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1、项目 1 光伏发电概述项目目标：1了解发电系统的类型及光伏生伏特效应。2掌握工厂配电类型及电缆敷设方法。3了解光伏发电场的组成。4掌握光伏发电系统的工作原理。项目描述：太阳能的应用主要有两种形式：一是把太阳能转换为热能，二是把太阳能转换为电能， 后者称为光伏发电技术，其应用领域从航天、国防、工业转向民用。其意义不仅可以部分代 替石化燃料发电，而且可以减少co2和有害气体的排放，防止地球环境继续恶化。本项目主 要让同学们对光伏发电技术有一个初步的认识。任务 1 发电系统与光伏发电一、任务目标：1. 了解发电系统的有关概念。2. 了解发电系统的类型及原理。3. 掌握光能转换电能的有关原理及光伏发电
2、的特点。二、任务描述发电类型主要有火力发电、水力发电、核能发电、风能发电、光伏发电，本质都是将其 它形式的能转化为电能，各有利弊，应依自然资源而建。光伏发电有着其它传统能源无法比 拟的优势：清洁、设备简单、地域依赖性弱、无机械磨损等，是能源发展方向。三、任务实施1. 发电系统概述电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技 术发展、国民经济飞跃的主要动力，它在国民经济和人民生活中起着极其重要的作用。现代 社会中，电能是通过发电系统得到的，其在各种发电厂（火电厂、水电厂、核电厂等）里发 电设备将其它形式的能量（化学能、水的动能、核能等）转换成电能，电能经升压变压器
3、和 高压输电线路传输至负荷中心，再由降压变压器和配电线路分配至用户，然后通过各种用电 设备（电动机、电灯、电炉等）将电能转换成其它形式的能量进行消费，如图1-1所示。火力发电厂核电站大型水力发电站6kV 高压配电线农户小区超市图1-1从发电到消费过程生产车间各种用电设备消耗的功率（包括有功功率和无功功率）统称为电力系统的负荷。所谓电 力系统就是由大量发电机、变压器、电力线路和负荷组成的旨在生产、传输、分配和消费电 能的各种电气设备按一定方式联成的整体。这种一定的联结方式称为电力系统的结线。电力 系统是一个由大量各种元件组成的复杂系统，发电机、变压器、电力线路和负荷是电力系统 的四大主要元件。这
4、四大元件构成了电力系统的躯干，称为一次系统。此外，为了保证其安 全正常运行，电力系统还装备有相当于其神经的继电保护、通讯和调度控制系统等，称为二 次系统。2. 发电的主要类型常见的发电形式有火力发电（如图1-2所示）、水力发电（如图1-3所示）、风力发电（如图1-4所示）、核能发电（如图1-5所示），光伏发电等，各自有其优缺点，可根据实际情况和 自然环境选用。图1-2火力发电图1-3水力发电图1-4风力发电图1-5核能发电（1）火力发电火力发电是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的发电形式，主要设备是锅炉及其 辅助设备、汽轮机及其辅助设备、发电机及电气设备。图1-6为火力发电的原理图。它的基
5、 本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力 推动汽轮机旋转，能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。低压加热器凝结水泵高压加热器给水泵图1-6火力发电原理图目前火力发电是我国最主要的电源，其发电量占总电能的70%以上。其特点布局灵活， 装机容量的大小可按需要决定；一次性建造投资少，仅为水电厂的一半左右，建造工期短。 缺点是火电厂耗煤量大，发电用煤约占全国煤总产量的50%左右，生产成本比水力发电要高 34倍；火电厂动力设备繁多，控制操作复杂；厂用电量和运行人员多于水电厂，运行费 用高；火电厂担负急剧升降的负荷时，必须付出附加燃料消耗的
