【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)十分重要的課題。 目前，國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電站建設(shè)情況主要有：甘肅敦煌 8MW 太陽能光伏發(fā)電站； 166MW 云南石林太陽能發(fā)電站；位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市的中節(jié)能尚德石嘴山 50MW 一期 10MW 發(fā)電項(xiàng)目于 2020 年國(guó)慶前夕正式并網(wǎng)投產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)第一個(gè) 10 兆瓦級(jí)太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目，后續(xù)項(xiàng)目分兩期實(shí)施，于 2020 年全部建成；青海柴達(dá)木預(yù)計(jì) 2020 年將建成世界首座 GW 級(jí) (100 萬千瓦 )太陽能電站。 開發(fā)利用太陽能資源建設(shè) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)減輕我國(guó)能源供應(yīng)壓力、抑制二氧化碳排放、減少城市污染起到積極作用。發(fā)展太陽能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略，涉及到國(guó)家的能源政策、環(huán)保政策和氣候變化政策。 太陽能光伏發(fā)電的前景 為了適應(yīng)世界能源趨勢(shì)的發(fā)展潮流，中國(guó)通過了一系列政策和法案來鼓勵(lì)和發(fā)展新能源。 2020 年 6 月 30 日，溫家寶總理主持召開的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，討論并原則通過了 “大力調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，堅(jiān)持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展的戰(zhàn)略 ”。 2020 年 2 月 28 日，十屆人大常委會(huì)第十四次會(huì)議通過了《可再生 能源法》，國(guó)家主席胡錦濤以第 33 號(hào)主席令公布，自 2020 年1 月 1 日起實(shí)行。前者為將發(fā)展新能源和可再生能源列入國(guó)家的能源發(fā)展戰(zhàn)略立了 “戶口 ”，后者通過立法對(duì)新能源和可再生能源的發(fā)展給予了法律上的支持和保證。中國(guó)也因此成為繼德國(guó)后，世界上第二個(gè)頒布《可再生能源法》的國(guó)家。 我國(guó)《可再生能源法》的頌布，將有力促進(jìn)我國(guó)太陽能工業(yè)發(fā)展，特別是光伏行業(yè)，可以預(yù)見，從現(xiàn)在起，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)新的高潮，在 3～5 年內(nèi)我國(guó)在太陽電池研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)將在東部沿海地區(qū)形成一個(gè)世界級(jí)的產(chǎn)業(yè)基地，將在國(guó)際光伏產(chǎn)業(yè)中 占有重要的地位。 課題的研究?jī)?nèi)容與目標(biāo) ⒈ 清楚從太陽能到電能的轉(zhuǎn)換過程。 ⒉ 了解太陽能發(fā)電系統(tǒng)的幾個(gè)組成部分，以及各部分的特點(diǎn)和工作原理。 ⒊ 太陽能發(fā)電系統(tǒng)典型硬件電路的分析。 ⒋ 設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易電路來完成太陽能發(fā)電功能。 10 第 2 章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及基本原理 太陽能光伏電池的發(fā)電原理 如圖 21 所示，太陽能光伏電池理論上相當(dāng)于一個(gè)半導(dǎo)體二極管，其 PN 結(jié)是將一些特殊的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體晶體中形成的。當(dāng)太陽光照射到光伏電池板上時(shí)產(chǎn)生了光生伏特效應(yīng)，從而直接將太陽光的光能轉(zhuǎn)變成電能。其工作原 理概述如下 ： 由于太陽光光照的作用，將有光子沖擊光伏電池內(nèi)部的價(jià)電子，導(dǎo)致部分價(jià)電子因?yàn)榈玫搅顺^禁帶寬帶的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，從價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶，在半導(dǎo)體的內(nèi)部產(chǎn)生了電子 空穴對(duì)。這些新形成的電子 空穴對(duì)處于不平衡狀態(tài)，因此為了達(dá)到新的平衡狀態(tài)必須在半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行大量的復(fù)合和碰撞。這個(gè)復(fù)合過程對(duì)外并不能表現(xiàn)出導(dǎo)電的能力，而是以太陽能光伏電池能量的自損耗形式表現(xiàn)。而光伏電池表現(xiàn)導(dǎo)電能力的是光生電場(chǎng)，光生電場(chǎng)只有運(yùn)動(dòng)到 PN結(jié)區(qū)域的少數(shù)載流子才能產(chǎn)生。接通外電路后，光生電場(chǎng)就會(huì)有電流輸出提供給負(fù)載。 圖 21 太陽能光伏電池原理圖 ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ + ○ ○ + ○ ○ + P 型 PN 結(jié) 負(fù)載電阻 11 太陽能光伏電池的特性 .1 太陽能光伏電池的等效電路 基于單二極管模型的太陽能光伏電池等效的等效電路如圖 22 所示： 圖 22 光伏電池的等效電路 圖 22 中各個(gè)量的具體涵義如下 ： OCU —電池板的開路電壓 ； LR —電池的外負(fù)載電阻 ； SR —串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的值比較小，阻值大約為 1 歐姆 ； LI —輸出電流 ； shR —電池板的旁路電阻，一般比較大，阻值最大可達(dá)兒千歐姆 ； jC —結(jié)電容，其值很小，通常情況下 可 以忽略不計(jì) ； DI —暗 電流 ； phI —光生電流。