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1、太阳能光伏发电技术及其应用 姚建曦 太阳能光伏发电工作原理 运行方式及系统组成 1 太阳能光伏发电的运行方式 一 太阳能光伏发电的运行方式 1 按供电类型分 直流供电系统交直流供电系统2 按供电特点分 独立光伏发电系统并网光伏发电系统 葡萄牙南部阿马雷莱雅拍摄的莫拉太阳能发电厂安装的太阳能电池板 直流供电系统 交直流供电系统 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统 是未与公共网相联接的太阳能光伏发电系统 仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统 在必要时可以由油机发电 风力发电 电网电源或其他电源作为补充 从电力系统来说 kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光
2、伏发电系统 一 太阳能光伏发电的运行方式 并网光伏发电系统 并网光伏发电系统 与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统 它是太阳能光伏发电进入大规模商业发电阶段 成为电力工业组成部分之一的重要方向 是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势 一 太阳能光伏发电的运行方式 2 太阳能光伏发电系统的组成 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 独立太阳能光伏发电系统 根据用电负载的特点 直流系统 交流系统 交直流系统 最大区别是系统中是否带有逆变器 二 太阳能光伏发电系统的组成 二 太阳能光伏发电系统的组成 二 太阳能光伏发电系统的组成 d 有后备能源和放电器的光伏系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 1
3、太阳能电池方阵 太阳能电池单体是光电转换的最小单元 尺寸一般为2cm 2cm到15cm 15cm不等 太阳能电池单体的工作电压约为0 45 0 5V 工作电流约为20 25mA cm2 一般不能单独作为电源使用 将太阳能电池单体进行串并联并封装后 就成为太阳能电池组件 其功率一般为几瓦至几十瓦 百余瓦 是可以单独作为电源使用的最小单元 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 1太阳能电池方阵 太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上 就构成了太阳能电池方阵 可以满足负载所要求的输出功率 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 1太阳能电池方阵 一个太阳
4、能电池只能产生大约0 45V电压 远低于实际应用所需要的电压将太阳能电池通过导线连接成组件 一个组件上 太阳能电池的标准数量是36个或40个 10cm 10cm 这意味着一个太阳能电池能产生16V的电压 正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效地充电 当需要更高的电压和电流而单个组件不能满足要求时 可以把多个组件组成太阳能电池方阵 以获得所需的电压和电流 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 2防反充二极管 又称阻塞二极管 其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时 蓄电池组通过太阳能电池方阵放电 它串联在太阳能电池方阵电路中 起单向导通的
5、作用 要求其能承受足够大的电流 而且正向电压降要小 反向饱和电流要小 一般可选用合适的整流二极管 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 3蓄电池组 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电 基本要求 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 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 4控制器 蓄电池 尤其是铅酸蓄电池 需要在充电和放电过程中加以控制 频繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命 过充电会使蓄电池大量出气 电解水 造成水分散失和活性物质脱落 过放电则容易加速栅板的
6、腐蚀和不可逆硫酸化 为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害 则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电 这套系统称为充放电控制器 其通过检测蓄电池的电压和荷电状态 判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点 并根据检测结果发出继续充 放电的指令 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 5逆变器 逆变器是将直流电变换为交流电的设备 逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用 把直流电能转变为交流电能的一种变换装置 是整流变换的逆过程 逆变器及逆变技术可按输出波形 输出频率 输出相数等来分类 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 1 6测量设备 对于小型
7、太阳能电池发电系统 只要求进行简单的测量 如蓄电池电压和充放电电流 测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上 对于太阳能通信电源系统 管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站 往往要求对更多的参数进行测量 如太阳辐射 环境温度 充放电电量等 有时甚至要求具有远程数据传输 数据打印和遥控功能 这就要求为太阳能电池发电系统配备数据采集系统和微机监控系统 1 独立太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 2 并网太阳能光伏发电系统 光伏发电系统 以下简称光伏系统 的主流发展趋势是并网光伏发电系统 太阳能电池所发的电是直流 必须通过逆变装置变换成交流 再同电网的交流电合起来使用
8、这种形态的光伏系统就是并网光伏系统 并网光伏系统可分为 住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统 电站 两大类 前者的特点 是光伏系统发的电直接被分配到住宅内的用电负载上 多余或不足的电力通过连接电网来调节 后者的特点 是光伏系统发的电直接被输送到电网上 由电网把电力统一分配到各个用电单位 二 太阳能光伏发电系统的组成 住宅用并网光伏系统 2 并网太阳能光伏发电系统 根据联网光伏系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电 分为可逆流与不可逆流并网光伏发电系统 可逆流系统 是在光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网 由于是同电网的供电方向相反 所以成为逆流 当光伏系统电力不够时 则由电网供电 这种系
