【正文】 圖 1 光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖 光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理 ,利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能 。 它們主 要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件。目前，單晶 硅 和多晶 硅電池用量最大， 非晶 硅 電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。 光伏發(fā)電系統(tǒng) 是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜， 太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 2， 圖 2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1)太陽能電池是光伏發(fā)電的核心部件 ,能夠?qū)⒐饽苤苯愚D(zhuǎn)化為電能 ,發(fā)電時常將太陽能電池組件按一定方式排列成方陣 ,提高太陽能利用效率。 太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。 它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。當(dāng)光線照射太 陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷， 成為自由電子在 PN 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差， 當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下 ，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率 。 目前應(yīng)用較廣的太陽能電池有單晶硅、多晶硅和非晶硅 薄膜 3 種 ,轉(zhuǎn)換效率最高達到 20%左右 , 具體數(shù)據(jù)見表 1， 太陽能電池作為將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的主要轉(zhuǎn)換器件，它的轉(zhuǎn)換效率取決于諸多因素，如溫度、光照情況、負載參數(shù)等．在一定條件下，根據(jù)負載匹配原理適當(dāng)調(diào)整匹配參數(shù)，使太陽能電池出力達到最大是太陽能電池的最大功率點問題（ Maximum Power Point，簡稱 MPP）。 在中等規(guī)模太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，還應(yīng)考慮太陽跟蹤技術(shù)所產(chǎn)生的發(fā)電效益。 而負載很難為了迎合最大功率點的要求去調(diào)整它的阻抗，所以目前普遍的做法是在太陽能電池板和負載之間加入 DCDC 轉(zhuǎn)換電路，使輸入和輸出阻抗實現(xiàn)匹配 。 a. Buck 電路分析 典型的 Buck 電路如圖 3 所示，它 是一種降壓電路，輸出電壓 Vo 低于或等于輸入電壓 Vi。由于 Buck電路的輸出電壓 Vo不可能高于輸入電壓 Vi，根據(jù)（ 2）式得 Dc1。 根據(jù)以上分析得出如下結(jié)論：假設(shè)太陽能電池板在一定條件下的最大功率點為 Pm （ Vm， Im） ， 其等值阻抗 Rm=Vm/Im, 只有在負載阻抗?jié)M足 RoRm的條件下才能實現(xiàn) MPP跟蹤。 OB代表一種負載特性，其等值電阻Ro1Rm； OA代表另一種負載特性，其等值電阻 Ro2Rm．顯然根據(jù)前面的結(jié)論，只有在后一種情況下才可能通過調(diào)整 S開關(guān)的占空比實現(xiàn) MPP跟蹤．因為在太陽能電池板輸出特性的 DP段滿足 VoVi，而此段有 RoRm。類似于 Buck電路的分析方法，對 Boost電路，前面的（ 1） ~（ 5）式完全相同，只是對 Boost電路而言 Dc1，因此其結(jié)論為：假定太陽能電池板在一定條件下的最大功率點為 Pm（ Vm,Im） ，其等值阻抗 Rm=Vm/Im，只有在負載阻抗RoRM的條件下才能實現(xiàn) MPP跟蹤。 Boost電路如圖 4所示， 8 圖 5 Boost電路 c. SEPIC電路分析 典型的 SEPIC電路如圖 6所示，它的輸入電壓和輸出電壓可以為任意比例，其計算式為 Vo/Vi=а/1а，（ 6） 其中表示 S開關(guān)的占空比， 即 ton=T， T為 S開關(guān)的周期．由（ 6）式可知，改變既可以使 VoVi，也可以使 VoVi． SEPIC電路的這一特性顯然更具靈活性，目前SEPIC電路在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中被廣泛采用 . SEPIC電路如圖 6所示， 圖 6 SEPIC電路 2)充 放 電控制器主要對蓄電池組實施監(jiān)控 ,是能自動防止蓄電池過充電和過放電的 設(shè)備 。 R RP C A Q Q2 和 J1 組成過充電壓檢測比較控制電路； RRP C A Q Q4 和 J2 組成過放電壓檢測比較控制電路。可調(diào)三端穩(wěn)壓器 LM371 提供給 LM393穩(wěn)定的８Ｖ工作電壓。 當(dāng)太陽光照射的時候，硅 太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流經(jīng)過 J11 常閉觸點和 R1，使 LED1 發(fā)光，等待對蓄電池進行充電；Ｋ閉合，三端穩(wěn)壓器輸出８Ｖ電壓，電路開始工作，過充電壓 （ ＞ ） 檢測比較控制電路和過放電壓 （ ＜ ）檢測比較控制電路同時對蓄電池端電壓進行檢測比較。