根據(jù)電路理論的相關(guān)知識(shí)，對(duì) 上面 的等效電路圖進(jìn)行計(jì)算，有如下所示的關(guān)系式 ： 0 (ex p 1)DD qUII AkT?? (21) 0 ()[ e x p ( 1 ) ]O C L S DL p h shq U I R UI I I A k T R?? ? ? ? (22) 0 [e x p 1]OCSC qUII AkT?? (23) 0ln ( 1)SCOC IAkTU qI?? (24) 12 上面的 4 個(gè)式子中， 0I 表示光伏電池等效二極管的 PN 結(jié)的反向飽和電流；SCI 表示電池的短路電流； DU 表示等效二極管兩端的電壓； q 表示電子電荷量，值為 10 C?? ； k 為波爾茲曼常數(shù)，大小為 10 /eV K?? ； T 表示絕對(duì)溫度；A 為 PN 結(jié)的曲線常數(shù)。 在強(qiáng)光條件下， phI 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 0I ，則有： 0ln( )phOC IAkTU qI? (25) 在弱光條件下， phI 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 0I ， 此時(shí) 有： 0()phOC IAkTU qI?? (26) 為了計(jì)算和分析的更加方便，在弱光條件下，我們認(rèn)為光照強(qiáng)度與太陽能光伏電池的開路電壓可近似為線性關(guān)系。因此，此時(shí)我們可以得到在理想狀況下等效電路方程如下所示： L ph DI I I?? (27) .2 太陽能光伏電池的外特性曲線 由上述的 公式 (21)和 (25)可以繪制出光伏電池的電壓 電流曲線 —伏安特性曲線，然后得到光伏電池的功率曲線。其輸出特性如圖 23 所示，當(dāng)負(fù)載電阻較小時(shí)，工作電流較大，工作電壓較大，隨著負(fù)載電阻的逐漸增大，工作電流慢慢減小，而工作電壓則在增大。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖示的 M 點(diǎn)時(shí)輸出的功率最大，我們稱之為最大功率點(diǎn)，設(shè) M 點(diǎn)的電壓和電流分別為 mU 和 mI ，功率為 mP ，根據(jù)電路的知識(shí)可以計(jì) 算得到： m m mP I U? (28) 影響光伏電池的輸出功率還有一個(gè)比較重要的因素 —填充因數(shù) (FF)，填充因數(shù)是指最大功率點(diǎn)功率與 ( OC SCVI? )之比 。 13 圖 23 光伏電池的輸出特性 由式 (27)可知，在外部條件相同的情況下， FF 越大，太陽能光伏電池的輸出功率也越大。因此，從上述可以看出填充因數(shù)也是影響太陽能光伏電池輸出特性的因素之一。 根據(jù)式 (22)和 (24)可知，對(duì)光伏電池的輸出特性影響最 大的還是溫度和光強(qiáng)。圖 24(a)和圖 24(b)為光伏電池的輸出特性與溫度之間的關(guān)系，圖 25(a)和圖 25(b)所示的則是光伏電池的輸出特性與光強(qiáng)之間的關(guān)系。 圖 24(a) 不同溫度下的 IV 曲線 圖 24 (b) 不同溫度下的 PV 曲線 當(dāng)光照強(qiáng)度不變，溫度升高時(shí)，光伏電池的開路電壓下降，短路電流僅僅只有略微的上升，幾乎沒有改變，具體如圖 24(a)所示；光伏電池具有負(fù)的溫度特性，即隨著溫度的升高，陣列的輸出功率會(huì)下降，關(guān)系如圖 24(b)所示。 14 圖 25(a) 不同光強(qiáng)下的 IV 曲線 圖 25(b) 不同光強(qiáng)下的 PV 曲線 光強(qiáng)也是影響光伏電池輸出的決定因素之一，如圖 25 所示，當(dāng)溫度一定，光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏電池的開路電壓變化并不大，但是短路電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池 (組 )構(gòu)成。 太陽能電池板： 太陽能電池板是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電 能，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。 太陽能控制器： 太陽能控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗，盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。如果用戶使用的是直流負(fù)載，通過太陽能控制器可以為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電 (由于天氣的原因，太陽電池方陣發(fā)出的直流電的電壓和電流不是很穩(wěn)定 )。 逆變器： 逆變器的作用就是將太陽能電池陣列和蓄電池提供的低壓直流電逆變成 220 伏交流電，供給交流負(fù)載使用。 蓄電池 (組 )： 蓄電池 (組 )的作 用是將太陽能陣列發(fā)出的直流電直接儲(chǔ)存起來，供負(fù)載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，當(dāng)日照量大時(shí)，除了供給負(fù)裁用電外，還對(duì)蓄電池充電；當(dāng)日照量小時(shí)，這部分儲(chǔ)存的能量將逐步 15 放出。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 根據(jù)不同場(chǎng)合的需要，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種。 (1)獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨(dú)立供電的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖 26 所示。整個(gè)獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、控制器、逆變器組成。