頁太陽能光伏發(fā)電原理與應用課程設計課題名稱：大型太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計專業(yè)班級：11級電信班學生學號：學生姓名：學生成績：指導教師：大型太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計引言：隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現(xiàn)有電力能源的來源主要有3種，即火電、水電和核電。太陽能的能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能），是太陽中的氫原子核在超高溫時聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因為各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學能在植物體內(nèi)貯存下來后，再由埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。利民太陽能發(fā)電有兩大類型：一類是太陽光發(fā)電（亦稱太陽能光發(fā)電），另一類是太陽熱發(fā)電（亦稱太陽能熱發(fā)電）。太陽能光發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學發(fā)電、光感應發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式，在光化學發(fā)電中有電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池。太陽能熱發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式。一種是將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。另一種方式是將太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發(fā)電機發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。二、結構原理太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件（Solarcells）是利用半導體材料的電子學特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達國家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實現(xiàn)互補。目前從民用的角度，在國外技術研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑（照明）一體化"技術，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。電池單元由于技術和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質(zhì)半導體材料構成的P-N結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內(nèi)建電場的兩側面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現(xiàn)了對負載的功率P輸出。理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷（需電量）決定。儲存單元太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發(fā)電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續(xù)無日照時間決定?？刂破骺刂破鞯闹饕δ苁鞘固柲馨l(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術即PWM控制方式，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。逆變器逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時，擂電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔谩Ｒ虼怂仨毐ＷC回路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的沖擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的話可以不用任何二極管，因為控制器本來就可防反沖。板子串聯(lián)的話，需要安裝旁路二極管，如果是并聯(lián)的話就要裝個防反沖二極管，防止板子直接沖電。防反充二極管只是保護作用，不會影響發(fā)電效果。效率在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對于太陽能電池技術來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。對硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術減小半導體材料的復合；電池超薄型化；改進理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率見表1。三、基于PVSYST的大型太陽能發(fā)電的設計1、地理位置選擇中國的首都北京北京，參數(shù)如圖1：圖1：北京地理參數(shù)相關的日照參數(shù)如圖2：圖2：北京日照參數(shù)2、方位角選取為了更加充分有效地利用太陽能，如何選取太陽電池方陣的參數(shù)是一個十分重要的問題。①方位角:太陽電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設定為負角度，向西偏設定為正角度）。在不同的季節(jié)，太陽電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的時候。方陣設置場所受到許多條件的制約，

方位角

＝（一天中負荷的峰值時刻（24小時制）－12）×15＋（經(jīng)度－116）

。在不同的季節(jié)，各個方位的日射量峰值產(chǎn)生時刻是不一樣的。②傾斜角：傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是方陣一年中發(fā)電量為最大時的最佳傾斜角度。

一年中的最佳傾斜角與當?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P，當緯度較高時，相應的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設計中也要考慮到屋頂?shù)膬A斜角及積雪滑落的傾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制條件。對于積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電量也存在增加的情況，因此，特別是在并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，并不一定優(yōu)先考慮積雪的滑落，此外，還要進一步考慮其它因素。

對于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時，其日射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時，發(fā)電量下降到最小。方陣從垂直放置到10°～20°的傾斜放置都有實際的例子。對于方位角不為0°度的情況，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。

以上所述為方位角、傾斜角與發(fā)電量之間的關系，對于具體設計某一個方陣的方位角和傾斜角還應綜合地進一步同實際情況結合起來考慮。

③陰影對發(fā)電量的影響

一般情況下，我們在計算發(fā)電量時，是在方陣面完全沒有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽電池不能被日光直接照到時，那么只有散射光用來發(fā)電，此時的發(fā)電量比無陰影的要減少約10％～20％。針對這種情況，我們要對理論計算值進行校正。

通常，在方陣周圍有建筑物及山峰等物體時，太陽出來后，建筑物及山的周圍會存在陰影，因此在選擇敷設方陣的地方時應盡量避開陰影。如果實在無法躲開，也應從太陽電池的接線方法上進行解決，使陰影對發(fā)電量的影響降低到最低程度。

另外，如果方陣是前后放置時，后面的方陣與前面的方陣之間距離接近后，前邊方陣的陰影會對后邊方陣的發(fā)電量產(chǎn)生影響。有一個高為L1的竹竿，其南北方向的陰影長度為L2，太陽高度（仰角）為A，在方位角為B時，假設陰影的倍率為R，則：

R

＝

L2/L1

＝

ctgA×cosB

。此式應按冬至那一天進行計算，因為，那一天的陰影最長。例如方陣的上邊緣的高度為h1，下邊緣的高度為h2，則：方陣之間的距離a

＝

（h1-h2）×R。當緯度較高時，方陣之間的距離加大，相應地設置場所的面積也會增加。對于有防積雪措施的方陣來說，其傾斜角度大，因此使方陣的高度增大，為避免陰影的影響，相應地也會使方陣之間的距離加大。通常在排布方陣陣列時，應分別選取每一個方陣的構造尺寸，將其高度調(diào)整到合適值，從而利用其高度差使方陣之間的距離調(diào)整到最小。

具體的太陽電池方陣設計，在合理確定方位角與傾斜角的同時，還應進行全面的考慮，才能使方陣達到最佳狀態(tài)。如圖3：圖3：方向角建模如圖4：圖4：模型的建立對于系統(tǒng)所需的各種參數(shù)的選取如圖5：圖5：參數(shù)選取日照影響的參數(shù)設定自然環(huán)境對太陽日照參數(shù)有很大影響，參數(shù)設定如圖6：圖6：日照損失參數(shù)系統(tǒng)結果由以上對系統(tǒng)各種參數(shù)的設定得到系統(tǒng)的以下結果數(shù)據(jù)，如圖7、8、9、10：圖7：方陣日均輸入、輸出能量圖8：系統(tǒng)產(chǎn)能