光伏发电第一章

第第一一章章 绪绪论论 1 1 选题背景及意义 随着环境污染 生态破坏及资源枯竭的日趋严重 近年来世界各国竞相实施 可持续发展的能源政策 其中利用太阳能电池发电最受瞩目 由于太阳能电池发 电具有安全可靠 无污染无需消耗燃料 无机械转动部件 故障率低 维护方便 等独特优点 尤其是可与建筑物相结合 构成光伏屋顶发电系统 因此受到各国 高度重视和加强 1 迄今已有120 多个国家参与开发应用太阳能电池发电 目前 全世界太阳能电池发电能力约为800MW 2 太阳能电池制造正在成为世界上最具发 展潜力的 朝阳工业 之一 3 在众多的新能源技术中光伏发电具有明显的技术优势 非常适合于偏远无电 地区使用 研究分析表明 在目前光伏发电成本很高的条件下只要光伏电站有效 系统功率与输电距离之比值小于1000W km 建设光伏电站较常规电网延伸供电更 为经济 我国无电地区人口少 居住分散 地理位置偏僻 远离常规电网 因此 光伏发电是解决我国这些地区和特殊领域供电问题较理想的技术途径 太阳能光伏发电是我国最重要的的战略替代能源之一 对于化石能源和水资 源十分紧缺的我国不仅对未来有决定性意义 还对目前的边远离网供电 改善能 源结构 减少排放等也有不可替代的重要意义 太阳能以其独具的优势 其开发 利用必将在21 世纪得到长足的发展 并终将在世界能源结构转移中担纲重任 4 成为21 世纪后期的主导能源 1 2 光伏发电的国内外研究现状 1 2 1 世界的光伏发电现状 世界光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方 向发展 光伏发电已由补充能源向替代能源过渡 近几年 世界光伏发电市场发 展迅速 近10 年太阳能电池组件的年平均增长率为33 近5 年的平均增长率为 43 2004 年比上一年增长61 2 光伏发电己成为当今发展最迅速的高新技术产 业之一 2004 年世界光伏电池 组件产量达1200MW 其中日本生产610MW 欧洲 320MW 美国135 MW 其他国家135MW 5 现在世界实力大国都制定了雄心勃勃的 光伏发电近期发展规划 到2010 年日本计划累计装机容量将达到5GWp 欧洲 3GWp 6 其中德国2 7GW 美国4 7GWp 7 澳大利亚0 75GWp 印度 中国等发展 中国家估计为1 5 2GWp 统计资料表明 到2010 年 世界光伏系统累计装机容量 预计达到14 16GWp 长期发展目标如表1 8 所示 表表 1 1 世界光伏发电发展目标 累计装机容量世界光伏发电发展目标 累计装机容量 GWpGWp 国家 地区 2010 年2020 年2030 年 日本 33072 欧盟 31530 美国 4 71525 其他国家 31023 总计 15 770150 近30 年来 太阳能利用技术在研究开发 商业化生产 市场开拓方面都获 得了长足发展 成为世界范围内快速 稳定发展的新兴产业之一 最新的 BP 世 界能源统计年鉴 显示 光伏发电产业在最近五年的年均增长速度超过 30 包 括太阳能在内的可再生能源在21 世纪将会以前所未有的速度发展 并将逐步成为 人类的基础能源之一 据预测 到21 世纪中叶 可再生能源将占到总次能源50 以上的份额 而太阳能在一次能源中的比例将为 13 15 1 2 2 我国的光伏发电发展现状 我国太阳电池的研究始于1958 年 1959 年研制成功第1 个有实用价值的太阳 电池 1971 年3 月首次成功地应用于我国第2 颗东方红卫星上 9 1973 年太阳电 池开始在地面应用 1979 年开始生产单晶硅太阳电池 中国的光伏产业的发展有 2 次跳跃 第一次是在上世纪80 年代末 我国的改革开放正处于蓬勃发展时期 国内先后引进了多条太阳电池生产线 使我国的太阳电池生产能力由原来的 3 个小 厂的几百千瓦一下子上升到6 个厂的4 5 兆瓦 引进的太阳电池生产设备和生产 线的投资主要来自中央政府 地方政府 国家工业部委和国家大型企业 