第2章太陽能及其發(fā)電技術2.1太陽和太陽能2.2太陽能光伏發(fā)電2.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計及實例2.4太陽能電池及太陽能電池方陣2.5充、

放電控制器2.6直流－交流逆變器2.7交流配電系統(tǒng)【內(nèi)容摘要】

本章介紹了太陽能及各種形式的太陽能發(fā)電技術，分析了太陽能光伏發(fā)電原理與組成、充－放電控制器、直流－交流逆變器、交流配電系統(tǒng)等工作原理和結(jié)構(gòu)，以及組裝小型或微型太陽能發(fā)電裝置的方法。

【理論教學要求】

重點掌握太陽能光伏發(fā)電原理，理解各類形式的太陽能發(fā)電技術?！竟こ探虒W要求】

學會組裝小型或微型太陽能發(fā)電裝置。

從生物角度講,萬物生長靠太陽。太陽以它燦爛的光芒和巨大的能量給人類以光明，給人類以溫暖，給人類以生命。太陽和人類的關系非常密切，沒有太陽，便沒有白晝；沒有太陽，一切生物都將死亡。從能源角度講，萬種能靠太陽。不論是煤炭、石油、天然氣，還是風能和水力，無不直接或間接來自太陽。人類所吃的一切食物，無論是動物性的，還是植物性的，無不有太陽的能量包含在里面。完全可以這樣認為：太陽是光和熱的源泉，是地球上一切生命現(xiàn)象的根源，沒有太陽便沒有人類。同時，也可以說，太陽是地球上一切的源泉，是地球上一切能源的根源，沒有太陽便沒有能源。

2.1太陽和太陽能

2.1.1太陽的結(jié)構(gòu)和組成

為什么說太陽是地球上一切能源的根源，沒有太陽便沒有能源呢？

按照經(jīng)典理論，煤、石油是古代生物演變而來的，而生物的生長離不開太陽，因此，煤、石油來源于太陽。風能、水能和海洋能也來源于太陽，這是因為：風是陽光照射到地球上，在地球上形成溫差，導致空氣的流動而形成的；水能是陽光照耀在海面、湖面、江面、河面和植物表面上，形成水蒸氣，在空中形成云，遇冷凝聚成水滴（大水分子團），變成雨，落到地面，形成海面、湖面、江面、河面，進而形成的；海洋波浪能、潮汐能也與太陽有關，沒有風能，也就沒有海洋波浪能，而海洋潮汐能與地球、月球、太陽的相對運動相關；原子能、地熱能是地球上的礦物質(zhì)，在太陽系形成時，就已經(jīng)有關了。

太陽的結(jié)構(gòu)可分為三個層次，最里層為光球?qū)樱虚g為色球?qū)?，最外面為日冕層，如圖2－1所示。圖2－1太陽的結(jié)構(gòu)示意圖

1.光球?qū)?/p>

我們平常所見太陽的光芒四射、平滑如鏡的圓面就是光球?qū)印Ｋ翘柎髿庵凶钕旅娴囊粚樱簿褪亲羁拷杻?nèi)部的那一層，厚度為500km左右，大約僅占太陽半徑的萬分之七，非常薄。其溫度在5700K左右，太陽的光輝基本上是從這里發(fā)出的。它的壓力只有大氣壓力的1%，密度僅為水的幾億分之一。

2.色球?qū)?/p>

在發(fā)生日全食時，在太陽的四周可以看見一個美麗的彩環(huán)，那就是太陽的色球?qū)?。它位于太陽光球?qū)拥纳厦?，是稀疏透明的一層太陽大氣，主要由氫、氦、鈣等離子構(gòu)成。其厚度各處不同，平均厚度為2000km左右。色球?qū)拥臏囟缺裙馇驅(qū)右?，從光球?qū)禹敳康?600K到色球?qū)禹敳?，溫度可增加到幾萬K，但它發(fā)出的可見光的總量卻不及光球?qū)印?/p>

3.日冕層

在發(fā)生日全食時，我們可以看到在太陽的周圍有一圈厚度不等的銀白色環(huán)，這便是日冕層。日冕層是太陽大氣的最外層，在它的外面便是廣漠的星際空間。日冕層的形狀很不規(guī)則，并且經(jīng)常變化，同色球?qū)記]有明顯的界線。日冕層的厚度不均勻，但很大，可以延伸到5×106～6×106km的范圍。日冕層的組成物質(zhì)特別稀少，密度只有地球高空大氣密度的幾百分之一。日冕層的亮度也很小，僅為光球?qū)恿炼鹊?00萬分之一?？墒?，它的溫度很高，達到100多萬K。根據(jù)高度的不同，日冕層可分為兩個部分：高度在1.7×105km以下的范圍叫內(nèi)冕，呈淡黃色，溫度在106K以上；高度在1.7×105km以上的范圍叫外冕，呈青白色，溫度比內(nèi)冕略低。利用太陽光譜分析法可初步看出太陽的化學組成。目前在地球上存在的化學元素，大多都能在太陽上找到。地球上的100多種自然元素中，有66種已先后在太陽上發(fā)現(xiàn)。構(gòu)成太陽的主要成分是氫和氦。氦的體積占整個太陽體積的78.4%，氦的體積占整個太陽體積的19.8%。此外，還有氧、鎂、氮、硅、硫、碳、鈣、鐵、鋁、鈉、鎳、鋅、鉀、錳、鉻、鈷、鈦、銅、釩等60多種元素，但它們所占比重極小。從太陽系的形成角度出發(fā)，應該說地球上有的太陽上都應該有。太陽是距離地球最近的一顆恒星。地球與太陽的平均距離，最新測定的精度數(shù)值為149597892km，一般可取為1.5×108km。

太陽的直徑為139530km，一般可取為1.39×106km，相當于九大行星直徑總和的3.4倍，比地球的直徑大109.3倍，比月亮的直徑大400倍。太陽的體積為1.412×10km3，為地球體積的130萬倍。我們?nèi)庋壑钥吹教柡?8月亮的大小差不多，那是因為月亮同地球的平均距離僅為384400km，不足太陽同地球平均距離的四百分之一。據(jù)推算，太陽的質(zhì)量約為1.982×1027t，相當于地球質(zhì)量的333

400倍。

標準狀況下，物體的質(zhì)量同它的體積的比值稱為物體的密度。太陽的密度是很不均勻的，外部小，內(nèi)部大,由表及里逐漸增大。太陽的中心密度為160g/cm3，為黃金密度的8倍，是相當大的，但其外部的密度極小。就整個太陽來說，它的平均密度為1.41g/cm3,約等于水的密度(在4℃時為1g/cm3)的1.5倍，比地球物質(zhì)的平均密度5.5g/cm3要小得多。2.1.2太陽的能量

