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太陽能光伏發電系統是利用太陽電池半導體材料的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統,有獨立運行和併網運行兩種方式。獨立運行的光伏發電系統需要有蓄電池作為儲能裝置,主要用於無電網的邊遠地區和人口分散地區,整個系統造價很高;在有公共電網的地區,光伏發電系統與電網連接併網運行,省去蓄電池,不僅可以大幅度降低造價,而且具有更高的發電效率和更好的環保性能。

1 太陽能光伏 -概述

太陽能光伏太陽能光伏發電系統示例

太陽能發電分為光熱發電和光伏發電。通常說的太陽能發電指的是太陽能光伏發電,簡稱「光電」。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯後進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。

理論上講,光伏發電技術可以用於任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源無處不在。太陽能光伏發電的最基本元件是太陽能電池(片),有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。其中,單晶和多晶電池用量最大,非晶電池用於一些小系統和計算器輔助電源等。中國國產晶體硅電池效率在10至13%左右,國際上同類產品效率約12至14%。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件。光伏發電產品主要用於三大方面:一是為無電場合提供電源;二是太陽能日用電子產品,如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等;三是併網發電,這在發達國家已經大面積推廣實施。到2009年,中國併網發電還未開始全面推廣,不過,2008年北京奧運會部分用電是由太陽能發電和風力發電提供的。  

據預測,太陽能光伏發電在21世紀會佔據世界能源消費的重要席位,不但要替代部分常規能源,而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年,可再生能源在總能源結構中將佔到30%以上,而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的佔比也將達到10%以上;到2040年,可再生能源將佔總能耗的50%以上,太陽能光伏發電將佔總電力的20%以上;到21世紀末,可再生能源在能源結構中將佔到80%以上,太陽能發電將佔到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。

2 太陽能光伏 -起源發展

太陽能光伏太陽能光伏系統展示

早在1839年,法國科學家貝克雷爾(Becqurel)就發現,光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現象後來被稱為「光生伏打效應」,簡稱「光伏效應」。1954年,美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次製成了實用的單晶硅太陽電池,誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。

20世紀70年代后,隨著現代工業的發展,全球能源危機和大氣污染問題日益突出,傳統的燃料能源正在一天天減少,對環境造成的危害日益突出,同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能夠改變人類的能源結構,維持長遠的可持續發展,這之中太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源,是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦,假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能,轉變率5%,每年發電量可達5.6×1012千瓦小時,相當於世界上能耗的40倍。正是由於太陽能的這些獨特優勢,20世紀80年代后,太陽能電池的種類不斷增多、應用範圍日益廣闊、市場規模也逐步擴大。

20世紀90年代后,光伏發電快速發展,到2006年,世界上已經建成了10多座兆瓦級光伏發電系統,6個兆瓦級的聯網光伏電站。美國是最早制定光伏發電的發展規劃的國家。1997年又提出「百萬屋頂」計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃,到2003年日本光伏組件生產佔世界的50%,世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規定了光伏發電上網電價,大大推動了光伏市場和產業發展,使德國成為繼日本之後世界光伏發電發展最快的國家。瑞士、法國、義大利、西班牙、芬蘭等國,也紛紛制定光伏發展計劃,並投巨資進行技術開發和加速工業化進程。

世界光伏組件在1990年——2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代後期,發展更加迅速,1999年光伏組件生產達到200兆瓦。商品化電池效率從10%~13%提高到13%~15%,生產規模從1~5兆瓦/年發展到5~25兆瓦/年,並正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行業調查表明,到2010年,光伏產業的年發展速度將保持在30%以上。年銷售額將從2004年的70億美金增加到2010年的300億美金。許多老牌的光伏製造公司也從原來的虧本轉為盈利。

3 太陽能光伏 -系統分類

太陽能光伏併網型光伏發電系統設備防雷示意圖

光伏發電系統分為獨立光伏系統和併網光伏系統。

獨立光伏電站包括邊遠地區的村莊供電系統,太陽能戶用電源系統,通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨立運行的光伏發電系統。

併網光伏發電系統是與電網相連並向電網輸送電力的光伏發電系統。可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的併網發電系統。帶有蓄電池的併網發電系統具有可調度性,可以根據需要併入或退出電網,還具有備用電源的功能,當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏併網發電系統常常安裝在居民建築;不帶蓄電池的併網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能,一般安裝在較大型的系統上。

4 太陽能光伏 -系統設備

太陽能光伏太陽能光伏發電系統的原理示意圖

太陽能光伏發電系統是由太陽能電池方陣,蓄電池組,充放電控制器,逆變器,交流配電櫃,太陽跟蹤控制系統等設備組成。其部分設備的作用是:
太陽能電池方陣
在有光照(無論是太陽光,還是其它發光體產生的光照)情況下,電池吸收光能,電池兩端出現異號電荷的積累,即產生「光生電壓」,這就是「光生伏特效應」。在光生伏打效應的作用下,太陽能電池的兩端產生電動勢,將光能轉換成電能,是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池,分為單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。

蓄電池組
其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能並可隨時向負載供電。太陽能電池發電對所用蓄電池組的基本要求是:a.自放電率低;b.使用壽命長;c.深放電能力強;d.充電效率高;e.少維護或免維護;f.工作溫度範圍寬;g.價格低廉。

充放電控制器
是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備。由於蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素,因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。

逆變器
是將直流電轉換成交流電的設備。由於太陽能電池和蓄電池是直流電源,而負載是交流負載時,逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式,可分為獨立運行逆變器和併網逆變器。獨立運行逆變器用於獨立運行的太陽能電池發電系統,為獨立負載供電。併網逆變器用於併網運行的太陽能電池發電系統。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單,造價低,但諧波分量大,一般用於幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高,但可以適用於各種負載。  

太陽跟蹤控制系統
由於相對於某一個固定地點的太陽能光伏發電系統,一年春夏秋冬四季、每天日升日落,太陽的光照角度時時刻刻都在變化,如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽,發電效率才會達到最佳狀態。世界上通用的太陽跟蹤控制系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度,將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟體中,也就是靠計算太陽位置以實現跟蹤。採用的是電腦數據理論,需要地球經緯度地區的的數據和設定,一旦安裝,就不便移動或裝拆,每次移動完就必須重新設定數據和調整各個參數;原理、電路、技術、設備複雜,非專業人士不能夠隨便操作。

5 太陽能光伏 -優缺點簡評

太陽能光伏太陽能光伏發電系統分類

與常用的火力發電系統相比,光伏發電的優點主要體現在:
①無枯竭危險;
②安全可靠,無雜訊,無污染排放外,絕對乾淨(無公害);
③不受資源分佈地域的限制,可利用建築屋面的優勢;
④無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電;


⑤能源質量高;
⑥使用者從感情上容易接受;
⑦建設周期短,獲取能源花費的時間短。

光伏發電的缺點主要體現在:
①照射的能量分佈密度小,即要佔用巨大面積。
②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。

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