【正文】 。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)過程中做出的每個決定都會影響造價。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。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、測量系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)。 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)。光伏電站安裝靈活、快速、運(yùn)行可靠。在我國西部的無電地區(qū)，很大程度依賴光伏電站提供電能。 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 ”。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，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，電網(wǎng)自動向負(fù)載補(bǔ)充電能。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。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能環(huán)節(jié)。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。根據(jù)負(fù)載的需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時，太陽能電池通過充電器對蓄電池充電 ； 當(dāng)發(fā)電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負(fù)載供電。整個獨(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。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 根據(jù)不同場合的需要，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。 蓄電池 (組 )： 蓄電池 (組 )的作 用是將太陽能陣列發(fā)出的直流電直接儲存起來，供負(fù)載使用。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 )。 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)。 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，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，陣列的輸出功率會下降，關(guān)系如圖 24(b)所示。 根據(jù)式 (22)和 (24)可知，對光伏電池的輸出特性影響最 大的還是溫度和光強(qiáng)。 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。其輸出特性如圖 23 所示，當(dāng)負(fù)載電阻較小時，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。 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 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。 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。而光伏電池表現(xiàn)導(dǎo)電能力的是光生電場，光生電場只有運(yùn)動到 PN結(jié)區(qū)域的少數(shù)載流子才能產(chǎn)生。這些新形成的電子 空穴對處于不平衡狀態(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。當(dāng)太陽光照射到光伏電池板上時產(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。 ⒋ 設(shè)計(jì)一簡易電路來完成太陽能發(fā)電功能。 ⒉ 了解太陽能發(fā)電系統(tǒng)的幾個組成部分，以及各部分的特點(diǎn)和工作原理。 我國《可再生能源法》的頌布，將有力促進(jìn)我國太陽能工業(yè)發(fā)展，特別是光伏行業(yè)，可以預(yù)見，從現(xiàn)在起，我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將進(jìn)入一個新的高潮，在 3～5 年內(nèi)我國在太陽電池研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)將在東部沿海地區(qū)形成一個世界級的產(chǎn)業(yè)基地，將在國際光伏產(chǎn)業(yè)中 占有重要的地位。前者為將發(fā)展新能源和可再生能源列入國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略立了 “戶口 ”，后者通過立法對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。 2020 年 6 月 30 日，溫家寶總理主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議，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 ”。