太陽的內(nèi)部具有無比的能量，它一刻也不停息地向外發(fā)射著巨大的光和熱。

太陽是一顆熊熊燃燒著的大火球，它的溫度極高。眾所周知，水燒到100℃就會沸騰;煉鋼爐里的溫度達到1000℃，鐵塊就會熔化成熾熱的鐵水，如果再繼續(xù)加熱到2450℃以上，鐵水就會變成氣體。太陽的溫度比煉鋼爐里的溫度高得多。太陽的表面溫度約為5500℃?？梢哉f，不論什么東西在那里都將化為氣體。太陽內(nèi)部的溫度就更高了。由天體物理學的理論計算可知，太陽的中心溫度高達1.5×107～2.0×107℃，壓力比大氣壓力高3000多億倍，密度高達160g/cm3,這是一個駭人聽聞的高溫、高壓、高密度的世界。太陽是耀入人們眼簾中的一顆最明亮的恒星，人們稱它為“宇宙的明燈”。對于生活在地球上的人類來說，太陽光是一切自然光源中最明亮的。那么，太陽究竟有多亮呢?據(jù)科學家計算，太陽的總亮度大約為2.5×1027燭光。這里還要指出，地球周圍有一層厚達100多千米的大氣，它使太陽光大約減弱了20％,在修正了大氣吸收的影響之后，理論上得到的太陽的真實亮度就更大了，大約為3×1027燭光。太陽的溫度如此之高，太陽的亮度如此之大，那么它的輻射能量也一定很大。平均來說，在地球大氣外面正對著太陽1m2的面積上，每分鐘接收的太陽能大約為1367kW。這是一個很重要的數(shù)字，叫作太陽常數(shù)。這個數(shù)字表面上看起來似乎不大，但是不能忘記的是，太陽距離地球1.5×108km，它的能量只有22億分之一到達地球，整個太陽每秒鐘釋放出來的能量是無比巨大的，高達3.865×1026J，相當于每秒鐘燃燒1.32×1016t標準煤所發(fā)出的能量。太陽的巨大能量是從太陽的核心由熱核反應產(chǎn)生的。太陽核心的結(jié)構(gòu)可以分為產(chǎn)能核心區(qū)、輻射輸出區(qū)和對流區(qū)三個范圍廣闊的區(qū)帶，如圖2－2所示。太陽實際上是一座以核能為動力的極其巨大的工廠。氫便是它的燃料。在太陽內(nèi)部的深處，由于有極高的溫度和上面各層的巨大壓力，使原子核反應得以不斷進行。這種核反應是氫變?yōu)楹さ臒岷司圩兎磻?個氫原子核經(jīng)一系列的核反應變成1個氦原子核，其損失的質(zhì)量便轉(zhuǎn)化成了能量向空間輻射，太陽上不斷進行著的這種核反應就像氫彈爆炸一樣，會產(chǎn)生巨大的能量，其所產(chǎn)生的能量相當于1秒鐘內(nèi)爆炸910億個106tTNT級的氫彈，總輻射功率達3.75×1026W。圖2－2太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2.1.3地球上的太陽能

1.太陽能量的傳送方式

太陽是地球上的光和熱的主要源泉。太陽一刻也不停息地把巨大的能量源源不斷地傳送到地球上來。它是如何傳送的呢?

熱量的傳播有傳導、對流和輻射三種形式。太陽是以輻射的形式向廣闊無垠的宇宙?zhèn)魉推錈崃亢臀⒘５?。這種傳播的過程就稱作太陽輻射。太陽輻射不僅是地球獲得熱量的根本途徑，而且也是對人類和其他一切生物的生存活動以及地球氣候變化產(chǎn)生最重要影響的因素。

太陽上發(fā)射出來的總輻射能量大約為3.75×1026W，是極其巨大的。其中約有22億分之一到達地球。到達地球范圍內(nèi)的太陽總輻射能大約為1.73×1014kW。其中，被大氣吸收的太陽輻射能大約為3.97×1013kW，約占到達地球范圍內(nèi)的太陽總輻射能量的23%;被大氣分子和塵粒反射回宇宙空間的太陽輻射能大約為5.2×1013kW,約占30%；穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射能大約為8.1×1013kW，約占47%。在到達地球表面的太陽輻射能中，到達地球陸地表面的輻射能大約為1.7×1013kW，大約占到達地球范圍內(nèi)的太陽總輻射能量的10%；到達地球陸地表面的達1.7×1013kW。這是個什么數(shù)量級呢?形象地說，它相當于目前世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的3000多萬倍。在陸地表面所接收的這部分太陽輻射能中，被植物吸收的僅占0.015%，被人們利用作為燃料和食物的僅占0.002%，已利用的比重微乎其微?？梢姡锰柲艿臐摿κ窍喈敶蟮?，開發(fā)利用太陽能為人類服務是大有可為的。

2.彩色的光譜

太陽是以光輻射的方式把能量輸送到地球表面上來的。我們所說的利用太陽能，就是利用太陽光線的能量。那么太陽光的本質(zhì)是什么，它有哪些特點呢?

現(xiàn)代物理學認為，各種光包括太陽光在內(nèi)都是物質(zhì)的一種存在形式。光既有波動性，又具有粒子性，這叫作光的波粒二象性。一方面，任何種類的光都是某種頻率或頻率范圍內(nèi)的電磁波，在本質(zhì)上與普通的無線電波沒有什么差別，只不過是它的頻率比較高，波長比較短。比如，太陽光中的白光的頻率就比厘米波段的無線電波的頻率至少高一萬多倍。所以，不管何種光，都可以產(chǎn)生反射、折射、繞射以及相干等波動所具有的現(xiàn)象，因此我們平常又把光叫作“光波”。另一方面，任何物質(zhì)發(fā)出的光都是由不連續(xù)的、運動著的、具有質(zhì)量和能量的粒子所組成的粒子流。這些粒子極小，就是用現(xiàn)代最高倍的電子顯微鏡也無法看見它們的外貌。這些微觀粒子叫作光量子或光子,它們具有特定的頻率或波長。單個光子的能量是極小的，是能量的最小單元。但是，即使在最微弱的光線中，光子的數(shù)目大。這樣集中起來就可以產(chǎn)生人們能夠感覺到的能量了。科學研究表明，不同頻率或波長的光子或光線具有不同的能量，光子的頻率越高，能量越大。我們眼睛所能看見的太陽光叫可見光，呈白色。但是科學實踐證明，它不是單色光，而是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光所組成的，是一種復色光。每種顏色的光都有自己的頻率范圍。紅色光的波長為0.76～0.63μm,橙色光為0.63～0.60μm,黃色光為0.60～0.57μm,綠色光為0.57～0.50μm,青色光為0.50～0.45μm,藍色光0.45～0.43μm,紫色光為0.43～0.40μm。通常我們把太陽光中的各色光按頻率或波長大小的次序排列而成的光帶圖，叫作太陽的光譜。太陽不僅發(fā)射可見光，同時還發(fā)射許多人眼看不見的光?？梢?，光的波長范圍只占整個太陽光譜的一小部分。整個太陽光譜包括紫外區(qū)、可見區(qū)和紅外區(qū)三個部分。但其主要部分即能量很強的骨干部分，是由波長為0.30~3.00μm的光所組成的。其中，波長小于0.4μm的紫外區(qū)和波長大于0.76μm的紅外區(qū)則是人眼看不見的紫外線和紅外線;波長為0.40~0.76μm的可見區(qū)就是我們所看到的白光。在到達地面的太陽光輻射中，紫外區(qū)的光線占的比例很小，大約為6%，主要是可見區(qū)和紅外區(qū)的光線，分別占50%和43%。太陽光中不同波長的光線具有不同的能量。在地球大氣層的外表面具有最大能量的光線，其波長大約為0.48μm。但是在地面上，由于大氣層的存在，太陽輻射穿過大氣層時，紫外線和紅外線被大氣吸收較多，紫外區(qū)和可見區(qū)被大氣分子和云霧等質(zhì)點散射較多，所以太陽輻射能隨波長的分布情況就比較復雜了。大體情況是：晴朗的白天，太陽在中午前后四五個小時的這段時間，能量最大的光是綠光和黃光部分，而在早晨和晚間這兩段時間，能量最大的光則是紅光部分?？梢?，地面上具有最大能量的光線，其波長比大氣層外表面具有最大能量的光線的波長要長。在太陽光譜中，不同波長的光線對物質(zhì)產(chǎn)生的作用和穿透物體的本領是不同的。紫外線很活躍，它可以產(chǎn)生強烈的化學作用、生物作用和激發(fā)熒光等;而紅外線則很不活躍，被物體吸收后主要引起熱效應;至于可見光，它的頻率范圍較寬，既可起殺菌的生物作用，被物體吸收后也可轉(zhuǎn)變成為熱量。植物的生長主要依靠吸收可見光，大量的波長小于0.30μm的紫外線對植物是有害的，波長超過0.8μm的紅外線僅能提高植物的溫度并加速水分的蒸發(fā)，而不能引起光化學反應(光合作用)。太陽光線對人體皮膚的作用主要表現(xiàn)為：①形成紅斑和灼傷，這主要是由波長小于0.38μm的紫外線所引起的;②使皮膚表層的脂肪光合成為可防止佝僂病的維生素D

3并導致皮膚黝黑，這主要是由波長為0.30~0.45μm的光線引起的。

光的傳播速度是非常快的。遠在1.5×108km之遙的太陽輻射光傳播到地面只要短短的8分19秒。迄今為止實驗得到的最為精確的光速為299792.4562km/s，平常取為3.0×105km/s。

