家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)編號(hào)：12321101本科畢業(yè)論文家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院系：電子科學(xué)與工程系姓名：學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)：年級(jí)：指導(dǎo)教師：職稱(chēng)：完成日期：PAGEIV摘要20世紀(jì)70年代后，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽(yáng)能利用的一個(gè)重要組成部分，并被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N發(fā)電方式。研究便于普及型的家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染以及減小溫室效應(yīng)具有重要的意義。首先通過(guò)計(jì)算得出駐馬店地區(qū)太陽(yáng)能光伏方陣的最佳傾角及相應(yīng)斜面上的歷年逐月的日均太陽(yáng)能輻射量，然后再利用計(jì)算出的相關(guān)太陽(yáng)能數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算選出了該家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的各主要設(shè)備的參數(shù)和規(guī)格，同時(shí)對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，選出了最佳的光伏方陣和蓄電池容量，最后對(duì)系統(tǒng)整體造價(jià)、每日發(fā)電量、節(jié)約能源進(jìn)行計(jì)算，說(shuō)明家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的巨大的社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；家庭式太陽(yáng)能；太陽(yáng)輻射；最佳傾角

AbstractAfter

the1970s,

solarphotovoltaic

powergeneration

intheworld

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and

made??considerableprogress.

Solarphotovoltaictechnology

as

the

utilizationofsolarenergy

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of

the

twenty-firstcentury

themostdevelopmentpotential.

Researchonphotovoltaicsolarpowergenerationsystems

to

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and

reducethegreenhouseeffect

isofgreatsignificance.Inthispaper,

calculated

Zhumadianarea

solar

photovoltaicarray,

theoptimumtiltangle

and

the

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calendaryear

monthly

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solar

radiation,theuse

of

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data

furthercalculation

to

elect

a

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of

the

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andspecificationsof

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the

best

ofthe

PVarrayand

batterycapacity,andfinalnoteoftheenormoussocialbenefitsofhomesolarpowersystem.Keywords:

Photovoltaic;

Home

solar;

Solarradiation;

