太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述

傳統(tǒng)的食用燃料無(wú)節(jié)制使用不僅會(huì)延誤，還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，導(dǎo)致環(huán)境惡劣。能源短缺、環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大問(wèn)題,制約著人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。面對(duì)迫在眉睫的能源危機(jī)和全球氣候變暖的問(wèn)題,人們已認(rèn)識(shí)到發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是我們的必然選擇,太陽(yáng)能作為新能源和可再生能源,因其清潔環(huán)保、永不衰竭的特點(diǎn),受到世界各國(guó)的青睞。但是太陽(yáng)輻射量、電池組件的轉(zhuǎn)換率、最大功率跟蹤等問(wèn)題直接影響著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的效率,所以積極解決影響太陽(yáng)能光伏效率的問(wèn)題,對(duì)于充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能,節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。1太陽(yáng)能電池生電機(jī)理太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池組件、充、放電控制器、逆變器、測(cè)試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等設(shè)備和蓄電池及輔助設(shè)備組成(如圖1所示)。當(dāng)光線照射太陽(yáng)電池表面時(shí),一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發(fā)生了躍遷,成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差,當(dāng)外部接通電路時(shí),在該電壓的作用下,將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是:光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程,也就是光生伏打效應(yīng)。在光生伏打效應(yīng)的作用下,太陽(yáng)能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),將光能轉(zhuǎn)換成電能,是能量轉(zhuǎn)換的器件(太陽(yáng)能電池一般為硅電池,分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池)。若干太陽(yáng)能電池組件整體固定連接在一起,按電池陣列的方式排布,引線采用并聯(lián)或串聯(lián)的方式將電池組件產(chǎn)生的直流電送到太陽(yáng)能光伏發(fā)電儲(chǔ)能裝置蓄電池組(其作用是儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)荷供電,適用于解網(wǎng)運(yùn)行的電站),然后通過(guò)獨(dú)立運(yùn)行逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟?供負(fù)載使用或通過(guò)并網(wǎng)運(yùn)行逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟娊?jīng)控制裝置送到變壓器的低壓端,通過(guò)三相變壓器升壓經(jīng)輸電線路送至電網(wǎng)。2資源和優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì):分布廣、無(wú)污染、易接受,是世界上可以開(kāi)發(fā)的最大能源,能長(zhǎng)久性開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然太陽(yáng)能光伏發(fā)電也有受時(shí)間周期局限、地理位置局限、氣象條件局限、容量傳輸局限,以及光能轉(zhuǎn)換效率偏低等缺點(diǎn)。3影響太陽(yáng)能照明設(shè)備性能的因素3.1輻射的影響一般來(lái)說(shuō),到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量主要受太陽(yáng)高度角、地理緯度、大氣透明度、日照時(shí)數(shù)及海拔高度等因素的影響。3.1.1太陽(yáng)高度角的確定太陽(yáng)高度角即太陽(yáng)能光伏方陣的傾角,方位角對(duì)太陽(yáng)能輻射收集。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可由公式I=I0sinh計(jì)算(I0為大氣質(zhì)量AM=1時(shí),海平面上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度),可見(jiàn)太陽(yáng)高度角越大,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大,反之太陽(yáng)高度角越小,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度就越弱;各地太陽(yáng)高度角的變化與緯度有關(guān),一般緯度越高其太陽(yáng)高度角就越小,反之緯度越低其太陽(yáng)高度角就越大。3.1.2太陽(yáng)輻射能的分布大氣透明度是表征大氣對(duì)于太陽(yáng)光線透過(guò)程度的一個(gè)參數(shù)。在晴朗無(wú)云的天氣,大氣透明度高,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能就多些,反之則少;海拔高度越高時(shí),空氣就越稀薄,太陽(yáng)輻射被吸收、散射的就越少,并且大氣中的水汽和塵埃的含量也越少,大氣透明度就越大。因此海拔越高,太陽(yáng)輻射能量也就越大。3.1.3實(shí)時(shí)時(shí)間日照時(shí)數(shù)也是影響地面太陽(yáng)能的一個(gè)重要因素。一般日照時(shí)間長(zhǎng),地面所獲得的太陽(yáng)總輻射量就多。3.2硅太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能光伏組件的特性和質(zhì)量是由制作太陽(yáng)能電池的材料決定的,制作材料質(zhì)量直接影響著太陽(yáng)能光伏組件的轉(zhuǎn)換率,制作太陽(yáng)能電池的材料是近些年來(lái)發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域,是最受矚目的項(xiàng)目之一。