太阳能光伏发电技术应用分析

1/16前言：太阳能概述太阳能是“取之不竭，用之不尽”的清洁、可再生能源，在很长一段时间内，太阳能由于受到科学技术的发展限制，没有得到很好的利用。光伏技术最先应用于太空，为卫星提供电力。目前，随着能源危机和矿物质燃料对环境的污染日益严重，太阳能已经逐渐被世界各国所重视，并采取各种科技手段加以利用，主要的利用方式有两种：通过太阳能电池将太阳能转化为电能用于发电，即光伏发电，如太阳能照明、太阳能电站等；通过集热器把太阳能转换为热能，如太阳能热水器、太阳灶等；其中，太阳能光伏是利用太阳能最重要的途径之一，也是本文主要关注和研究的对象。第一章太阳能光伏发电概述1、太阳能光伏发电的原理太阳能照明是通过太阳能电池板把太阳能转化为电能，通过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电，充电到一定程度时，控制器内的自保系统动作，切断充电电源。晚间，太阳能电池板充当了光电控制器，启动控制器，蓄电池给灯具供电，点燃照明灯；凌晨，太阳能电池板又充当了光电控制器，启动控制器，切断照明灯电源，重新开始进行转化太阳能为电能的工作。2、太阳能光伏发电系统的组成太阳能照明由太阳能电池板、蓄电池、太阳能灯专用控制器、发光体照明负载及灯杆等组成。如灯具采用交流电源时，需增加逆变器。太阳能直流供电方式系统框图如下：2/16太阳能电池板的功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池板输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5,电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。这个条件大约和平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多。而且，电池板的转换效率与其朝向和安装角度有关，北方地区朝向正南和倾斜角度为45度左右时比较好。也就是说，太阳能电池的输出功率是随机的。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统或与其他电源配合使用才能保证稳定工作。蓄电池蓄电池主要有铅酸蓄电池、Ni-Cd（镍-镉）蓄电池、Ni-H（镍-氢）蓄电池、锂电池等，目前我国室外照明大量使用全封闭、免维护的铅酸蓄电池。而蓄电池的容量一般是照明日耗电量的4-5倍，即，保持在连续阴雨4-5天的情况下能保持正常的供电，保证灯具的正常照明。控制器太阳能照明系统中控制器的作用是控制太阳能照明系统的工作状态，如照明灯的光控或设置开关、调光、雷电保护、电路短路保护，对蓄电池进行过充电保护、反充电保护、过放电保护、温度补偿等。逆变器逆变器是将蓄电池输入的直流电变成交流电的装置，仅在照明负载为交流负载时使用。逆变器一般也具有保护功能。照明负载太阳能光电池充放电控制器蓄电池直流负载3/16照明负载主要有LED发光二极管、三基色高效节能灯、低压钠灯、无极灯等。LED寿命长，可调色、直流控制，但价格昂贵，而且功率低。节能灯功率可提高，价格便宜。其中高效节能灯是太阳能照明系统的主要光源。为了使能源收集和转换最大化，需要将单个电池连接起来，组装在一个组件内。这些组件成为光伏系统的基本构件，进而相互连接在一起，生成可用的电力。在某些情况下，还会使用逆变器将高压直流电转换成低压交流电。光伏技术的类型光伏技术本质上分为两类：晶体光伏与薄膜光伏。晶体光伏技术又可细分为两类：单晶电池——使用从圆柱形单晶硅上切割下来的单晶制成。单晶电池的转换率最高（入射光转换率约为18%），但其复杂的制造工艺导致产品的价格略贵。多晶电池——使用从熔化及再结晶硅的晶锭上切割下来的微细晶片制成。多晶电池的生产成本较低，但其效率略为逊色（入射光转换率约为14%）。薄膜光伏材料是通过将一层超薄光伏材料沉积在基片上制成的。最常见的薄膜光伏材料是使用a-Si（非晶硅）制成，但也可以使用多种其它材料，例如CIGS（铜铟/二硒化镓）、CIS（硒化铟铜）、CdTe（碲化镉）、染料敏化等电池以及有机太阳能电池。。