【正文】 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案一. 光伏發(fā)電系統(tǒng)背景工業(yè)革命以來，能源逐漸成為人類生存和現(xiàn)代社會發(fā)展的最重要基石。石油、煤炭是目前人類使用最廣泛的能源，而其均為不可再生資源，它們在燃燒的過程中產(chǎn)生了大量二氧化碳、二氧化硫等污染氣體，導(dǎo)致全球氣溫升高，溫室效應(yīng)愈來愈顯著，冰川溶解加速。而硫化物引起的酸雨問題亦更加突出，森林遭到破壞。而且，石油與煤炭隨著開采量的加大，能源枯竭只會提前到來。一系列世界性的環(huán)境氣候問題和能源短缺給人類文明帶來了前所未有的危機。因此，要解決社會可持續(xù)發(fā)展與能源、環(huán)境的矛盾，人類必須加快清潔、安全的新能源和可再生能源開發(fā)的步伐，以逐步替代傳統(tǒng)能源。在眾多新型能源中，太陽能無疑是極具魅力的。它的能量來源堪稱無限，J，J之多，相當于6噸標準煤。太陽能轉(zhuǎn)換形式多樣，主要包括下列三種利用方式：(1)光熱轉(zhuǎn)化。將輻射能搜集起來，與其他物質(zhì)作用轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。(2)光電轉(zhuǎn)化。有兩種光電轉(zhuǎn)化方式。一種是先將光輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，對水加熱產(chǎn)生蒸汽，再利用高壓蒸汽推動汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。能量轉(zhuǎn)化過程為，先是光熱轉(zhuǎn)換，再是熱電轉(zhuǎn)換。另外一種是直接的光電轉(zhuǎn)換。利用光生伏打效應(yīng)，太陽能電池接收光能直接輸出電能。(3)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。利用植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。目前應(yīng)用最為廣泛的太陽能開發(fā)方式是光伏太陽能技術(shù)。太陽能電池接收光照，在內(nèi)部直接產(chǎn)生電勢差，對外輸出電流，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。太陽能有諸多的優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)化石燃料，太陽能電池工作時幾乎不產(chǎn)生二氧化碳、硫化物、氮氧化物等污染物。不會導(dǎo)致溫室效應(yīng)與酸雨。太陽能的來源廣泛，只要有陽光的地方就能夠進行太陽能的開采與利用。太陽能屬于可再生資源，太陽的存在時間對于人類幾乎是永久的，因此可以認為太陽能永不枯竭。1997年6月26日，美國在紐約聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展問題特別會議上公布了美國百萬太陽能屋頂計劃（MSRI）。其宣告：“現(xiàn)在我們將與企業(yè)和社區(qū)共同努力，到2010年在美國超過100萬個屋頂上安裝太陽能電池板，通過利用太陽能，減少對化石燃料的依賴。捕獲太陽的熱能，幫助我們降低地球溫度?！?997年，公共部門還很少關(guān)注能源問題，有關(guān)全球變暖問題的討論甚至更少。在12年后本章即將出版的今天，這兩個議題都得到了極大的關(guān)注。到2007年底，估計美國各地已安裝超過60萬套太陽能系統(tǒng)，美國加利福尼亞州還退出了自己的百萬太陽能屋頂計劃。這60萬套系統(tǒng)包裹光伏發(fā)電、太陽能熱水、太陽能游泳池加熱系統(tǒng)。但是太陽能的安裝利用不僅限于美國，德國在太陽能和風能系統(tǒng)安裝方面世界領(lǐng)先，日本、西班牙和許多其他國家也在積極實施可再生能源項目。