Theoptimumtiltangle目錄1緒論 11.1選題的背景意義和價(jià)值 11.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用的現(xiàn)狀 21.2.1國(guó)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用狀況 21.2.2國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用狀況 31.2.3家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀 41.2.4本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容 42家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的原理和組成 62.1家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的原理 62.2家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成 62.2.1太陽(yáng)能電池方陣 72.2.2防反充二極管 92.2.3蓄電池組 92.2.4控制器 102.2.5逆變器 103家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 123.1家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)步驟 123.2光伏方陣最佳傾角計(jì)算 133.3家庭日用電負(fù)荷計(jì)算 153.4電池組件的確定 163.5蓄電池容量的確定 163.6逆變器和控制器的確定 173.7太陽(yáng)能組件安裝設(shè)計(jì) 173.8家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效益分析 193.8.1系統(tǒng)的投資預(yù)算 193.8.2系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益 203.8.3系統(tǒng)的社會(huì)效益 214總結(jié)與展望 22參考文獻(xiàn) 24致謝 25附錄 26PAGE291緒論1.1選題的背景意義和價(jià)值隨著常規(guī)能源的大量消耗，使得可再生能源越來(lái)越多的受到21世紀(jì)人類(lèi)的關(guān)注。對(duì)能源資源消耗所引發(fā)的氣候變化等一系列問(wèn)題，不僅是對(duì)中國(guó)提出的挑戰(zhàn)，也是對(duì)世界提出的挑戰(zhàn),能源短缺使太陽(yáng)能光伏發(fā)電越來(lái)越受青睞。太陽(yáng)能之所以受到世界各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注主要是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：(1)太陽(yáng)的歷史壽命長(zhǎng)，與人類(lèi)的歷史(約30萬(wàn)年)相比，太陽(yáng)具有很長(zhǎng)的壽命，所以對(duì)人類(lèi)來(lái)講,太陽(yáng)能幾乎是無(wú)限的能源：(2)太陽(yáng)是十分強(qiáng)大的能源供應(yīng)體，太陽(yáng)光40min內(nèi)賜予地球的能量如果能夠都為人類(lèi)所利用的話(huà)，估計(jì)就能滿(mǎn)足全世界一年的能源消耗；(3)太陽(yáng)能不會(huì)造成環(huán)境污染、能源損失等社會(huì)問(wèn)題；(4)能量獲取簡(jiǎn)單直接，在使用現(xiàn)場(chǎng)就能從太陽(yáng)光獲得能量。1839年，法圍科學(xué)家貝克雷爾(Bccquml)發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為“光生伏打效應(yīng)”簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應(yīng)”。1954年，美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾挫在美圈貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)電池，誕生了將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中，太陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域之，也是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有水電、火電、核電所不能比擬的清潔性、安全性、普及性等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)進(jìn)步，光伏發(fā)電技術(shù)已可用于任何需要電力且有光照的場(chǎng)合。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2020年，全球光伏發(fā)電量將占總發(fā)電量的2％。最近5年，德國(guó)、西班牙、日本等許多國(guó)家都在鼓勵(lì)發(fā)展包括太陽(yáng)能光伏在內(nèi)的可再生能源，光伏電池產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率超過(guò)40％，迅速“發(fā)酵”的國(guó)際市場(chǎng)也拉動(dòng)了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已經(jīng)成為全球第一大光伏電池生產(chǎn)國(guó)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但將替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30％以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10％以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50％以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20％以上；到2l世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80％以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60％以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位[1]。中國(guó)已成為繼美國(guó)之后的世界第二大電力消費(fèi)大國(guó)，但電力對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約作用已開(kāi)始顯現(xiàn)，國(guó)內(nèi)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的企業(yè)亟待進(jìn)行節(jié)電改造。隨著人們生活水平不斷提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和交流日益頻繁與擴(kuò)大，生活用電量不斷增加，如何充分利用電力、節(jié)約電能、保障電力品質(zhì)，已經(jīng)成為我國(guó)亟待解決的問(wèn)題，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電必定是最好的選擇。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電在人們生活中被逐步認(rèn)識(shí)和大量應(yīng)用，廣泛使用綠色能源對(duì)減少二氧化碳和其它有毒氣體的排放，防治大氣污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。因此，研究開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電的綠色能源具有強(qiáng)烈的緊迫性。1.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用的現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用狀況在化石能源日益稀缺的背景下，各國(guó)均大力發(fā)展太陽(yáng)能利用，其中日本、歐洲國(guó)家(德國(guó))和美國(guó)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源消耗大的國(guó)家起步較早，在技術(shù)和應(yīng)用上都處于領(lǐng)先地位。由于太陽(yáng)能發(fā)電成本較傳統(tǒng)能源高，因此需要政府給予政策扶持。從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，歐美、日本等國(guó)家紛紛實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，在太陽(yáng)能發(fā)電的價(jià)格、稅收、發(fā)展基金等方面給予較大優(yōu)惠，同時(shí)，在政府資助下，歐洲一些高水平的研究機(jī)構(gòu)也加大了太陽(yáng)能利用的研究。歐美、日本等國(guó)家還制定了長(zhǎng)期的能源發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)太陽(yáng)能的發(fā)展進(jìn)行了長(zhǎng)期規(guī)劃。1997年6月美國(guó)提出“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，計(jì)劃到2010年將在100萬(wàn)個(gè)屋頂或建筑物其他可能的部位安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)。歐洲也于1997年左右也宣布了百萬(wàn)屋頂計(jì)劃，其中，在太陽(yáng)能利用領(lǐng)域領(lǐng)先的德國(guó)聯(lián)合政府在歐洲百萬(wàn)屋頂?shù)目蚣芟掠?998年10月提出了計(jì)劃——在6年內(nèi)安裝10萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)，總?cè)萘吭?00-500MW，每個(gè)屋頂約3-5KW。