第3章光伏发电与控制技术.

1第3章太阳能、光伏发电与控制技术233太阳树与喷泉44太阳能海水淡化系统2009年6吨/天太阳能海水淡化系统（西沙中建岛）53.1太阳的辐射及太阳能资源概况3.2太阳能的转换与应用3.3太阳能电池与光伏发电原理3.4MPPT光伏变换与控制技术3.5光伏发电的制约因素与经济技术评价本章主要内容63.1太阳的辐射及太阳能简介•太阳简介图4-1太阳的结构7788图4-2地球绕太阳运行示意图太阳活动99太阳能资源概况光伏发电(PV)太阳热利用直接能源太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。1010太阳能资源概况太阳是太阳系中唯一能发出光和热的星体历史：直径：体积：质量：主要构成：中心部温度：中心部压力：释放能量：50亿年1.39109m(109倍)1.421027m3(130万倍)1.981027t(33万倍)氢80%，氦19%1.5~2107K31016Pa3.741023kW1111到达地球的总太阳能：到达地面的总太阳能：地面太阳能密度：全世界平均电力消费：到达地球的太阳能1.731014kW(100%)8.11013kW(47%)1kW/m22.17109kW(约8万分之一)☼在全球10%的沙漠面积上设置太阳能电池，就能满足用电需求1.5108km121240年60年200年60年石油天然气煤炭铀能源可开采量石油煤炭天然气水电核电世界36.8%27.2%23.7%6.2%6.1%中国22.7%67.7%2.6%6.0%1.0%1313能源结构发展趋势14地面辐射的时空变化特点是：①全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；②太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。3.1.2太阳辐射地区太阳平均辐射强度kWh/(m2·d)W/m2热带、沙漠5－6210－250温带3－5130－210阳光较少地区（北欧）2－380－130不同地区太阳平均辐射强度1515我国太阳能资源理论储量达每年17000亿吨标准煤。全国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，西部太阳能资源尤为丰富。我国太阳能资源状况1616我国太阳能资源分布图1717地球上的能流图4-4地球上的能流183.2太阳能的转换与应用太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种：（1）太阳能――热能转换，并以热能形式贮存（2）太阳能――电能转换，并以电能形式贮存（3）太阳能――氢能转换，并以氢能形式贮存（4）太阳能――生物质能转换，并贮存于生物质（5）太阳能――机械能转换，并以机械能形式贮存19193.2.1太阳能应用的发展史第一阶段（1900～1920年）第二阶段（1920～1945年）第三阶段（1945～1965年）第四阶段（1965～1973年）第五阶段（1973～1980年）第六阶段（1980～1992年）第七阶段（1992～至今）20203.2.2太阳能的技术应用太阳能采集※（1）平板集热器※（2）真空管集热器※（3）聚光集热器平板集热器真空管集热器聚光集热器2121所谓平板集热，就是集热装置的采光面积等于集热面积；若采光面积大于集热面积，称为聚光集热。平板集热具有以下特点：采光面等于集热面；集热面可以采集太阳直射辐射能、散射辐射能和反射辐射能；集热面固定安装，不跟踪太阳视位置；热损失系数较大，工作温度通常均在80℃以下；结构简单，生产成本低廉。平板集热器2222按集热工质分类①水集热普通家用太阳能平板热水器、公用热水系统，几乎都采用水作为集热工质。空气集热太阳能干燥和太阳房采暖的集热装置，通常均以空气作为集热工质。防冻液集热高寒地区经常采用防冻液和水作为集热工质的双循环太阳能集热。平板集热器的分类2323典型结构如图所示，由集热体、透明盖板、隔热层和壳体四部分组成。1—集热体；2—透明盖板；3—隔热层；4—壳体集热体也称为吸热体或吸收体，结构上为集热板和集热工质通流管道的结合体。它吸收太阳辐射能、转换为热能并传向集热工质的部件。一般集热体多采用金属制作，如铜、铝、不锈钢等，或铜铝复合结构，个别也用特种塑料制作。集热体表面喷涂黑色涂料或制作光谱选择性吸收涂层。典型平板集热器的基本组成24阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用，即为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的各种热损失。平板集热器的基本工作原理25由旋转抛物面聚光器或平面镜场与高温接收器构成的聚光集热装置，均为点聚焦集热。这里的高温接收器，在热动力发电中为太阳辐射直流锅炉。典型太阳辐射锅炉塔式太阳能热动力发电站用的太阳辐射直流锅炉，从接收原理有空腔型和外部受光型两种，结构上都是由多层排管束组成，直接接受太阳辐射，管表面涂覆选择性吸收涂层。线聚焦集热由槽型抛物面聚光器和真空集热管构成的聚光集热装。低倍率聚光集热目前，太阳能工程中常用于低倍率聚光集热的聚光方式有两种，即复合抛物面（CPC）聚光槽和V型聚光槽。点、线、低倍率聚焦集热26太阳能聚光集热器太阳能槽式聚光集热器采用槽式抛物面聚焦太阳光，太阳光聚焦到集热管上后转化为热量加热传热介质，传热介质在换热器中和工质换热产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮机运转发电。太阳能塔式聚光集热器通过反射装置将阳光反射到塔顶太阳能接收器转换为热量加热工质后，通过换热产生蒸汽，由蒸汽带动汽轮机发电。27平板集热温度一般在100℃以下，为了提升天阳能集热器的有用能量收益的能量品质，扩展更高温度的太阳能利用领域，必须提高太阳能集热装置的高温运行特性，唯一的途径是发展聚光集热，其本质是提高集热温度。