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1、简述太阳能光伏发电,李云峰 电力电子与电力传动,2,太阳能光伏发电的背景与意义,光伏发电的历史、国内外发展状况,光伏发电的概念，系统的构成,光伏电池及其特性,光伏发电系统的分类、运用,光伏发电的关键技术问题,光伏发电的前景展望,目录,能源是人类社会发展的动力来源。 随着传统化石能源的逐渐枯竭，绿色可再生能源得到迅猛的发展。近十年来，太阳能光伏(Photovoltaic，PV)发电技术得到了各国的不断关注，已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电系统的研究，对于缓解能源和环境问题，改善能源消耗结构，提高分布式发电系统性能，开拓光伏发电产业，具有重大的理论和现实意义。,3,背景与意义,
2、无枯竭危险； 安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净； 不受地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂地区； 无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电； 能源质量高； 且太阳能电池的主要原材料硅的储量非常丰富，随着太阳能电池研究的快进程和转化效率的不断提高，光伏发电的成本也跟着下降，太阳能作为一种具有巨大开发价值的新能源，世界各国都对光伏发电技术解决人类的生态环境和能源的供应问题抱以了很大的期望，并给予了巨大的支持，全球的太阳能光伏产业得到了前所未有的发展。,4,太阳能光伏发电具有的优点,1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。 1932年
3、奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。 1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。 1978年 美国建成100kWp太阳地面光伏电站。 1990年 德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装35kWp光伏电池。 1997年 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”。 1997年日本 “新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。 1997年 欧盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池。,5,光伏发电的历史,6,根据不完全统计，截至到2013年12月末，中国光伏发电新增装机容量达到10.66GW，光伏发电累计装机容量达到17.1
4、6GW。其中，大规模光伏电站累计装机容量达到11.18GW，分布式光伏发电累计装机容量达5.98GW。 中国光伏发电装机分布在30个省、直辖市、自治区，累计装计容量排在前五位的省级地区依次为青海、甘肃、新疆、宁夏、内蒙。其中，青海光伏发电累计装机约占全国光伏发电累计装机的19%。,根据最新北美光伏市场季度报告数据显示，2013年美国太阳能光伏新安装量创纪录地达到4.2GW，比2012年增长15%，成为继亚太之后全球第二大光伏市场。 2013年美国光伏市场主要由大型电站项目主导，在新增项目中占比超过80%。其中地面电站达到3GW。大型屋顶项目的需求量超过了500MW，与前几年水平相当。包括住宅及
5、小型非住宅在内的小型光伏电站2013年新增需求近700MW，比2012年增长十个百分点。其中超过75%的需求均来自住宅屋顶项目。加利福尼亚仍居美国光伏市场产能首位。,国内外发展现状,7,德国：正在放缓新能源脚步，根据联邦太阳能产业协会BSW-Solar发布的报告数据显示，2013年德国全年新装光伏系统3.3GW。受到默克尔政府补贴删减幅度超过太阳能系统跌价速度的影响，德国太阳能光伏新装机量不到去年的一般，但德国太阳能光伏装机总量已经达到的令人惊讶的数字。,日本：太阳能疯狂进行时，10GW（总装机量）俱乐部新成员 。据最新资料指出，2013年中国光伏组件对日出口额约22亿美元，占比22%，日本跃
6、居首位，成为中国光伏组件最大出口国。,印度：“计划”中的太阳能事业宏图 。作为一个极度缺电的人口大国，印度至今仍有3亿人口生活在无电的状态。对电力极度渴望，印度制定了一项项长期规划。然而却由于一次次的执行推延，计划始终流于纸面。为了实现到2020年单位GDP排放水平比2005年降低20%25%的目标，印度规划了2022年装机量达到20GW的目标。,光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳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电池板（光伏阵列）、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
7、长、安装维护简便。,8,太阳能光伏发电的概念,光伏发电系统是由太阳能光伏阵列，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成,9,光伏发电系统的构成,太阳能光伏阵列：是由多个单体光伏电池串、并联封装后组成的。是太阳能发电系统的核心。将太阳能转化为电能，是能量转换的器件。 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。 逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。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
8、逆变器成本高，但可以适用于各种负载。 跟踪系统：根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。确保太阳能电池板能够时刻正 对太阳，使发电效率达到最佳状态。,10,部分设备的作用,光伏电池是利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件。 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。,11,光伏效应
9、：指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生的电流和电动势效应。,单晶硅光伏电池：单晶硅光伏电池是开发较早、转换率最高和产量较大的一种光伏电池。但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。 单晶硅光伏电池转换效率在我国已经平均达到16.5%,而实验室记录的最高转换效率超过了24.7%。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。,多晶硅光伏电池：是以多晶硅材料为基体的光伏电池。由于多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，因而生产时间缩短，制造成本大幅度降低。但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率
10、则要降低不少，其光电转换效率约12%左右此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。,非晶硅光伏电池： 非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。,光伏电池及其特性,12,太阳能光伏发电系统的分类,独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。独立光伏电站包括
11、边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。,并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。 可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。 并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电
12、能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。,用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。 交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。 通讯/通信领域：太阳能
13、无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等,13,太阳能光伏发电系统的应用,家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。 光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。 太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。 其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充
14、电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。,14,15,光伏阵列最大功率点的跟踪,16,光伏发电的关键技术问题,光伏阵列的输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况的影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（MPP）,光伏电池电压-电流特性曲线,17,忽略温度效应时，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点A、B、C、
15、D、E，假设曲线L为负载特性曲线，A、B、C、D、E为相应光照强度下直接匹配时的工作点。显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。,因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪（MPPT）,18,MPPT算法分析示意图,假设图中曲线1和2为不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，B、A分别为相应的最大功率输出点。,MPPT算法的原理,假定某一时刻，系统运行在A点。当光照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性曲线由2上升为曲线1时。此时，如果保持负载1不变，系统将运行在A点，这样就偏离了相应
16、光照强度下的最大功率点，为了继续追踪最大功率点，应当将负载的特性由负载1变化致负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。,19,MPPT的实现方法,基于优化数学模型的MPPT 控制方法：开路电压比例系数法，短路电流比例系数法，电流扫描法,基于扰动的自寻优的MPPT 控制方法：扰动观察法，电导增量法，波动相关控制法,基于智能处理方法和其他非线性控制策略的MPPT 控制方法：模糊逻辑控制法，神经网络法，单周控制法，滑模控制法,基于输出端控制的MPPT 控制方法：负载电流/ 电压最大法，直流侧电压下降控制法，极值周期控制法,根据国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见以及光伏电站项目管理暂行办法和分布式光伏发电项目管理暂行办法有关要求，国家能源局日前下达了2014 年光伏发电年度新增建设规模，在综合考虑各地区资源条件、发展基础、电网消纳能力以及配套政策措施等因素基础上，全年新增备案总规模1400 万千瓦，其中分布式800 万千瓦、光伏电站600万千瓦。,20,我国应从根本上加大光伏发电组件效率、最大功率
