光伏系统的设计研究(3)

光伏瓦光伏系统的性能研究

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件称为“太阳能电池”(Solar cell)。

自从1954年恰宾(Charbin)等人在美国贝尔实验做出第一块实用光伏电池以来，虽然太阳光伏发电取得了很大的进步，但与计算机和光纤通讯的发展相比要慢得多。这是由于人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。20世纪几次石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。太阳能光伏发电技术的发展过程简列如表1-2所示[1]：

年份 1839 1876 1883

1930 1931 1941 1954 1955 1958 1959 1972 1972 1974 1975 1985 1986 1990 1991 1994 1997 1998 2003 2008

成就

法国物理学家埃得梦贝克尔发现了光伏效应 亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应

制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件

肖特基提出Cu20势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造

“太阳电池”，使太阳能变成电能

布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机

奥尔在硅上发现光伏效应

恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6％。

同年，韦克尔首次发现砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计，美国RCA研究砷化镓太阳电池

太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源

第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5％

罗非斯基研制出紫光电池，效率达16％，同年，美国制定新能源发展计划

美国制定新能源开发计划 日本制定太阳能发电“阳光计划”

非晶硅太阳电池问世。同年，非晶硅电池效率达6％~10%

日本建成1MW的光伏电站 美国建成7MW的光伏电站

德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWP光伏电池

制定再生新能源发电与公共电力网并网法规(德国)

住宅用太阳光发电系统技术规程(日本)

美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装

3~5kWp光伏电池。同年，欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电池 荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成

RPS法(新能源法案)(日本)

美国参议院通过了一揽子减税计划，光伏行业的减税政策(ITC)续延2-6年

表1-2 光伏发电技术的发展过程的简列

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 6

从表1-2知，1996年以来，世界光伏发电高速发展，表现在几种主要太阳电池效率不断提高，各国对光伏发电的重视度加大，尤其是各国光伏发电技术的屋顶计划，为光伏发电展现了无限光明的前途。

据世界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，2020年世界光伏发电将占总电力的1％，到2040年光伏发电将占全球发电量的20％，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长率高达25% ~30%，下面为世界各国政府的优惠政策[6]：

(1)德国：德国光伏发电开展始于1993年，开始实施是由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划。德国政府并于1999年开始实施10万太阳能屋顶每户约一户(3kW-5kW)计划。在德国2004年通过的《再生能源法案》和2008年实施的“强制光伏上网定价”政策刺激了德国光伏市场的快速发展，使得德国市场的总装机容量从2006年至今一直稳居全球首位。

(2)日本：日本于1974年开始制定光伏发电“阳光计划\，投资5亿美元，一跃成为世界太阳能电池的生产大国，1994年提出住宅用太阳光发电系统技术规程，也称“朝 日七年计划”，计划到2000年推广16．2万套太阳能光伏屋顶，现已完成。1997年又宣 布7万光伏屋顶计划，2010到年将安装7600MW发电能力的太阳能电池。日本政府2008 年11月发布了“太阳能发电普及行动计划\，确定太阳能发电量到2030年的发展目标 是要达到2005年的40倍，并在3．5年后，太阳能电池系统的价格将降至目前的一半左 右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。

(3)美国：美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶”计 划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到3000MW以上，美国连续三年光伏产业均高于30％的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励。2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策(ITC)续延2-6年。预计2008～20lO年美国新增光伏装机容量将增2600MW。

西班牙、瑞士、法国、意大利、荷兰等国也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度等发展中国家，也制定了国家的光伏发展计划，而且发展迅速。

世界光伏发电高速发展，光伏的装机量也在大幅上升，如图1-1所示。从2001年至 今，世界光伏总装机量年增幅保持在25％~40％之间，截至2010年已经突破20000MW，从世界经济角度看，太阳能光伏发电绝对是一项有发展前景，值得研究的课题。 1.2.2 国内光伏发电产业发展现状及其趋势