日本政府的計(jì)劃目標(biāo)是，到2010年安裝500MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]。在各國(guó)政府的扶持下，世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，1995-2005年間，全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量增長(zhǎng)了17倍。2005年，全球太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達(dá)到了1650MW，累計(jì)裝機(jī)發(fā)電容量超過(guò)5GW，其中，日本太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到762MW，增長(zhǎng)率為27%；歐洲產(chǎn)量增加48%，達(dá)到了464MW；美國(guó)增加12%，達(dá)到了156MW；世界其他地區(qū)增加96%，達(dá)到了274MW。我們預(yù)計(jì)，2010年全球太陽(yáng)能電池的年產(chǎn)量有望達(dá)到10400MW，較2005年的年產(chǎn)量增長(zhǎng)6.3倍；整個(gè)行業(yè)的銷(xiāo)售收入有望在2005-2010年間，從130億美元提高至450億美元，在未來(lái)5年內(nèi)增長(zhǎng)3.5倍。同時(shí)，受益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)效率和工藝水平的提高，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成本都有望下降，行業(yè)利潤(rùn)率有望保持在較高水平上。到2010年年末，歐洲累計(jì)安裝29617.145MW，占世界光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?4.5%。以國(guó)家而論，世界最大的光伏發(fā)電國(guó)家是德國(guó)，2010年末裝機(jī)容量高達(dá)17320MW，占世界份額的43.5%；西班牙和日本裝機(jī)容量分別為3892MW和3617.2MW，占世界的份額為9.8%和9.1%；意大利、美國(guó)分居世界第四和第五位，占世界的份額為8.8%和6.3%。從世界范圍來(lái)講，光伏發(fā)電已經(jīng)完成了初期開(kāi)發(fā)和示范階段，現(xiàn)在正在向大批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，從最早作為小功率電源發(fā)展到現(xiàn)在作為公共電力的并網(wǎng)發(fā)電，其應(yīng)用范圍也已遍及幾乎所有的用電領(lǐng)域。1.2.2國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用狀況我國(guó)1958年開(kāi)始研究太陽(yáng)電池，于1971年成功地首次應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星上，1973年開(kāi)始將太陽(yáng)電池用于地面一天津港的航標(biāo)燈。1979年開(kāi)始用半導(dǎo)體工業(yè)的次品硅生產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)電池，使太陽(yáng)電池成本明顯下降，打開(kāi)了地面應(yīng)用的市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)太陽(yáng)電池面積小，采用真空蒸鍍銀鋁的方法制作太陽(yáng)電他的電極。80年代中期，引進(jìn)國(guó)外太陽(yáng)電池生產(chǎn)線(xiàn)或關(guān)鍵設(shè)備，使我國(guó)太陽(yáng)電池生產(chǎn)能力達(dá)4.5MW。2005年后，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無(wú)錫尚德、天威英利、新光硅業(yè)、賽維LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司紛紛進(jìn)入成長(zhǎng)期，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平不斷提高，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)，年太陽(yáng)能輻射總量高于每平方米1389千瓦時(shí)的一、二、三類(lèi)地區(qū)約占全國(guó)總面積的三分之二以上，具有太陽(yáng)能利用的良好礎(chǔ)。我國(guó)地域遼闊，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，西部地區(qū)盡管具有豐富的電力資源，但是由于受到地理環(huán)境、交通和環(huán)境保護(hù)等因素制約，從經(jīng)濟(jì)角度考慮常規(guī)電力無(wú)法進(jìn)入，使得這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人們的生活環(huán)境極其落后，國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，給這一地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了活力。正在實(shí)施的“光明工程”解決了部分無(wú)電鄉(xiāng)生活、辦公、學(xué)校用電問(wèn)題，使一大批農(nóng)牧民結(jié)束了無(wú)電的歷史，改善了生活質(zhì)量。隨著我國(guó)對(duì)可再生能源扶持力度的逐步加大，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)取得了很大的進(jìn)展。2008年我國(guó)首座太陽(yáng)能發(fā)電一體化建筑的大廈在河北保定市正式投入運(yùn)營(yíng)，總裝機(jī)容量可達(dá)0.3MW，相當(dāng)于一個(gè)小型發(fā)電站，發(fā)出來(lái)的電不僅供大廈使用，還可直接并入電網(wǎng)。此座建筑大面積、多角度采用了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，安裝并網(wǎng)容量達(dá)0.3MW，不僅能滿(mǎn)足大樓群的公共照明，而且能夠并網(wǎng)發(fā)電。我國(guó)一些知名高校也成立的太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)室，如河南省黃淮學(xué)院2009年建成的的太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)室，充分利用學(xué)校建筑面積總裝機(jī)量達(dá)到了2MW，經(jīng)升壓變壓后直接并與電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能互補(bǔ)利用。如除此之外，海南省也力爭(zhēng)打造“光伏島”等。到2010年，中國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到8GW，成為全球第一大光伏制造基地，占全球50%的產(chǎn)量，但國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)安裝量?jī)H約50MW，光伏系統(tǒng)的累積裝機(jī)容量?jī)H約1GW，相當(dāng)于世界當(dāng)年安裝量的0.5%和世界累計(jì)安裝量的2.2%。其中：農(nóng)村電氣化（包括道路照明）累計(jì)裝機(jī)容量400MW，通訊和工業(yè)應(yīng)用300MW，光伏產(chǎn)品（路燈、草坪燈、城市景觀、LED照明、交通信號(hào)等）30MW，并網(wǎng)光伏發(fā)電270MW。所以，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)急需更更廣泛的推廣應(yīng)用。國(guó)家科技部最近發(fā)布的《太陽(yáng)能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》提出“十二五”期間，要實(shí)現(xiàn)光伏技術(shù)的全面突破，促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電的規(guī)?；瘧?yīng)用，初步建立太陽(yáng)能發(fā)電國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)產(chǎn)品檢測(cè)平臺(tái)，形成我國(guó)完整的太陽(yáng)能技術(shù)研發(fā)、裝備制造、系統(tǒng)集成、工程建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)服務(wù)體系[3]。發(fā)展改革委能源研究所副所長(zhǎng)李俊峰認(rèn)為，今后5-l0年內(nèi)，我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用一方面還將以戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)和建設(shè)小型光伏電站為主，來(lái)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電村和無(wú)電戶(hù)的供電問(wèn)題，另一方面，要借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展屋頂系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，在大中城市的道路、公園、車(chē)站等公共設(shè)施照明中推廣使用。1.2.3家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)階段主要是用于無(wú)電、缺電的人口通電。至2010年底，已有大約75萬(wàn)套家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入用戶(hù)家庭。在這些用戶(hù)之中，大多數(shù)都是牧區(qū)的牧民家庭，這些家庭的通電水平還比較低，一般只能滿(mǎn)足基本的照明需要。