光伏发电.docx

光伏发电面对化石燃料的逐渐枯竭和人类生态环境的日益恶化，在能源供应方面必须走可持续发展的道路，逐渐改变能源消费结构，大力开发利用以太阳能为代表的可再生能源，已逐步成为人们的共识。随着技术的进步和应用规模的扩大，太阳能光 伏发电除了作为航天器的电源以外，在地面的应用范围也逐渐由偏远的农村和特殊用电场合发展到城镇地区。特别是到20世纪末，在一些国家实施 “太阳能屋顶计划”的推动下，1997年以后全球太阳电池产量年增长率基本上都超过了30，2004年增长率达到了60，2006年全世界太阳电池的产量达到了2240MW，当年安装 的太阳电池组件为1744MW，应用的领域也在不断扩展。一、 常见的光伏发电系统1、独立光伏系统完全依靠太阳电池供电的光伏系统，系统中太阳电池方阵受光照时发出的电力是唯一的能量来源。最简单的独立光伏系统是直联系统，发出的直流电力直接供给负载使用，中间没有储能设备，负载只在有光照时才能工作。其方框图如图1。这种系统有太阳能水泵、太阳能风帽等。太阳能水泵具有工作可靠、使用寿命长、不需要延伸电网、不污染环境、搬迁方便等优点，而且越是干旱，太阳光越强，太阳能水泵抽水越多，是无电缺水地区理想的抽水工具。通常也可用水箱来代替价格较高、维护复杂的蓄电池作为储能设备。一般情况下，由于太阳电池方阵只有在受光照时才能发电，通常与负载的工作要求不相符合，所以必须配备储能装置，最常用的储能装置是蓄电池。为了防止蓄电池过充或过放电，还要配置控制器。此外，由于太阳电池是半导体Pn结器件，需要安装防反充二极管以避免在晚上或阴雨天太阳电池不发电时，蓄电池通过Pn结放电。所以为直流负载供电的独立光伏系统主要由太阳电池方阵、防反充二极管、蓄电池组、控制器等部件组成。为交流负载供电的独立光伏系统，除了以上部件外，还要配备将直流电变换成交流电的逆变器。其方框图如图。2、独立光伏系统应用领域(1)离网住宅供电全球还有将近2o亿人口没有用上电，其中相当部分处在经济不发达的边远地区，很难依靠延伸常规电网来解决用电问题。而这些地区往往太阳能资源十分丰富，应用太阳能发电大有可为。据统计，我国到2005年末还有大约 1200万人 口没有用上电，计划在2015年前要全部解决用电问题，其中预计需要利用太阳能发电来解决580万人口的用电，至少需要太阳电池组件300MW。这类光伏系统的形式主要有独立光伏电站和户用光伏电源系统等。前者是以小型电站为主，通常是为乡镇、学校、医院等提供电力。我国在 “九五”期间建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40余座、装机总容量600多kW。后者主要满足农村家庭照明和收看电视的需要，功率一般为10100W。近年来，累计已推广约558万台套，总容量l132MW。截止2005年底，我国的光伏系统累计安装容量已达到了70MW。根据研究，即使在一些发达国家，尽管电网十分普及，但是对于容量大约是1kW的独立光伏系统，在距离电网12km以外，应用光伏系统在经济上还是合算的，所以在发达国家的山间别墅、偏远地区的度假屋等应用光伏系统还是大有可为。(2)离网工业应用在一些无电或电网供电不稳定场所，利用光伏系统提供电力，使用方便，安全可靠，维护简单。可就地供电，不需延伸电网，节省投资，也减少了线路损耗。但使用时必须根据负载的用电要求和当地的气象和地理条件，进行专门的优化设计，才能做到既保证负载的长期稳定供电，又使得所配置的光伏系统容量最小，达到可靠性和经济性的最佳结合。这类光伏系统的应用范围非常广泛，如微波中继站、光纤通讯系统、无线寻呼台站、卫星通讯和卫星电视接收系统、农村程控电话系统、部队通讯系统、铁路和公路信号系统、灯塔和航标灯电源、石油和天然气输送管道阴极保护、气象和地震台站、水文观察、森林防火、污染检测等灾害测报仪器电源等，甚至还可以应用到飞机、车辆、船舶等交通工具上。(3)消费产品对于一些小型电器，可以将太阳能电源系统与产品直接安装在一起，这样就不需要与电网相连，方便使用。目前应用最广泛的是太阳能照明电源，类型包括：大型照明系统，目前已经有应用的如：机场跑道照明、宾馆室外照明、广告牌照明、公路隧道照明等。小型照明灯具，如：太阳能路灯、庭院灯、草坪灯、手提灯具等。交通信号灯，如标志灯、警告灯、道钉等。我国沿海地区有不少公司生产小型照明灯具，大量销往欧、美、日本等地，占世界产量的70以上。此外还有量大面广的太阳能光伏商品，如太阳能充电器、太阳能钟表、太阳能计算器、太阳能玩具等等。