3.太陽光譜輻照度及其特點

利用太陽能就是利用太陽光輻射所產(chǎn)生的能量。那么，太陽光輻射能量的大小如何度量，它到達地球表面的量值受哪些因素的影響，有哪些特點呢?這是我們了解太陽能、利用太陽能不可不弄清楚的一個基本問題。

太陽光譜輻照度可根據(jù)不同波長范圍的輻射能量及其穩(wěn)定程度劃分為常定輻射和異常輻射兩類。常定輻射包括可見光部分、近紫外線部分和近紅外線部分三個波段的輻射，是太陽光輻射的主要部分。它的特點是能量大而且穩(wěn)定，它的輻射占太陽總輻射能的90%左右，受太陽活動的影響很小。表示這種輻照度的物理量叫作太陽常數(shù)。異常輻射則包括光輻射中的無線電波部分、紫外線部分和微粒子流部分。它的特點是隨著太陽活動的強弱而發(fā)生劇烈的變化，在極大期能量很大，在極小期能量則很微弱。

4.影響到達地球表面的太陽輻射能的因素

太陽光譜輻照度是指太陽以輻射形式發(fā)射出的功率投射到地球表面單位面積上的多少而言的。由于大氣層的存在，真正到達地球表面的太陽輻射能的大小要受多種因素影響。一般來說，太陽高度、大氣質(zhì)量、大氣透明度、地理緯度、日照時間及海拔高度是影響的主要因素。1）太陽高度

太陽高度就是太陽位于地平面以上的高度角。常常用太陽光線和地平線的夾角即入射角θ來表示。入射角大，太陽高，輻照度也大;反之，入射角小，太陽低，輻照度也小。

由于地球的大氣層對太陽輻射有吸收、反射和散射作用，所以紅外線、可見光和紫外線在光射線中所占的比例也隨著太陽高度的變化而變化。當太陽高度為90°時，在太陽光譜中，紅外線占50%,可見光占46%,紫外線占4%；當太陽高度為30°時，紅外線占53%，可見光占44%，紫外線占3%;當太陽高度為5°時，紅外線占72%,可見光占28%,紫外線則近似于0。太陽高度在一天中是不斷變化的。早晨日出時最低，θ為0，以后逐漸增加，到正午時最高，θ為90°，下午又逐步減小，到日落時θ又降低到0。太陽高度在一年中也是不斷變化的。這是由于地球不僅在自轉(zhuǎn)，而且也在圍繞著太陽公轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面不是垂直的，而是始終保持著一定的傾斜度。自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面法線之間的夾角為23.5°。上半年，太陽高度從低緯度到高緯度逐日升高，直到夏至日正午，達到最高點90°。從此以后，太陽高度則逐日降低，直到冬至日，降低到最低點。這就是一年中夏季炎熱、冬季寒冷和一天中正午比早、晚氣溫高的原因。

對于某一地平面來說，太陽高度低時，光線穿過大氣的路程較長，能量衰減得就較多。同時，又由于光線以較小的角度投影到該地平面上，所以到達地平面的能量就較少。反之，則較多。

2)大氣質(zhì)量

由于大氣的存在，太陽輻射能在到達地面之前將受到很大的衰減。這種衰減作用的大小，與太陽輻射穿過大氣路程的長短有著密切的關系。太陽光線在大氣中經(jīng)過的路程越長，能量損失得就越多;路程越短，能量損失得越少。通常我們把太陽處于頭頂，即太陽垂直照射地面時光線所穿過的大氣的路程稱為1個大氣質(zhì)量。太陽在其他位置時，大氣質(zhì)量都大于1。例如，在早晨8～9點時，大約有2～3個大氣質(zhì)量。大氣質(zhì)量越大，說明太陽光線經(jīng)過大氣的路程就越長，受到的衰減就越多，到達地面的能量也就越少。

3)大氣透明度

在大氣層上界與光線垂直的平面上，太陽輻照度基本上是一個常數(shù);但是在地球表面上，太陽輻照度卻是經(jīng)常變化的。這主要是由于大氣透明程度的不同所引起的。大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數(shù)。在晴朗無云的天氣，大氣透明度高，到達地面的太陽輻射能就多些。在天空中云霧很多或風沙灰塵很大時，大氣透明度很低，到達地面的太陽輻射能就較少?？梢?，大氣透明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質(zhì)的多少密切相關的。

4)地理緯度

太陽輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。這是什么原因呢?我們假定高緯度地區(qū)和低緯度地區(qū)的大氣透明度是相同的，在這樣的條件下進行比較，如圖2－3所示。圖2－3太陽垂直輻射通量與地理緯度的關系地處高緯度的圣彼得堡(北緯60°)，每年在1cm2的面積上只能獲得335kJ的熱量;而在我國首都北京，由于地處中緯度(北緯39°57′)，則可得到586kJ的熱量;在低緯度的撒哈拉地區(qū)，可得到高達921kJ的熱量。正是由于這個原因，才形成了赤道地帶全年氣候炎熱，四季一片蔥綠，而在北極圈附近，則終年嚴寒，銀裝素裹，冰雪覆蓋，儼然兩個不同的世界。

5)日照時間

日照時間也是影響地面太陽輻照度的一個重要因素。如果某地區(qū)某日白天有14h,若其中陰天時間≥6h，而出太陽的時間≤8h，那么，我們就說該地區(qū)那一天的日照時間是8h。日照時間越長，地面所獲得的太陽總輻射量就越多。

6)海拔高度

海拔越高，大氣透明度也越好，從而太陽的直接輻射量也就越高。

此外，日地距離、地形、地勢等對太陽輻照度也有一定的影響。例如，地球在近日點要比在遠日點的平均氣溫高4℃。又如，在同一緯度上，盆地要比平川氣溫高，陽坡要比陰坡氣溫高。

總之，影響地面太陽輻照度的因素很多，但是某一具體地區(qū)的太陽輻照度的大小，則是由上述因素的綜合結(jié)果決定的。太陽輻射能作為一種能源，與煤炭、石油、核能等比較，獨具特點。它的優(yōu)點可概括如下：〖JP〗

（1）普遍性。陽光普照大地，處處都有太陽能，可以就地利用，不需到處尋找，更不需火車、輪船、汽車等日夜不停地運輸。這對解決偏僻邊遠地區(qū)以及交通不便的鄉(xiāng)村、海島的能源供應，具有很大的優(yōu)越性。

（2）無害性。將太陽能作為能源，沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪聲，不產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，因而不會污染環(huán)境，沒有公害。

（3）長久性。只要太陽存在，就有太陽輻射能。因此，將太陽能作為能源，可以說是取之不盡、用之不竭的。

（4）巨大性。一年內(nèi)到達地面的太陽輻射能的總量，要比地球上現(xiàn)在每年消耗的各種能源的總量高幾萬倍。但太陽輻射能也有缺點，主要如下:

（1）分散性，即能量密度低。晴朗白晝的正午，在垂直于太陽光方向的1m2地面上能接收的太陽能平均只有1.3kW左右。作為一種能源，這樣的能量密度是很低的。因此，在實際利用時，往往需要利用一套面積相當大的太陽能收集設備。這就使得設備占地面積大，用料多，結(jié)構(gòu)復雜，從而使成本增高，影響了太陽能的推廣應用。

（2）隨機性。到達某一地面的太陽直接輻射能，由于受氣候、季節(jié)等因素的影響，是極不穩(wěn)定的。這就給大規(guī)模地利用太陽能增加了不少困難。

（3）間歇性。到達地面的太陽直接輻射能隨晝夜的交替而變化，使大多數(shù)太陽能設備在夜間無法工作。為克服夜間沒有太陽直接輻射、散射輻射也很微弱所造成的困難，需要研究和配備儲能設備，以便在晴天時把太陽能收集并儲存起來，供夜晚或陰雨天時使用。2.1.4我國豐富的太陽能資源

