【正文】 ：＿＿＿＿＿＿＿＿ 班級：＿＿＿＿＿＿＿＿ 姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿ 學號：＿＿＿＿＿＿＿＿ 中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 摘 要 隨著煤炭、石油和天然氣等化石燃料迅速消耗，以及由此帶來的能源危機與環(huán)染日益加劇，近年來世界各國都在積極尋找和開發(fā)新的、清潔、安全可靠的可再生能源。太陽能具有取之不盡、用之不竭和清潔安全等特點，是理想的可再生能源。太陽能光伏發(fā)電技術作為太陽能利用的一個重要組成部分，并被認為是二十一世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N發(fā)電方式。 太陽能是最普遍的自然資源，也是取之不盡可再生資源。根據(jù)當?shù)氐臍庀?、環(huán)境狀況及具體用電情況，給出了系統(tǒng)的設計方法及施工要求，包括控制器、蓄電池 組組件、逆變器、離網(wǎng)型太陽能系統(tǒng)的設計等。 關鍵字 :太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；離網(wǎng)光伏發(fā)電 。隨著社會的發(fā)展，能源在社會發(fā)展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益呈現(xiàn)出來的能源危機問題，更加明顯地把能源置于社會發(fā)展的首要地位。而我國的能源資源儲量情況更是危機逼人，按 2021 年底的統(tǒng)計，探明可開發(fā)能源總儲量約占世界總量的 %。我國能源可開發(fā)剩余可采儲量的資源保證程度為 年。 隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所造成 的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。研究和實踐表明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國際社會公認的理想替代能源。根據(jù)國際權威機構的預測，到21 世紀 60 年代，全球新能源與可再生能源的比例，將會發(fā)展到世界能源構成的 50%以上，成為人類社會未來能源的基石和化石能源的替代能源。 20 世紀 90 年代以來，以歐盟為代表的地區(qū)集團，大力開發(fā)利用可再生能源，連續(xù) 10 年可再生能源發(fā)電的年增長速度都在15%以上。西班牙 2021 年風力發(fā)電裝機占到全機總量的 24%，德國在過去 11 年間，風力發(fā)電增長 21 倍， 2021 年占全的 %。 我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來的高長使我國迫切需要加大對新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源題，保障能源供應安全。 太陽能與太陽能光伏發(fā)電 太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽能傳送到地球上每 40 秒鐘就有相當于 210 億桶石油的能量傳送到地球，相當于全球一天的能源。 中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 目前太陽能利用的方式有 :太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動力利用，太陽能光化利用，太陽能生物利用和太陽能光 光利用。 太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能轉化為電能的一種發(fā)太陽能電池單元是光電轉化的最小單位，將太陽能電池單元進行串并聯(lián)可以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組件可以單獨作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進行進一步的串并聯(lián)，構成太陽能電池方陣，以滿足負載所需要的功率輸出。 地 球 表 面 所 接 受 的 太 陽 能 約 為1014GWh/ 年，是全球能量年需求的 35000 倍，可以說是一種無限的資源。光伏發(fā)電本身不消耗工質，不向外界排放廢物，無轉動部件，不產生噪聲，是一種理想的清潔能源。不同于水電受水力資源限制，火電受到煤炭資源及運輸成本等影響，光伏發(fā)電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得到太陽能的地方。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照需要將光伏組件靈活地串并聯(lián)，達到所需功率，所以其建設周期中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 短，擴容方便 。太陽能光伏發(fā)電所消耗的太陽能無需付費，一年中往往只需在遇到連續(xù)陰雨天最長的季節(jié)前后去檢查太陽能電池組件表面是否被污染，接線是否可靠以及蓄電池電壓是否正常等，因而太陽能光伏發(fā)電的運行費用很低。光伏產品與建筑材料集成是目前國際上研究及發(fā)展的前沿，這種產品不僅美觀大方，還節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積和費用。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點將提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結構，該系統(tǒng)中的能量能進行雙向傳輸。當無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時，由蓄電池向系統(tǒng)負載提供能量。該系統(tǒng)功能全面，但是系統(tǒng)過于復雜，成本高，僅在大型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 中才使用這種結構，并具有上述全面的功能 。 (一 )離網(wǎng)型（獨立）光伏發(fā)電系統(tǒng) 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指未與公共電網(wǎng)相連接的獨立太陽能光伏發(fā)電 系統(tǒng)，其輸出功率提供給本地負載 (交流負載或直流負載 )的發(fā)電系統(tǒng)。 圖 所示為一種常用的太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結構示 意圖，該系統(tǒng)由太陽能電池陣列、 DC/DC 變換器、蓄電池組、 DC/AC 逆變器和交直流負載構成。蓄電池組的能量直接給直流負載供電或經(jīng)DC/AC 變換器給交流負載供電。 中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 (二 )并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。它是太陽能光伏發(fā)電進入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成為電力工業(yè)組成部分之一重要方向，是當今世界太陽能光伏發(fā)電技術發(fā)展的主流趨勢。 20 世紀 80 年代以來，即使是在世界經(jīng)濟從總體上處于衰退和低谷的時期，太陽能光伏發(fā)電產業(yè)也一直以10%15%的遞增速度在發(fā)展。 國外太陽能光伏發(fā) 電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 到 2021 年，世界太陽能光伏發(fā)電裝機總容量達到 ，到 2021年底，達到 。