太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究13Z電氣2卞國璐TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1、緒論 1\o"CurrentDocument"2、太陽能的主要利用形式和發(fā)展前景 2\o"CurrentDocument"3、太陽能光伏電源系統(tǒng)的組成及運行機理 4\o"CurrentDocument"、太陽能電池方陣 5\o"CurrentDocument"、太陽能控制器 5\o"CurrentDocument"、太陽能蓄電池組 6\o"CurrentDocument"、太陽能逆變器 6\o"CurrentDocument"4、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用——并網(wǎng)發(fā)電 7\o"CurrentDocument"、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源的要求 7\o"CurrentDocument"、太陽能并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖 8\o"CurrentDocument"、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成部分 8\o"CurrentDocument"5、總結(jié) 101、緒論在人類文明的歷史長河中，人們不斷在大自然中探索人類生存所必須的能量。從原始社會開始，人們就開始使用鉆木取火，隨著時間的推移，人們現(xiàn)在已經(jīng)基本掌握了一些能源的或取方式和提煉使用方法。從能量存儲量的角度看，常規(guī)能源的儲量正隨著人類文明的高度發(fā)展而迅速枯竭；從資源的角度看，地球的礦物能源儲量是有限的，按目前消耗的速度計，石油還可供開采40年左右，天然氣約60年，煤可望達200年。到20世紀(jì)末人們開始意識到：由于每年燃燒常規(guī)能源所產(chǎn)生的CO2排放量約210億噸左右，已經(jīng)使地球嚴(yán)重污染，而且目前CO2的年排放量還在呈上升趨勢。還有就是一些礦物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的酸雨對農(nóng)田、水源、房屋建筑等都有一定的污染和損害，直接危害了人們的生活。針對以上情況開發(fā)和使用新能源（可再生能源和無污染綠色能源）已是人類目前迫切需要解決的重要問題。雖然目前人類可利用的新能源，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺?、海洋能等能源形式都是可以滿足要求的。但從能源的穩(wěn)定性、可持久性、數(shù)量、設(shè)備成本、利用條件等諸多因素考慮，太陽能將成為最為理想的可再生能源和無污染能源。2、太陽能的主要利用形式和發(fā)展前景太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有安全可靠、無噪聲、無污染，能量隨處可得、不受地域限制、無需消耗燃料、無機械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護簡便、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、無需架設(shè)輸電線路、可以方便地與建筑物相結(jié)合等以及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。因此，無論從近期還是遠期，無論從能源環(huán)境的角度還是從邊遠地區(qū)和特殊應(yīng)用領(lǐng)域需求的角度來考慮，太陽能電池發(fā)電都極具吸引力。目前，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的唯一障礙是其成本高，預(yù)計到21世紀(jì)中葉，太陽能電池發(fā)電的成本將會下降到同常規(guī)能源發(fā)電相當(dāng)。屆時，太陽能電池發(fā)電將成為人類電力的重要來源之一。目前太陽能的利用形式主要有光熱利用、光伏發(fā)電利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式。光熱利用具有低成本，方便，利用效率較高等優(yōu)點，但不利于能量的傳輸，一般只能就地使用，而且輸出能量形式不具備通用性。光化學(xué)轉(zhuǎn)換在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人類還不能很好地利用。光伏發(fā)電利用以電能作為最終表現(xiàn)形式，具有傳輸極其方便的特點，在通用性、可存儲性等方面具有前兩者無法替代的優(yōu)勢。且由于太陽能電池的原料—硅的儲量十分豐富、太陽電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高、生產(chǎn)成本的不斷下降，都促使太陽能光伏發(fā)電在能源、環(huán)境和人類社會未來發(fā)展中占據(jù)重要地位。由于太陽光資源具有分散性，而且隨處可得，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)特別適合于作為獨立的電源使用，例如邊遠地區(qū)的村莊及戶用供電系統(tǒng)、太陽能電池照明系統(tǒng),太陽能電池水泵系統(tǒng)以及大部分的通信電源系統(tǒng)等都屬此類。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)還可以同其它發(fā)電系統(tǒng)組成聯(lián)合供電系統(tǒng)，如“風(fēng)－光互補系統(tǒng)”、“風(fēng)－光－柴－蓄互補系統(tǒng)”等。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本低，又由于風(fēng)能和太陽能資源具有互補性，互補發(fā)電系統(tǒng)可以大大提高供電的穩(wěn)定性，其價格比起獨立太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)至少可減少1/3。除此之外，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)還可以與電網(wǎng)相聯(lián)構(gòu)成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電通過并網(wǎng)逆變器直接饋入電網(wǎng)，從而可以大大減少蓄電池的存儲容量。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為“可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)”和“不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)”。“不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)”中不帶儲能系統(tǒng)，饋入電網(wǎng)的電力完全取決于日照的情況；“可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)”帶有儲能系統(tǒng)，可根據(jù)需要隨時將太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)并入或退出電網(wǎng)。