除此以外，還有林區(qū)和農(nóng)區(qū)的農(nóng)戶(hù)和養(yǎng)蜂戶(hù)以及無(wú)電的公路道班、學(xué)校、商店等小單位以在使用家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，還有一些缺電地區(qū)的城鎮(zhèn)居民，也成為家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶(hù)。如果這些家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的保有量按80%計(jì)，加上國(guó)家光明工程和送電到鄉(xiāng)工程的光伏電站，中國(guó)目前至少有100萬(wàn)戶(hù)家庭主要依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)解決基本的生活照明用電[3]。到2010年底，中國(guó)的光伏發(fā)電市場(chǎng)累計(jì)安裝量達(dá)到70MW，其中約43%為農(nóng)村電力建設(shè)方面的應(yīng)用，而全國(guó)大約還有300萬(wàn)無(wú)電戶(hù)，估計(jì)其中至少還有150萬(wàn)戶(hù)需要在今后的十年內(nèi)采用光伏或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)解決。由于居住條件的限制，輸電設(shè)備很難到達(dá)，他們中的大多數(shù)只能采用分散的供電方式，即采用家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。而許多已經(jīng)用上光伏系統(tǒng)的用戶(hù)也將升級(jí)換代，提高用電水平。因此，研究家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)有著很現(xiàn)實(shí)的意義。1.2.4本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電價(jià)格不斷下降及國(guó)家相關(guān)政策的支持，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)迎來(lái)了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，但是我國(guó)目前投入較大的是大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)獨(dú)立型小功率太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的研究很少，尤其是對(duì)完整的家庭式太陽(yáng)能系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)更少，然而家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)靈活性和經(jīng)濟(jì)性都大大優(yōu)于大型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，有利于廣泛普及。現(xiàn)本人計(jì)劃設(shè)計(jì)一套完整的功率約為2KW的普通家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，每天發(fā)電量約為8kW.h,能滿(mǎn)足普通家庭用戶(hù)日常的用電需求，可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶(hù)用電困難的問(wèn)題，更重要的是它還有很好的社會(huì)效益。一套微型的300W太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，每年大約發(fā)電量250kW.h，每年減少發(fā)電消耗標(biāo)準(zhǔn)煤100KG，減少向大氣排放二氧化碳300KG，減少二氧化硫6.88KG，廣泛推廣必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。此外該系統(tǒng)還可以有效地利用建筑屋頂，節(jié)約寶貴的土地資源，太陽(yáng)能發(fā)電陣列一般可安裝在屋頂及墻面上直接吸收太陽(yáng)能，發(fā)電2家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的原理和組成2.1家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的原理太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是太陽(yáng)能電池，又叫光伏電池。太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光（或其他光）照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子——空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過(guò)，從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。2.2家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成一般來(lái)說(shuō)，家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。太陽(yáng)能電池組件太陽(yáng)能電池組件控制器逆變器蓄電池交流負(fù)載直接供LED燈12/24/48VDC 110/220VAC圖2-1家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖太陽(yáng)能電池組件是整個(gè)系統(tǒng)能源的來(lái)源，它把照射到其表面的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能；控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運(yùn)行；蓄電池的功能在于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池陣列受光照時(shí)所發(fā)出的電能并在無(wú)光照時(shí)向負(fù)載供電；逆變器是將直流電變換為交流電的設(shè)備，由于太陽(yáng)能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當(dāng)系統(tǒng)向交流負(fù)載供電時(shí)，逆變器是不可缺少的。2.2.1太陽(yáng)能電池方陣通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接的太陽(yáng)能電池被密封成的物理單元被稱(chēng)為太陽(yáng)能電池組件，具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為2cm2cm到15cm15cm不等。太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為0.45～1.5V，工作電流約為20～25mA/cm2,一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)能單體進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾百瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過(guò)串并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿(mǎn)足負(fù)載所要求的輸出功率[4]。（1）太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介一個(gè)太陽(yáng)能電池只能產(chǎn)生大約0.45V電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，須把太陽(yáng)能電池連接成組件。太陽(yáng)能電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池，這些太陽(yáng)能電池通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接。一個(gè)組件上，太陽(yáng)能電池組件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36或40個(gè)（10cm×10cm），這意味著一個(gè)太陽(yáng)能電池組件大約能產(chǎn)生16V的電壓，正好能為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效的充電。（2）太陽(yáng)能電池的封裝類(lèi)型太陽(yáng)能電池的可靠性在很大程度上取決于防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力。其潛在的質(zhì)量問(wèn)題是邊沿的密封以及組件背面的接線(xiàn)盒。太陽(yáng)能電池的封裝方式主要有以下兩種：①雙面玻璃密封。太陽(yáng)能電池組件的正反兩面均是玻璃板，太陽(yáng)能電池被鑲嵌在一層聚合物中。這種密封方式存在的一個(gè)主要問(wèn)題是玻璃板與接線(xiàn)盒之間的連接。這種連接不得不通過(guò)玻璃板的邊沿，因?yàn)樵谶@種玻璃板上打孔是很昂貴的。②玻璃合金層疊密封。這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽(yáng)能電池組件中，電池與接線(xiàn)盒之間可用導(dǎo)線(xiàn)連接[5]。（3）太陽(yáng)能電池的電氣特性。組件的電氣特性主要是指電壓—電流特性，也稱(chēng)為V-I曲線(xiàn)，如圖2-2所示。V-I曲線(xiàn)顯示了通過(guò)太陽(yáng)能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。如果太陽(yáng)能電池組件電路短路即V=0，此時(shí)的電流稱(chēng)為短路電流Isc；如果電路開(kāi)路即I=0，此時(shí)的電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓Voc.太陽(yáng)能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=VI。