太陽能電池板作為系統(tǒng)中 的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，一般只在白天有太陽光照的情況下輸出能量。根據(jù)負(fù)載的需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時(shí)，太陽能電池通過充電器對(duì)蓄電池充電 ； 當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽能電池和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)載供電?？刂破饕话阌沙潆婋娐?、放電電路和最大功率點(diǎn)跟蹤控制組成。逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為 .與交流負(fù)載同相的交流電。 圖 26 獨(dú)立運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (2)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖 27 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 16 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖 27 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接，其中逆變器起很重要的作用，要求具有與電網(wǎng)連接的功能。目前常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負(fù)載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對(duì)于一些重要負(fù)荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意義。此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā) 電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止向電網(wǎng)供電。當(dāng)有日照照射、光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng) ； 夜間當(dāng)負(fù)載所需電能超過光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。 (3)混合光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖 28 為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，它區(qū)別于以上兩個(gè)系統(tǒng)之處是增加了一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，它既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充 電，所以稱為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。 圖 28 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn) 長(zhǎng)期以來，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以其自身具有獨(dú)特的特點(diǎn)備受人們青睞，人類從正從利用 “昨日陽光 ”逐步過渡到利用 “今日陽光 ”。其優(yōu)點(diǎn)如下 ： (1)無枯竭危險(xiǎn) ； (2)絕對(duì)千凈 (無污染，除蓄電池外 )； 17 (3)不受資源分布地域的限制 ； (4)可在用電處就近發(fā)電 ； (5)能源質(zhì)量高 ； (6)獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短 ； (7)供電系統(tǒng)工作可靠 ； 不足 之處是 ： (1)照射的能量分布密度小 ； (2)獲得的能源與四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān) ； 18 第 3 章 太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 太陽能光伏電站是太陽能光電應(yīng)用的主要形式之一。在我國(guó)西部的無電地區(qū)，很大程度依賴光伏電站提供電能。光伏電站的大小一般在幾千瓦到超過一兆瓦，可根據(jù)實(shí)際的用電需求和安裝地點(diǎn)的實(shí)際情況確定。光伏電站安裝靈活、快速、運(yùn)行可靠。雖然光伏發(fā)電站的初期投資相對(duì)較大，但其運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用很低，其價(jià)格和環(huán)保優(yōu)勢(shì)在使用的過程中會(huì)逐漸得以體現(xiàn)。 太陽能光伏系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，且軟件設(shè)計(jì)先于硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括 ： 負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽能電池方陣輻射量的計(jì)算，太陽能電池、蓄電池用量的計(jì)算以及兩者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，太陽能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。硬件設(shè)計(jì)主要包括 ： 負(fù)載的選型及必要的設(shè)計(jì)，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設(shè)計(jì)，逆變器的選型和設(shè)計(jì)，以及控制、測(cè)量系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)。對(duì)于大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，還有光伏