如今越來越多的國家采用了可再生能源組合標準（RPS），即設(shè)定到某一特定日期可再生能源店里在電能供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的比例目標。這些目標需要工程師們?nèi)崿F(xiàn)，并要求工程師們理解光伏系統(tǒng)做出明智的系統(tǒng)設(shè)計方案。可再生能源組合標準與精心設(shè)計的激勵方案相互配合，在推動太陽能技術(shù)部署方面的時序效果將延續(xù)到2010年以后。事實上，MSRI有可能擴大到1億太陽能屋頂計劃，從而滿足后代的可持續(xù)能源需求。地球人口目前已超過67億，這些居民都需要能源來維持其生活所需。究竟多少能源、什么能源才能滿足這些需求呢？這正是當代人以及后代人必須解決的問題。然而，可以肯定發(fā)展中國家將試圖顯著提高人均能源消耗。例如，1997年中國平均每周建設(shè)300MW發(fā)電廠。這些發(fā)電廠曾潔采用相對便宜的、陳舊的、效率較低的燃煤發(fā)電技術(shù)，并且供電終端以利用效率較低的用戶為主。持續(xù)增加化石燃料的使用，其潛在后果是十分深遠的。在開始學習光伏發(fā)電系統(tǒng)這一極具前景的未來能源的細節(jié)之前，了解當前的能源技術(shù)與經(jīng)濟格局是有益的，這使讀者能夠更好地評估工程師在地球邁向未來可持續(xù)能源供給的過程中所要做的貢獻。能量度量有多種方式，包括卡（cal）、英熱單位（Btu）、夸德（quad）、英尺磅（ftlb）和千瓦時（kWh）。以下為基于地球系統(tǒng)大約27℃條件下的這些量的定義：1卡（cal）是將1mL水的溫度升高1℃所需要的熱量。1英熱單位（Btu）是將1lb水的溫度升高1℉所需要的熱量。1夸德（quad）是1000萬億（）Btu。1英尺磅（ftlb）是將1lb物體升高1ft所需要的能量。1千瓦時（kWh）是1kW功率運行1h所需要的能量。根據(jù)這些定義，可得出以下?lián)Q算公式：1Btu=252cal1kWh=3413Btu=2655000ftlb1ftlb=1quad=Btu=kWh。發(fā)達國家耗能約為75％，而發(fā)展中國家還有近20億人口沒有電力，這些國家大多數(shù)在熱帶地區(qū)。2005年，全球一次能源消費量增長到462quad，仍有20億人口沒有電力。市場作用力和市場反應(yīng)之間存在時間延遲。注意，1973年石油禁運以后，石油產(chǎn)量持續(xù)上升，此后20世紀70年代和80年代初石油價格明顯上漲。在這段時期，高昂的石油價格推動了能源效率的立法，例如美國國家能源儲備和政策法案、建筑施工能源效率規(guī)程和增加車輛行駛里程的要求。消費者也通過減少恒溫器、安裝保溫層以及采取其他能量儲存措施予以響應(yīng)，降低能源使用量。其結(jié)果是在20世紀80年代中期，由于需求量減少，石油產(chǎn)量也隨之降低。在同一時期，由于用電效率提高，取消了核電廠的建設(shè)，使核電增長速度明顯放緩。由于發(fā)展中國家正在爭取與發(fā)達國家平等的能源權(quán)益，世界面臨著巨大的能源需求挑戰(zhàn)。請注意，能源權(quán)益是實現(xiàn)較高生活標準的一個條件。然而實現(xiàn)較高的生活標準需要付出代價，這不僅僅包括貨幣債務(wù)，如果以最廉價、成本第一的方式追逐能源權(quán)益，則存在著環(huán)境明顯退化的潛在影響。遺憾的是，這種情景極有可能出現(xiàn)，東歐和亞洲等地區(qū)已經(jīng)按著這種方式發(fā)展。事實上，采用最低成本的能源方式，更可能導(dǎo)致較高的人均能耗，單挺尸產(chǎn)生不宜呼吸的空氣和不宜飲用的水，反而有可能使生活水平下降。北美人口略超過世界人口的5％，消耗了世界能源的26%。而中國和印度幾乎占世界人口的1/3，只消耗了世界能源的18%。人均國民生產(chǎn)總值與人均千瓦數(shù)比值最高的國家與低值國家相比，已經(jīng)發(fā)展成為更高能源效率的經(jīng)濟體。