太阳能光伏发电课程设计

1太阳能发电概述1.1太阳能光伏发电背景能源短缺是当今社会中的热点问题，它直接制约着经济和社会的发展，可再生能源的利用也就成了当今世界关注的焦点之一。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术。自“六五”以来我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。中国1958年开始研制太阳能电池，1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生。中国于1971年3月首次应用太阳能电池作为科学实验卫星的电源，开始了太阳能电池的空间应用。中国于1973年首次在灯浮标上进行应用太阳能电池供电试验，开始了太阳能电池的地面应用。经过40多年的努力，中国的光伏发电技术已具有一定的水平和基础。到2002年地，已建成10个初具规模的光伏电池专业生产厂，光伏电池组件的年生产能力约为10MW,其中单晶硅电池为8WM，非单晶硅电池为2WM。中国光伏电池的主要产品是单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。商品单晶硅电池组件的转换效率为11%～14%，功率为35～70Wp。商品多晶硅光伏电池组件的转换效率为10%～13%，功率为35～70Wp。商品非晶硅光伏电池组件的转换效率为4%～6%，功率为11～12Wp，为单节p-I-n电池。2002年中国光伏电池组件的产量约为9MW，其中单晶硅和多晶硅光伏电池组件约为8MW，非晶硅光伏电池组件约为1MW。在单硅和多晶硅光伏电池组件中，包括用进口光伏电池封装的组件，未包括出口的草坪灯等消费品用的光伏电池。在非晶硅光伏电池组件中，未包括出口的电子计算器等消费品用的光伏电池。2002年中国单晶硅和多晶硅光伏电池组件的售价为33～40元/Wp，非晶硅光伏电池组件的售价为24～26元/Wp。从总体上讲，与国外发达国家相比，中国的光伏发电技术及其产业还有很大差距，存在的主要问题是：(1）规模小。目前中国商品晶体硅光伏电池生产厂的规模化在3～10MW之间，比国外的50～100MW的生产规模小得多。(2）技术水平低。目前中国商品晶体硅光伏电池组件的光电转换效率多在10%～14%之间；组件的封装水平低，工程应用不时发现有的组件经过几年的使用有发黄、起跑、焊线脱落、效率下降等现象出现；组件的实际使用寿命，也不如国外产品。非晶硅光伏电池厂只能生产单节电池，转换效率低，稳定性差，目前尚不能生产双节和三节电池。(3）平衡设备薄弱落后。光伏发电用的控制器、逆变器等关键平衡设备，至今尚缺少具有一定规模并拥有较先进生产和检测设备的专业工厂生产，仅在几个研究所和小厂少量生产，技术性能不够高，可靠性较低，品种规格少，价格也高，更谈不上研究开发更先进的产品。(4）用材料的国产化程度不高。银浆、低铁钢化玻璃、PVF、TPT等关键封装材料尚未真正实现国产化。国家曾把专用材料的国产化列入“八五”攻关计划进行攻关，虽然取得了一定成果，但性能仍然不如国外产品，各生产厂为保证产品质量，目前许多专用材料仍然从国外进口。(5）成本、价格高。目前晶体硅光伏电池组件的生产成本约为25～30元/Wp，平均售价约为33～45/Wp，成本和售价均高于国外产品，在国际市场上缺乏竞争力，“入世”实行进口光伏电池零关税后受进口产品的冲击很大。6）产品与系统的标准、规范不健全，检测认证体系尚待完善与建立。而且面对当前的能源短缺，故需要建立一套完整的家用太阳能发电系统，来满足一个家庭日常的基本的电能需要。1.2太阳能光伏发电数据负载数据表1-1设计负载电器名称规格型号耗电功率数量每日工作时间日耗电量电脑液晶显示100W251000wh打印机250W11250wh传真机150W11150wh电冰箱150L100W18800wh洗衣机300w10.5150wh微波炉1000w111000wh电视接收机/VCD25W16150Wh收音机3W1515Wh水泵400W11400Wh照明节能灯11W86528Wh彩色电视95W16570Wh总计3224W1940.55013Wh蓄电池(铅酸)额定电压12V电量200AH由上图计算得日耗电量为L=5013wh1.3太阳能发电原理及结构光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。国产晶体硅电池效率在10至13%左右，国外同类产品效率约12至14%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。光伏效应如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理光—电直接转换方式该方式是利用光伏效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。（1）电池单元：由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。（2）电能储存单元：太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间（发电时间）的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。1.4太阳能发电各个部分的材料及作用（1）太阳能电池在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。电池片：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃：采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT：太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是家用太阳能发电中价值最高的部分。(2)蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：自放电率低；使用寿命长:深放电能力强；充电效率高；少维护或免维护；工作温度范围宽；价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。(3)充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。(4)逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：a、过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。除了具有静态旁路逆变器的功能之外，还可以将市电供给电池充电，可以保证电池电压不会低于某一值后导致过放，有些功能更强大一点的逆变器还可以进行市电与逆变的功能互补，比如一个额定容量7KW的逆变器，需要共给一个10KW的负载，光靠逆变器来的7KW的电是不行的，并且一般的逆变器150%过载时间不会超过几分钟，在这种情况下，双向逆变器的优点体现出来了，它可以逆变7KW，再加上市电3Kw来供给10KW的负载。这一点在系统升级时是非常重要的，如果一个系统正常工作在额定功率下，在负载稍微加大的情况下就要么系统无法工作，要么就需要投入大量的成本来进行系统扩容，这都不合算(5)交流配电柜在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。(6)发电系统反充二极管太阳能光伏发电系统的防反充二极管又称阻塞二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时，擂电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串