9、统 一般是为光伏系统的发电能力大于负载或发电时间同负载用电时间不相匹配而设计的 二 太阳能光伏发电系统的组成 可逆流系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 不可逆流系统 是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量 电量不够时由电网提供 即光伏系统与电网形成并联向负载供电 这种系统 即使当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能时 也只能通过某种手段加以处理或放弃 由于不会出现光伏系统向电网输电的情况 所以称为不可逆流系统 住宅用并网光伏系统 2 并网太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 不可逆流系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 住宅系统又有家庭系统和小区系统之分 家庭系统 装机容量小
10、 一般为1 5kWp 为自家供电 独立计量电量 小区系统 装机容量较大些 一般为50 300kWp 为一个小区或一栋建筑物供电 统一管理 集中分表计量电量 住宅用并网光伏系统 2 并网太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 住宅用并网光伏系统 2 并网太阳能光伏发电系统 根据联网光伏系统是否配置储能装置 分为有储能装置和无储能装置联网光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 有储能 带蓄电池 系统 住宅用并网光伏系统 2 并网太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 住宅用并网光伏系统 2 并网太阳能光伏发电系统 二 太阳能光伏发电系统的组成 无储能 不带蓄电池 系统 2
11、并网太阳能光伏发电系统 其工作原理是 太阳能电池方阵在太阳光辐射下发出直流电 经逆变器转换为交流电 供用电器使用 系统同时又与电网相联 白天将太阳能电池方阵发出的多余电能经联网逆变器逆变为符合所接电网电能质量要求的交流电馈入电网 在晚上或阴雨天发电量不足时 由电网向住宅 用户 供电 住宅联网系统所在负载的电压 在我国一般是单相220V和三相380V 所接入的电网为低压商用电网 二 太阳能光伏发电系统的组成 住宅用并网光伏系统图 2 并网太阳能光伏发电系统 太阳能电池方阵 目前工程上应用的太阳能电池方阵多为由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照联网逆变器输入电压的要求串 并联后固定在支架上组成 1
12、 建筑与光伏系统相结合 是将现成的平板式光伏组件安装在建筑物的屋顶等处 引出端经过逆变和控制装置与电网联结 由光伏系统和电网并联向住宅 用户 供电 多余电力向电网反馈 不足电力向电网取用 二 太阳能光伏发电系统的组成 2 建筑与光伏组件相结合 光伏建筑一体化系统的关键技术问题之一 是设计良好的冷却通风 这是因为光伏组件的发电效率随其表面的工作温度上升而下降 理论和实验证明 在光伏组件屋面设计空气通风通道 可使组件的电力输出提高8 3 左右 组件的表面温度降低15 C 2 并网太阳能光伏发电系统 太阳能电池方阵 将光伏组件与建筑材料集成化 建筑物的外墙一般都采用涂料 马赛克等材料 为了美观 有的
13、甚至采用价格昂贵的玻璃幕墙等 如果把屋顶 向阳外墙 遮阳板甚至窗户等的材料用光伏器件来代替 则能作为建筑材料和装饰材料 一举两得 二 太阳能光伏发电系统的组成 空间电站 未来能源基地 二 太阳能光伏发电系统的组成 空间太阳能电站 太阳能的散射面很宽 特别是经过地球大气层时 大部分能量被大气层反射 散射或吸收掉了 在宇宙空间 由于太阳光线不会被大气减弱 也不会被大气阻拦 可以直接受到太阳光的照射 因此建造太阳能电站是一个非常理想的方法 和地面相比 用同样面积的太阳能电池帆板 在同步轨道可多获6到11倍的太阳能 如果把空间太阳能电站建设在圆形日心轨道上 那就不再怕地球挡住阳光 并可获更多的太阳能
14、在宇宙空间的太阳能电站 聚集大量阳光 利用光电转换产生直流电 并通过相应的装置将直流电变换成微波 以微波波束的形式传输到太空用户或者传输到地球上 太阳空间电站传输 它是由永远朝向太阳的太阳电池列阵 能把直流电转换成微波能的微波转换站 发射微波束能的列阵天线等三部分组成 通过天线以微波形式向地面输电 在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统 太空太阳电站是十分巨大的 据计算一座8 1010W的太空太阳电站其太阳电池的列阵面积即达64km2 要装配几百亿个电池片 把微波发往地球的天线列阵面积需2 6km2 太阳空间电站的优点 空间发电有两大优点 一是可以充分利用太阳能 同时又不会污染环境
15、 二是不用架设输电线路 可直接向空中的飞船和飞机提供电力 也可向边远的山区 沙漠和孤岛送电 科学家预测 一旦建成空间电站 人类可以不断获得能源 地球能源利用将产生革命性变化 据分析 空间太阳能电站的最佳容量是5到10兆瓦 悬挂于地球赤道上空36000公里高度的对地静止电站的质量为5万吨至10万吨 空间太阳能电站 最初步的估算表明 空间太阳能电站每产生1千瓦电量的造价会比核电站同样功率的造价高出50 至100 比水电站高出100 至150 比热电站高300 至500 但是 由于使用甚高频微波辐射传输到地球 微波能量实际上不会被大气所吸收 地面接收站接收到的微波能量转变为电能供给用户 其转换效率可
16、高达90 更由于空间太阳能电站不消耗地球资源 因此工作约5至7年后 其利润将比热电站和核电站高 建造空间太阳能电站的另一个关键问题是运输 计算表明 在5年内回收这样一个电站的费用 它每千克重量的成本不应超过150至200美元 此外 运载火箭应有非常大的推力 一次能将500吨的有效载荷送入轨道 在这样的情况下 总计只需100至200次的发射就可以了 所有货物在3至5年内运输到位 空间电站碰到的问题 1 空间运输成本问题 法国电力公司课题研究部顾问吕西安 德尚说 要使太阳能卫星变得可行 空间运输成本最少也得降低99 碰到的问题 2 能量转换的效率问题 美国慕尼黑理工大学空间技术研究所名誉所长哈里 鲁普认为 在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题 他还担心微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人 烤熟 并可能引起电磁干扰 扰乱飞机的雷达系统 3 太阳能电池的工作原理 三 太阳能光伏发电的工作原理 1 半导体物理知识 固体材料按照它们导电能力的强弱 可分为超导材料 导体材料 绝缘体材料和半导体材料导体 导电能力强的物体 电阻率在10 8 10 6 m的范围内 金 银 铜 铁 铝等 绝