一些國家已經(jīng)從制造業(yè)為主的經(jīng)濟體轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔a(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟體，用于制造業(yè)的能源僅占較小比例。處于低端的國家往往去想使用更多手工勞動力的農(nóng)業(yè)，或使用底薪工人和低成本能源的制造業(yè)。由于發(fā)展中國家利用廉價擔但有污染的當?shù)啬茉磥硖岣咂渲圃炷芰?，這有可能迫使發(fā)達國家放松污染控制標準，從而保持對發(fā)展中國的產(chǎn)品競爭力。在自由貿(mào)易協(xié)定的反對意見中，有一部分是基于環(huán)境問的擔憂，因為該協(xié)與禁止任何國家隊實時地環(huán)境標準的國家生產(chǎn)的貨物征收進口關(guān)稅。因此，發(fā)達國家面臨想發(fā)展中國家輸出能源效率的挑戰(zhàn)。事實上，當初美國拒絕簽署關(guān)于溫室氣體減排的京都協(xié)定書的觀點之一就是，它沒有要求發(fā)展中國家采取同等的溫室氣體排放限制。光伏能源非常清潔，但是在大多數(shù)情況下，與化石能源發(fā)電的初裝機直接成本相比，當前光伏的使用成本還沒有競爭力。這意味著消費者必須熟悉全生命周期成本，工程是必須能夠創(chuàng)造最有成本一一效益優(yōu)勢的光伏解決方案。這也意味著為了確保持續(xù)降低光伏發(fā)電價格，還必須完成大量的研究和開發(fā)工作。它還意味著必須努力為能源引起的環(huán)境退化也貼上價格標簽，從而使這項代價能夠計入任何能源社會的總成本當中。最后，由于對石油價格控制和禁運的擔憂，火力發(fā)電的原料從石油轉(zhuǎn)換為煤炭和天然氣。其中“可再生能源”包括水電、風能、生物質(zhì)能、地熱和光伏等能源。、英熱單位經(jīng)濟和可持續(xù)性試驗 簡而言之，一種能源的凈能是指從該資源所獲取能量和獲取并轉(zhuǎn)換它所需能量兩者之間的差值。例如，為了能夠燃燒一桶石油，需要勘探、開采、輸送、精煉，以及建設(shè)燃燒設(shè)施。然后，必須將成品油輸送到燃燒地點，而且在石油燃燒后，還需要修復(fù)開采、輸送、精煉和燃燒所造成的一切環(huán)境損害。所有這些步驟都需要能量。最后，如果為了獲得并轉(zhuǎn)換一桶石油，消耗能量超過了一桶石油等值的能量，那么人們就應(yīng)該認真思考是否首先選擇燃燒石油。某些情況下，消耗能量去獲得某種資源是有意義的。舉例而言，假如發(fā)現(xiàn)了石油的另一用途，譬如為癌癥治療提供一種主要化學物質(zhì)。那么消耗一定能量去獲得該資源而不是石油，即使所耗能量可能超過石油自身的能量，但為了比石油更重要的通途也是有意義的。另一種情況是使用低等級或低品質(zhì)的能源形勢去生成更高等級或更高品質(zhì)的能源形勢。有時候，這種做法能夠使能源利用更有價值。例如，燃煤發(fā)電需要3單位煤炭能產(chǎn)生1單位電能。然而，在發(fā)明直接用煤炭驅(qū)動電視機的技術(shù)以前，這種低效率的煤炭轉(zhuǎn)化為電能的過程很可能會繼續(xù)下去，盡管燃煤的環(huán)境問題盡人皆知?！皟裟堋备拍钍?976年由奧德姆引入的。他們將凈能的概念納入一種經(jīng)濟學的新標準，認為這比金本位制更有意義，并稱其為英熱單位標準。英熱單位標準認為任何事物都有能量內(nèi)涵。亨德森撰寫了大量關(guān)于英熱單位經(jīng)濟概念的書籍。這里鼓勵讀者在學期中間閱讀奧德姆和亨德森的文獻，并進行啟發(fā)性的討論，如何實現(xiàn)經(jīng)濟系統(tǒng)向能源本位的轉(zhuǎn)變。對一種能源可持續(xù)性的測試包括兩個因素:第一個因素是資源是否有限。有限資源一般稱為不可再生，而無線資源稱為可再生。第二個因素是資源是否具有正凈能。也就是說，如果