新能源课程设计.docx

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新能源课程设计

新能源课程设计

——太阳能光伏发电

姓名：

秦意军

班级：

电气11202

学号：

1203241064

指导教师：

张国琴

成绩评定：

2015年12月30日

绪论

能源是现代社会存在和发展的基石。

随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。

随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。

在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。

我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。

太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。

在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。

光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。

光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统：

独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储能量，在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。

并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。

在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。

我们预计，2010年全球太阳能电池的年产量有望较2005年的年产量增长6.3倍，整个行业的销售收入有望增长3.5倍。

我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。

我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。

我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。

1．太阳能发电发电原理

光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。

1.1光电效应概述

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。

这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。

1.2光生伏打效应概述及应用

光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

光生伏打效应应用：

光生伏打效应主要是应用在半导体的PN结上，把辐射能转换成电能。

大量研究集中在太阳能的转换效率上。

理论预期的效率为24％。

由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。

1.3太阳能电池及其太阳能组件

太阳能电池的工作原理：

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

2．发展现状及趋势

1.全球光伏发电发展现状及趋势

1.1　全球光伏发电发展现状

自从20世纪70年代全球发生世界性石油危机以来，太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了极大的重视，各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持太阳能光伏发电技术。

光伏发电技术带来的产业在政策法规的强力助推下，呈快速、增速发展。

根据欧洲光伏工业协会（EPIA）的研究报告，全球光伏产业在过去十年高速发展，增长速度逐年递增，从1998年到2008年，全球累计光伏装机容量年均增长率在30%以上，见图一。

2008年全球累计装机容量已接近15GW，比2007年的9GW增加了5.6GW，增长率创新高，达到60%。

图一

1.2　全球光伏发电发展趋势展望

在各国的政策扶持下，光伏产业蓬勃发展并且开始向一些发展中国家扩展，这对于能源和环境来说都是利好消息。

在目前全球经济危机影响下，短期内光伏发电市场并不稳定，但是未来迅猛发展的趋势是不会改变的。

EPIA采用情景分析的方法，就政策驱动情景和正常发展情景对未来5年全球的光伏市场、太阳能电池供给与需求、多晶硅技术与薄膜生产能力等进行了预测，预测结果如图二。

预测结果表明：

在政策驱动下，2009年全球新增光伏发电需求将达到6.8GW左右，5年后的2013年光伏发电需求将高达22GW，平均年增长率为32%；而在正常发展方案情况下，2009年全球的光伏发电需求将因全球经济的不景气滞留在4.6GW附近，由于得不到经济支持到2013年仅为12GW，2008～2013年5年间平均年增长率为17%。

国际能源组织（IEA）对太阳能光伏发电的未来发展长期预测认为：

2020年世界光伏发电量占总发电量的1%，2040年占总发电量的20%。

欧洲光伏工业协会（EPIA）对光伏发电的预测为：

2020年世界太阳能光伏组件年产量将达到40GW，总装机容量为195GW，发电量为274TWh，占全球发电量的1%，太阳电池的组件成本下降到每1峰瓦1美元；2040年光伏发电量达7368TWh，占全球发电量的21%。

图二

2.国内光伏发电发展现状及趋势

2.1　国内光伏发电现状

在过去，太阳能光伏发电所使用的晶体硅电池的核心技术长期被美国、德国、日本等国的公司所垄断，中国则成为晶体硅电池及组件的加工生产大国，产生了无锡尚德、江西LDK、常州天合、天成英利等众多国际著名多晶硅电池和组件生产企业，也出现了福建钧石、蚌埠普乐、河北新奥等一批硅薄膜电池生产企业。

随着技术不断发展，我国薄膜电池技术的基础研究和产业化实验，终于与国际保持同步。

南开大学光电子薄膜与器件研究所是国际著名、中国顶尖的薄膜太阳能电池研发机构，在非晶硅、微品硅薄膜电池技术、硒铟铜薄膜电池技术领域取得了卓越的成果。

四川大学的碲化镉电池技术也展现出了产业化应用的前景。

据国际权威机构预测，2010年硅薄膜太阳能电池将占太阳能电池及组件的20%。

2015年前太阳能电池发电量的一半以上将来自薄膜太阳能电池。

上海交通大学太阳能研究所、中科院电工所等在太阳能应用、光伏建筑一体化、大型并网光伏电站设计、建设和运行等方面积累了丰富的产品经验和建设经验。

中国光伏发电产业链正在形成。

2009年3月26日，财政部颁布了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》，并同时下发了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，这标志着我国的光伏发电将进入一个发展时期，光伏电池的需求量将快速增加，国内的光伏市场即将大规模启动。

据统计，2008年，我国光伏发电设备新增装机容量4.5万KW，同年我国累计光伏装机容量为15.1万KW，同比增长42%，在《可再生能源中长期发展规划可再生能源重点发展领域和目标》中2010年太阳能光伏发电目标30万KW。