我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国太阳能光伏发电技术开始于20世纪70年代，开始时主要用于空间。70年代中期后，光伏发电应用逐渐扩大到地面并形成了我国的光伏产业。光伏发电在改善人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在21世纪可持续发展中发挥更大作用。技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距

光伏瓦光伏系统的性能研究

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在不断缩小。

图1-1 全球光伏累计装机容量及其增速

在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公‘生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。 近期我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。目前，国内光电池硅片的生产能力己达4．5MW，在西藏7个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的100kW。2002年光伏系统累计装机容量仅40MW，而2004年深圳市已建成870kW光伏发电系统，是目前我国最大的城市光伏景观工程。2003年国内光伏电池的生产能力约20MW，但实际生产量仅仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1％左右。从2000-2002年，特别是2002年基本解决了全国近800个无电乡的乡政府用电问题。规模如此之大，在国际上也是空前的。在接下来的2-3年内，我国解决了11592个自然村和16889个行政村的用电问题。由于所有的这些村庄都处于偏远地区．十分分散，只能建造独立的太阳能发电系统，在2002~2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程”项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10％。在“九五”和“十五”攻关计划中初步开展了屋顶并网光伏发电系统的技术开发和试点示范研究，并取得进展。在深圳和北京分别建成了100kWp、50kWp、17kWp、7kWp和5kWp的光伏屋顶并网发电系统并成功实现了并网发电。表1-3[1]列举了我国光伏产业发展历程中的一些重要事件。

北京申办2008年奥运会，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想。

[7]

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年份 1958 1971 80年代 “75”期间

2002

2004 2005 2007 2008 2009

成就

开始对光伏电池的生产和应用进行研究 成功的将光伏电池应用到东方红二号卫星上

光伏组件年产量IOKW左右，建立示范工程如微波中继站、军队通信系统、小型用户

及偏远地区用独立光伏发电系统

加大对光伏发电系统的研究和生产的投入，从国外引进多条光伏电池生产线，生产

能力从原来每年lOkW发展到每年4．5MW

“西部省区无电乡通电计划”启动，共计安装了16．5姗的光伏发电系统，西部780

个乡的无电问题得到解决

广东首座总容量为兆瓦的太阳能发电系统在深圳通过验收 甘肃《敦煌兆8瓦并网光伏发电系统建设预可行性报告》通过专家评审 上海有关部门制订(2005-2007年上海开发利用太阳能行动计划》

甘肃敦煌IOMW光伏电站、青海柴达木佣级光伏电站、云南166MW光伏电站等启动

中国财政部颁发了‘太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法’

表1-3 国内光伏产业的发展简列

要把2008年奥运会办成最成功的一届奥运会，光伏发电应用必然要担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。2008年北京奥运会将建成多个50kW～150kW的光伏发电系统，场馆周围80％的路灯以及部分场馆的照明与空调将利用太阳能电池供电。上海2010年世界博览会已在规划总量1MW～10MW的城市光伏发电系统，还有旨在解决8000万边远地区居民无电缺电问题的国家光明工程、家用太阳能光伏电源系统、乡村太阳能光伏电站、青藏铁路工程光伏电源系统、通信用光伏电源系统等。

综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，世界光伏产业每年以31％的速度发展，而我国每年只有15％的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存[8]。

1.3 太阳能光伏发电系统的原理、组成及分类

1．3．1 太阳能光伏发电系统的原理

太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原 理是利用太阳电池半导体材料的光生伏打效应，将太阳光辐射能直接转换为电能。当太 阳光(或其它光)照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子——空穴对。在 电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生 “光生电压\，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则

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负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以 付诸实用的电能。

1．3．2 太阳能光伏发电系统的组成

本文采用是独立式光伏发电系统，其结构框图如图1-4[4]：

图1-4 独立式光伏发电系统结构图

（1）太阳能电池阵列

太阳能电池阵列一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池阵列分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。 （2）蓄电池组

蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵除了供给负载用电外，还要给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电)，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。

当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如果过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时逆变器自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。 （3）控制器

在不同的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少和复杂程度差别很大，需

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