蓄電池逐漸被充滿，當(dāng)其端電壓大于預(yù)先設(shè)定的過充電壓值時， A1 的 ⑥ 腳電位低于 ⑤ 腳電位， ⑦ 腳輸出高電位使Ｑ 1 導(dǎo)通， Q2 截止，LED２熄滅， J1 釋放， JI1 斷開充電回路，發(fā)光，指示停止充電。其常閉觸點 J21 閉合， LED4 發(fā)光，指示負載工作正常；蓄電池對負載放電時端電壓會逐漸降低，當(dāng)端電壓降低到小于預(yù)先設(shè)定的過放電壓值時， A2 的 ③ 腳電位低于 ② 腳電位， ① 腳輸出低電 9 位使 Q3 截止， Q4 導(dǎo)通， LED3 發(fā)光指示過放電， J2 動作，其接點 J21 斷開，正常指示燈 LED4 熄滅。閉合Ｋ，蓄電池又充電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求是： 低； ； ； ； ； f.工作溫度范圍寬； 。 4)逆變器 是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。 回路 , 以使達到穩(wěn)壓和過流保護的目的。 5)太陽跟蹤控制系統(tǒng) 由于相對于某一個固定地點的 太陽能光伏 發(fā)電系統(tǒng) ，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發(fā)電效率才會達到最佳狀態(tài)。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個參數(shù)；原理、電路、技術(shù)、設(shè)備復(fù)雜，非專業(yè)人士不能夠隨便操作 。檢測部件產(chǎn)生反饋信號到計算機?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 11 所示， 圖 10 太陽跟蹤控制系統(tǒng)圖 本系統(tǒng)是同時采用視日運動軌跡跟蹤方法和光電跟蹤方法來完成一次跟蹤。調(diào)整后的預(yù)修正量作為第三步跟蹤動作的預(yù)修正量，每步跟蹤的預(yù)修正量 Δаs、 Δ?s與上一步的預(yù)修正量 Δаso、Δ?so和調(diào)整量 Δа、 Δ?的關(guān)系如下式所示 : Δаs =Δаso+Δа， Δ?s=Δ?so+Δ?。 Δаso、 Δ?so—上一步高度角、方位角的預(yù)修正量 。 當(dāng)調(diào)整電機正轉(zhuǎn)時調(diào)整量為正，反之為負。當(dāng)視日理論軌跡 аs、 ?s和預(yù)修正 Δаs、 Δ?s，確定的跟蹤誤差足夠小時，調(diào)整量為零 Δа、 Δ?，不再對預(yù)修正量進行調(diào)整。 然后采用光電跟蹤的方法，傳感器光敏二極管感應(yīng)太陽光強度，然后由光電檢測電路產(chǎn)生反饋信號到計算機，控制程序運行相應(yīng)處理反饋信號的代碼輸出脈沖信號，調(diào)整電機的角度，使太陽能采光板的平面再次與入射光線垂直，此次調(diào)整電機再次轉(zhuǎn)動的角度作為預(yù)修正量的調(diào)整量。至此，系統(tǒng)完成一步跟蹤動作。 Δаs、 Δ?s—高度角方位角 的預(yù)修正量； Δа、 Δ?—高度角、方位角的調(diào)整量 。 當(dāng)光線強度不夠時，或者視日運動軌跡理論計算值和預(yù)修正量確定的跟蹤 誤差足夠小時，由于光電檢測電路不產(chǎn)生信號，光電跟蹤方法的產(chǎn)生調(diào)整量為零，系統(tǒng)以視日運動軌跡理論計算值和既定的預(yù)修正量進行跟蹤，此時的跟蹤角度可以認為是最佳角度。 系統(tǒng)的基準位置即采光板正面正對當(dāng)?shù)卣戏剑宜降奈恢?。隨著政府的政策扶植和投資者增加 ,目前光伏發(fā)電進入了一個快速發(fā)展期 ,但總體來看 , 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段 ,主要是由于太陽能發(fā)電初期投資大 ,控制成本高 ,而太陽能轉(zhuǎn)化效率比較低 ,且容易受天氣等多種因素影響。 二是提高系統(tǒng)控制技術(shù) , 如達到光伏電池陣列的最優(yōu)化排列組合、實現(xiàn)太陽 光最大功率跟蹤等 。 四是研究光伏發(fā)電與其他可再生能源發(fā)電技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用 , 保證供電持續(xù)性。采用太陽能熱發(fā)電技術(shù)，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。 通過集熱裝置將太陽輻射的熱能集中 , 驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。集熱系統(tǒng)聚集太陽能后 , 經(jīng)過熱傳輸系統(tǒng)將熱能傳給熱機 , 并由熱機產(chǎn)生動力 ,帶動發(fā)電機發(fā)電 。 (2) 太陽能熱電裝置工作原理 熱傳輸 系統(tǒng) 蓄熱儲能系統(tǒng) 集熱系統(tǒng) 熱機 發(fā)電機 13 a. 太陽輻射能量 q=∫E(λ)dλ (W/㎡ ) 式中， E(λ)經(jīng)過大氣層吸收后的太陽光譜的輻照度。在太陽輻射通過大氣層后，由于空氣以及塵埃的吸收，會有一定的損失，當(dāng)其到達地面時，強度大小為 835W/㎡ 。它主要由聚光鏡和熱電裝置組成。 A2—裝置接收面積 。 若定義 A1/A2的比值為聚光比 Cg，則聚光后的熱流密度可表示為 q0=. Cg。 另一種方法是直接利用太陽熱能 , 稱為聚熱 式。 采用后種方式的有太陽煙囪和太陽池等發(fā)電技術(shù) 。 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高 溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。