工程中实现聚光集热主要包含三个主要环节，即聚光、集热、跟踪。聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。自然光经过聚光器将光能汇聚到置于其焦点处的高温接收器上，加热工质变为高温有用能量收益。跟踪装置则驱动聚光器随时跟踪太阳视位置，从而实现聚光集热的目的。聚光集热28太阳能的利用※（1）太阳辐射的热能利用※（2）太阳能光热利用※（3）太阳能热发电※（4）太阳能综合利用※（5）太阳能光伏发电技术2929太阳能光热发电技术太阳能热发电是利用太阳能收集器先将太阳辐射转化为热能，然后经过各种途径转换为电能。太阳能蒸汽发电太阳能气体热动力发电太阳能半导体温差发电太阳能烟囱发电太阳能热声发电太阳池发电3030太阳能蒸汽发电太阳能槽式发电采用槽式抛物面聚焦太阳光，太阳光聚焦到集热管上后转化为热量加热传热介质，传热介质在换热器中和工质换热产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮机运转发电。太阳能塔式发电通过反射装置将阳光反射到塔顶太阳能接收器转换为热量加热工质后，通过换热产生蒸汽，由蒸汽带动汽轮机发电。请将你的联系电话发给我。3131太阳能蒸汽发电系统图传热介质：熔融盐、导热油等水蒸气汽轮发电机、低沸点工质气轮发电机、燃气轮发电机蓄热工质：水、低沸点工质、导热油、二苯基族流体等390℃290℃370℃17×105Pa370℃100×105Pa370℃17×105Pa3232太阳能空气热动力发电太阳能碟式发电通过碟式反射面将阳光反射聚焦到斯特林发动机上带动发电机发电斯特林发动机空气受热膨胀带动活塞移动做功，将热能转化为机械能氦工质热冷发电机3kWP850W/m2h=24%闭环跟踪无人操作d=15呎h=21呎价格1600英镑循环过程等温压缩等容吸热等温膨胀等容放热3333温差发电利用塞贝克效应将热能直接转换为电能，是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，于是在半导体上就产生了直流电压。如果热端和冷端的温差大于800K，N-P型半导体（碲化物）温差电池的发电效率可达15%-20%。太阳能半导体温差发电塞贝克效应在两种不同的导体或导电类型不同的半导体联成的回路中，若两导体的两个接点处温度不同，则在这两个接点之间有电动势产生，且电动势的大小与两接点的温差成正比。3434太阳能烟囱发电空气涡轮玻璃顶棚烟囱冷空气冷空气热空气发电机组优点：结构简单，不需要太阳跟踪和聚焦系统，运行和维护成本很低缺点：占地面积巨大，温升低（35K），发电热效率很低（1.5%）世界上第一座系统：西班牙，1981年顶棚直径240m，高度2m；烟囱高度195m，直径10m；发电机功率50kW；烟囱内空气流速10m/s，总热效率0.33%3535太阳能热声发电加热器热声板叠冷却器谐振管线性驱动结构发电机热声效应管内气体（氦气）在温度梯度作用下发生振动而获得声能输出原理：将热能转换成声能，再由声能驱动一个线性交流发电机现状：行波-驻波混合型热声热机实验样机的热效率已达到33%，与内燃机的热效率相当3636太阳池发电清水层30℃浓盐水层90℃泵凝汽器蒸发器气轮机发电机热水冷水原理：太阳池中的盐水沿池深具有一定的浓度梯度，形成表面清水绝热层和底部浓盐热水层，将池底热水通过泵送到蒸发器，加热低沸点工质产生蒸气，推动气轮机做功发电现状：以色列，1970年，150kW系统，池深2.7m，面积7000m2在死海又建成50MW系统373.3太阳能电池与光伏发电原理3.3.1太阳能电池太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。38按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。光伏组件，采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、Tedlar、抗腐蚀铝合多边框等材料，使用先进的真空层压工艺及脉冲焊接工艺制造。即使在最严酷的环境中也能保证长的使用寿命。39391839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1883年第一块太阳电池由CharlesFritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。1921年爱因斯坦因解释关于光电效应理论活诺贝尔物理奖。1946年RussellOhl申请了现代太阳电池的制造专利。到了1950年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个有实际应用价值的太阳能电池于1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。太阳电池的发展历史40401981年名为SolarChallenger的光伏动力飞机飞行成功。1986年6月，ARCOSolar发布G-4000—世界首例商用薄膜电池“动力组件”1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW；多晶硅太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW；德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3。2010年通过技术突破，太阳能电池成本进一步降低，在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到12.5%。2020年太阳能发电成本与化石能源成