當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的電壓上升時(shí)，例如通過(guò)增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從0（短路條件下）開(kāi)始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從0開(kāi)始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，IIVmVocISCImPmV圖2-2太陽(yáng)能電池V-I特性曲線(xiàn)（I－電流；Isc－短路電流；Im－最大工作電流；V－電壓；Voc－開(kāi)路電壓；Vm－最大工作電壓；Pm－最大功率；）功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將躍過(guò)最大點(diǎn)，并逐漸減少至0，即電壓達(dá)到開(kāi)路電壓Voc。在組件的輸出功率達(dá)到最大的點(diǎn)，稱(chēng)為最大功率點(diǎn)；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱(chēng)為最大功率點(diǎn)電壓Vm（又稱(chēng)為最大工作電壓）；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱(chēng)為最大功率點(diǎn)電流Im(又稱(chēng)為最大工作電流)；該點(diǎn)的功率，稱(chēng)為最大功率Pm。（4）性能測(cè)試由于太陽(yáng)能電池組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)光譜分布和太陽(yáng)能電池溫度，因此太陽(yáng)能電池組件的測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（STC）進(jìn)行，測(cè)量條件被歐洲委員會(huì)定義為101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：光譜輻照度，1000W/m2；光譜，AM1.5；電池溫度，25℃。在該條件下，太陽(yáng)能電池組件所輸出的最大功率被稱(chēng)為峰值功率，表示為Wp。在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽(yáng)能模擬器測(cè)定并與國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的太陽(yáng)能電池進(jìn)行比較。在戶(hù)外測(cè)量太陽(yáng)能電池組件的峰值功率是很困難的，因?yàn)樘?yáng)能電池組件所接受到的太陽(yáng)光的實(shí)際光譜取決于大氣條件及太陽(yáng)的位置；此外，在測(cè)量的過(guò)程中，太陽(yáng)能電池的溫度也是不斷變化的。在戶(hù)外測(cè)量的誤差很容易達(dá)到10%或更大[6]。（5）熱斑效應(yīng)和旁路二極管在一定的條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽(yáng)能電池組件將被當(dāng)作負(fù)載，消耗其他被光照的太陽(yáng)能電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮擋的太陽(yáng)能電池組件此時(shí)將會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能很?chē)?yán)重地破壞太陽(yáng)能電池。有光照的太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的太陽(yáng)能電池所消耗。為了防止太陽(yáng)能電池由于熱斑效應(yīng)而被破壞，需要在太陽(yáng)能電池組件正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。（6）連接盒連接盒是一個(gè)很重要的元件，它保護(hù)太陽(yáng)能電池與外界的交界面及各組件內(nèi)部連接的導(dǎo)線(xiàn)和其他系統(tǒng)元件。它包含1個(gè)接線(xiàn)盒和1只或2只旁路二極管。（7）可靠性和使用壽命考察太陽(yáng)能電池組件可靠性的最好方式是進(jìn)行野外測(cè)試，但這種測(cè)試需經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間。為能用較低的費(fèi)用在相似的工作條件下以較短的時(shí)間測(cè)量出可靠性，一種新型的測(cè)試方法正在發(fā)展之中，即加速使用壽命測(cè)試方法。這種測(cè)試方法，主要是依據(jù)野外測(cè)試和過(guò)去所執(zhí)行的加速度測(cè)試之間的關(guān)聯(lián)度，并基于理論分析和參照其他電子測(cè)量技術(shù)以及國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)太陽(yáng)能光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（IEC/TC82）而設(shè)計(jì)的。在IEC規(guī)范的503條中描述了一整套可靠性的測(cè)試方法。這一規(guī)范包含如下測(cè)試內(nèi)容：UV照明測(cè)試；高溫暴露測(cè)試；高溫/高濕測(cè)試；框架扭曲度測(cè)試；機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試；冰雹測(cè)試；溫度循環(huán)測(cè)試。太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)中的太陽(yáng)能電池組件的期望使用壽命至少是25年，具體壽命決定于太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)性能和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件。2.2.2防反充二極管又稱(chēng)阻塞二極管。其作用是避免由于太陽(yáng)能電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電時(shí)或出現(xiàn)短路故障時(shí)蓄電池組通過(guò)太陽(yáng)能電池方陣放電。它串聯(lián)在太陽(yáng)能電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔?。要求其能承受足夠大的電流，而且正向電壓降要小，反向飽和電流要小，其耐壓一定要比被充電的電池電壓高，否則電池就會(huì)被擊穿。蓄電池電壓要按最高電壓計(jì)算，電池充滿(mǎn)時(shí)的電壓約為標(biāo)稱(chēng)的1.2倍。為了防止意外，應(yīng)留出余量，一般取最大值的1.414倍。2.2.3蓄電池組目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常使用蓄電池實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，常用蓄電池屬于電化學(xué)電池。蓄電池在充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)載使用。一般來(lái)講，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)白天把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)充電器和蓄電池把電能儲(chǔ)存起來(lái)，晚上再通過(guò)放電器把儲(chǔ)存在蓄電池里的電能放出來(lái)使用。太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)對(duì)所用蓄電池組的要求是：①自放電率低；②使用壽命長(zhǎng)；③深放電能力強(qiáng)；④充電效率高；⑤少維護(hù)或免維護(hù)；⑥工作溫度范圍寬；⑦價(jià)格低廉。目前我國(guó)與太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)免維護(hù)鉛酸蓄電池；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護(hù)鉛酸蓄電池[7]。2.2.4控制器是家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的控制器一般應(yīng)具備如下功能：①信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)各種裝置和各個(gè)單元的狀態(tài)和參數(shù)，為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行判斷、控制、保護(hù)等提供依據(jù)。需要檢測(cè)的物理量有輸入電壓、充電電流、輸出電壓、輸出電流以及蓄電池溫升等。②蓄電池最優(yōu)充電控制?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前太陽(yáng)能資源情況和蓄電池荷電狀態(tài)，確定最佳充電方式，以實(shí)現(xiàn)高效、快速地充電，并充分考慮充電方式對(duì)蓄電池壽命的影響。③蓄電池放電管理。對(duì)蓄電池放電過(guò)程進(jìn)行管理，如負(fù)載控制自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)、實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、防止負(fù)載接入時(shí)蓄電池端電壓突降而導(dǎo)致的錯(cuò)誤保護(hù)等。④設(shè)備保護(hù)。光伏系統(tǒng)所連接的用電設(shè)備，在有些情況下需要由控制器來(lái)提供保護(hù)，如系統(tǒng)中因逆變電路故障而出現(xiàn)的過(guò)壓和負(fù)載短路而出現(xiàn)的過(guò)流等，如不及時(shí)加以控制，就有可能導(dǎo)致光伏系統(tǒng)或用電設(shè)備損壞。⑤故障診斷定位。當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)檢測(cè)故障類(lèi)型，指示故障位置，為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)提供方便。⑥運(yùn)行狀態(tài)指示。