【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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”。2022 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 2022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。10⒉ 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。11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12 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 ： —電池板的開路電壓； —電池的OCULR外負(fù)載電阻； —串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的值比較小，阻值大約為 1 歐姆；SR—輸出電流； —電池板的旁路電阻，一般比較大，阻值最大可達(dá)兒千歐姆；LIsh —結(jié)電容，其值很小，通常情況下可以忽略不計(jì)； —暗電流； —光生jC DIphI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： (21)0(exp1)DDqUIAkT??(22)0()[1]OCLSDLph shIRUI?? (23)0ex1]SCqIkT? (24)0ln()SCOIAU?13上面的 4 個(gè)式子中， 表示光伏電池等效二極管的 PN 結(jié)的反向飽和電流；0I表示電池的短路電流； 表示等效二極管兩端的電壓；q 表示電子電荷量，SCI DU值為 ；k 為波爾茲曼常數(shù)，大小為 ；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， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 ，則有：phI0I(25)0ln()phOCAkTUqI?在弱光條件下， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 ，此時(shí)有：phI0I(26)0()phOCkTqI??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： (27)LphDII?? .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 和 ，功率為 ，根據(jù)電mUImP路的知識(shí)可以計(jì)算得到： (28)mPI?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( )之比 。OCSVI?14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，F(xiàn)F 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。15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16逐步放出。 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。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17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)；18 (2)絕對(duì)千凈 (無污染，除蓄電池外) ； (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?。?2)獲得的能源與四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)；19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)，還有光伏電池方陣場(chǎng)的設(shè)計(jì)、防雷接地的設(shè)計(jì)。由于軟件設(shè)計(jì)牽涉到復(fù)雜的太陽輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般是由計(jì)算機(jī)來完成的；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總原則是，在保證滿足負(fù)載供電需要的前提下，確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初始投資。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)知道，在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中做出的每個(gè)決定都會(huì)影響造價(jià)。由于不適當(dāng)?shù)倪x擇，可輕易地使系統(tǒng)的投資成倍地增加，而且未必就能滿足使用要求。在決定要建立一個(gè)獨(dú)立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之后，可按下述步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：計(jì)算負(fù)載，確定蓄電池容量，確定太陽能電池方陣容量，選擇控制器和逆變器，考慮混合發(fā)電的問題等。在進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，需要了解并獲取一些進(jìn)行計(jì)算和選擇必需的基本數(shù)據(jù)：光伏系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔；該地區(qū)20的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量；年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的主要目的就是要計(jì)算出系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需的太陽電池組件和蓄電池的數(shù)量。同時(shí)要注意協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本兩者之間的關(guān)系，在滿足系統(tǒng)工作的最大可靠性基礎(chǔ)上盡量減少系統(tǒng)成本。 蓄電池設(shè)計(jì)方法蓄電池的設(shè)計(jì)思想是保證在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍能可以正常工作。在進(jìn)行蓄電池設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要引入一個(gè)不可缺少的參數(shù)：自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。這個(gè)參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。一般來講，自給天數(shù)的確定與兩個(gè)因素有關(guān)：負(fù)載對(duì)電源的要求程度；光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣象條件，即最大續(xù)陰雨天數(shù)。通常可以將光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的自給天數(shù)，但還要綜合考慮負(fù)載對(duì)電源的要求。對(duì)于負(fù)載對(duì)電源要求不是很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為 3~5 天。對(duì)于負(fù)載要求很嚴(yán)格的光伏系統(tǒng)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為 7~14 天。所謂負(fù)載要求不嚴(yán)格的系統(tǒng)通常是指用戶可以稍微調(diào)節(jié)一下負(fù)載要求從而適應(yīng)惡劣天氣帶來的不便；而嚴(yán)格系統(tǒng)