太陽能利用光伏發電論文范文

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1太陽能光伏發電

1.1光伏組件單個電池片的電壓和電流很小，有必要把若干個電池片串并聯焊接起來，按一定方式裝配封裝在一塊較大面積的背板上，加上鋁合金邊框和引線，獲得較大的電壓和電流，稱作光伏電池板（電池組件）。封裝的好壞直接決定光伏組件工作的可靠性[5]。光伏組件是光伏方陣的一個單元，其作用是將太陽能轉化為電能，給蓄電池充電或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本決定著整個系統的質量和成本[6-7]。圖2所示為太陽能電池板的構成及剖面結構示意圖。光伏電池板表層是鋼化絨面玻璃，用來保護發電主體電池片，減少光反射。鋼化玻璃之下是透明EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）膠膜，用來粘結鋼化玻璃和電池片，EVA材質的優劣影響組件的性能和壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發黃，降低組件的透光率和發電功率。引入無定形結構的乙烯醋酸酯共聚鏈段（一般是33%左右）可提高材料的韌性和透明度[8]。除了EVA本身質量外，層壓工藝影響也很大，如EVA黏度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠，造成EVA提早老化，縮短組件壽命。電池片的功能是發電，當前市場的主流產品是晶體硅太陽電池片（包括單晶硅和多晶硅）。電池片之下的一層EVA用來粘結電池片和背板。背板的作用是支撐、密封、絕緣和防水，一般用TPT、TPE等材質，必須耐老化，關鍵在于背板和硅膠是否達標。最外邊的鋁合金邊框用來保護層壓部件，起密封、支撐和抗沖擊作用。光伏板背面有接線盒，串接二極管，防止反充電，也起到電流旁路的作用。如果組件有短路，接線盒自動斷開短路的電池串，防止燒壞整個系統。接線盒中二極管的選用要和電池片的類型匹配。

1.2光伏發電系統太陽能發電系統由太陽能電池板（方陣）、充放電控制器、逆變器、蓄電池、太陽跟蹤控制器和交流配電柜等設備組成[9]。光伏發電系統建設之前，應先預先規劃，進行輸出電壓、電流和功率計算以及蓄電池容量設計，做好最大功率點追蹤控制和逆變控制[10]。在光伏方陣里，注意監測熱斑效應，它有可能導致整個發電系統癱瘓[11]。充放電控制器是防止蓄電池過充電和過放電的設備。通過控制蓄電池的充放電電壓和電流，合理對負載輸出電能[12]。市面上有以單片機為核心的光伏充放電控制器出售，成本低，可靠性高，它對太陽能電池板電壓、蓄電池電壓、充電電流、環境溫度等參數檢測判斷，控制開關管的通斷，實現充放電控制和保護功能[13-14]。我國目前太陽能發電系統使用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。研究表明，基于電流調節的蓄電池充電控制策略可充分利用光伏電能，盡快提升蓄電池的荷電狀態。系統全年運行結果表明，分組管理有利于改善蓄電池處于欠充電狀態，有效延長其使用壽命[15]。太陽能電池是直流電源，對交流負載，系統須接入逆變器。逆變器是將直流電轉換成交流電的設備。逆變器分為用于離網太陽能電池發電系統的獨立逆變器和并網逆變器。并網逆變器作為太陽能電池與電網間的關鍵接口裝置，將光伏電池電壓較低、變化范圍較廣的直流電轉換成交流電并傳輸到電網。在光伏電池電壓較低時，采用兩級高頻逆變技術，前級采用DC-DC變換器升壓，后級采用DC-AC三相全橋逆變，得到需要的三相交流電[16]。目前，市場上受歡迎的是適用于各種負載的正弦波逆變器。此外，逆變器還有過載保護、短路保護、接反保護、過欠壓保護和溫度補償等功能。逆變器接入電網，應滿足電網電能質量、防止孤島效應和安全隔離接地3個要求[17]。目前，將控制器和逆變器結合在一起的逆控一體機已經面世。太陽跟蹤控制器是根據安放點的經緯度等信息計算一年當中每一天不同時刻太陽的角度，將每個時刻的太陽位置存儲到可編程邏輯控制器（PLC）、單片機或電腦中，靠計算太陽位置來實現實時跟蹤，以獲取最大電功率輸出（光伏發電最大功率點追蹤）。劉麗紅[18]采用地平坐標系下的太陽跟蹤系統，運用太陽運動軌跡跟蹤和光強傳感器相結合的方法，由光強傳感器的檢測結果來判斷天氣狀況，控制跟蹤的啟停，用天文公式計算太陽的運行軌跡來確定太陽的方位，利用單片機MSP430f149輸出控制信號，控制云臺帶動太陽能電池板運動，實現太陽光垂直入射電池板，提高太陽能輻射利用率，提升光伏系統發電效率。研究表明，與非跟蹤方式比較，帶太陽跟蹤控制器的光伏系統發電效率提高35%[19]。光伏發電系統根據接入的不同，可分為分布式（離網）光伏系統和并網光伏系統。2013年11月，國家能源局了《分布式光伏發電項目管理暫行辦法》，對規范分布式光伏發電項目建設管理，推進分布式光伏發電應用起到了很好的作用。圖3所示為離網太陽能發電系統組成框圖[20]。為了使太陽能發電系統能為負載提供足夠的電源，應根據用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6h為例，介紹一下計算方法。首先，算出每天消耗的瓦時數（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉換效率為90%，則當輸出功率為100W時，則實際輸出功率應為100W/90%=111W；若按每天使用5h，則耗電量為111W×5h=555W•h。電池板輸出功率：按每日有效日照時間為6h計算，太陽能電池板的實際輸出功率應為555Wh/6h/70%=132.1W。其中70%是考慮了充電效率和充電過程中的損耗。

