【正文】 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 中南大學(xué) 《新能源概論》 學(xué)士 論文 學(xué)院：＿＿＿＿＿＿＿＿ 專業(yè)：＿＿＿＿＿＿＿＿ 班級：＿＿＿＿＿＿＿＿ 姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿ 學(xué)號：＿＿＿＿＿＿＿＿ 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 摘 要 隨著煤炭、石油和天然氣等化石燃料迅速消耗，以及由此帶來的能源危機(jī)與環(huán)染日益加劇，近年來世界各國都在積極尋找和開發(fā)新的、清潔、安全可靠的可再生能源。太陽能具有取之不盡、用之不竭和清潔安全等特點，是理想的可再生能源。 20 世紀(jì) 70 年代后，太陽能光伏發(fā)電在世界范 圍內(nèi)受到高度重視并取得了長足進(jìn)展。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽能利用的一個重要組成部分，并被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N發(fā)電方式。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對于緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染以及減小溫室效應(yīng)具有重要的意義。 太陽能是最普遍的自然資源，也是取之不盡可再生資源。為了解決邊遠(yuǎn)的農(nóng)牧地區(qū)、偏僻的山區(qū)、孤立等的島嶼地方人們的日常生活、生產(chǎn)用電的需要、改善人們的生活水平，進(jìn)行了離網(wǎng)型（獨立）家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蟆h(huán)境狀況及具體用電情況，給出了系統(tǒng)的設(shè)計方法及施工要求，包括控制器、蓄電池 組組件、逆變器、離網(wǎng)型太陽能系統(tǒng)的設(shè)計等。安裝運行以來，系統(tǒng)工作穩(wěn)定正常，驗證了這集的合理性、正確性。 關(guān)鍵字 :太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；離網(wǎng)光伏發(fā)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 世界能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展新能源的背景 自人類社會誕生以來，能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會的發(fā)展，能源在社會發(fā)展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益呈現(xiàn)出來的能源危機(jī)問題，更加明顯地把能源置于社會發(fā)展的首要地位。根據(jù)《 BP 世界能源統(tǒng) 2021》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以目前的開采速度計算，全球石油儲量可供生產(chǎn) 40 多 年，天然氣和煤炭則分別可以供應(yīng)67 年和 164 年。而我國的能源資源儲量情況更是危機(jī)逼人，按 2021 年底的統(tǒng)計，探明可開發(fā)能源總儲量約占世界總量的 %。我國能源剩余可開采總儲量的結(jié)構(gòu)為 :原煤占 %，原油占 %，天然氣占 %，水資源占 %。我國能源可開發(fā)剩余可采儲量的資源保證程度為 年。自從工業(yè)革命以來，約 80%溫室氣體造成的附加氣候強迫是由人類社會活動引起的，其中 CO2 的作用約占 60%，而化石能源的燃燒是 CO2 的主要排放源。 隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所造成 的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉?。研究和實踐表明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國際社會公認(rèn)的理想替代能源。新能源和可再生能源的開發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污中南大學(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 染問題，促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測，到21 世紀(jì) 60 年代，全球新能源與可再生能源的比例，將會發(fā)展到世界能源構(gòu)成的 50%以上，成為人類社會未來能源的基石和化石能源的替代能源。 目前世界大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各國紛紛出臺各種法規(guī)支持開發(fā)利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升溫。 20 世紀(jì) 90 年代以來，以歐盟為代表的地區(qū)集團(tuán)，大力開發(fā)利用可再生能源，連續(xù) 10 年可再生能源發(fā)電的年增長速度都在15%以上。以德國、西班牙為代表的一些國家通過立法方式，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展， 1999 年以來可再生能源年均增長速度均達(dá)到 30%以上。西班牙 2021 年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)占到全機(jī)總量的 24%，德國在過去 11 年間，風(fēng)力發(fā)電增長 21 倍， 2021 年占全的 %。瑞典和奧地利的生物質(zhì)能源在其能源消費結(jié)構(gòu)中高達(dá) 15%以上。 我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來的高長使我國迫切需要加大對新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源題，保障能源供應(yīng)安全。近年來，由于各級政府和社會各界的高度重視可再生能源的開發(fā)和利用方面取得了較快發(fā)展，并于 2021 年 2 月 28 日通過了《再生能源法》，該法已于 2021 年 1 月 1 日起實施，這對于我國可再生能具有十分重要的意 義 。 太陽能與太陽能光伏發(fā)電 太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽能傳送到地球上每 40 秒鐘就有相當(dāng)于 210 億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天的能源。在目前的幾種新能源技術(shù)中，太陽能以其突出的優(yōu)勢被定位為的未來能源，有無盡的潛力。 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 目前太陽能利用的方式有 :太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動力利用，太陽能光化利用，太陽能生物利用和太陽能光 光利用。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)前具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國家均投入巨資競相研究開發(fā)，并產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓太陽能光伏發(fā)電的市場應(yīng)用。 太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)太陽能電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，將太陽能電池單元進(jìn)行串并聯(lián)可以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組件可以單獨作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進(jìn)行進(jìn)一步的串并聯(lián)，構(gòu)成太陽能電池方陣，以滿足負(fù)載所需要的功率輸出。 太陽能光伏發(fā)電之所以發(fā)展如此迅速，是因為其具有以下優(yōu)點 ： (l)取 之 不 盡 ， 用 之 不 竭 。 