我國的疆界，南從西沙群島的曾母暗沙以南，北到北緯52°32′黑龍江省漠河以北的黑龍江江心，西自東經(jīng)73°附近的帕米爾高原，東到東經(jīng)135°10′的黑龍江和烏蘇里江的匯流處，土地遼闊，幅員廣大。我國的國土跨度，從南到北，自西至東，距離都在5000km以上，總面積達1000多萬km2，陸地占世界陸地總面積的7%，居世界第二位。在我國廣闊富饒的土地上有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽能總輻射量為334~8400MJ/（m2·a），中值為5852MJ/（m2·a）。從全國太陽能年總輻射量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及中國臺灣的西南部等廣大地區(qū)的太陽能總輻射量很大，尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。例如，被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的太陽年平均日照時間為3005.7h,相對日照為68%，年平均晴天為108.5d,陰天為98.8d，年平均云量為4.8，太陽能總輻射量為8160MJ/（m2·a），比全國其他省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽能年總輻射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多，霧多，晴天較少。例如，素有“霧都”之稱的成都，年平均日照時數(shù)僅為1152.2h，相對日照為26%，年平均晴天為24.7d,陰天達244.6d,年平均云量高達8.4。其他地區(qū)的太陽能年總輻射量居中。

我國太陽能資源分布的主要特點有:太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯22°~35°這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心;太陽能年總輻射量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個自治區(qū)外，基本上是南部低于北部;由于南方多數(shù)地區(qū)云多、雨多，在北緯30°~40°地區(qū)，太陽能的分布情況與一般的太陽能隨緯度變化的規(guī)律相反，太陽能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增長。圖2－4中國太陽能輻射量分布圖為了按照各地不同條件更好地利用太陽能，可根據(jù)各地接收太陽能總輻射量的多少，將全國劃分為如下五類地區(qū):

一類地區(qū)全國日照時數(shù)為3200～3300h,在每平方米面積上一年內(nèi)接收的太陽能總輻射量為6680～8400MJ，相當于225～285kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括寧夏北部、甘肅北部、新疆南部、青海西部和西藏西部等地，是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當，尤以西藏自治區(qū)的太陽能資源最為豐富，太陽能總輻射量最高值達8400MJ/（m2·a），僅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位。二類地區(qū)全國日照數(shù)為3000～3200h,在每平方米面積上一年內(nèi)接收的太陽能總輻射量為5852～6680MJ，相當于200～225kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地，為我國太陽能資源較豐富的地區(qū)。三類地區(qū)全年日照時數(shù)為2200～3000h，在每平方米面積上一年內(nèi)接收的太陽能總輻射量為5016～5852MJ,相當于170~200kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、中國臺灣西南部等地，為我國太陽能資源的中等類型區(qū)。

四類地區(qū)全年日照時數(shù)為1400～2200h，在每平方米面積上一年內(nèi)接收的太陽能總輻射量為4190～5016MJ，相當于140～170kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部以及黑龍江、中國臺灣東北部等地，是我國太陽能資源較貧乏的地區(qū)。五類地區(qū)全年日照時數(shù)為1000～1400h，在每平方米面積上一年內(nèi)接收的太陽能總輻射量為3344～4190MJ，相當于115～140kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區(qū)。

對于一、二、三類地區(qū)，全年日照時數(shù)大于2000h,太陽能總輻射量高于5016MJ/（m2·a）,是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)。這三類地區(qū)面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。四、五類地區(qū)，雖然太陽能資源條件較差，但是也有一定的利用價值，其中有的地方是可能開發(fā)利用太陽能的?？傊?，從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，具有發(fā)展太陽能利用事業(yè)的得天獨厚的優(yōu)越條件，只要我們扎扎實實地努力工作，太陽能利用事業(yè)在我國是有著廣闊的發(fā)展前景的。我國的太陽能資源與同緯度的其他國家相比，除四川盆地和與其毗鄰的地區(qū)外，絕大多數(shù)地區(qū)的太陽能資源相當豐富，和美國類似，比日本、歐洲各國條件優(yōu)越得多，特別是青藏高原中南部的太陽能資源尤為豐富，接近世界最著名的撒哈拉大沙漠。西藏與國內(nèi)外部分地區(qū)太陽能年總輻射量的比較如表2－1所示。表2－1西藏與國內(nèi)外部分地區(qū)太陽能年總輻射量比較地名國內(nèi)年總輻射量MJ·M-2地名國內(nèi)年總輻射量MJ·M-2地名國際年總輻射量MJ·M-2拉薩7784呼和浩特6109莫斯科3727那曲6557銀川6012漢堡3422昌都6137北京5564華沙3516獅泉河7808上海4672倫敦3642絨布寺8369成都3805巴黎4020哈爾濱4622昆明5271維也納3894烏魯木齊5304貴陽3806威尼斯4815格爾木7005曾母暗沙6100里斯本6908武漢4672黃巖島6050紐約4731廣州4480太平島5960非洲中部8374蘭州5442釣魚島4300新加坡5736西藏高原由于海拔高，大氣潔凈，空氣干燥，緯度又低，所以太陽能總輻射量大。西藏全區(qū)的太陽能年總輻射量多在6000～8000MJ/m2之間,呈自東向西遞增形式分布。在西藏東南邊緣地區(qū)云雨較多，太陽能年總輻射量較少，在5155MJ/m2以下;雅魯藏布江中游河谷地區(qū)，雨較少，夜雨多，太陽能年總輻射量達6500～8000MJ/m2;在珠穆朗瑪峰北坡海拔5000m的絨布寺，1954年4月至1960年3月觀測的太陽能年平均總輻射量高達8369.4MJ/m2；即使是太陽能總輻射量較少的昌都，其年總輻射量也大于內(nèi)地各地區(qū)，與內(nèi)蒙古中部地區(qū)相當。與世界各國太陽能年總輻射量相比較，西藏高原也是日照豐富的地區(qū)之一。太陽能總輻射量的年變化曲線呈峰型，月總輻射量一般以5月(昌都、林芝、米林、瓊結(jié)出現(xiàn)在6～7月)為最大，月總輻射量均在500MJ/m2以上，雅魯藏布江中上游、羌塘、阿里高原可達700MJ/m2以上，獅泉河為853.4MJ/m2，絨布寺曾達933.7MJ/m2，最低值一般出現(xiàn)在12月(比如米林、索縣、波密、林芝、察隅、改則、普蘭出現(xiàn)在1月)，月總輻射量在318.5～510.9MJ/m2之間。西藏太陽能月總輻射量年變化曲線如圖2－5所示。

太陽能總輻射量的季節(jié)變化，以春、夏季最大，秋、冬季最小。雨季(5~9月)的太陽能總輻射量約占全年的46%~49%。圖2－5西藏太陽能月總輻射量的年變化曲線表2－2西藏各站太陽能總輻射量的季節(jié)變化

地名年總輻射量MJ·M-212月到次年2月3-5月6-8月9-11月輻射量占全年%輻射量占全年%輻射量占全年%輻射量占全年%獅泉河7808137617．6232729．8227529．1182823．4拉薩7784128919．7188128．7184528．1154223．5那曲6557119419．5170027．7183729．9140422．9昌都6137151919．5218128．0226829．1181523．3西藏高原是我國日照時數(shù)的高值中心之一，全年平均日照時數(shù)在1500～3400h之間。其地區(qū)分布特點是:西部最多，獅泉河的年日照時數(shù)為3417h，其次是珠穆朗瑪峰北坡的定日，年日照時數(shù)為3327h,年平均日照時數(shù)依次向東南地區(qū)減少，波密僅1544h。

每天日照時數(shù)≥6h的年平均天數(shù)的分布規(guī)律與日照時數(shù)基本相同,獅泉河最大，達330d，定日為327d,察隅最少，僅為127d。

日照時數(shù)的年變化規(guī)律基本分為兩種類型。第一類是雙峰型，西藏大部分地區(qū)屬于這種情況，以雅魯藏布江河谷中上段及其以南地區(qū)最為典型。第二類屬三峰型，主要出現(xiàn)在西藏東南部的多雨地區(qū)。

關于西藏太陽能資源的具體評述如下:

（1）西藏西部太陽能資源區(qū)。

本區(qū)位于西藏西部，主要包括阿里地區(qū)、那曲西部地區(qū)、雅魯藏布江中游西段和上游及江南地區(qū)。

區(qū)內(nèi)全年日照時數(shù)為2900～3400h，太陽能年總輻射量高達7000～8400MJ/m2，每天日照時數(shù)≥6的年平均天數(shù)在275～330d之間。