實踐證明，并網(wǎng)電站可以對電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)末端的電壓穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和消除電網(wǎng)雜波均能發(fā)揮有效作用，很有應(yīng)用前景。3、太陽能光伏電源系統(tǒng)的組成及運行機理太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如下：hI交漢■負(fù)戟、hI交漢■負(fù)戟、n亙芒冥敦太聽電池方陣直淤交蠱、太陽能電池方陣?yán)冒雽?dǎo)體材料的電子學(xué)特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)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(jié)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(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負(fù)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(fù)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(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負(fù)荷（需電量）決定。、太陽能控制器對所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時，太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。、太陽能蓄電池組一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。在一些新型的存儲設(shè)備的研究中可以使用超導(dǎo)存儲系統(tǒng)，其主要是利用超導(dǎo)線圈可以承受大電流而無功率損耗的特點，將大容量的電能直接存儲起來，需要的時候在將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)荷的一種電力措施。目前日本等國家正在研制過程中。、太陽能逆變器在很多場合，都需要提供AC220V、AC110V的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。為能向AC220V的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。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(fù)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。在某些場合，需要使用多種電壓的負(fù)載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能。4、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用——并網(wǎng)發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源的要求（1）要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變電源的效率。（2）要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱，過載保護等。（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V?16V之間變化，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。（4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免鐸公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。、太陽能并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖下圖為并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)組成示意圖，其主要包括兩大主要部分：其一，太陽能電池組件。將太陽傳送到地球上的光能轉(zhuǎn)化成直流電能其二，太陽能控制逆變器及并網(wǎng)成套設(shè)備，負(fù)責(zé)將電池板輸出直流電能轉(zhuǎn)為電網(wǎng)可接受的交流能量。根據(jù)功率的不同太陽能逆變器的輸出形式可為單相或者三相；可帶隔離變壓器，也可不配隔離變壓器。I太陽能板—變壓器+:電網(wǎng)心控制器I太陽能板—變壓器+:電網(wǎng)心控制器A逆變器4監(jiān)視器+」、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成部分（1）太陽能電池板太陽能電池板主要有：晶體硅電池板（、）、非晶硅電池板（、）、化學(xué)染料電池板（）、柔性太陽能電池，這幾類，其中，美國倫斯勒理工學(xué)院研究人員2008年開發(fā)出一種新型涂層，將其覆蓋在太陽能電池板上能使后者的陽光吸收率提高到%，而普通太陽能電池板的陽光吸收率僅為70%左右。（2）控制器下圖為太陽能控制器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從原理上說是以及升壓斬波器，通過調(diào)整開關(guān)器件S的占空比，調(diào)節(jié)電池板的等效負(fù)載阻抗,實現(xiàn)對電池板的最大功率跟蹤功能。3）逆變器太陽能逆變器的電路拓?fù)淙缦聢D所示，a）是單相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)?，b）是三相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)洹碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)上看屬于電壓型控制逆變電路。從控制方式上屬于電流控制型電路。4）監(jiān)視保護裝置監(jiān)控保護單元的主要作用有：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為接入電力系統(tǒng)的裝置，需要設(shè)定合理的保護措施保護發(fā)電設(shè)備的安全以及電網(wǎng)的安全；孤島效應(yīng)會產(chǎn)生很多不良影響，光伏系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的典型代表，如何準(zhǔn)確測定孤島效應(yīng)也是監(jiān)控保護單元的重要作用太陽能光伏電站尤其是大規(guī)模的光伏電站往往建設(shè)在荒漠和無人區(qū)，智能電量管理和系統(tǒng)狀況檢測上報也是光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重點考慮的因素。A：并網(wǎng)保護裝置并網(wǎng)保護裝置主要實現(xiàn)以下保護功能：低電壓保護、過電壓保護、低頻率保護、國頻率保護、過電流保護以及孤島保護策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設(shè)置冗余保護裝置，保證系統(tǒng)故障時及時處理。B:孤島檢測技術(shù)孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時，并網(wǎng)裝置仍然保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電