地 球 表 面 所 接 受 的 太 陽 能 約 為1014GWh/ 年，是全球能量年需求的 35000 倍，可以說是一種無限的資源。 (2)無污染。光伏發(fā)電本身不消耗工質(zhì)，不向外界排放廢物，無轉(zhuǎn)動部件，不產(chǎn)生噪聲，是一種理想的清潔能源。 (3)資源分布廣泛。不同于水電受水力資源限制，火電受到煤炭資源及運輸成本等影響，光伏發(fā)電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得到太陽能的地方。 (4)建設(shè)周期短，建造靈活方便，運行維護(hù)費用低。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照需要將光伏組件靈活地串并聯(lián)，達(dá)到所需功率，所以其建設(shè)周期中南大學(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 短，擴(kuò)容方便 。安裝于房頂，沙漠，還可與建筑相結(jié)合，從而節(jié)約占地面積，節(jié)省安裝成本 。太陽能光伏發(fā)電所消耗的太陽能無需付費，一年中往往只需在遇到連續(xù)陰雨天最長的季節(jié)前后去檢查太陽能電池組件表面是否被污染，接線是否可靠以及蓄電池電壓是否正常等，因而太陽能光伏發(fā)電的運行費用很低。 (5)光伏建筑集成。光伏產(chǎn)品與建筑材料集成是目前國際上研究及發(fā)展的前沿，這種產(chǎn)品不僅美觀大方，還節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積和費用。 (6)分布式。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點將提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)連接可分為獨立離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中的能量能進(jìn)行雙向傳輸。在有太陽能輻射時，由太陽能電池陣列向負(fù)載提供能量 。當(dāng)無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時，由蓄電池向系統(tǒng)負(fù)載提供能量。該系統(tǒng)可為交流負(fù)載提供能量，也可為直流負(fù)載提供能量，當(dāng)太陽能電池陣列能量過剩時，可以將過剩能量存儲起來或把過剩能量送入電網(wǎng)。該系統(tǒng)功能全面，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜，成本高，僅在大型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 中才使用這種結(jié)構(gòu)，并具有上述全面的功能 。而中南大學(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 一般使用的中小型系統(tǒng)僅具有該系統(tǒng)的部分功能。 (一 )離網(wǎng)型（獨立）光伏發(fā)電系統(tǒng) 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指未與公共電網(wǎng)相連接的獨立太陽能光伏發(fā)電 系統(tǒng)，其輸出功率提供給本地負(fù)載 (交流負(fù)載或直流負(fù)載 )的發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所，如為公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、海島和牧區(qū)提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電，也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處所提供電源 。 圖 所示為一種常用的太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示 意圖，該系統(tǒng)由太陽能電池陣列、 DC/DC 變換器、蓄電池組、 DC/AC 逆變器和交直流負(fù)載構(gòu)成。 DC/DC 變換器將太陽能電池陣列轉(zhuǎn)化的電能傳送給蓄電池組存儲起來供日照不足時使用。蓄電池組的能量直接給直流負(fù)載供電或經(jīng)DC/AC 變換器給交流負(fù)載供電。該系 統(tǒng)由于有蓄電池組，因而系統(tǒng)成本增加，但可在無日照或日照不足時為負(fù)載供電。 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 (二 )并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實現(xiàn)與電網(wǎng)連接， 向電網(wǎng)輸送電能。它是太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成為電力工業(yè)組成部分之一重要方向，是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。 太陽能光伏發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對于太陽能光伏發(fā)電十分重視，針對其制定規(guī)劃，增加投入，大力發(fā)展。 20 世紀(jì) 80 年代以來，即使是在世界經(jīng)濟(jì)從總體上處于衰退和低谷的時期，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也一直以10%15%的遞增速度在發(fā)展。 90 年代后期，發(fā)展更為迅速，成為全球增長速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 國外太陽能光伏發(fā) 電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 到 2021 年，世界太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到 ，到 2021年底，達(dá)到 。己經(jīng)商業(yè)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、帶狀硅電池以及薄膜電池等幾類。在國際市場上目前太陽能光伏電池的價格大約為 美元/W，并網(wǎng)系統(tǒng)價格為 6 美元 /w，發(fā)電成本為 美元 /(kw h)。光伏電池的發(fā)電轉(zhuǎn)化效率也不斷提高，晶體硅光電池轉(zhuǎn)化率達(dá)到 15%，單晶硅光電池轉(zhuǎn)化率是 %，砷化鎵光電池轉(zhuǎn)化率是 25%，在實驗室中特制的砷化嫁光電 池轉(zhuǎn)化率己達(dá) 35%36%。太陽能光伏電池 /組件使用壽命大大增長，可使用 30 多年。目前，太陽能光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美中南大學(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 國，其太陽能光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的 80%。今后太陽能光伏發(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 13%15%，到 2100年將約占 64%。 我國太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 20 世紀(jì) 90 年代以來是我國太陽能光伏發(fā)電快速發(fā)展的時期，在這一時期我國光伏組件生產(chǎn)能力逐年增強，成本不斷降低，市 場不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加， 2021 年累計容量達(dá) 35MW，約占世界份額的 3%。 10多年來，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)長期平均維持了全球市場 1%左右的份額。到 2020 年前，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展，成本將不斷下降，太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)生巨大的變化 :20212021 年，我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到 2021 年將