發(fā)展太陽能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了國家的發(fā)展戰(zhàn)略，涉及到國家的能源政策、環(huán)保政策和氣候變化政策。 目前，國內(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 年國慶前夕正式并網(wǎng)投產(chǎn)，是國內(nèi)第一個 10 兆瓦級太陽能光伏發(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 (100 萬千瓦 )太陽能電站。但是，有資料顯示，我國生產(chǎn)的太陽能電池板 95%以上都用于出口，也就是說，在環(huán)保經(jīng)濟(jì)的世界 競爭中，中國光伏產(chǎn)業(yè)己經(jīng)再一次淪為代加工大國。 近年來，已經(jīng)籌建的太陽能光伏公司有寧波 2MW/年太陽能電池用多晶硅片、河北保定 3MW/年多晶硅太陽能電池、無錫 10MW/年多晶硅太陽能電池和天津 5MW/年非晶硅太陽能電池?zé)?。中?2020 年的清潔能源投資 達(dá)到 544 億美元，比上一年增長 39%。它在 1 年前超過美國，成為綠色能源領(lǐng)域的領(lǐng)先者。以深圳為中心的周邊地區(qū)已經(jīng)形成中國最大的光伏器件及系統(tǒng)來料加工區(qū)， 2020 年用進(jìn)口光伏電池封裝組成的太陽能草坪燈，太陽能庭院燈和各種光伏系統(tǒng)出口總量達(dá) 2MW 以上。價格從 1997年的 42～ 47 元 /W 降為 2020 年的 35～ 40 元 /W。 至 2020 年底，中國己形成 ，其中，單晶硅太陽能電池產(chǎn)量為 ，非晶硅太陽能電池產(chǎn)量為 。 20 世紀(jì) 80 年代開始，中國先后引進(jìn)了一批美國的單晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備，使得中國的光伏產(chǎn)業(yè)開始起步。中國研制的航標(biāo)燈光伏電源、太陽能燈塔和氣象用光伏電源、通信用光伏電源在 20 世紀(jì) 70 年代己 開始應(yīng)用，但規(guī)模很小。 從世界范圍來講，光伏發(fā)電已經(jīng)完成了初期開發(fā)和示范階段，現(xiàn)在正在向大批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，從最早作為小功率電源發(fā)展到現(xiàn)在作為公共電力的并 8 網(wǎng)發(fā)電，其應(yīng)用范圍也己遍及幾乎所有的用電領(lǐng)域。 在太陽能電池領(lǐng)域，出現(xiàn)了非晶硅 +微晶硅雙結(jié) 膜太陽能電池，硅料用量大大減少，電池總體效率較晶硅電池有所提高。 目前，一些領(lǐng)先的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展并運(yùn)行了一些先進(jìn)的太陽能技術(shù)，如系統(tǒng)能效技術(shù) (一種全新的智能能源技術(shù) )、太陽能源全息集成技術(shù)等。目前，多晶硅光電池的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá) 15%，單晶硅的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá) %，砷化嫁光電池的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá) 25%，并且已經(jīng)研制出了轉(zhuǎn)化率高達(dá) 35%的高效 聚光光伏電池，各國政府正在投入巨資研究進(jìn)一步提高效率，擴(kuò)大生產(chǎn)，降低成本。澳大利亞政府表示，將在太陽能領(lǐng)域要成為全球清潔能源的領(lǐng)導(dǎo)者。澳大利亞的上述計(jì)劃，意味著它將投身于建造全球最大太陽能電廠的國際競爭。 澳大利亞將建全球最大太陽能電網(wǎng)。 99 年的光伏電網(wǎng)電價為每度電 馬克。 德國于 1990年提出 1000屋頂發(fā)電計(jì)劃，所發(fā)出的電力全部由電力部門收購。 7 20 世紀(jì) 80 年代末至今，西方的發(fā)達(dá)國家從環(huán)境和能源的可 持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，紛紛制定政策，鼓勵和支持光伏并網(wǎng)發(fā)電。美國于 1973 年首先制定了政府光伏發(fā)電發(fā)展計(jì)劃，明確了近、中、遠(yuǎn)期的發(fā)展戰(zhàn)略標(biāo)。為了推動太陽電池在地面的應(yīng)用，單靠市場需求是不行的。因此目前世界上許多國家將光伏發(fā)電技術(shù)放在了可再生能源技術(shù)開發(fā)的首位，紛紛制定計(jì)劃，采取措施，增加投入以推動其發(fā)展。光伏利用近期在世界范圍內(nèi)高速發(fā)展， 我國光伏研究及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展也令人鼓舞，特別是 2020 年在 “西部大開發(fā) ”戰(zhàn)略的推動下，呈現(xiàn)出了一片繁榮景象。其中光發(fā)電 (即光伏 )的發(fā)展十分迅速，在能源結(jié)構(gòu)中所占的比重越來越大。 