光伏系统有两种基本运作模式。并网光伏系统国际上90%的太阳能发电项目采用此种系统。这些系统连接至公共电网。白天，系统生成的太阳能电力会被即时利用或售卖给供电公司。晚上，系统无法即时供电，则可以从电网回购电能。国外实行固定电价的国家，电力公司购买太阳能电费远高于用户从电力公司购电的价格，其中差价由国家补贴，这种模式在欧洲很多国家都是这种方式。目前国内太阳能系统（多晶硅4/16系统为主）的寿命在20年到30年之间，因此发电成本较高接近2元一度，而由目前电力系统提供的居民用电目前在5毛钱左右，商业用电在1元左右，而且由于我国各个地方的光照强度以及光伏的建造成本不完全相同，因此各个地方都要根据自己当地的情况进行测算来制定相应的补贴额度。目前，浙江省电力公司关于该部分的政策还在制定之中，具体的补贴政策还不明朗。如果没有政策的补贴，可以说，简单算经济帐，太阳能发电系统并不节省金钱而只是节省能源。离网光伏系统这些系统的使用独立于电网，并且可用于向无线电中继站、电话亭和街道照明设备供电。在船舶和休闲敞蓬车市场中，移动光伏技术市场也在不断发展。离网（也称为独立）光伏系统还为传统电力不稳定或不完善的发展中国家提供较为经济的电力。如我国的西部边远地区，光照强烈，有得天独厚的光照条件，但是路途遥远，架设电力线路成本高昂，而且线路损耗巨大。因此采用该类系统在特殊地区有较大的经济价值。光伏发电技术发展新方向（BIPV技术）BIPV是BuildingIntegratedPhotovoltaic的英文缩写,中文解释就是建筑一体化光伏发电技术。作为一项新兴第三代太阳能发电技术，国际上现在有10%左右的建筑光伏发电开始采用BIPV技术。国内目前受成本和建筑工艺的制约运用很少，只有个别政府投资形象工程有小面积示范性装设。该类产品技术可以通过和建筑构件结合，尤其是高性能玻璃的结合，在提供太阳能发电功能的同时，能最大限度减小对建筑立面的影响。并同时减少穿透玻璃的太阳能热量和紫外线辐射，达到全面及美观的遮阳效果。根据即将在深圳投产的世界500强企业，美国材料和化工领军企业杜邦公司的产品介绍，其玻璃透光率可在5%至30%间可调。价格比目前主流多晶硅系统贵40%左右。（多晶硅系统造价目前30元~40元/Wp）价格还比较昂贵。需待在国内推广后才能慢慢降低成本。5/16第二章：太阳能光伏发电技术相关政策及规范研一．LEED认证和国家《绿色建筑评价标准》中关于太阳能发电系统的条文研究1）根据LEED认证中EAC2条文关于再生能源内容，根据再生能源占整个建筑能源百分比有不同的认证加分。见下：再生能源百分比LEED认证加分分数2.5%17.5%212.5%32）国家《绿色建筑评价标准》中关于公共建筑要达到星级的标准：需要相对应达到的一般项和优选项数目有明确的标准。下表中可见，三星级需要在14个优选项中达标10项。有些项目按照国家现在执行的节能标准，不需花较大代价即可达成。而有些项目要达成，就需要付出不菲的代价。划分绿色建筑等级的项数要求（公共建筑）等级一般项数（共43项）优选项数（共14项）节地与室外环境（共8项）节能与能源利用（共10项）节水与水资源利用（共6项）节材与材料资源利用（共8项）室内环境质量（共6项）运营管理（共7项）6/16★343534—★★4646456★★★58575610标准中第5.2.18根据当地气候和自然资源条件，充分利用太阳能、地热能等可再生能源，可再生能源产生的热水量不低于建筑生活热水消耗量的10％，或可再生能源发电量不低于建筑用电量的2％。若达到该条要求，即为达标一个优选项。综合上述条文对比后发现，如果按照绿色建筑评分标准，每幢建筑至少太阳能电力要占大楼总电力2.5%以上。以美庐项目举例，独栋会所总电力在100KW左右，至少安装3KW的太阳能电力系统，约30个平方，造价采用普通多晶硅系统约12万左右，但此类系统对立面和屋面景观有较大破坏。采用新型BIPV（太阳能一体化建筑技术）会有利于建筑立面处理，但是由于发电效率现在还不能和传统系统相比，需要大量立面玻璃或者中厅玻璃面积。