在2004年全球安装的光伏系统太阳电池用量中，离网住宅供电的容量有100MW，离网工业应用也是100MW，消费产品为3MW，另外有760MW用于并网光伏发电。根据预测，到2030年离网住宅供电的太阳电池用量将达到70GW，离网工业应用为60GW，消费产品为20Gw，并网光伏发电的太阳电池用量为150GW，市场销售额将达到2000亿欧元。2 并网光伏系统太阳电池方阵发出的直流电力经过逆变器变换成交流电，并且与电网并联。这类光伏系统发展很快，在20世纪末，并网光伏系统的用量就超过了独立光伏系统并网光伏系统可分为两大类。二、光伏 1、电站在光照丰富地区，建造大型光伏电站，所发出的电力，全部输入电网。其方框图如图。由于是集中管理，可以应用先进的技术，如为了提高太阳电池方阵的发电量，有些光伏电站利用计算机控制，采用全方位跟踪装置等。由于德国实施了高价收购光伏上网电力的激励政策，近年来积极发展大型光伏电站，到2007年5月为止，全球已建成最大的10座容量超过5MW的光伏电站中，德国就占了6座；前50座容量在2MW以上的光伏电站中德国占了31座，其余是西班牙10座，美国3座，日本3座，意大利、荷兰和葡萄牙各有1座。目前世界最大的光伏系统容量为12MW，安装在德国ErlaseeAmstein地区，总共安装1408个双轴跟踪器，每个跟踪器上安装的光伏容量为8kW，一共应用了28000块太阳电池组件和 1500个SOLON逆变器。每年可发电14000MWh，减少co2排放量7700t。2007年2月德国JuwisolarGmbH公司宣布，开始在莱比锡以东的Brandis地区利用原来的空军用基地，兴建世界上规模最大的光伏电站，总容量为40MW。该电站长度大约2km，宽度约1km，占地相当于200个英式足球场。全部采用薄膜太阳电池组件，共计55万块，组件面积大约4o万m2，由FirstSo。1ar公司提供 预计在 2009年完成。系统造价为3250欧元kW，要比市价低204o。总投资大约13亿欧元。完成后每年能发电4千万kWh，可供超过 1万户家庭使用。每年可减少co2排放量25000t。我国深圳于2004年8月建成了1MW光伏电站。2 户用并网光伏系统这是专门供给家庭用电需要的光伏系统，通常与电网并联，光伏方阵发出的电力供家用电器使用，如有多余，可以输入电网。在晚上或阴雨天，光伏方阵发出的电力不足，则由电网向家用电器供应部分或全部电力，其方框图如图4。这类光伏系统有很多优点，是未来分布式发电模式的重要组成部分，具有广阔的发展前景。1990年德国首先开始实施 “一千个太阳能屋顶”计划，在居民住宅屋顶上安装光伏系统，计划结束时完成了2500套，平均容量为3kW。1997年美国和欧盟先后宣布开展 “百万太阳能屋顶”以后，户用光伏系统得到了迅速的发展。德国在1999年开始实施 “十万太阳能屋顶”计划，单是在2003年就安装了120MW。2004年起实施新的激励政策，很快在全国掀起了安装应用光伏系统的热潮，安装的户用光伏系统比前一年增加了2倍，达到了360MW。日本很早就开始推广户用光伏系统，1994年开始实施“七万屋顶”计划，最初对安装的用户补贴总价的一半，市场发展起来后补贴逐渐减少，到2003年只有补助 10。尽管补助减少了，安装量却仍不断增加，到"2003年已接近 17万户，累计安装容量超过620MW。我国近年来也已开始进行试点和示范。3 混合光伏系统将一种或几种发电方式同时引入光伏系统中，联合向负载供电的系统称为混合光伏发电系统，其方框图如图。由于目前光伏系统发电的价格较高，如果完全用光伏系统来满足负载用电的需求，太阳电池方阵和蓄电池必须在最差的天气条件下也能支持负载的运行，这样的系统配备的容量比较大，初始投资很高。如将柴油发电机引入光伏系统，作为备用电源，平时由光伏系统供电，冬天或连续阴雨天太阳辐射量不足时启动柴油发电机供电，这样就可另一种混合发电方式是光伏风力混合发电系统，有些地区冬天 日照差，但风力大，可以由风力发电机补充，这种风光互补发电系统在有些地区有很大的实用价值。2 光伏组件的特殊应用由于目前实际应用的光伏组件效率不到20，特别是在大量应用时需要占用大片土地。然而，在一 些情况下，太阳电池方阵却可以不必占用宝贵的土地资源，而且太阳电池组件除了发电以外，还可以兼具其它功能，相得益彰，不但同时具有两种用途，还可降低成本，有着十分巨大的市场潜力。目前主要有以下两种：1光伏与建筑一体化(BIPV)据统计，现在建筑物消耗的能量大约占总能耗的一半以上，美国提出的目标是新建的建筑物要减少能源消耗50，并逐步对现有的1500万座建筑物进行改造，使其减少能耗30。