6、代价，火电厂对空气和环境 的污染较大。锅炉设备是火力发电厂中的主要热力设备之一。它的任务是使燃料通过燃烧将化学能转 变为热能，并且以此热能加热水，使其成为一定数量和质量（压力和温度）的蒸汽。由炉膛、 物料循环系统、烟道、汽水系统（其中包括受热面、汽包、联箱和连接管道）以及炉墙和构 架等部分组成的整体，称为“锅炉本体”。汽轮机是完成蒸汽热能转换为机械能的汽轮机组的基本部分，即汽轮机本身，如图1-7 所示。它与回热加热系统、调节保安系统、油系统、凝汽系统以及其他辅助设备共同组成汽 轮机组。汽轮机本体由固定部分（静子）和转动部分（转子）组成。固定部分包括汽缸、隔 板、喷嘴、汽封、紧固件和轴承等。转动
7、部分包括主轴、叶轮或轮鼓、叶片和联轴器等。固 定部分的喷嘴、隔板与转动部分的叶轮、叶片组成蒸汽热能转换为机械能的通流部分。汽缸 是约束高压蒸汽不得外泄的外壳。汽轮机本体还设有汽封系统。图1 7汽轮机外形图图18发电机内部结构图同步发电机是将机械能转变成电能的唯一电气设备。将一次能源（水力、煤、油、风 力、原子能等）转换为二次能源的发电机现在几乎都是采用三相交流同步发电机。在发电厂 中的交流同步发电机，电枢是静止的，磁极由原动机拖动旋转。其励磁方式为发电机的励磁 线圈FLQ（即转子绕组）由同轴的并激直流励磁机经电刷及滑环来供电。同步发电机由定子 （固定部分）和转子（转动部分）两部分组成，如图1
8、-8所示，定子由定子铁心、定子线圈、 机座、端盖、风道等组成。定子铁心和线圈是磁和电通过的部分，其他部分起着固定、支持 和冷却的作用。转子由转子本体、护环、心环、转子线圈、滑环、同轴激磁机电枢组成。（2）水力发电水力发电是把水的势能和动能转换成电能的发电形式。基本生产过程如图1-9所示，利 用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含之势能转换成水轮机之动能, 再以水轮机为原动力，推动发电机产生电能。利用水力（具有水头）推动水力机械（水轮机） 转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械（发电机）随着水轮机转动便可 发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是
9、水的位能转变成机械能, 再转变成电能的过程。因水力发电厂所发出的电力电压较低，要输送给距离较远的用户，就 必须将电压经过变压器增高，再由空架输电线路输送到用户集中区的变电所，最后降低为适 合家庭用户、工厂用电设备的电压，并由配电线输送到各个工厂及家庭。水源水轮机转轮水轮发电机变压器工业、生活用电变电所输电网图1-9水力发电到消费过程按集中落差的方式分类可分为堤坝式水电厂、引水式水电厂、混合式水电厂、潮汐水电 厂、抽水蓄能电厂；按径流调节的程度可为无调节水电厂、有调节水电厂；按照水源的性质， 一般为常规水电站，即利用天然河流、湖泊等水源发电；按水电站利用水头的大小，可分为 高水头（70米以上）、
10、中水头（1570米）和低水头（低于15米）水电站；按水电站装机 容量的大小，可分为大型、中型和小型水电站。一般装机容量5000kW以下的为小型水电站， 5000100000kW为中型水电站，10万kW或以上为大型水电站或巨型水电站。水力发电可综合利用水能资源，发电成本低、效率高；运行灵活，水能可储蓄和调节, 不污染环境，不足的是水电厂建设投资较大，工期较长，水电厂建设和生产都受到河流的地 形、水量及季节条件限制，有丰水和枯水期之别，发电不均衡，同时水库的兴建，淹没土地， 移民搬迁，给农业生产带来一些不利影响，还可能在一定程度上破坏自然界的生态平衡。（3）核发电n9n图1-10核裂变反应原理图核
11、能发电的能量来自核反应堆 中可裂变材料（核燃料）进行裂变反 应所释放的裂变能。裂变反应指铀 -235、钚-239、铀-233等重兀素在 中子作用下分裂为两个碎片，如图 1-10所示，同时放出中子（n）和 大量能量的过程。反应中，可裂变 物的原子核吸收一个中子后发生裂 变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使 裂变继续自发地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。应堆安全壳蒸汽发生冷却剂泵蒸气水 （咼温）（低温）（以下部分同火力发电厂结构一样）汽轮机发电机去放水处 冷却水（海水）核发电是利用反应堆中核燃料裂变链式反应所产生的热能，再
