǎn)，性能穩(wěn)定且光電轉(zhuǎn)化效率高，是目前應(yīng)用最多的太陽能電池。但其制造過程復(fù)雜，成本高。目前市場上使用最多的是單晶硅太 陽能電池，轉(zhuǎn)換率為 17%左右，多晶硅轉(zhuǎn)換效率為 14%左右，非晶硅電池轉(zhuǎn)化效率為 6%左右。 (2)化合物半導(dǎo)體太陽能電池 :指由兩種或兩種以上元素組成的具有中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 半導(dǎo)體特性的化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池，如碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等?；衔锇雽?dǎo)體太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高，抗輻射性好，可在聚光條件下使用等特點，但碲化鎘太陽能電池帶有毒性，易對環(huán)境造成污染，一般用于特定場合，如空間飛行器和航空系統(tǒng)。 (3)有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池 :指用含有一定數(shù)量的碳 碳鍵且導(dǎo)電能力介于 金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池。該種電池雖然轉(zhuǎn)換率低，但價格便宜、輕便、易于大規(guī)模制造。 (4)薄膜太陽能電池 :指用單質(zhì)元素、無機(jī)化合物或有機(jī)材料等制作的薄膜為基體材料的太陽能電池。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、納米薄膜太陽能電池和微晶硅薄膜太陽能電池等。其特點是轉(zhuǎn)換效率相對較高、成本降低 (尤其是大大降低了晶體硅類太陽能電池的硅材料用量 )、且適合規(guī)模生產(chǎn)，因此薄膜太陽能電池是未來太陽能電池的一個重要發(fā)展方向。 太陽能電池輸出特 性 (一 )標(biāo)準(zhǔn)測試條件下太陽能電池的輸出特性 ： 太陽能電池的輸出特性是指太陽能電池在一定的溫度和日照強(qiáng)度下所表現(xiàn)出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對應(yīng)關(guān)系，常簡稱為 IF 特性。由于日照強(qiáng)度、電池溫度等都會影響太陽能電池的特性，因此需要定義標(biāo)準(zhǔn)測試條件用于地面測試太陽能電池性能。我國應(yīng)用的準(zhǔn)測試條件定義為日照強(qiáng)度為 1000W/㎡，太陽能電池溫度為 25℃，太陽輻射光譜為 。 中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 一般的太陽能電池組件生產(chǎn)商均提供上述標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的五個參數(shù)。當(dāng)太陽能電池輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流 的變化很小，太陽能電池近似為一恒流源，當(dāng)太陽能電池輸出電壓超過一定的臨界值時，太陽能電池輸出電流急劇下降，太陽能電池可近似為一恒壓源。太陽能電池的輸出特性是非線性的，既非恒流源也非恒壓源 (在最大功率點左側(cè)為近似恒流源段，在最大功率點右側(cè)為近似恒壓源段 )，且在一定的電池溫度和日照強(qiáng)度下有唯一的最大輸出功率點。 (二 )溫度和日照強(qiáng)度對太陽能電池輸出特性的影響 太陽能電池的 IV 特性曲線與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)，分別為不同日照光強(qiáng)和不同電池溫度時，太陽能電池的輸出特性曲線。當(dāng)溫度一定時，太陽能電池短路電流 Isc 隨日照強(qiáng)度的增加而增加，并與日照強(qiáng)度成正比，太陽能電池開路電壓 Uo 隨日照強(qiáng)度的增加稍有增加，但增加很小，當(dāng)日照強(qiáng)度一定時，電池溫度升高，太陽能電池開路電壓 Uo 降低，而太陽能電池的短路電流 Isc 有輕微的增加。 鉛酸蓄電池 儲能是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，尤其對于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，儲能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成部分。儲能系統(tǒng)的好壞直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能在實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲能部分又是最易受損、最易消耗的部分。所以獲得最佳的儲能系統(tǒng)成為光伏系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常 使用蓄電池實現(xiàn)儲能，常用蓄電池屬于電化學(xué)電池。蓄電池在充電時把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，放電時把儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)載使用。一般來講，光伏發(fā)電系統(tǒng)中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 白天把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電器和蓄電池把電能儲存起來，晚上再通過放電器把儲存在蓄電池里的電能放出來使用。 其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。目前中國用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘蓄電池外，絕大多數(shù)是采用鉛酸蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)中使用鎳鎘或鎳氫蓄電池比較多。 