通過(guò)指示燈、顯示器等方式指示光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。2.2.5逆變器逆變器是將直流電變換成交流電的設(shè)備。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是不可缺少的。對(duì)逆變器的基本要求是：①能輸出一個(gè)電壓穩(wěn)定的交流電。無(wú)論是輸入電壓出現(xiàn)波動(dòng)，還是負(fù)載發(fā)生變化，它都要達(dá)到一定的電壓穩(wěn)定精度，靜態(tài)時(shí)一般為2%。②能輸出一個(gè)頻率穩(wěn)定的交流電。要求該交流電能達(dá)到一定的頻率穩(wěn)定精度，靜態(tài)時(shí)一般為0.5%。③輸出的電壓及其頻率在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。一般輸出的電壓可調(diào)范圍為5%，輸出頻率可調(diào)范圍為2Hz。④具有一定的過(guò)載能力，一般能過(guò)載125%～150%。當(dāng)過(guò)載150%時(shí)，應(yīng)能持續(xù)30s；當(dāng)過(guò)載125%時(shí)，應(yīng)能持續(xù)1min及以上。⑤輸出電壓波形含諧波成分應(yīng)盡量小。一般輸出波形的失真率應(yīng)控制在7%以?xún)?nèi)，以利于縮小濾波器體積。⑥具有短路、過(guò)載、過(guò)熱、過(guò)電壓、欠電壓等保護(hù)功能和報(bào)警功能。⑦起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。⑧換流損失小，逆變頻率高，一般在90%以上。⑨具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[8]。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。逆變器按輸出波形又可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器，電路簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器，成本高，但可以適用于各種負(fù)載。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，晶體管正弦波（或準(zhǔn)正弦波）逆變器將成為發(fā)展的主流。3家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)建設(shè)地點(diǎn)地理及氣象條件，如：緯度，經(jīng)度，海拔高度，年最高、最低氣溫和月平均氣溫，年分月太陽(yáng)輻射量，年日照時(shí)數(shù)，年最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，年平均風(fēng)速及極限風(fēng)速，災(zāi)害性地質(zhì)及氣候情況系統(tǒng)建設(shè)地點(diǎn)地理及氣象條件，如：緯度，經(jīng)度，海拔高度，年最高、最低氣溫和月平均氣溫，年分月太陽(yáng)輻射量，年日照時(shí)數(shù)，年最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，年平均風(fēng)速及極限風(fēng)速，災(zāi)害性地質(zhì)及氣候情況計(jì)算太陽(yáng)能電池方陣最佳傾角(β)用電負(fù)載的特點(diǎn)及要求，允許的失電小時(shí)數(shù)，允許的輸電電壓初步確定太陽(yáng)能電池方陣尺寸、額定功率、組件串并聯(lián)數(shù)及組合方式確定蓄電池組容量及串并聯(lián)方式計(jì)算確定控制器的規(guī)格型號(hào)計(jì)算確定逆變器的規(guī)格型號(hào)計(jì)算出整體系統(tǒng)的報(bào)價(jià)清單家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析圖3-1家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟框圖如圖3-1為家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟框圖。家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)先于硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池和蓄電池容量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。硬件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載的選型及必要的設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池和蓄電池的選型，太陽(yáng)能電池支架的設(shè)計(jì)，逆變器的選型和設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)。由于軟件設(shè)計(jì)牽涉到復(fù)雜的太陽(yáng)能輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔等；安裝地點(diǎn)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量及散輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無(wú)法做出長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，只能以過(guò)去10年到20年的平均值作為依據(jù)。另外，從氣象部門(mén)得到的資料，一般只有水平面的太陽(yáng)輻射量，實(shí)際使用時(shí)必須設(shè)法換算到相應(yīng)陣列傾斜面上的輻射量。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)可能并不類(lèi)似于附近的城市，可采用鄰近某個(gè)城市的氣象資料或類(lèi)似地區(qū)氣象觀測(cè)站所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)推。3.2光伏方陣最佳傾角計(jì)算由于太陽(yáng)光照射到地面的角度時(shí)時(shí)刻刻都在變化，而太陽(yáng)能電池只有在日光直射的時(shí)候發(fā)電的效率是最高的，因此太陽(yáng)能電池方陣布置有兩種方法:一種是安裝向日跟蹤系統(tǒng);另外一種是根據(jù)計(jì)算確定最佳安裝角度安裝太陽(yáng)能電池方陣。前者可以提高太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率，但成本很高，后一種雖然效率沒(méi)有前者高，但建設(shè)成本較低，綜合考慮采用第二種方法。（1）計(jì)算方法[9]根據(jù)天空散射各向異性模型的計(jì)算方法，在緯度為φ處，傾角為β的斜面上，其太陽(yáng)輻射量為：（3-1）式中：Hb和Hd分別為水平面上直接和散射輻射量；Rb為傾斜面與水平面上直接輻射量之比；H0為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量。對(duì)于朝向赤道的斜面：Rb=（3-2）式中δ是太陽(yáng)赤緯角，可由Cooper方程近似計(jì)算：（3-3）式中N為一年中的日期序號(hào)，根據(jù)《SolarEngineeringofThermalProcesses》EditedbyJohnA.DuffieandWilliamA.Beckman推薦各月所取的典型日期見(jiàn)表3-1。式中ωS和ωST分別為水平面和傾斜面上日出時(shí)角，（3-4）（3-5）表3-1各月所取的典型日期月份123456789101112日期171616151511171615151410N174775105135162198228258288318344由（3-1）于（3-5）可由下式求出：（3-6）式中ISC=1367W/m2為太陽(yáng)能常數(shù)。（3-1）式中ρ為地物表面反射率。一般情況下，最后一項(xiàng)地面反射輻射量很小，只占HT的百分之幾。式中H為水平面上總輻射量。ρ為地面反射率，范圍大致為0.2～0.7，通常取ρ=0.2。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傾角的計(jì)算結(jié)果精確到1°已經(jīng)足夠。具體計(jì)算過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，為此可利用計(jì)算機(jī)軟件，只要輸入安裝地點(diǎn)的太陽(yáng)輻射資料及地理緯度等數(shù)據(jù)，即可算出任意傾角下的平均日輻射量，最后確定當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角及各月平均日輻射量[10]。（2）平均峰值日照時(shí)數(shù)計(jì)算由太陽(yáng)能電池傾斜面方陣上有輻射資料的歷年逐月日平均太陽(yáng)能輻射量可求出全年平均日太陽(yáng)輻射量HT,，并用單位mWh/cm2表示，除以標(biāo)準(zhǔn)日太陽(yáng)輻射照度，即可求出平均峰值日照時(shí)數(shù)T0，如式（3-7）所示。（3-7）（3）駐馬店地區(qū)的氣象資料駐馬店位于河南中南部，北接漯河，南鄰信陽(yáng)，地處淮河上游的丘陵平原地區(qū)。位于北緯32°18′—33°15′，東經(jīng)113°10′—115°12′，地處亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，具有亞熱帶與暖溫帶的雙重氣候特征，是典型的季風(fēng)型半濕潤(rùn)氣候。主要特點(diǎn)是：季風(fēng)分明、四季分明、溫濕適中、雨熱同季。年平均太陽(yáng)輻射總量112～120千卡/平方厘米，年平均日照時(shí)數(shù)約為2000～2200小時(shí)。全年平均氣溫15℃，極端最低氣溫-21℃，極端最高氣溫達(dá)44℃。全市多年平均降水量為920mm，南部多于北部，西部多于東部。常年主導(dǎo)風(fēng)向冬季為西北風(fēng)和北風(fēng)，夏季為東南風(fēng)和南風(fēng)，最大風(fēng)速為25米/秒。