從各月每天日照時數(shù)≥6h的平均天數(shù)來看，最低值出現(xiàn)在阿里地區(qū)和聶拉木站的2月，在19～24d之間，其他站點出現(xiàn)在7～8月，一般在17～22d之間。除浪卡子8月(14.2d)對太陽能的利用稍差外，其他各站全年均可利用太陽能。該區(qū)為西藏太陽能資源I類地區(qū)。

(2)喜馬拉雅山南翼－那曲中東部－昌都太陽能資源區(qū)。本區(qū)包括亞東、洛扎和措美兩縣南部地區(qū)、錯那、加查、朗縣西部、工布江達、嘉黎、那曲、安多、聶榮、索縣、巴青、邊壩、丁青、洛隆、類烏齊、八宿、江達、昌都、貢覺、察雅、芒康等縣。

區(qū)內(nèi)太陽能總輻射量為6250～7000MJ/（m2·a），全年總?cè)照諘r數(shù)為2250～2999h，全年每天日照時數(shù)≥6h的平均天數(shù)在215～275d之間，從太陽能利用時間上看，本區(qū)分布不均勻，洛隆、安多、那曲、丁青、昌都、加杳的全年每天日照時數(shù)≥6的月平均天數(shù)都在15以上，均可利用。索縣7月、芒康8月、嘉黎7～8月、錯那7～8月、類烏齊6、7、9月及亞東、帕里6～9月均在15d以下，其他月份均可利用。本區(qū)為西藏太陽能資源Ⅱ類地區(qū)。（3）藏東南太陽能資源區(qū)。

本區(qū)主要是指喜馬拉雅山南翼部分地區(qū)、朗縣東部、林芝、比如、波密、易貢到左貢的狹長區(qū)域。太陽能年總輻射量在5850～6250MJ/m2之間，全年日照時數(shù)為2000～2250h，全年每天日照時數(shù)大于等于6h的平均天數(shù)在150～215d之間。

最佳利用時段一般為6月到9月。左貢10月到翌年6月為最佳利用時段;林芝利用時段僅5個月，即10月至次年1月、4月;比如為間斷形式分布，4～6月、8月、10月至次年1月為最佳利用時段，其他月份不能利用。該區(qū)為西藏太陽能資源Ⅲ類地區(qū)。

(4)雅魯藏布江下游太陽能資源區(qū)。

本區(qū)主要是指雅魯藏布江下游地區(qū)，包括米林、波密南部、墨脫、察隅。區(qū)內(nèi)全年日照時數(shù)不足2000h，波密僅1544h。太陽能年總輻射量在5850MJ/m2以下，波密僅5116MJ/m2。全年每天日照時數(shù)≥6h的平均天數(shù)在125～150d之間。每天日照時數(shù)≥6h的月平均天數(shù)除個別月份(米林10～12月、波密12月至次年1月、察隅11月)外，其他月份均在15d以下。該區(qū)為西藏太陽能資源Ⅳ類地區(qū)。

2.2太陽能光伏發(fā)電

2.2.1太陽能光伏發(fā)電的原理與組成

太陽光發(fā)電是指無需通過熱力學過程直接將太陽光能轉(zhuǎn)變成電能的發(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。光伏發(fā)電是利用太陽能電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式，是當今太陽光發(fā)電的主流?，F(xiàn)在人們通常所說的太陽光發(fā)電就是指太陽能光伏發(fā)電。

由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應制成的，太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，因此也叫作太陽能電池發(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)組成如圖2－6所示。圖2－6太陽能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.太陽能電池方陣

太陽能電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，它的面積一般為4～100cm2。太陽能電池單體的工作電壓為0.45～0.50V,工作電流為20～25mA/cm2，一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串、并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，它可以滿足負載所要求的輸出功率，如圖2－7所示。圖2－7太陽能電池的單體、組件和方陣

1)硅太陽能電池

常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是P型硅，表面擴散層是N區(qū)，在這兩個區(qū)的連接處就是所謂的PN結(jié)。PN結(jié)形成一個電場。太陽能電池的頂部被一層減反射膜所覆蓋，以便減少太陽能的反射損失。

光是由光子組成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長決定。太陽能電池的工作原理是：光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)中產(chǎn)生一對對正、負電荷，在PN結(jié)區(qū)域的正、負電荷被分離，于是一個外電流場就產(chǎn)生了，電流從晶體硅片電池的底端經(jīng)過負載流至電池的頂端。

將一個負載連接在太陽能電池的上、下兩表面間時，將有電流流過負載，于是太陽能電池就產(chǎn)生了電流。太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。

光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，1個高于基能能量的光子也僅產(chǎn)生1個自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽能電池的效率下降。

2）硅太陽能電池的種類

目前世界已有三種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池，即單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。由于單晶硅太陽能電池所使用的單晶硅材料與半導體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，所以材料成本昂貴。多晶硅太陽能電池晶體方向的無規(guī)則性意味著正、負電荷對并不能全部被PN結(jié)電場所分離，因為電荷對在晶體與晶體之間的邊界上可能因晶體的不規(guī)則性而損失，所以多晶硅太陽能電池的效率一般要比單晶硅太陽能電池稍低。但多晶硅太陽能電池采用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽能電池要低。非晶硅太陽能電池屬于薄膜電池，造價低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電池,目前多用于弱光性電源，如手表、計算器等的電池。

3)太陽能電池組件

(1)簡介。

一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約0.45V的電壓，遠低于實際應用所需要的數(shù)值。為了滿足實際應用的需要，必須把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導線連接。一個組件上，太陽能電池的標準數(shù)量是36個或40個(尺寸為10cm×10cm)，這意味著一個太陽能電池組件大約能產(chǎn)生16V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效充電。通過導線連接的太陽能電池被密封而形成的物理單元被稱為太陽能電池組件。它具有一定的防腐、防風、防雹、防雨等能力，廣泛應用于各個領域和系統(tǒng)。當應用領域需要較高的電壓和電流而單個太陽能電池組件不能滿足要求時，可把多個組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。（2）封裝類型。

太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風、防雹、防雨等能力，而潛在的質(zhì)量問題是邊沿的密封效果以及組件背面的接線盒質(zhì)量不好。

太陽能電池的封裝方式主要有以下兩種:

①雙面玻璃密封。太陽能電池組件的正、反兩面均是玻璃板，太陽能電池被鑲嵌在一層聚合物中。這種密封方式存在的一個主要問題是玻璃板與接線盒之間的連接。這種連接不得不通過玻璃板的邊沿，因為在玻璃板上打孔是很昂貴的。

②玻璃合金層疊密封。這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽能電池也被鑲嵌在一層聚合物中。在這種太陽能電池組件中，電池與接線盒之間可直接用導線連接。（3）電氣特性。太陽能電池組件的電氣特性主要是指電流－電壓特性，也稱為I－U曲線，如圖2－8所示。I－U曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Im與電壓Um在特定的太陽輻照度下的關系。

如果太陽能電池組件電路短路，即U=0，此時的電流稱為短路電流Isc;如果電路開路，即I=0，此時的電壓稱為開路電壓Uoc。太陽能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=U×I。

圖2－8太陽能電池的I-U特性曲線若太陽能電池組件的電壓上升，例如，通過增加負載的電阻值或組件的電壓從0（短路條件下)開始增加時，組件的輸出功率亦從0開始增加，當電壓達到一定值時，功率可達到最大。若電阻值繼續(xù)增加，功率將躍過最大點，并逐漸減小至0,即電壓達到開路電壓Uoc。組件輸出功率達到最大值的點稱為最大功率點,該點所對應的電壓稱為最大功率點電壓Um（又稱為最大工作電壓),該點所對應的電流稱為最大功率點電流Im(又稱為最大工作電流)，該點的功率稱為最大功率Pm。

隨著太陽能電池溫度的增加，開路電壓減小，大約溫度每升高1℃，每片電池的電壓減小5V,相當于在最大功率點的典型溫度系數(shù)為－0.4%/℃。也就是說，太陽能電池溫度每升高1℃，最大功率減少0.4%。

（4）性能測試。

由于太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽能電池的溫度，因此太陽能電池組件的測量必須在標準條件（STC)下進行，測量條件被“歐洲委員會”定義為101號標準。其條件如下:

光譜輻照度：1000W/m2。

光譜：AM1.5。

電池溫度：25℃。

在這種條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，其單位為瓦。在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽模擬器測定，并和國際認證機構(gòu)的標準化的太陽能電池進行比較。

在戶外測量太陽能電池組件的峰值功率是很困難的，因為太陽能電池組件所接收到的太陽光的實際光譜取決于大氣條件及太陽的位置。此外，在測量的過程中，太陽能電池的溫度也在不斷變化。在戶外測量，誤差很容易達到10%或更大。（5）熱斑效應和旁路二極管。

在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽能電池組件，將被當作負載消耗其他有光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽能電池組件此時將會發(fā)熱，這就是熱斑效應。這種效應能嚴重地破壞太陽能電池。有光照的太陽能電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽能電池由于熱斑效應而遭受破壞，需要在太陽能電池組件的正、負極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。（6）連接盒。

連接盒是一個很重要的元件，它的作用是保護電池與外界的交界面及各組件內(nèi)部連接的導線和其他系統(tǒng)元件。連接盒包含1個接線盒和1只或2只旁路二極管。

（7）可靠性和使用壽命。

考察太陽能電池組件可靠性的最好方式是進行野外測試。但這種測試必須經(jīng)歷很長的時間。為能用較低的費用在相似的工作條件下以較短的時間測出太陽能電池的可靠性，一種新型的測試方法正在發(fā)展之中，即加速使用壽命的測試方法。

這種測試方法主要是依據(jù)野外測試和過去所執(zhí)行的加速測試之間的關聯(lián)度，并基于理論分析，參照其他電子測量技術以及國際電工技術委員會(IEC)的測試標準面設計的。

在IEC規(guī)范中描述了一整套可靠性的測試方法。這一規(guī)范包含如下測試內(nèi)容:UV照明測試，高溫暴露測試，高溫－高濕測試，框架扭曲度測試，機械強度測試，冰雹測試，溫度循環(huán)測試。對于太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能電池組件來說，它的期望使用壽命至少是20年。實際的使用壽命取決于太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)性能和安裝當?shù)氐沫h(huán)境條件。（8）特殊應用領域的太陽能電池組件。

在某些實際應用領域，需要比峰值功率為36~55W的標準組件更小的太陽能電池組件。為了達到這個目的，太陽能電池組件可以被生產(chǎn)為電池數(shù)量相同，但電池的面積比較小的組件。例如，一個由36個5cm×5cm電池封裝成的太陽能電池組件，它的輸出功率為20W，電壓為16V。

在海洋中應用的太陽能電池組件，應采用特殊的設計方法和工藝，以承受海水和海風的侵蝕。在這樣的太陽能電池組件中，它的背面有一塊金屬板，用以抵抗海嘯沖擊和海鷗襲擊，而且組件中的所有材料都必須有較高的抗腐蝕能力。

在危險地區(qū)，太陽能電池組件應采用特殊的外表防護板。此外，太陽能電池組件還要能與其他裝備連接為一個統(tǒng)一的整體。

2.防反充二極管

防反充二極管又稱阻塞二極管，其作用是避免由于太陽能電池方陣在陰雨天、夜晚不發(fā)電時或出現(xiàn)短路故障時，蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽能電池方陣電路中，起單向?qū)ǖ淖饔谩Ｋ仨毮艹惺茏銐虼蟮碾娏?，而且正向電壓降要小，反向飽和電流要小。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。

3.蓄電池組

蓄電池組的作用是儲存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的電能，并隨時向負載供電。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)對所用蓄電池組的基本要求是:自放電率低，使用壽命長，深放電能力強，充電效率高，可以少維護或免維護，溫度范圍寬，價格低廉。目前我國與太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套200A·h以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或封免維護型鉛酸蓄電池;配套200A·h以下的鉛酸蓄電池一般選用小型密封免維護型鉛酸蓄電池。

4.充放電控制器

充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電的設備，一般還具有簡單的測量功能。蓄電池組經(jīng)過過充電或過放電后其性能和壽命會受到嚴重影響，所以充放電控制器一般是不可缺少的。充放電控制器，按照其開關器件在電路中的位置，可分為串聯(lián)控制型和分流控制型，按照其控制方式，可分為開關控制(含單路和多路開關控制)型和脈寬調(diào)制(YWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。開關器件可以是繼電器，也可以是MOS晶體管。但脈寬調(diào)制（PWM）控制器只能用MOS晶體管作為開關器件。

5.逆變器

逆變器是將直流電變換成交流電的一種設備。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當應用于交流負載時，逆變器是不可缺少的。逆變器運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，可為獨立負載供電;并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，它可將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。逆變器按輸出波形又可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器的電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng);正弦波逆變器的成本高，但可以適用于各種負載。從長遠看，晶體管正弦波(或準正弦波)逆變器將成為太陽能發(fā)電用逆變器的發(fā)展主流。

6.測量設備

對于小型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)來說，一般情況下只需要進行簡單的測量，如測量蓄電池電壓和充、放電電流，這時測量所用的電壓表和電流表一般就裝在控制器上。對于太陽能通信電源系統(tǒng)、管道陰極保護系統(tǒng)等工業(yè)電源系統(tǒng)和大型太陽能光伏電站，則往往要求對更多的參數(shù)進行測量，如測量太陽輻射能、環(huán)境溫度、充放電電量等，有時甚至要求具有遠程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)打印和遙控功能。為了進行這種較為復雜的測量，就必須為太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機監(jiān)控系統(tǒng)。2.2.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)，也即太陽能電池應用系統(tǒng)，一般分為獨立運行系統(tǒng)和并網(wǎng)運行系統(tǒng)兩大類，如圖2－9所示。獨立運行系統(tǒng)如圖2－9（a）所示，它由太陽能電池方陣、儲能裝置、直流－交流逆變裝置、控制裝置與連接裝置等組成。并網(wǎng)運行系統(tǒng)如圖2－9（b）所示。圖2－9光伏系統(tǒng)的構(gòu)成（a）獨立運行系統(tǒng)；（b）并網(wǎng)運行（集中式）系統(tǒng)所謂獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)，是指與電力系統(tǒng)不發(fā)生任何關系的閉臺系統(tǒng)。它通常用作便攜式設備的電源，向遠離現(xiàn)有電網(wǎng)的地區(qū)或設備供電，以及用于任何不與電網(wǎng)發(fā)生聯(lián)系的供電場合。獨立運行系統(tǒng)的構(gòu)成按其用途和設備場所環(huán)境的不同而異。圖2－10示出了獨立運行系統(tǒng)的分類。圖2－10獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

1）帶專用負載的光伏發(fā)電系統(tǒng)

帶專用負荷的光伏發(fā)電系統(tǒng)可能是僅僅按照其負載的要求來構(gòu)成和設計的。因此，輸出功率為直流，或者為任意頻率的交流，是較為適用的。這種系統(tǒng)采用變頻調(diào)速運行在技術上可行。如在電機負載的情況下，由變頻啟動可以抑制沖擊電流，同時可使變頻器小型化。

2)帶一般負載的光伏發(fā)電系統(tǒng)

帶一般負載的光伏發(fā)電系統(tǒng)是以某個范圍內(nèi)不特定的負載作為對象的供電系統(tǒng)，作為負載，通常是電器產(chǎn)品，以工頻運行比較方便。如是直流負載，可以省掉逆變器。當然，實際情況可能是交流、直流負載都有。一般要配有蓄電池儲能裝置，以便把太陽能電池板白天發(fā)的電儲存在蓄電池里，供夜間或陰雨天時使用。如果負載僅為農(nóng)用機械，也可以不用設置蓄電池。帶一般負載的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為就地負載系統(tǒng)和分離負載系統(tǒng)。前者作為邊遠地區(qū)的家庭或某些設備的電源，是一種在使用場地就地發(fā)電和用電的系統(tǒng)；而后者則需要設置小規(guī)模的配電線路，以便對于光伏電站所在地以外的負載也能供電。對于這種系統(tǒng)構(gòu)成，可以設置一個集中型的光電場，以便于管理。如果建造集中型的光電場在用地上有困難，也可以沿配電線路分散設置多個單元光電場。