表 12我國太陽能分布情況 類別 包含地區(qū) 年累計(jì)日射量（ MJ/㎡） Ⅰ 寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海及西藏西部地區(qū) 6600～ 8400 Ⅱ 河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅 中部、青海東部、西藏東南部、新疆南部等地 區(qū) 5850～ 6600 Ⅲ 山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、 遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部等地 5000～ 5850 Ⅳ 湖南、湖北、陜西南部、江西、浙江、福建北部、廣 西、廣東北部、安徽南部、黑龍江等地 4200～ 5000 Ⅴ 四川大部分、貴州、重慶等地 3350～ 4200 6 光伏發(fā)電的研究應(yīng)用現(xiàn)狀和前景 太陽能的利用形式多種多樣，如熱利用、發(fā)電、光利用以及其他利用等。但各地分布不均，這與各地的緯度、海拔高度、氣候條件和大氣狀況有關(guān)，根據(jù)日射強(qiáng)度可分為 5 類，見表 12。但是，光伏發(fā)電只靠光伏生產(chǎn)企業(yè) “一頭熱 ”顯然不夠，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個系統(tǒng)工程，必須與配套系統(tǒng)步調(diào)一致才能健康發(fā)展，要統(tǒng)籌解決規(guī)劃問題、電網(wǎng)通道問題、接入標(biāo)準(zhǔn)問題、調(diào)峰配套問題，需要通 過技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究來實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的合理應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電，這個對很多人來講，還是所謂 “陌生 ”的新生事物，尚未走進(jìn)普通百姓的生活。 3) 2020 年 1 月 27 日，中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會公布的《 2020 年中國節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》顯示， 2020 年，中國風(fēng)力發(fā)電新開工重大施工項(xiàng)目 378個，項(xiàng)目總投資額高達(dá)近 3000 億元。根據(jù)新能源振興規(guī)劃草案， 2020 年我國風(fēng)電、太陽能光伏及核電運(yùn)行的總裝機(jī)容量將分別達(dá)到 億千瓦、 2020 萬千瓦 (20GWp)和 8000萬千瓦。表 11 為我國與一些國家當(dāng)前和未來太陽電池的累計(jì)安裝容量。國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，在 2020 年中國一次能源消費(fèi)量構(gòu)成中，煤炭依然占了 69%的比重，煤炭、石油、天然氣等化石能源共占 91%的比重 ； 除水電所占 %外，風(fēng)電、 太陽能、核能等所占份額不足 2%。中國的光伏發(fā)電產(chǎn)能量居世界先進(jìn)行列。 2)在節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的主題下，中國的火電、水電、核電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等在過去的兩年里都有不同尋常的表現(xiàn)。我國應(yīng)該以發(fā)展太陽能發(fā)電為重點(diǎn)方向，加大對其的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究。 海洋能、地?zé)崮馨l(fā)電產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，城市垃圾發(fā)電技術(shù)將得到高度重視，并在世界范圍內(nèi)快速、普遍推廣。 燃料電池技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展 ，容量增大、性能提高、壽命延長、價格下降是其發(fā)展趨勢。據(jù)世界能源組織((IEA)、歐洲聯(lián)合研究中心、歐洲光伏工業(yè)協(xié)會預(yù)測， 2020 年世界光伏發(fā)電將占總電力的 1%，到 2040 年光伏發(fā)電將占全球發(fā)電量的 20%，按此推算未來數(shù)十年，全球光伏產(chǎn)業(yè)的增長率將高達(dá) 25%30%。位于美國波特蘭的 CleanEdge公 司于 2020 年 3 月巧日發(fā)布的報告顯示，自 2020 年以來，太陽能光伏市場增長了 20 倍，安裝的太陽能電池板價格下降了近一半。 2020 年歐洲風(fēng)能協(xié)會 (EWEA)與綠色和平組織發(fā)表了一份標(biāo)題為 “風(fēng)力 ”的報告，勾畫了風(fēng)電在 2020 年達(dá)到世界電量 12%的藍(lán)圖。據(jù)世界氣象組織 (WMO)和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)能資源為 200億千瓦，是地球上可利用水能的 20 倍。目前，在清潔能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究中，風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界清潔能源開發(fā)利用中技術(shù)成熟、最具備開發(fā)條件、發(fā)展前景良好的項(xiàng)目，自 90 年代以來，風(fēng)電的年增長率一直保持了