表3-2駐馬店市(1998-2008)年平均基本氣候資料駐馬店基本氣候情況（據(jù)1998-2008年資料統(tǒng)計(jì)）月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均溫度（℃）15.420.625.427.226.021.516.09.33.5平均最高溫度（℃）6.48.913.721.226.430.831.930.926.921.814.88.9極端最高溫度（℃）21.825.530.635.137.740.040.540.638.834.330.121.7平均最低溫度（℃）-2.8-22.3-0.8極端最低溫度（℃）-18.0-18.1-10.0-1.24.410.716.014.48.5-1.5-8.7-14.8平均降水量（毫米）21.425.051.358.284.3130.0194.4180.5106.771.839.216.4降水天數(shù)（日）12.76.24.9平均風(fēng)速（米/秒）2.02.32.4根據(jù)駐馬店地區(qū)的歷年逐月日平均輻射量及駐馬店地區(qū)的緯度經(jīng)計(jì)算駐馬店地區(qū)平均實(shí)際日照時(shí)數(shù)7小時(shí)；平均峰值日照時(shí)數(shù)（組件表面上）為4.33小時(shí)；最小的日峰值日照時(shí)數(shù)為3.68小時(shí)；駐馬店地區(qū)的太陽(yáng)能電池組件最佳傾角為41°。結(jié)果見(jiàn)表（3-3）所示。表3-3駐馬店光伏方陣最佳傾角及其相應(yīng)斜面上的歷年逐月日平均輻射量地點(diǎn)緯度最佳傾角1月2月3月4月5月6月駐馬店地區(qū)北緯32°18′41°395.3413.8438.7465.2482.5480.97月8月9月10月11月12月490.2524.6502.1483.0421.8368.23.3家庭日用電負(fù)荷計(jì)算本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)所用的家庭負(fù)荷量數(shù)據(jù)采用調(diào)查訪(fǎng)問(wèn)的形式獲得，對(duì)普通家庭式日常用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查，計(jì)算統(tǒng)計(jì)出家庭常用負(fù)荷的功率及其用電時(shí)數(shù)，表3-4為普通家庭日常負(fù)荷表。表3-4普通家庭日常負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表家用負(fù)載電器名稱(chēng)規(guī)格型號(hào)耗電功率數(shù)量每日工作時(shí)間日耗電量照明負(fù)載節(jié)能燈11W64264Wh電腦液晶顯示300W151500Wh打印機(jī)噴墨30W1130Wh電冰箱21300W1103000Wh洗衣機(jī)200W10.5100Wh微波爐800W10.5400Wh彩色電視機(jī)25寸80W16480Wh總計(jì)1776W5774Wh由統(tǒng)計(jì)表知普通家庭家用負(fù)載總功率約為1.78KW；每日耗電量L約為5.77kW.h。3.4電池組件的確定太陽(yáng)能電池組件板的功率（3-8）式中，L為負(fù)載每天總耗電量；T0為平均峰值日照時(shí)數(shù)；η1為蓄電池充電效率（0.80～0.90）；η2為方陣方陣組合損失表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通?？扇?.9～0.95；η3為逆變器的轉(zhuǎn)換效率，通常可取0.9～0.98。K為考慮一些未知工作因素，而引入的安全系數(shù)，可根據(jù)電壓等級(jí)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度，運(yùn)行環(huán)境等，在1.05～1.30之間選取。由日耗電量L=5.77kW.h，可計(jì)算出該系統(tǒng)需要太陽(yáng)能電池板的總功率PA=1.67KW，由此可以選擇總功率為1.7KW的太陽(yáng)能組件，一般采用太陽(yáng)能電池標(biāo)準(zhǔn)組件，通過(guò)串并聯(lián)構(gòu)成所需要功率的太陽(yáng)能電池方陣。該系統(tǒng)可采用36塊每塊電壓為0.5V，功率為2.8W的太陽(yáng)能電池板串聯(lián)成面積125×125，電壓18V，功率100W單晶太陽(yáng)能電池組件，再用17塊該太陽(yáng)能組件進(jìn)行并聯(lián)使用。3.5蓄電池容量的確定在獨(dú)立型家庭式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏組件的最重要部件，而且隨著光伏組件價(jià)格的不斷降低，蓄電池在總投資中的比例正在逐漸增加。所以，合理配置蓄電池容量十分重要：容量過(guò)大，不僅增加投資，而且會(huì)造成蓄電池充電不足，長(zhǎng)期處于虧電狀態(tài)，加上自放電等原蓄電池容量因，蓄電池容易損壞；容量太小，容易造成過(guò)放電，不能滿(mǎn)足負(fù)載用電需要。參考<<RAPSDesignManual>>和<<AppliedPhotovoltaics>>兩個(gè)文獻(xiàn)，蓄電池容量的計(jì)算可以根據(jù)用電負(fù)荷和連續(xù)陰雨天數(shù)來(lái)確定，實(shí)際計(jì)算可按式（3-9）：（3-9）式中，C－蓄電池容量,S－蓄電池供電支持的天數(shù)（一般取2.5～5.0d）,L－負(fù)載平均每天用電量,；DOD－蓄電池放電深度（一般取0.8）,ηout-從蓄電池到負(fù)荷的效率:ηout=Fo×Fi,Fo－交流配電電路效率（一般取0.95）,Fi－逆變器效率（一般取0.90～0.98）,K－蓄電池放電容量修正系數(shù)（一般取1.2）等于蓄電池Amp-hour效率的倒數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算日耗電量L=5.77kW.h，再根據(jù)式(3-9)，可算出蓄電池組的容量C值為27.91kWh，選擇12V的標(biāo)稱(chēng)電壓鉛酸蓄電池單體，串聯(lián)成24V電池蓄電池組；根據(jù)電池組容量安時(shí)數(shù)等于所需瓦時(shí)除以電池組電壓，得電池組的容量C′=C/24=1162.86Ah，所以可選擇12個(gè)12V，200Ah的密封免維護(hù)鉛酸蓄電池先兩兩串聯(lián)后再進(jìn)行并聯(lián)，即可接成滿(mǎn)足需要的蓄電池組。3.6逆變器和控制器的確定根據(jù)用戶(hù)的負(fù)載實(shí)況要求計(jì)算出負(fù)載總功率為P負(fù)為1.77KW，由于負(fù)載的總功率大于逆變器總功率的80%時(shí)，逆變器會(huì)發(fā)熱過(guò)度減少逆變器的使用壽命，所以選擇逆變器時(shí)需要有設(shè)計(jì)余量，一般逆變器的功率計(jì)算為P逆=P負(fù)/η，一般η取80%，則P逆為1.77kW/80%=2.22KW，所以需要選用3KW的逆變器。太陽(yáng)能電池板需要的時(shí)均總功率為PA為1.7KW，由于采用24V電池，因此系統(tǒng)最大電流約為PA/24=70.8A，我們可選擇24V803.7太陽(yáng)能組件安裝設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)選定的駐馬店地區(qū)位于北緯32.58o，經(jīng)計(jì)算太陽(yáng)能電池組件最佳傾角為41o，；比較理想的安裝位置是將太陽(yáng)能電池板直接安裝在屋頂上，依據(jù)屋頂?shù)膬A角合理安排，依托不銹鋼支架安裝太陽(yáng)能電池板[11]。一般情況下，我們?cè)谟?jì)算發(fā)電量時(shí)，是在方陣面完全沒(méi)有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽(yáng)電池不能被日光直接照到時(shí)，那么只有散射光用來(lái)發(fā)電，此時(shí)的發(fā)電量比無(wú)陰影的要減少約10％～20％。通常，在電池組件周?chē)薪ㄖ锛吧椒宓任矬w時(shí)，太陽(yáng)出來(lái)后，建筑物及山的圍會(huì)存在陰影，因此在選擇鋪設(shè)太陽(yáng)能組件的地方時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)陰影。如圖3-2與圖3-3為家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)框圖，圖3-4為家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)連接框圖圖3-2家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)框圖充電控制器充電控制器直流負(fù)載電池逆變器交流負(fù)載圖3-3家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)框圖蓄電池蓄電池逆變器交流負(fù)載智能控制器熔斷絲+-+++++太陽(yáng)能電池組件直流LED燈+-圖3-4家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的接線(xiàn)圖3.8家庭式太陽(yáng)能系統(tǒng)的效益分析3.8.1系統(tǒng)的投資預(yù)算系統(tǒng)設(shè)備具體選擇如下：（1）太陽(yáng)能電池組件：選用選用中國(guó)深圳市鑫光源太陽(yáng)能科技有限公司的的多晶硅XGY-100P系列太陽(yáng)能電池組件17塊進(jìn)行并聯(lián)。性能優(yōu)勢(shì)：高透光率的剛性玻璃，提高光的穿透性和組件的機(jī)械強(qiáng)度，組件玻璃具有自清潔能力，降低灰塵及其他影響組件發(fā)電效率的機(jī)率；對(duì)所有組件進(jìn)行功率和電流分檔，以提高系統(tǒng)整體性能和組件的壽命；防水接線(xiàn)盒和集成旁路二極管，以減少太陽(yáng)能電池組件因表面被遮擋造成的熱斑效應(yīng)從而引起的組件損傷；通過(guò)多項(xiàng)國(guó)際認(rèn)證和測(cè)試IEC,Tuv,CE,ISO，提供五年的產(chǎn)品質(zhì)量保證和10-25年的產(chǎn)品功率保證。工作參數(shù)指標(biāo)：最大功率100W；工作電流5.88A；工作電壓17.2V；系統(tǒng)電壓12V；開(kāi)路電壓21V；短路電流6.5A；電池?cái)?shù)量36只；外形尺寸1161×670×35（mm）；參考重量8.6KG。（2）蓄電池電池組：選用中國(guó)深圳環(huán)宇昌電池有限公司的鉛酸電池，選擇容量為200Ah的12塊電池，兩兩串聯(lián)后再進(jìn)行并聯(lián)。工作參數(shù)指標(biāo)：電壓：12V；型號(hào)：HYS122000