且国内使用少，导致造价高昂，采用进口设备，估算至少高一倍，在20多万左右。而对于酒店，由于建筑体量大很多，因此电力容量目前估算至少在1000KW。因此所需太阳能发电板和投资都比独栋会所高十倍。多晶硅系统面积约300平方，投资在120万左右。BIPV系统至少200万以上。3）浙江省目前执行的关于太阳能利用规范a）根据2007年十月一日其实行的《浙江省建筑节能管理办法》第七条新建、改建、扩建建筑工程的节能设计和既有建筑的节能改造工程，应当尽可能利用太阳能、地热能等可再生能源。其中，新建12层以下的建筑，应当将太阳能利用与建筑进行一体化设计。b）2006年8月发布的浙江省工程建设标准《居住建筑太阳能热水系统设计、安装及验收规范》相关条文3.0.2别墅及排屋类住宅应采用太阳能热水系统制取生活热水。3.0.3低层及多层类住宅宜采用太阳能热水系统制取生活热水。3.0.4高层住宅，宜在条件许可的前提下，尽量选取合理的太阳能热水系统制取生活热水。也可以采用栏板式、阳台式集热器制取生活热水，但应保证集热器能充分地采集阳光。3.0.5太阳能热水系统设计应纳入居住建筑的规划与设计中，同步设计、同步施工、同步验收交付使用。c）2008年1月1日实施的浙江省《公共建筑节能设计标准》第6.0.3条热水供应在能源选择上应优先采用太阳能等可再生能源.从上述规范要求来说,浙江省目前对太阳能利用的推广非常重视,在多本地方标准和规范中使用了”应”这一必须达到要求的字眼。据我们了解的情况是，目前各大设计院是严格执行上述设计标准，质检站也是严格按照图纸来作为节能专项验收的。这是由于国家和省市对于节能减排的任务是层层分解的，而我国的生产，建筑节能技术落后，如果不抓紧落实，要达标是很困难的。因此现在国家建设部和省建设厅不定期采取到项目现场抽取设计图纸和施工资料检查和处罚的措施，来保证规范的彻底执行。当然从上述规范字眼理解，其偏重于技术较成熟，太阳能转换效率较高，投资较低的太阳热水系统。对太阳能光电技术还只是鼓励态7/16度，这也说明了光电技术的不成熟性和配套补帖政策的缺乏。但是，我们必需考虑到，如果按照政府要求，在建筑屋面或者立面上必须布置太阳能热水系统的集热板的情况下，是否还有多余的空间来设置太阳能光伏电板？是否还需要在已经装设太阳能热水系统的情况下，再投入资金上一套光伏发电系统？4）关于目前光伏系统的补贴政策中国国家财政部今年3月23日发布了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》。为扩大太阳能发电在建筑领域的应用，将针对满足一定条件的项目，示范性地提供补助资金。此次发布的通知显示，为推广太阳能发电在城乡建筑领域的应用，中国将从中央财政的可再生能源专项资金中抽调出部分资金用作补助金。补助资金支持项目应满足以下条件：1．单项工程的太阳能发电导入量为50kWp以上。2．使用高效太阳能电池。单晶硅太阳能电池效率应为16％以上，多晶硅应为14％以上，非晶硅应为6％以上。3．优先支持太阳能模块和建筑物实现“建材一体化”的项目。4．优先支持设置并网式太阳能发电的建筑物。5．优先支持学校、医院和政府机关等的建筑物设置的太阳能发电设备。2009年的补助金标准金额原则上是20元/Wp。不过具体金额将根据与建筑物的一体化程度和太阳能发电产品的技术先进性等要素来决定。以后每年的补助金标准金额将根据产业发展状况进行调整。根据上述条件解读，条件还是较为苛刻的。其中：第一条装机容量方面，目前主流多晶硅面板1个平方能提供100W左右的电能。50KWp意味着至少需要500平方米的电池板面积才能达到。8/16第二条，关于光电转化效率的规定：其中单晶硅光电产品效率应超过16%，多晶硅光电产品效率应超过14%，非晶硅光电产品效率应超过6%。总体看我国今年规定的这个转化水平基本上处于国外发达国家可以市场化光伏产品的转化效率的下限，要轻易达到上述指标要采用廉价系统比较困难。第三条，关于优先支持的“建材一体化”（简称BIPV）项目，目前在国际和国内都是新一代技术。其优点是通过新产