12、按火力发电厂的发电方式, 将热能转换为机械能，再转换为电能，它的核反应堆相当于火电发电的锅炉，如图1-11所 /示O给水泵图1T1核能发电原理图核发电特点是能量密度高，无污染，储量十分丰富，成本低，缺点是存在安全隐患，- 旦发生核泄漏或污染，很难处理，基于核安全技术极的重要性，几十年来世界各有核国家投 入了大量人力、物力和财力进行核安全研究并取得了很大的进步，但1986年前苏联切尔诺 贝利核事故和2011年日本的福岛核泄漏事件让各国不得不重新审视核能的运用，核安全技 术的研究任重道远。（4）风力发电风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电，如图1
13、-12所示。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(微 风的程度)，便可以开始发电。其特点是不排放任何有害气体和废弃物，能量密度低，受季 度影响较大，风电场尽管占了大片土地，但风力发电机基础使用的面积很小，不影响农田和 牧场的正常生产，且多风的地方往往是荒滩或者山地，建设风电场的同时也开发旅游资源。风轮发严几尾舵前面电极减反射膜 控制器 蓄电池组 逆变器 减反射膜图1-12风力发电原理图电缆N型硅p型硅*TO电流图1-13光生伏特效应原理图3光伏发电(1) 光生伏特效应光伏发电是通过光伏电池将太阳辐射能转换为电能的发电一种发电形式，其原理是“光 生伏特效应”简称“光伏效应”指光照使不均
14、匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之 间产生电位差的现象。N型半导体的多数载流子是电子(负电)，P型半导体的多数载流子是空穴(正电)，当P型半导体与N型半导体通过特殊工艺结合在一起时，由于多数载流子存在浓度差，出现了 扩散现象，即N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区，如图1-14 (a)所示，在它 们的交界区域，N区出现多余的正电荷，P区出现多余的负电荷，从而形成了一个由N区指 向P区的“内电场”，从阻止了扩散的进行。达到平衡后，就形成了特殊的薄层，这就是PN 结，如图1-14 (b)所示。 91 QQiffi 空穴-电子内电场EI(b) PN 结(a)载流子的扩散图1-14 PN结形
15、成过程当有光照射到时，N型半导体中的空穴吸收太阳光的能量，挣脱原子的束缚，在内电场 的作用下往P区移动，同理，P型半导体的电子往N区移动，从而形成从N型区到P型区的 电流，然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源，如图1-13所示。(2) 光伏发电的优点 太阳能资源丰富，随处可得，不受地域的限制，避免了长距离运输电能造成的电能损 失。 光伏发电系统的设备简单、易于安装、维修和保养、维护费用低；体积小、重量轻、 便于运输。 光伏发电系统在运行过程中不需要燃料，不存在机械磨损，不产生噪声，不产生环境污染。 光伏发电系统运行可靠，稳定可靠，使用寿命长，作为关键部件的太阳能电池使用寿 命长，晶体硅太阳电池寿命可达25年以上。 根据实际需要，易改变光伏发电系统的容量。 制备所需能耗低，只要两三年即可收回投资。(3) 光伏发电的缺点 实际光电转化率很低。目前形成大规模生产的组件最高光电转化率为20.7%。 能量密度低，光伏发系统占地面积大。 光伏发电成本高，这是制约光伏技术广泛应用的最大障碍。 光伏发电具有间歇性和随机性。 各个地区太阳能资源情况不同，所以光伏发电对区域性依赖性强。 太阳能逆变器转化效率不是很高