制作太陽(yáng)能電池材料主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ),根據(jù)所用材料的不同,太陽(yáng)能電池可分為:硅太陽(yáng)能電池;以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化鎘等多元化合物為材料的電池;功能高分子材料制備的太陽(yáng)能電池;納米晶太陽(yáng)能電池等。但是,目前全世界已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池是硅太陽(yáng)能電池。硅太陽(yáng)能電池主要是由單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅構(gòu)成的晶體硅太陽(yáng)能電池,其產(chǎn)量占到當(dāng)前世界太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量的90%以上,單晶硅目前的轉(zhuǎn)換率達(dá)到了16%~20%,但單晶硅價(jià)格昂貴,是多晶硅的四倍,太陽(yáng)能光伏發(fā)電投資中硅材料占總投資的60%,所以一次投資較大。多晶硅轉(zhuǎn)換率達(dá)到了14%~16%,一次投資相對(duì)小,因此目前被大多數(shù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電企業(yè)使用。總之單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池工藝技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定可靠,光電轉(zhuǎn)換率高,使用壽命長(zhǎng),已被廣泛使用。此外還有非晶體太陽(yáng)能電池,但由于非晶硅穩(wěn)定性差、衰減性大、建設(shè)占地面積大,未能被廣泛的使用。還有聚光跟蹤式光伏發(fā)電由于怕風(fēng)沙、散熱問(wèn)題難,所以目前也未能被廣泛地使用。3.3光伏發(fā)電系統(tǒng)采用一物一機(jī)大功率的逆變器在滿載時(shí),效率必須在90%或95%以上。特別是在低負(fù)荷下供電時(shí),仍須有較高的效率。逆變器效率的高低對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有重要的影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)專用的逆變器在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗,提高整機(jī)效率。這是因?yàn)?0kW級(jí)的通用型逆變器實(shí)際效率只有70%~80%,將其用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來(lái)總發(fā)電量20%~30%的電能損耗,所以為了提高輸出效率,并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有最大功率點(diǎn)跟蹤控制功能,隨時(shí)跟隨太陽(yáng)能輻射能力而變化。此外還能根據(jù)日出、日落條件的不同自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)與關(guān)。3.4最大功率峰值跟蹤輸入的直流功率取決逆變器工作在光伏陣列的電流-電壓曲線上的哪一個(gè)點(diǎn)上。理想狀態(tài)下,逆變器應(yīng)工作在太陽(yáng)能光伏陣列的最大功率峰值上。最大功率峰值在一整天內(nèi)是不同的,主要是由于環(huán)境的作用,如太陽(yáng)光的輻射和溫度,但逆變器通過(guò)一個(gè)具有最大功率峰值跟蹤的運(yùn)算器來(lái)直接與光伏陣列相連,達(dá)到能量轉(zhuǎn)移的最大化。例如:最大功率峰值跟蹤的最大效率ηMPPT,可以定義為在定義的一段時(shí)間內(nèi)逆變器從太陽(yáng)能陣列獲得的能量與理想狀態(tài)下的最大功率峰值跟蹤從太陽(yáng)能陣列獲得的能量的比率。許多最大功率峰值跟蹤的運(yùn)算法是建立在不同的基礎(chǔ)上的,其參數(shù)有增量電導(dǎo)、寄生電容、恒定電壓、電壓的溫度修正和模糊邏輯控制等。以“微擾觀察法”為基礎(chǔ)的運(yùn)算法因?yàn)槠浜?jiǎn)單的運(yùn)行而成為最常見(jiàn)的用法。這種運(yùn)算法是基于因光伏陣列運(yùn)行電壓的微擾而引起的小的電壓增量(ΔV),在一段時(shí)間后引起的功率的改變(ΔP),我們對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。如果ΔP是正的,那么下一個(gè)電壓微擾增量也是正的。如果ΔP是負(fù)的,那么下一個(gè)電壓微擾增量也是負(fù)的。盡管如此,這種運(yùn)算還是有些局限的地方,這將使最大功率峰值跟蹤的效率在某些特定條件下有所降低。在非常低的太陽(yáng)光輻射下,例如,日出和日落的時(shí)候,功率曲線變得非常平滑,找到最大功率峰值變得非常困難。另外一個(gè)因素也使找到真正的功率峰值點(diǎn)變得不可能,那是因?yàn)槟孀兤鞯摩在這一點(diǎn)附近振蕩。在太陽(yáng)光輻射急劇改變的情況下,跟蹤運(yùn)算也可能會(huì)變得捉摸不定。部分遮影可以影響最大功率峰值跟蹤的運(yùn)行,但這個(gè)問(wèn)題是可以克服的,用微擾的不同次數(shù),正如一段時(shí)間的功率變化函數(shù),也可用間隔電壓微擾來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。4光伏電池效率研究目前,世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)還處于初級(jí)階段,為了保證太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展,提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率，需要做好以下工作:(1)繼續(xù)研制太陽(yáng)能電池新材料,提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率;(2)研究太陽(yáng)能光伏電池最大功率跟蹤算法,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光最大功率跟蹤;(3)研究太陽(yáng)能光伏電池陣列的優(yōu)化組合算法,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏電池陣列的優(yōu)化組合;(4)研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電的軟并網(wǎng)技術(shù),減少光伏電能對(duì)電網(wǎng)的