其中重要的措施之一 就是推广光伏与建筑相结合的屋顶并网光伏系统。同时近来提出的“零能耗建筑”观念，在很大程度上也只有光伏与建筑相结合才能实现。光伏组件与建筑材料融为一体，采用特殊的材料和工艺手段，将光伏组件做成屋顶、外墙、窗户等形状，可以直接作为建筑材料使用，既能发电，又可作为建材，能够进一步降低发电成本。与一般的平板式光伏组件不同，BIPV组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求，如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观，还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装及运输等。为了满足建筑工程的要求，已经研制出了多种颜色的太阳电池组件，可供建筑师选择，使得建筑物色彩与周围环境更加和谐协调。根据建筑工程的需要，已经生产出多种满足屋顶瓦、外墙、窗户等性能要求的太阳电池组件。在国外光伏与建筑一体化正在大量推广应用，我国则还处于刚起步阶段。当然，光伏发电和建筑原来是完全互不相关的两个不同的领域，要将两者结合在一起，有很多问题需要解决。但是随着科技的进步；BIPV新产品还将不断涌现，光伏系统的大规模应用，将促使其价格进一 步下降，光伏发电与建筑相结合将成为光伏应用最重要的领域之一，也将为越来越多的建筑师所接受并实际使用。庞大的建筑市场与光伏发电相结合的BIPV，是光伏系统的应用由偏远农村地区进入城市的重要标志，有着十分广阔的发展前景。2 光伏声屏障系统另一种同样兼具两种功能，而又不需占用土地，并且具有重大经济价值的光伏应用领域就是光伏声屏障，将光伏组件安装在高速道路两旁，既能降低噪声，又能发电，兼具两种功能，一举两得，可以进一步降低光伏系统的发电成本。噪声一般指对人们的正常生活、工作和健康有影响的声音。根据我国公路建设项 目环境影响评价规范规定：公路两侧200m范围内白天不超过7OdB，夜间55dB。然而从全国城市道路交通噪声调查结果分析，目前全国有16的居民住在道路两边，受影响的人群约3400万人；其中80的人群，约2700万人，白天在平均噪声级超过7OdB，夜间超过55dB的高噪声干扰下生活。随着经济的迅速发展，人们对于生活质量的要求也在不断提高，治理地面交通噪声已引起了广泛的重视，各地正在采取各种办法，努力降低地面交通噪声，其中最有效措施之一就是建造声屏障，单是北京市在20022007年间就要投入1O亿元安装快速道路声屏障。一般36m高的声屏障，其声影区内降噪效果在512dB之间。现在一般的声屏障是采用土、砖、混凝土、木材、金属和聚碳酸酯等材料制成，功能单一。平板太阳电池组件使用时需要一定空间，如果规模比较大，就要占用较多土地。然而平板正好能够反射声波，能够同时起到声屏障的作用，因此可以将平板太阳电池组件作为声屏障材料，将组件的输出端连接起来，在有太阳光照时发出的电力通过逆变器直接并人电网。也可以根据需要，配备储能蓄电池，作为独立系统，为车站等提供电力。现在很多高速公路，晚上无法解决照明问题，如果专门架设供电线路，需要增加大量投资。如用光伏声屏障系统，发出的电力就可供给路灯使用。从20世纪80年代末，国外就开始研究和光伏声屏障系统。1989年，TNCConsultingAG公司在瑞士A13高速公路旁，建造了第一套光伏声屏障系统，瑞士的光伏声屏障系统，应用日本Kyoeera公司生产的多晶硅组件2208块，面积共968m2，安装倾角45。，方位角偏东25。，总功率100kW，采用Siemens中央逆变器。每年能发电11万kwh。目前，规模最大的是德国A92高速公路旁的光伏声屏障系统，建造于2003年，采用1080块I一5O组件和6750块I一50CER组件，总功率为499kW，逆变器用Sunpower公司的SP40000型12台，每年能发电475MWh。据预测，在短期内，欧洲沿公路和铁路旁设置平板太阳电池组件系统做声屏障的潜力是1145MW。根据分析，德、意、法、英、荷、瑞士六国沿公路、铁路两旁安装光伏声屏障系统的潜在市场达到83GWNJ。光伏声屏障作为蓬勃发展的光伏发电与潜力巨大的声屏障两者的结合点，在国外正在不断推广应用，上海也正在建设我国第一套光伏声屏障系统。可以预期，不久在漫长的高速道路两边将要形成一道亮丽的风景线，既能减少噪声，又能产生电力，为我国光伏发电的应用增添一个重要的新领域。一个光辉灿烂的太阳能时代即将到来。