【正文】 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一. 光伏發(fā)電系統(tǒng)背景工業(yè)革命以來(lái)，能源逐漸成為人類(lèi)生存和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的最重要基石。石油、煤炭是目前人類(lèi)使用最廣泛的能源，而其均為不可再生資源，它們?cè)谌紵倪^(guò)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(lái)愈顯著，冰川溶解加速。而硫化物引起的酸雨問(wèn)題亦更加突出，森林遭到破壞。而且，石油與煤炭隨著開(kāi)采量的加大，能源枯竭只會(huì)提前到來(lái)。一系列世界性的環(huán)境氣候問(wèn)題和能源短缺給人類(lèi)文明帶來(lái)了前所未有的危機(jī)。因此，要解決社會(huì)可持續(xù)發(fā)展與能源、環(huán)境的矛盾，人類(lèi)必須加快清潔、安全的新能源和可再生能源開(kāi)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(yáng)能無(wú)疑是極具魅力的。它的能量來(lái)源堪稱(chēng)無(wú)限，J，J之多，相當(dāng)于6噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽(yáng)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(lái)，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(duì)水加熱產(chǎn)生蒸汽，再利用高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。能量轉(zhuǎn)化過(guò)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(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。目前應(yīng)用最為廣泛的太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)方式是光伏太陽(yáng)能技術(shù)。太陽(yáng)能電池接收光照，在內(nèi)部直接產(chǎn)生電勢(shì)差，對(duì)外輸出電流，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。太?yáng)能有諸多的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)化石燃料，太陽(yáng)能電池工作時(shí)幾乎不產(chǎn)生二氧化碳、硫化物、氮氧化物等污染物。不會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)與酸雨。太陽(yáng)能的來(lái)源廣泛，只要有陽(yáng)光的地方就能夠進(jìn)行太陽(yáng)能的開(kāi)采與利用。太陽(yáng)能屬于可再生資源，太陽(yáng)的存在時(shí)間對(duì)于人類(lèi)幾乎是永久的，因此可以認(rèn)為太陽(yáng)能永不枯竭。1997年6月26日，美國(guó)在紐約聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展問(wèn)題特別會(huì)議上公布了美國(guó)百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)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(guó)超過(guò)100萬(wàn)個(gè)屋頂上安裝太陽(yáng)能電池板，通過(guò)利用太陽(yáng)能，減少對(duì)化石燃料的依賴(lài)。捕獲太陽(yáng)的熱能，幫助我們降低地球溫度?！?997年，公共部門(mén)還很少關(guān)注能源問(wèn)題，有關(guān)全球變暖問(wèn)題的討論甚至更少。在12年后本章即將出版的今天，這兩個(gè)議題都得到了極大的關(guān)注。到2007年底，估計(jì)美國(guó)各地已安裝超過(guò)60萬(wàn)套太陽(yáng)能系統(tǒng)，美國(guó)加利福尼亞州還退出了自己的百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃。這60萬(wàn)套系統(tǒng)包裹光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能游泳池加熱系統(tǒng)。但是太陽(yáng)能的安裝利用不僅限于美國(guó)，德國(guó)在太陽(yáng)能和風(fēng)能系統(tǒng)安裝方面世界領(lǐng)先，日本、西班牙和許多其他國(guó)家也在積極實(shí)施可再生能源項(xiàng)目。如今越來(lái)越多的國(guó)家采用了可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)。這些目標(biāo)需要工程師們?nèi)?shí)現(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(jì)方案?？稍偕茉唇M合標(biāo)準(zhǔn)與精心設(shè)計(jì)的激勵(lì)方案相互配合，在推動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)部署方面的時(shí)序效果將延續(xù)到2010年以后。事實(shí)上，MSRI有可能擴(kuò)大到1億太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃，從而滿(mǎn)足后代的可持續(xù)能源需求。地球人口目前已超過(guò)67億，這些居民都需要能源來(lái)維持其生活所需。究竟多少能源、什么能源才能滿(mǎn)足這些需求呢？這正是當(dāng)代人以及后代人必須解決的問(wèn)題。然而，可以肯定發(fā)展中國(guó)家將試圖顯著提高人均能源消耗。例如，1997年中國(guó)平均每周建設(shè)300MW發(fā)電廠(chǎng)。這些發(fā)電廠(chǎng)曾潔采用相對(duì)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(hù)為主。持續(xù)增加化石燃料的使用，其潛在后果是十分深遠(yuǎn)的。在開(kāi)始學(xué)習(xí)光伏發(fā)電系統(tǒng)這一極具前景的未來(lái)能源的細(xì)節(jié)之前，了解當(dāng)前的能源技術(shù)與經(jīng)濟(jì)格局是有益的，這使讀者能夠更好地評(píng)估工程師在地球邁向未來(lái)可持續(xù)能源供給的過(guò)程中所要做的貢獻(xiàn)。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(shí)（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(wàn)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(shí)（kWh）是1kW功率運(yùn)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(dá)國(guó)家耗能約為75％，而發(fā)展中國(guó)家還有近20億人口沒(méi)有電力，這些國(guó)家大多數(shù)在熱帶地區(qū)。2005年，全球一次能源消費(fèi)量增長(zhǎng)到462quad，仍有20億人口沒(méi)有電力。市場(chǎng)作用力和市場(chǎng)反應(yīng)之間存在時(shí)間延遲。