1.3光伏電站系指與電網相連并向電網輸送電能的光伏發電系統，是太陽能光伏利用的主要發展趨勢[21]。并網光伏電站主要由光伏陣列、具有最大功率跟蹤功能的逆變裝置及濾波電容器、濾波電感器、變壓器和控制系統等組成，并網逆變器是其中的關鍵設備[22-23]。目前，諧波是制約光伏電站并網最主要的問題之一，很多大型并網光伏電站存在諧波超標，在低光照條件下更加突出[24]。帶蓄電池的并網發電系統有調度性，可根據需要并入或退出電網，有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電。這種光伏并網發電系統常常安裝在居民建筑上，在保證建筑物供電的同時，把多余電力供給電網，簡化了蓄電池的配置[25]。不帶蓄電池的并網發電系統沒有可調度性和備用電源的功能，一般安裝在大中型工業系統上。圖4所示為不帶蓄電池的并網光伏發電系統組成圖[26]。集中式大型并網光伏電站將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配，向用戶供電。分散式小型并網光伏發電系統，特別是光伏建筑一體化發電系統（BIPV），具有投資小、見效快、占地小、政策扶持力度大等優點，是并網光伏發電發展的主流方向之一。并網光伏電站維護應注意的問題，包括由于各種故障、電性能不匹配和損耗引起的發電量低于預期值等[27]。

2光伏發電的應用

太陽能光伏發電已成為太陽能利用最基本、最普遍和最有前景的形式之一，在通訊、農業、照明和家用等方面有廣泛的應用。在通訊/通信領域，可設置太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊電源系統、載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。在農業上，有基于光伏水泵、太陽能殺蟲燈、太陽能哄鳥器、太陽能滴灌設備等。在照明上，有單塊光伏電池供電的手機充電器、LED電源和太陽能手電等；也有基于太陽能發電系統的路燈、景觀燈、廣告燈箱等。在居家生活中，光伏發電系統可為用戶提供中小型電源，為小家電、充電器、庭院燈、草坪燈等供電。將太陽能發電系統與建筑物結合，使未來的大型建筑基本實現太陽能電力自給。與汽車技術結合，開發太陽能驅動的新型混合動力汽車是太陽能發電技術的重要發展方向。現在，在一些有條件的地區，把風力發電和太陽能發電結合于一體的風-光互補發電系統方興未艾，其特點是夜間和陰雨天由風力發電，晴天由太陽能發電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發揮作用，實現了全天候發電，比單用風機和太陽能更經濟、科學和實用。

3存在的問題及改進建議

由于太陽光輻射能量密度小，獲得的電能同季節、晝夜及陰晴等氣象條件有關，發電系統中光伏電池板占地面積較大，光伏電池轉換效率低以及生產中會造成環境污染等缺點是制約光伏事業發展的瓶頸因素。當前，光伏系統初始投資高，上網電價比較貴，為常規電價的3~15倍。在我國，光伏產業尚未建立起全面的技術研發和創新體系，缺乏相關高科技產業的支撐，因此我國太陽能電池和組件關鍵生產制造設備基本依賴進口。所以，第一，應積極創新、改進太陽能電池技術，提高光電轉換效率，降低成本，特別注重從原理、結構和材料角度創新光伏電池技術如新型納米光化學電池等。第二，從系統的角度，創新并網光伏發電技術，優化系統組成和結構，因地制宜，合理建站，開發諸如風-光互補等發電技術，彌補光伏發電的不足。第三，國家應加大對上網光伏電價的補貼力度，各地應完善相應的配套措施，鼓勵更多戶用光伏發電系統向國家電網賣電，以體現對綠色可再生能源的扶持政策。第四，鑒于我國光伏應用專業人才的巨量缺口，建議教育主管部門組織實驗實訓條件具備的職業院校，盡快論證設立應用光伏學專業的必要性和可行性，為我國培養太陽能光伏專業人才搭建平臺。

4前景展望

當前，研發基于新原理、新材料及新結構的太陽能電池是提高效率和降低成本的主要思路。從原理上，應研究基于量子效應、納米特性和光化學效應的新型電池。材料上，大力研發基于非晶硅、微晶硅、納米硅等薄膜硅系列的疊層電池和化合物薄膜電池，它們具有成本低、弱光適應性強等優點。化合物薄膜電池，如碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、銅銦鎵硒電池等，效率已接近晶體硅水平，發展前景較好。從技術改進角度，開發諸如聚光型光伏電池、玻璃窗式電池及可穿戴柔性電池等。另外，積極制訂和推行建筑設計、施工與太陽能光伏產品一體化的標準，規范光伏發電系統的安裝，使二者融合得更好。國家要適時出臺太陽能光伏產品的支持政策，加大投入力度，把諸如太陽能汽車、太陽能家電等產品的研發作為優先方向，使太陽能利用的范圍更廣，強度更大，深度更深。

5結束語

本文從介紹太陽能光伏發電基本原理入手，論述了光伏發電系統組成、設備和運行特點，強調了光伏發電在節能環保方面的優越性，指出了不足之處及改進措施。今后研發的重點應從原理、材料和制造工藝上創新太陽能電池技術，優化光伏發電系統，合理建設光伏電站，解決光伏發電并網的一些突出問題，以提高發電效率，降低成本。

作者：王光偉沈潔楊旭張巍葛穎許書云單位：天津職業技術師范大學電子工程學院天津輕工職業技術學院電子信息與自動化系