第二次 光伏产业的大发展在2000 年以后 主要是受到国际大环境的影响 国际项目 政府 项目的启动和市场的拉动 2002 年由国家发改委负责实施的 光明工程 送电到 乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术 由于我国西部人口 密度小 居住分散同时又拥有丰富的太阳能资源 太阳能光伏发电是既廉价又清 洁的能源选择 近20 年来 我国光伏产业的发展已初具规模 但在总体水平上我国同国外 相比还有很大差距 10 表现为 1 生产规模小 2005 年 我国太阳电池总产量约为150MW 比国外生产规 模低一个数量级 2 技术水平较低 电池效率 封装水平同国外存在一定差距 3 专用原材料国产化经过 八五 攻关取得一定成果 但性能有待进一步改 进 部分材料仍采用进口品 4 成本高 目前我国电池组件成本约32 元 瓦 平均售价42 元 瓦 成本和售 价都高于国外产品 5 市场培育和发展迟缓 缺乏市场培育和开拓的支持政策 措施 在系统工程方面 由于受到技术 经济等多种因素的制约 许多具有市场潜 力的应用领域 如大型 1000KWp 光伏或风 光 柴互补电站系统 光伏海水 淡化系统 太阳能水泵滴灌工程 太阳能电动车 光伏制氧系统以及较大规模的 光伏并网发电等都还没有真正发展起来 因此 我国的太阳能光伏产业还有大量 工作亟待完成 我国光伏发电市场已经涉及如下几个方面 11 1 太空方面 光伏电池最早应用领域是在太空 作为人造卫星的电源 我国 神州五号载人飞船所用电能是太阳能电池提供的 2 太阳能灯 太阳能灯是一种利用太阳辐射作为能源的灯 只要阳光充足就 可以就地安装 不受供电线路影响 不用开沟埋线 不用消耗常规电能 是绿色环保 产品 2008 年北京奥运村道路两旁90 的照明将用这种对周围有极好点缀和装饰 效果的太阳能灯 3 太阳能车和游艇 太阳能车和游艇是以光伏发电装置为直接驱动力或以 蓄电池储存电能再驱动的车辆和船只 由于不污染水质 大气 不排放二氧化碳 不需其他能源 随着电池和控制技术提高 这类车船已经得到了飞速发展 4 交通设施方面 在高速公路上远离城市电网的服务区中建设光伏电站 紧急电话系统 视频监视器 报警示灯等 目前我国沿海从南到北基本实现航标 太阳能光伏电池化 公路上的警示灯 信号标志灯等均得到很大发展 5 通信方面 通讯 通信领域是太阳能光伏电源系统应用强项 已广泛应用于 微波中继站 光缆维护站 电力 广播 通讯 寻呼电源系统 农村载波电话光伏系 统 通信机 GPS 供电 6 家电方面 中国是世界上太阳能热水器最大生产国和消费国 12 截至2000 年底安装总量约为2600 万m2 特别适用于无电地区 如我国深圳生产的太阳能手 提电源已为成千上万农牧民解决用电困难 便携式家电有太阳能计算机器 钟表 电脑 收音机 照相机 电视 手机充电器等 绿色家电的应用 有利环保 7 其它地面应用 如光伏水泵 畜牧围栏 植物保护 森林防火 太阳能 玩具 石油 化工 运输等行业 钢铁结构 钢铁管道的阳极保护等 8 光伏独立 并网发电系统 光伏独立发电系统是目前我国已形成的光伏 发电应用市场 且每年以20 的速度增长 光伏并网发电系统在国外已步入大规 模发电阶段 是当今国际上光伏发电的发展潮流 但在我国目前仍处于酝酿试验阶 段 并网发电技术还不够完善 1 2 3 光伏发电的发展趋势 21 世纪初至中叶将是太阳能开发利用技术的重要发展时期 世界范围内的能 源问题 环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用 随 着越来越多的国家和有识之士的重视 光伏发电技术必然会获得较大进展 1 新型太阳能电池开发技术可望获得重大突破 光伏发电技术的发展近期将以高效晶体硅电池为主 然后逐步过渡到薄膜太 阳能电池和各种低成本 降低生产能耗 高光电转换效率的新型太阳能光电池的 发展 晶体硅太阳电池具有工艺技术成熟 