；化學(xué)類(lèi)型：免維護(hù)；

電液量：標(biāo)準(zhǔn)L；外型尺寸：327*172*225mm；額定容量：200Ah

；重量：29.8KG。（3）控制器：選用中國(guó)北京普泰日盛的大功率控制器。性能優(yōu)勢(shì)：可根據(jù)不同的使用環(huán)境調(diào)整參數(shù)，最大效率的進(jìn)行光-電能量轉(zhuǎn)換；淘汰了傳統(tǒng)控制器落后的技術(shù)，采用了全新的硬件技術(shù)；采用真正的多級(jí)PWM充電模式，有效延長(zhǎng)蓄電池壽命；具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱、電子短路、過(guò)載保護(hù)，防反接等完善的保護(hù)功能；溫度適應(yīng)范圍（-25℃--55℃），并自帶溫度補(bǔ)償程序，令控制器在充放電控制中自動(dòng)適應(yīng)當(dāng)前溫度,有效保護(hù)蓄電池。工作參數(shù)指標(biāo)：額定電壓12V/24V/48V/220V，過(guò)充電壓14.4V、×2/24V，過(guò)放電壓11.1V、×2/24V,負(fù)載能力40A/60A/80A/100A（4）逆變器：選用中國(guó)北京普泰日盛的中等功率逆變器。性能優(yōu)勢(shì)：逆變器核心元器件全部為美國(guó)原裝進(jìn)口，安全、穩(wěn)定、可靠；標(biāo)準(zhǔn)工頻純正弦波輸出，適用于任何負(fù)載；抗沖擊能力強(qiáng)，150%過(guò)載可工作20s，最大程度避免客戶(hù)在使用不當(dāng)?shù)臅r(shí)造成設(shè)備損壞；輸入、輸出回路完全隔離，確保用戶(hù)安全使用；完善的保護(hù)功能：自動(dòng)穩(wěn)壓、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、直流端防反接保護(hù)等。工作參數(shù)指標(biāo)：額定功率：1KW～5KW；輸入電壓：DC12V/24V/48V；輸出電壓：AC220V/110V；輸出頻率：50HZ±0.05Hz；逆變效率：95%。該家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的總投資約為6.61萬(wàn)元，具體預(yù)算如表3-5所示。表3-5家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)投資預(yù)算RMB6.61萬(wàn)元建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容金額建設(shè)費(fèi)太陽(yáng)能電池組件1.7KW（含支架）1.80逆變器3KW3.00控制器800.0612只12V/200Ah蓄電池1.56土建工程0.05安裝調(diào)試占總投資的2%0.12管理費(fèi)日常維護(hù)及其他0.02合計(jì)6.613.8.2系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益節(jié)約的電量計(jì)算如下：（3-10）式中PA為太陽(yáng)能電池板的最大功率量，該系統(tǒng)為1.7KW；T0為平均峰值日照時(shí)數(shù)，4.33h；η1為蓄電池充電效率（0.80～0.90）；η2為方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通?？扇?.9～0.95；η3為逆變器的效率通?？扇?.9～0.98；E0為線(xiàn)路傳輸損耗，綜合考慮可取0.05；N為每年的天數(shù)，通?？扇?65。每年節(jié)約的用電量：P=2138.69kW.h年節(jié)約電費(fèi)A1=1132.24kWh×0.56元=1191.66元此外還有個(gè)對(duì)應(yīng)電價(jià)上調(diào)節(jié)約的增加額G1=1132.24kW.h×0.04元=85.54元分別利用等額收付(UniformSeriesPresentWorthFactor)和遞增等差收付序列(PresentWorthFactoroftheUniformGradientSeries)現(xiàn)值計(jì)算公式，25年節(jié)約電費(fèi)現(xiàn)值P計(jì)算過(guò)程如下：P=A(P/A,i,n)+G(P/G,i,n)=A+（3-11）式中i是對(duì)應(yīng)于可再生能源系統(tǒng)的社會(huì)年利率(10%),n是光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池組件工作年限,A是每年光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)省的等年值電費(fèi),G是光伏發(fā)電系統(tǒng)每年節(jié)省的因電價(jià)預(yù)期上調(diào)增加的等差變額電費(fèi)。P=1191.66+=16607.50元3.8.3系統(tǒng)的社會(huì)效益根據(jù)專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)：每節(jié)約1度（千瓦時(shí)）電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4千克標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少污染排放0.272千克碳粉塵、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）。則該系統(tǒng)每年可以為國(guó)家節(jié)省發(fā)2138.69度電所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤0.86噸，減少排放污染物0.582噸碳粉塵、2.132噸二氧化碳（CO2）、0.073噸二氧化硫（SO2）、0.032噸氮氧化物（NOX）。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以知道，目前家庭式太陽(yáng)能系統(tǒng)的造價(jià)成本相對(duì)較高，但是可以用于偏遠(yuǎn)地區(qū)。當(dāng)然了我們不能只考慮到它的經(jīng)濟(jì)效益，還要考慮其巨大的社會(huì)效益。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的提高，以及國(guó)家對(duì)新型能源扶持力度的加大，家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)必將以惠民的價(jià)格走入千家萬(wàn)戶(hù)，創(chuàng)造出巨大的社會(huì)效益。4總結(jié)與展望4.1總結(jié)太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源，并且太陽(yáng)能資源在我國(guó)廣泛分布。眾所周知，我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，并且人口分布極不合理，因此發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展、保持能源供給的獨(dú)立性和安全性，以及分散人口地區(qū)居民用電具有重要意義。對(duì)能源的需求，對(duì)新技術(shù)的追求以及人們不斷提高的物質(zhì)文化的需要，都將促使太陽(yáng)能光伏技術(shù)成為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，而家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)也必會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。本次設(shè)計(jì)的家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，平均每天發(fā)電量約為6度，能滿(mǎn)足一般的家庭用戶(hù)日常需要，總體設(shè)計(jì)比較合理。本文的主要內(nèi)容：（1）庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的背景及意義，以及它美好發(fā)展前景。（2）介紹了家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的主要組成及工作原理。（3）家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)相關(guān)組成部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的可行性。（4）對(duì)家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行效益評(píng)估，說(shuō)明它重要的價(jià)值。4.2展望目前獨(dú)立家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)成本總體較高，這是制約我們太陽(yáng)能發(fā)展的關(guān)鍵因素。比較合理的投資計(jì)劃是將家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)并入國(guó)家電網(wǎng)，白天太陽(yáng)能發(fā)電直接補(bǔ)充電網(wǎng)電力，夜晚再由電網(wǎng)供電，還可以節(jié)省出蓄電池的成本，但是我國(guó)目前并網(wǎng)機(jī)制尚不完整，國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的補(bǔ)貼政策還不明確。家庭式太陽(yáng)能發(fā)電全國(guó)普及需滿(mǎn)足以下條件：（1）太陽(yáng)能組件每瓦價(jià)格低于六元，預(yù)計(jì)五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。2012年5月16日舉行的SNEC（上海）2012展會(huì)，由昱能光伏第二代微逆系統(tǒng)構(gòu)成的光伏系統(tǒng)價(jià)格已經(jīng)進(jìn)入8元時(shí)代，即包括組件及支架的系統(tǒng)每瓦價(jià)格可低至人民幣8.8元左右。（2）硅片轉(zhuǎn)換效率高于20%。據(jù)最新報(bào)道：我國(guó)英利綠色能源集團(tuán)推出的熊貓”N型單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率量產(chǎn)達(dá)19%，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)效率達(dá)20%，組件轉(zhuǎn)換效率達(dá)16.2%。（3）國(guó)家電網(wǎng)允許并大力支持雙向電表。（4）太陽(yáng)能發(fā)電價(jià)格在1.5--2.0元之間。（5）國(guó)家電網(wǎng)智能調(diào)峰系統(tǒng)。如能達(dá)到以上條件，投資家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能在五年內(nèi)收回成本，家庭式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)更加廣泛的使用，從而創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著我國(guó)對(duì)新能源的重視，我國(guó)的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)制肯定會(huì)日益完善，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)必將迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間。目前我國(guó)應(yīng)抓緊制定并出臺(tái)支