2.2　国内光伏发电目前所存在的问题

目前，国内光伏发电还存在如下问题：

（1）由于各种原因的限制光伏发电的装机容量与火电机组和水电机组相比仍然较小，且分布较为分散，并网后协调性较差。

随着薄膜电池的推广使用，光伏发电的成本可能会从原来每度光电薄膜电池的上网电价4元降至1元左右，在很大程度上降低了成本。

但与目前的火电机组、水电机组甚至风电机组发电成本相比较上网电价依旧较高，还无法在电力市场中参与竞争。

（2）太阳能电池发电系统造价依旧较高，从而导致市场规模相对较小，达不到理想的规模经济程度，制约光伏发电的大规模应用。

作为本国可持续发展的一个环节，太阳能光伏发电要想进一步发展不仅需要政府的鼓励政策以及优惠补贴，更需要政府加大推动力度，建立起协调推进机构，组织项目的具体实施，研究制定可行性强的支持政策，解决与之相关的资金、技术、法律和安全等问题。

2.3　光伏发电的前景展望

我国太阳能资源丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常大。

从长远看，光伏发电在未来将会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且最终会成为世界能源供应的主体。

在我国发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。

最具发展前景的光伏发电应用市场是大规模的荒漠电站。

我国108万平方公里的荒漠面积为建设大型的太阳能电站提供了广阔的土地资源，其年总辐射在1600KWh/W以上，如果利用其1／10安装并网光伏发电系统，每年的发电量可以达到10万多亿千瓦时．相当于全国用电量的6倍。

从资源的合理开发利用来说，开发沙漠太阳能资源具有得天独厚的优势，可以使广大的沙漠、戈壁滩变废为宝．对实现能源的可持续发展具有重要的现实意义。

沙漠所处的地理位置恰好是太阳能资源丰富区，尽管不同的地区均可获取太阳能，但在沙漠地区建设太阳能电站，不仅具备较好的太阳能光照资源，而且不占用宝贵的耕地。

在建造太阳能电站的同时也对沙漠的环境进行了改造，可以说一举两得。

中国无论太阳能资源还是沙漠资源，都具有足够的优势，足以支持太阳能电站的建设，缓解未来的能源危机。

同时对改善沙漠生态环境、促进沙漠植被恢复也有积极作用。

智能电网的建设和发展，将有效地促进布式可再生能源发电的发展，为太阳能光伏发电并网带来美好前景。

3．类型及特点

太阳能光伏发电按输送方式可分为独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电

1.独立光伏发电

独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。

主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。

2.并网光伏发电

并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。

并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。

但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度相对较大。

而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

3.分布式光伏发电

分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。

　　分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。

其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。

4．典型的实际系统介绍

武汉火车站光伏并网发电系统

武汉火车站顶棚由一个主翼和八个副翼构成。

太阳能光伏发电项目建在九个翼棚上面，采用单晶硅板材料，规划容量2.2MWP，总投资5000多万元，年发电量为200万度

。

据介绍，武汉火车站光伏发电并网电价不足0.5元/度，按一年200多万度计算，一年能获得电费100万元。

在不计算任何维修成本，也得要经营50年才能保本。

花如此多钱建设一个收益不高的项目。

省发改委方面表示，新能源是国家大力推广的，该项目的示范效益高于其经济效益，示范作用更大。

武汉火车站光伏发电设备建在车站的顶棚上，采用单晶硅板材料，是该省目前单体最大的光伏发电项目。

5．系统部分环节的仿真及波形

太阳能光伏发电系统中主要用到的基础转换电路有AC/DC，DC/DC，DC/AC转换换电路，在实际运用中将这几种电路组合即可！

特别光伏光伏逆变器中，小功率的用到单级DC/AC转换，中大功率的用到两级DC/DC/AC或三级DC/AC/DC/AC电路。

下面给出一些这些电路（简易）的仿真图及其波形例子：

1.通用桥式电路模块组成的单相晶闸管整流电路：

上三幅图分别是RL负载电流，瞬时电压，平均电压波形

2.Cuk升降压变换电路模型（升压还是降压有占空比α控制）：

二极管两端电压

分别是输出电压，电容c1的电压，电流

3.三相SPWM逆变电路：

4.

上图分别是负载ABC三相的电压电流波形

6．总结

本文通过对太阳能的发展历程以及太阳能应用，主要的是太阳能光伏发电系统原理及应用的介绍，让我更加深刻的认识到发展利用可再生能源是当今世界必须要走的能源之路。

只有这样才能最大限度的降低环境污染，从而保卫我们生存的地球。

光是一种清洁、可再生能

源，并且太阳能资源在我国广泛分布。

由于我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。

    同时，在研究这个论题时，也让我更加深刻的理解事物的发展是存在两面性的。

在太阳能开发利用的同时，还存在许多的技术难关，还 有环境是否也会遭到破坏！

这些问题是每个人都要想的。

在此同时，也希望开发利用太阳能的技术越来越完善。

希望尽快的实现太阳能时代的目标，那时边远以及用电困难的地区都能用上太阳能发电供电，解决用电问题。

实现“阳光工程”、“光伏屋顶工程”。