進入 21 世紀，聯(lián)合攻關(guān)隊伍，在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的太陽光方位傳感器、自動跟蹤系統(tǒng)、槽式拋物面反射鏡、槽 式太陽能接收器方面取得了突破性進展。更為重要的是，該設(shè)備技術(shù)突破了以往一套控制裝置只能控制一面反射鏡的限制。同時對集熱核心部件鏡面反射材料，以及太陽能中 高溫直通管采取國產(chǎn)化市場化生產(chǎn)，降低了成本，并且在運輸安裝費用上降低大量費用。 太陽能塔式發(fā)電是應(yīng)用的塔式系統(tǒng)。它是在很大面積的場地上裝有許多臺大型太陽能反射鏡，通常稱為定日鏡，每臺都各自配有跟蹤機構(gòu)準確的將太陽光反射集中到一個高塔頂部的接受器上。在這里把吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)， 再輸入熱動力機，膨脹做工，帶動發(fā)電機，最后以電能的形式輸出。 太陽能碟式發(fā)電也稱盤式系統(tǒng)。由于盤狀拋物面鏡是一種點聚焦集熱器，其聚光比可以高達數(shù)百到數(shù)千倍，因而可產(chǎn)生非常高的溫度。三種系統(tǒng)均可單獨使用太陽能運行， 15 安裝成燃料混合（如與天然氣、生物質(zhì)氣等）互補系統(tǒng)是其突出的優(yōu)點，其性能比較如表 2 所示， 表 2 三種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能比較 (3)太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的問題及對策 太陽熱發(fā)電系統(tǒng)一般都屬于大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng) ,只有做成幾十到幾百兆瓦級的發(fā)電站 , 成本才可能降下來。 同時發(fā)電產(chǎn)業(yè)要努力實現(xiàn)規(guī)?；?,建立大規(guī)模的并網(wǎng)系統(tǒng) , 既節(jié)約成本 ,又保證系統(tǒng)平 穩(wěn)安全運行 。而在實際應(yīng)用中 , 太陽能電池轉(zhuǎn)換效率比較低 , 大約 20% , 80% 照射到電池表面上的太陽能未能轉(zhuǎn)換為有用能量 , 相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化成為熱能 , 使電池溫度升高 , 導(dǎo)致電池效率下降。由此可以大膽構(gòu)造出一個太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電相結(jié)合的聯(lián)合系統(tǒng)。依據(jù)上述構(gòu)想 , 可以設(shè)計這樣一種聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng) , 其原理結(jié)構(gòu)圖如圖 15所示 ， 圖 15 光伏與光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng) 光伏發(fā)電和太陽熱發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)由太陽能電池板和集熱器組合陣列、蓄能裝置、低溫渦輪發(fā)電機、蓄電池、控制 器、逆變器以及負載組成。低溫渦輪發(fā)電機是一種特殊的渦輪電機 , 它在低溫 15 ℃ 左右時仍能夠發(fā)電。同時吸熱管將吸收太陽熱能 ,將產(chǎn)生的水蒸汽經(jīng)傳輸設(shè)備送到蓄能裝置儲存起來。 在理想的條件下 ,若系統(tǒng)的配置足夠合理 ， 可以保證向負載 24h供電 ,解決太陽能發(fā)電不連續(xù)的弱點。閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式 (垂直埋管或水平埋管 )，地表水安置換熱器方式。 此外，還有一種 “直接膨脹式 ”，它不 像 上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的一個換熱器（蒸發(fā)器）埋入地下進行換熱。 地源熱泵通常是指能轉(zhuǎn)移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方 。 地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力 ,冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi) ,夏季再把地下 的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi) ,一個年度形成一個冷熱循環(huán) 。在制冷劑的循環(huán)回路中，壓縮機吸入溫度較高的低壓制冷劑蒸汽，將其壓縮成為高溫高壓的氣體，再將這些高溫高壓氣體送入冷凝器中去進行熱量交換。同時，冷凝器中的高溫高壓氣體變成了低溫低壓的氣體或液體，送入儲液罐。然后，制冷劑 蒸汽再次被壓縮機吸入，開始下一個循環(huán)。 其工作原理如圖17 所示， 圖 17 熱泵 工作 流程 圖 制冷模式 在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽 液轉(zhuǎn)化的循環(huán) 。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過冷媒 —空氣熱交換器，以 137℃的冷風(fēng)的形 式為房間供冷。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤的熱量，通過冷媒 /水熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同