鉛酸蓄電池充電控制方法 在太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對鉛酸蓄電池使用的充電控制方法直接影響到系統(tǒng)的性能。充電控制方法的優(yōu)劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時也關(guān)系到鉛酸蓄電池的使用壽命。而電荷量的大小決定著太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)向負(fù)載供電的能力、鉛酸蓄電池的使用壽命關(guān)系到系統(tǒng)的成本、造價以及系統(tǒng)的使用壽命，因此選擇合理的充電控制方法是提高太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的有效手段。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓充電、兩階段和三階段充電等方法， (一 )恒流充電 恒流充電就是以一定的電流 進(jìn)行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于多個鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長時間的充電模式。這種充電方式的不足之處在于 :鉛酸蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長。 中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 (二 )恒壓充電法 恒壓充電就是以一恒定電壓對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，充電電流較大，但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通 過，這樣充電過程中就不必調(diào)整電流。相對恒流電來說，此法的充電電流自動減少，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低。這種充電方法不足之處在于 :在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷 。如果鉛酸蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流 不會太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。 (三 )兩階段充電法 這種方法是為了克服恒流與恒壓充電的缺點而結(jié)合的一種充電策略。它首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，鉛酸蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓充電方式充電。采用這種充電方式，在充電初期，鉛酸蓄電池不會出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不會出現(xiàn)鉛酸蓄電池電壓過高，使鉛酸蓄電池產(chǎn)生析氣。 (四 )三階段充電法 三階段充電法是在兩階段充電完畢后，鉛酸蓄電池容量己經(jīng)達(dá)到額定容量時，再繼續(xù)以很小的電流向鉛酸蓄電池充電以彌補(bǔ)鉛酸蓄電池由中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 于自放電損失的電 量，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。在浮充時，鉛酸蓄電池充電電壓要比恒壓階段的充電電壓低。 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，綜合考慮日照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度對光伏系統(tǒng)充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以及系統(tǒng)成本等因素，使用三階段充電法對鉛酸蓄電池充電較為合理。 3 太陽能電池最大功率點跟蹤 目前，太陽能電池陣列在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)造價中占很大比重，而且太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率本身就不高，因此有必要研究提高太陽能電池利用效率的方法，以降低系統(tǒng)單位價格的成本，促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。太陽能電池最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking ，簡稱 MPPT)是其中的途徑之一，它能最大程度的利用太陽能電池轉(zhuǎn)化所得的電能。 太陽能電池最大功率點跟蹤原理 由第二章可知，太陽能電池的輸出特性受電池溫度和日照強(qiáng)度等因素的影響，電池溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，日照強(qiáng)度主要影響太陽能電池的短路電流。在一定日照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池有唯一的最大輸出功率點，太陽能電池只有工作在最大功率點才能使其輸出的功率最大。 太陽能電池最大功率點跟蹤方法 目前使用的太陽能電池最大功率點 跟蹤方法主要有恒電壓法、觀察擾動法、電導(dǎo)增量法以及其它的一些跟蹤方法。 （一） 恒電壓法（簡稱 CVT） 中南大學(xué)選修課《新能源概論》期末論文 中南大學(xué)文學(xué)院穆昱帆 溫度一定時，在不同的日照強(qiáng)度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點基本是分布在一條垂直線的附近，因此只要保持太陽能電池陣列輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下太陽能電池陣列最大功率點的電壓，就可以大致保證在該溫度下太陽能電池陣列