注意，1973年石油禁運(yùn)以后，石油產(chǎn)量持續(xù)上升，此后20世紀(jì)70年代和80年代初石油價(jià)格明顯上漲。在這段時(shí)期，高昂的石油價(jià)格推動(dòng)了能源效率的立法，例如美國(guó)國(guó)家能源儲(chǔ)備和政策法案、建筑施工能源效率規(guī)程和增加車(chē)輛行駛里程的要求。消費(fèi)者也通過(guò)減少恒溫器、安裝保溫層以及采取其他能量?jī)?chǔ)存措施予以響應(yīng)，降低能源使用量。其結(jié)果是在20世紀(jì)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(shí)期，由于用電效率提高，取消了核電廠(chǎng)的建設(shè)，使核電增長(zhǎng)速度明顯放緩。由于發(fā)展中國(guó)家正在爭(zhēng)取與發(fā)達(dá)國(guó)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(qǐng)注意，能源權(quán)益是實(shí)現(xiàn)較高生活標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)條件。然而實(shí)現(xiàn)較高的生活標(biāo)準(zhǔn)需要付出代價(jià)，這不僅僅包括貨幣債務(wù)，如果以最廉價(jià)、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(shí)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(guò)世界人口的5％，消耗了世界能源的26%。而中國(guó)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(guó)民生產(chǎn)總值與人均千瓦數(shù)比值最高的國(guó)家與低值國(guó)家相比，已經(jīng)發(fā)展成為更高能源效率的經(jīng)濟(jì)體。一些國(guó)家已經(jīng)從制造業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)體轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔a(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)體，用于制造業(yè)的能源僅占較小比例。處于低端的國(guó)家往往去想使用更多手工勞動(dòng)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(guó)家利用廉價(jià)擔(dān)但有污染的當(dāng)?shù)啬茉磥?lái)提高其制造能力，這有可能迫使發(fā)達(dá)國(guó)家放松污染控制標(biāo)準(zhǔn)，從而保持對(duì)發(fā)展中國(guó)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。在自由貿(mào)易協(xié)定的反對(duì)意見(jiàn)中，有一部分是基于環(huán)境問(wèn)的擔(dān)憂(yōu)，因?yàn)樵搮f(xié)與禁止任何國(guó)家隊(duì)實(shí)時(shí)地環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家生產(chǎn)的貨物征收進(jìn)口關(guān)稅。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家面臨想發(fā)展中國(guó)家輸出能源效率的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，當(dāng)初美國(guó)拒絕簽署關(guān)于溫室氣體減排的京都協(xié)定書(shū)的觀(guān)點(diǎn)之一就是，它沒(méi)有要求發(fā)展中國(guó)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(jī)直接成本相比，當(dāng)前光伏的使用成本還沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。這意味著消費(fèi)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(shì)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(jià)格，還必須完成大量的研究和開(kāi)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(jià)格標(biāo)簽，從而使這項(xiàng)代價(jià)能夠計(jì)入任何能源社會(huì)的總成本當(dāng)中。最后，由于對(duì)石油價(jià)格控制和禁運(yùn)的擔(dān)憂(yōu)，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(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)岷凸夥饶茉础?、英熱單位?jīng)濟(jì)和可持續(xù)性試驗(yàn) 簡(jiǎn)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?jī)烧咧g的差值。例如，為了能夠燃燒一桶石油，需要勘探、開(kāi)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(diǎn)，而且在石油燃燒后，還需要修復(fù)開(kāi)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(guò)了一桶石油等值的能量，那么人們就應(yīng)該認(rèn)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(xué)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(guò)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(jí)或低品質(zhì)的能源形勢(shì)去生成更高等級(jí)或更高品質(zhì)的能源形勢(shì)。有時(shí)候，這種做法能夠使能源利用更有價(jià)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(dòng)電視機(jī)的技術(shù)以前，這種低效率的煤炭轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程很可能會(huì)繼續(xù)下去，盡管燃煤的環(huán)境問(wèn)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(jì)學(xué)的新標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為這比金本位制更有意義，并稱(chēng)其為英熱單位標(biāo)準(zhǔn)。英熱單位標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為任何事物都有能量?jī)?nèi)涵。亨德森撰寫(xiě)了大量關(guān)于英熱單位經(jīng)濟(jì)概念的書(shū)籍。這里鼓勵(lì)讀者在學(xué)期中間閱讀奧德姆和亨德森的文獻(xiàn)，并進(jìn)行啟發(fā)性的討論，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)向能源本位的轉(zhuǎn)變。對(duì)一種能源可持續(xù)性的測(cè)試包括兩個(gè)因素:第一個(gè)因素是資源是否有限。有限資源一般稱(chēng)為不可再生，而無(wú)線(xiàn)資源稱(chēng)為可再生。第二個(gè)因素是資源是否具有正凈能。也就是說(shuō)，如果