圖2－11并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計及實例

2.3.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計分為軟件設計和硬件設計，軟件設計先于硬件設計。軟件設計包括:負載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設計，太陽能電池方陣安裝傾角的計算，系統(tǒng)運行情況的預測和系統(tǒng)經(jīng)濟效益的分析等。硬件設計包括:負載的選型及必要的設計，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設計，逆變器的選型和設計，以及控制、測量系統(tǒng)的選型和設計。對于大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，還要有光伏電池方陣場的設計、防雷接地的設計、配電系統(tǒng)的設計以及輔助或備用電源的選型和設計。軟件設計牽涉到復雜的太陽輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設計計算，一般是由計算機來完成的。在要求不太嚴格的情況下，也可以采取估算的辦法。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)設計的總原則是：在保證滿足負載供電需要的前提下，確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初期投資。系統(tǒng)設計者應當知道，在光伏發(fā)電系統(tǒng)設計過程中做出的每個決定都會影響造價。由于不適當?shù)倪x擇，可輕易地使系統(tǒng)的投資成倍地增加，而且未必能滿足使用要求。在決定要建立一個獨立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之后，可按下述步驟進行設計：計算負荷，確定蓄電池的容量，確定太陽能電池方陣容量，選擇控制器和逆變器，考慮混合發(fā)電的問題等。在設計計算中，需要的基本數(shù)據(jù)有：現(xiàn)場的地理位置，包括地點、緯度、經(jīng)度和海拔等；安裝地點的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射、直接輻射及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù),最大風速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無法作出長期預測，只能以過去10～20年的平均值作為依據(jù)，但是很少有獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)建在太陽輻射數(shù)據(jù)資料齊全的城市，而且偏遠地區(qū)的太陽輻射數(shù)據(jù)可能與附近的城市并不類似。因此只能采用鄰近某個城市的氣象資料或類似地區(qū)氣象觀測站所記錄的數(shù)據(jù)進行類推。在類推時要把握好可能導致的偏差因素，因為太陽能資源的估算會直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和造價。

1.負載計算

對于負載的估算，是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設計和定價的關鍵因素之一。通常列出所有負載的名稱、功率要求、額定工作電壓和每天用電時間。交流和直流負載都要列出，功率因數(shù)在交流功率計算中不必考慮。然后將負載分類，按工作電壓分組，計算每一組總的功率要求。接著選定系統(tǒng)工作電壓，計算整個系統(tǒng)在這一電壓下所要求的平均安培小時(A·h)數(shù)，也就是算出所有負載的每天平均耗電量之和。關于系統(tǒng)工作電壓的選擇，經(jīng)常是選最大功率負載所要求的電壓。在以交流負載為主的系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)電壓應當考慮與選用的逆變器輸入電壓相適應。通常，獨立運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)其交流負載工作在220V，直流負載工作在12V的倍數(shù)，即12V、24V或48V等。從理論上說，負載的確定是直截了當?shù)?，而實際上負載的要求卻往往并不確定。例如，家用電器所要求的功率可從制造廠商的資料上得知，但對它們的工作時間卻并不知道，每天、每周和每月的使用時間很可能估算過高，其累計的效果會導致光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計、容量和造價上升。實際上，某些較大功率的負載可安排在不同的時間內(nèi)使用。在嚴格的設計中，我們必須掌握獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載特性，即每天24h中不同時間的負載功率，特別是對于集中的供電系統(tǒng)，了解用電規(guī)律后即可適時地加以控制。

2.蓄電池容量的

確定系統(tǒng)中蓄電池容量最佳值時，必須綜合考慮太陽能電池方陣電量、負荷容量及逆變器的效率等。蓄電池容量的計算方法有多種，一般可通過式(2－1)算出：(2－1)式中，C為蓄電池容量(kW·h);D為最長無日照期間用電時數(shù)（h）；F為蓄電池放電效率的修正系數(shù)(通常取1.05);P0為平均負荷容量（kW);L為蓄電池的維修保養(yǎng)率(通常取0.8);U為蓄電池的放電深度(通常取0.8);Ka為包括逆變器等交流回路的損耗率(通常取0.7~0.8)。如用通常情況所取用的系數(shù)，式(2－1)可簡化為C=3.75×D×P0(2－2)3.太陽能電池的功率確定及方陣設置

(1)求一平均峰值口照時數(shù)

將太陽能電池傾斜方陣上歷年逐月平均太陽總輻射量用單位mW·h/cm2表示，除以標準日太陽輻照度，即可求出平均峰值日照時數(shù)Tm，如式2-3所示:(2－3)(2)確定方陣的最佳電流。方陣應輸出的最小電流為(2－4)式中，Q為負載每天總耗電量;η1為蓄電池充電效率;η2為方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通?？扇?.9～0.95;η3為方陣組合損失和對最大功率點偏離的修正系數(shù)，通?？扇?.9～0.95。

由方陣上各月中最小的太陽能總輻射量可算出各月中最小的峰值時數(shù)Tmin，則方陣應輸出的最大電流為（2－5）方陣的最佳電流值介于Imin和Imax

。和

之間，具體數(shù)值可用試驗方法確定，方法是先選定一電流值，按月求出方陣的輸出發(fā)電量，對蓄電池全年的荷電狀態(tài)進行試驗。求方陣輸出發(fā)電量時可根據(jù)式2-6。（2－6）式中，N為當月天數(shù)。各月負載耗電為（2－7）式（2－6）和式（2－7）相減，若ΔQ=Q出-Q負為正，表示該月方陣發(fā)電量大于用電量，能給蓄電池充電;若ΔQ為負，表示該月方陣發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池儲存的電能來補充，蓄電池處于虧損狀態(tài)。如果蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原定的放電深度(一般≤5)，則應增加方陣輸出電流;如果荷電狀態(tài)始終大大高于放電深度允許值，則可減少方陣輸出電流。當然，也可以增加或減少蓄電池容量。若有必要，還可以改變方陣傾角的值，以得出最佳的方陣電流I。（3）確定方陣的工作電壓。

方陣的輸出工作電壓應足夠大，以保證全年能有效地對蓄電池充電。因此，方陣在任何季節(jié)的工作電壓必須滿足式中，Uf為蓄電池浮充電壓;Ud為因阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓降;U為因溫度升高引起的壓降。我們知道，廠商出售的太陽能電池組件所標出的標稱工作電壓和輸出功率最大值（Wm)都是在標準狀態(tài)下測試的結(jié)果。由太陽能電池的溫度特性曲線可知，當溫度升高時，其工作電壓有較明顯的下降，可用下式計算因溫度升高而引起的壓降：（2－8）（2－9）式中，α是太陽能電池的溫度系數(shù)，對單晶硅和多晶硅電池來說，α=0.005，對非晶硅電池來說，α=0.003;Tmax為太陽能電池的最高工作溫度;Uα為太陽能電池的標稱工作電壓。(4)確定方陣功率。F=I最佳×U最佳這樣，只要根據(jù)算出的蓄電池容量，以及太陽能電池方陣的電流、電壓及功率，參照廠商提供的蓄電池和太陽能電池組件性能參數(shù)，就可以選取合適的組件型號和規(guī)格。由此可以很容易地確定構(gòu)成方陣的組件的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)。光伏發(fā)電太陽能電池方陣對于蔭蔽十分敏感。在串聯(lián)回路中，單個組件或部分電池被遮光，就可能造成該組件或電池上產(chǎn)生反向電壓。因為受其他串聯(lián)組件的驅(qū)動，電流被迫通過遮光區(qū)域，產(chǎn)生不希望有的加熱，嚴重時可能對組件造成永久性的損壞。采用一個二極管進行旁路可以解決這個問題。

在選購太陽能電池組件時，如是用來按一定方式串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成方陣，則設計者或使用者應向廠方提出，所有組件的I－U特性曲線必須有良好的一致性，以免方陣的組合效率過低。一般應要求光伏組件的組合效率大于95%。