转换效率高 性能稳定等优点 14 但 也存在硅材料紧缺 制造成本高等问题 而薄膜太阳能电池以及各种新硅太阳能 电池都具有生产材料廉价 生产成本低等特点 随着研发投入的加大 必将促使 新型太阳电池获得重大突破 2 空间太阳能电站显示出良好的发展前景 随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展 空间太阳能电站的设想可 望得 到实现 15 由于空间太阳能电站不受天气 气候条件的制约 其发展显示出美好的 前景 是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径 16 3 光伏建筑一体化及并网发电 目前 以光伏建筑一体化 BIPV 为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了主要 的的光伏市场份额 也是光伏并网发电的主要应用之一 建筑物能为光伏发电系统 提供足够的面积 不需另占土地 能省去光伏 发电系统的支撑结构和输电费用 光伏阵列可代替常规建筑材料 节省材料费用 安装与建筑施工结合 可节省安 装成本 分散发电 可避免传输和配电损失 5 10 降低输电和配电投资和维 修成本 17 发达国家对发展太阳光伏与建筑物集成化系统非常重视 美国 英国 德国 日本均推出了国家发展计划 并投入巨资进行研究和推广 如美国的 光伏计划 及 总统计划 日本的 阳光计划 德国 一千屋顶计划 等 许多其他国 家也正在大力推广屋顶光伏发电系统和研制与建筑相结合的光伏器件 我国在光 伏器件的生产及应用上远落后于发达国家 因此 大力发展太阳能光伏与建筑集 成化系统十分必要 4 光伏发电应用更趋多样化 光伏发电技术的应用范围越来越广泛 主要表现在以下几个方面 18 1 通信和工业应用 主要包括光缆通信系统 无线寻台站 卫星通信和卫 星电视接收系统 部队通信系统 铁路和公路信号系统 灯塔和航标灯电源 等 2 农村和边远地区应用 主要包括独立光伏电站 小型风光互补发电系统 太阳能光伏户用系统 太阳能照明灯 太阳能光伏水泵 农村社团 等的光伏照明和 电源等 3 光伏并网发电系统 光伏并网发电系统包括光伏建筑并网发电系统 BIPV 地面并网光伏发电系统 电站 4 太阳能光伏照明 太阳能光伏照明包括太阳能路灯 庭院灯 草坪灯 太阳能景观照明 太阳能标牌 信号指示 广告照明等 5 太阳能消费品与商品 这类应用包括太阳能喷泉 太阳能钟 太阳帽 太阳能充电器 太阳能手表 太阳能计算器 太阳能电动汽车 太阳能游艇 太 阳能玩具等 1 3 课题来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于安徽省科技厅 十一五 重点计划项目 家庭太阳能光伏电源 的应用开发 项目编号06022010 通过对太阳能光伏发电系统原理进行分析和 研究 设计出性价比较高的小功率太阳能光伏发电系统 该系统不仅能够实现太 阳电池的最大功率点跟踪 而且具有完善的保护功能 此外 系统还具有独立 并 网复合功能 既能够直接并网运行 也可以独立运行 对交流负载供电 1 3 2 系统构成 本文研究的光伏发电系统是由光伏阵列 充电系统 逆变系统 蓄电池储能 装置和负载等几部分组成构成 其构成如图1 1 所示 图图1 1 光光伏伏发发电电系系统统构构成成图图 1 3 3 主要研究内容 本课题研究的主要内容如下 1 根据光伏电池的特性曲线 采用CVT 型最大功率点跟踪方式 设计光伏充 电系统主电路与控制电路 2 在saber 仿真环境下对光伏充电系统的CVT 型最大功率点跟踪方式进行仿 真 仿真结果验证算法的正确性与方案的可行性 3 设计充电系统的主电路 控制电路PCB 进行参数计算与功率器件选型 对充电系统进行调试 实现光伏 充电系统的最大功率点跟踪方式 4 阐述了数字PID 控制算法 SPWM 的三种调制方式及锁相基本原理 本 文采用单极性倍频SPWM 调制方