在國際市場上目前太陽能光伏電池的價格大約為 美元/W，并網(wǎng)系統(tǒng)價格為 6 美元 /w，發(fā)電成本為 美元 /(kw光伏電池的發(fā)電轉化效率也不斷提高，晶體硅光電池轉化率達到 15%，單晶硅光電池轉化率是 %，砷化鎵光電池轉化率是 25%，在實驗室中特制的砷化嫁光電 池轉化率己達 35%36%。目前，太陽能光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 國，其太陽能光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的 80%。專家們預測到 2050 年，太陽能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占 13%15%，到 2100年將約占 64%。 10多年來，我國太陽能光伏產業(yè)長期平均維持了全球市場 1%左右的份額。 h)。 h)。 2． 太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成和特性 太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 一般來說，太陽能離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列、控制器、蓄電池組和逆變器等部分?？刂破魇钦麄€系統(tǒng)的核心部件之一，其運行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 運行 。逆變器是將直流電變換為交流電的設備， 由于太陽能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當系統(tǒng)向交流負載供電時，逆變器是不可缺少的。 太陽能電池 太陽能電池原理及分類 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實現(xiàn)光電轉換的最小單元是太陽能電池單體。當 PN 結處于平衡狀態(tài)時， PN 結處有一個耗盡層，耗盡層中存在著勢壘電場，電場方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。光生電動勢的一部分抵消勢壘電場，另一部分使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負電，從而在 P 區(qū)與 N 區(qū)之間產生光生伏特效應。由上可知，太陽能電池單體將光能轉換成電能的工作原理可概括為以下四個過程 : (l)太陽能電池單體吸收光子，在 PN 結兩側產生稱為“光生載流子”的電子一空穴對，兩者的電性相反，電子帶負 電，空穴帶正電 。 (3)到達空間電荷區(qū)的光生載流子被勢壘電場分離，電子被分離到 N區(qū)，空穴被分離到 P 區(qū) 。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合可以形成太 陽能電池陣列，以滿足負載功率要求。硅太陽能電池特點是由于硅資源豐富，可以大規(guī)模生產，性能穩(wěn)定且光電轉化效率高，是目前應用最多的太陽能電池。目前市場上使用最多的是單晶硅太 陽能電池，轉換率為 17%左右，多晶硅轉換效率為 14%左右，非晶硅電池轉化效率為 6%左右?；衔锇雽w太陽能電池具有轉換效率高，抗輻射性好，可在聚光條件下使用等特點，但碲化鎘太陽能電池帶有毒性，易對環(huán)境造成污染，一般用于特定場合，如空間飛行器和航空系統(tǒng)。該種電池雖然轉換率低，但價格便宜、輕便、易于大規(guī)模制造。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物半導體薄膜太陽能電池、納米薄膜太陽能電池和微晶硅薄膜太陽能電池等。 太陽能電池輸出特 性 (一 )標準測試條件下太陽能電池的輸出特性 ： 太陽能電池的輸出特性是指太陽能電池在一定的溫度和日照強度下所表現(xiàn)出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對應關系，常簡稱為 IF 特性。我國應用的準測試條件定義為日照強度為 1000W/㎡，太陽能電池溫度為 25℃，太陽輻射光譜為 。當太陽能電池輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流 的變化很小，太陽能電池近似為一恒流源，當太陽能電池輸出電壓超過一定的臨界值時，太陽能電池輸出電流急劇下降，太陽能電池可近似為一恒壓源。 (二 )溫度和日照強度對太陽能電池輸出特性的影響 太陽能電池的 IV 特性曲線與日照強度和電池溫度有關，分別為不同日照光強和不同電池溫度時，太陽能電池的輸出特性曲線。 鉛酸蓄電池 儲能是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，尤其對于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，儲能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成部分。所以獲得最佳的儲能系統(tǒng)成為光伏系統(tǒng)設計的重要組成部分。蓄電池在充電時把電能轉化為化學能儲存起來，放電時把儲存的化學能轉化為電能提供給負載使用。 其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)中使用鎳鎘或鎳氫蓄電池比較多。充電控制方法的優(yōu)劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時也關系到鉛酸蓄電池的使用壽命。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓充電、兩階段和三階段充電等方法， (一 )恒流充電 恒流充電就是以一定的電流 進行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進行電流調整使之恒定不變。這種充電方式的不足之處在于 :鉛酸蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，充電電流較大，但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。相對恒流電來說，此法的充電電流自動減少，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低。如果鉛酸蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流 不會太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。它首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，鉛酸蓄電池充電到達一定容量后，然后采用恒壓充電方式充電。 (四 )三階段充電法 三階段充電法是在兩階段充電完畢后，鉛酸蓄電池容量己經(jīng)達到額定容量時，再繼續(xù)以很小的電流向鉛酸蓄電池充電以彌補鉛酸蓄電池由中南大學選修課《新能源概論》期末論文 中南大學文學院穆昱帆 于自放電損失的電 量，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，綜合考慮日照強度以及環(huán)境溫度對光伏系統(tǒng)充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以及系統(tǒng)成本等因素，使用三階段充電法對鉛酸蓄電池充電較為合理。太陽能電池最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking ，簡稱 MPPT)是其中的途徑之一，它能最大程度的利用太陽能電池轉化所得的電能。在一定日照強度和溫度下，太陽能電池有唯一的最大輸出功率點，太陽能電池只有工作在最大功率點才能使其輸出的功率最大。