對于方陣設置的方位角和傾角，設計者和使用者也應有個基本了解。位于北半球的我國，方陣的方位應按正南向設置。但是只要在正南±20°之內(nèi)，方陣的輸出功率將不會降低很多。如果由于某種考慮，方陣不是正南向設置，則應盡可能偏西南2°以內(nèi)，這意味著方陣輸出峰值將在中午過后的某時，這樣做有利于冬季使用。方陣設置非正南方向時，其功率輸出大致按照余弦函數(shù)減少。關于方陣的傾斜角問題，對于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，一般都采用按當?shù)鼐暥鹊恼麛?shù)倍設置。如果要考慮增大冬季發(fā)電量的需求，方陣傾角可適當比當?shù)鼐暥燃哟笠恍?，一般可取?.3.2太陽能電池板入射能量的計算

設計安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時，必須掌握當?shù)氐奶柲苜Y源情況。設計計算時所需要的基本數(shù)據(jù)如下:

(1)現(xiàn)場的地理位置，包括地點、緯度、經(jīng)度、海拔等。

(2)安裝地點的氣象資料，包括逐月太陽能總輻射量、直接輻射量及散射量(或日照百分比)，年平均氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。

從氣象部門得到的資料一般只有水平向上的太陽輻射量，要設法換算到傾斜面上的輻射量。下面我們給出常用的計算方法。

射向太陽能電池方陣的入射能量包括直接輻射、散射輻射和地面反射三部分。設水平面全天太陽能總輻射量為IH，它由直接輻射量IHO和水平面散射量IHS組成。那么，射向與地平面成傾斜角θ設置的太陽能電池板傾斜面的太陽總輻射量It為式(2－10)中各個角度的關系如圖2－12所示。式(2－10)右邊第一項是直射分量，第二項是散射分量，第三項是地面的反射分量。ρ為地面反射率，不同地表狀態(tài)的反射率可從表2－3或有關書籍中查到。工程計算中，取ρ的平均值為0.2，有冰雪覆蓋地面時取0.7。圖2－12有關日射的各種角度關系表2－3不同性質(zhì)地表的地面反射率地表狀態(tài)地面反射率地表狀態(tài)地面反射率沙漠干裸地濕裸地于黑土濕黑土干砂地0.24~0.280.10~200.80.140.80.18濕砂地干草地濕草地新雪殘雪冰面0.90.15~250.14~260.810.46~0.700.692.3.3光伏電站系統(tǒng)工程設計案例

西藏那曲地區(qū)雙湖光伏電站工程是由原國家計委及電力工業(yè)部批準的我國無水力資源無電縣的電力建設項目。此項目由中國節(jié)能投資公司投資，并由西藏工業(yè)電力廳于1993年2月在北京主持招標投標，中國科學院電工研究所參與競爭，中標承建。

1.雙湖光伏電站設計的基本指導思想

雙湖光伏電站是西藏用太陽能光伏發(fā)電技術解決無電縣縣城供電問題的7個光伏電站之一，是那曲地區(qū)第一座用招標形式建設的無電縣光伏電站。它既有示范的作用，又有研究試驗的意義。在進行電站技術設計時，明確了以下基本原則為設計指導思想。

第一，強化可靠性設計，以保證電站建設的運行質(zhì)量。正確處理技術設計的先進性和實用性之間的關系。各部分的設計都從藏北高原的特殊地理和自然條件出發(fā)，著眼于雙湖極其困難的交能、通信狀況，始終把可靠性放在第一位，選擇最成熟、最有把握的技術路線。在采用具有試驗研究意義的先進技術的同時，有成熟的常規(guī)技術作后盾，有后備的應急線路設計、各部分設計均留有充分的余量，有防護性互鎖及多種保護措施，使設備在任何情況下都不會出現(xiàn)惡性事故，以保證電站的正常運行。

第二，以發(fā)展的眼光，作長遠的計劃。在設計時即充分考慮到將來電站擴容的需要。在線路設計、設備容量和工建工程等方面盡可能按擴容的情況考慮設計，做到一次設計，一次施工，盡量減少將來擴容時的工作量，降低擴容費用。

第三，由于工程經(jīng)費的原因，限制了光伏電站的容量規(guī)模，增加了技術設計難度。因此，在總體設計中認真考慮提高系統(tǒng)效率的問題，以降低系統(tǒng)造價。根據(jù)當?shù)厍闆r，充分利用已有的基礎和條件，作實事求是的設計考慮。另外，在光伏電站建設的同時，就考慮節(jié)電的措施，以滿足雙湖地區(qū)最低負荷的供電需求，力求取得最大的技術經(jīng)濟效益。

第四，雙湖特別行政區(qū)是光伏電站的用戶和受益者，也是光伏電站的運行、維護和管理單位，因此在設計中要認真聽取地方的意見，充分考慮地方用戶部門的利益和要求。

2.雙湖特別行政區(qū)的地理概況及基本氣象資料

雙湖位于藏北那曲地區(qū)西北的羌塘高原，平均海拔在5000m以上，總面積12萬平方公里，其中96%的土地被荒漠和高山草甸覆蓋，屬于純牧業(yè)縣。全區(qū)共有7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝?000多人，其中藏族占98%。

雙湖境內(nèi)有野牛、野驢、羚羊、狗熊等多種野生動物，是我國最大的羌塘野生動物自然保護區(qū)的主要地域。在1976年以前，雙湖是真正的無人區(qū)，后經(jīng)有組織地移民、開發(fā)，才發(fā)展到這樣的規(guī)模。1992年人均收入900多元，位居那曲地區(qū)前列。雙湖特別行政區(qū)政府幾經(jīng)搬遷，才落址現(xiàn)在的位置。光伏電站的地理坐標為東經(jīng)89°，北緯33.5°，海拔高度5100m,距地區(qū)行署所在地那曲約900km，離最近的鐵路線青海格爾木站1600km,當時僅有一條簡陋的公路與外界相通。該區(qū)城鎮(zhèn)人口約2000人，共計400多戶。

雙湖的氣候具有明顯的高原特性，干旱，少雨，風、沙、雪、雹等自然災害頻繁，年平均溫度僅2.1℃,最低氣溫達－40℃，6月份仍有降雪天氣，采暖期長達10個月以上，平均風速4.5m/s，最大風速28m/s,7月份為雨季，陰雨天氣較多。雙湖的太陽能資源極為豐富，年日照時數(shù)高達3000h，太陽能總輻射量在7000MJ/m2以上，且總輻射量全年分布較均衡，季節(jié)差值較小，非常適于應用太陽能光伏發(fā)電技術。1993年6月11日雙湖的太陽輻射強度見表2－4。表2－4雙湖太陽輻射強度（1993年6月11日）時間輻射強度

時間輻射強度

9:009:3010:0010:3011:0011:3012:009109901030107011001120113013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00115011501150113011301080830

3.雙湖城鎮(zhèn)1993年供、用電負荷實況及1995年負荷預測

經(jīng)實地調(diào)查了解，雙湖所在地1993年的用電負荷情況是:照明燈具總數(shù)389個，包括居民住房、學校、醫(yī)院、爐站、商店、銀行、辦公室、招待所等的燈具，其中14盞為40W日光燈，其余全部是100W白熾燈泡；有電視機58臺，收錄機118臺；當時尚無洗衣機、電冰箱等其他家用電器；公共用電主要是電視臺用電約1kW，大功率的醫(yī)療設備一般不用。光伏電站建成前，當?shù)赜刹裼桶l(fā)電機組供電，另外郵局自建2kW光伏電站獨立使用。當時雙湖有3臺柴油發(fā)電機，其中一臺50kV·A的已完全報廢，一臺120kV·A的因故障已停機待修多年，正在使用的是一臺1983年生產(chǎn)的50kV·A柴油發(fā)電機，每天晚間發(fā)電4h,主要供照明及看電視之用。由于用電負荷大且高原缺氧，柴油機發(fā)電效率低，其最大實測輸出功率不到30kV·A。

根據(jù)光伏電站主要用于解決照明及看電視等生活用電，同時兼顧公共用電的原則，當時曾對雙湖光伏電站1995年的負荷和用電量進行了預測。預測是以1993年負荷情況為基礎，考慮一定的增長比例來計算的，同時擬將照明燈具全部采用20W高效節(jié)能燈。雙湖城鎮(zhèn)1993年用電負荷實況及1995年光伏電站用電負荷預測情況詳見表2-5。

從表2－5中可以看出，由于采用高效節(jié)能燈具，使得光伏電站的照明用電負荷大幅下降，預計1995年總負荷功率為29.2kW,平均每天用電量為86.0