搜索
第1章绪论1.1课题背景1.1.1选题的依据和目的常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗，能源危机成为世界各国共同而临的课题与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展其至威胁人类生存的严重障碍。新能源应用正成为全球的热点。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一，它分布广泛，可再生，不污染环境，是国际上公认的理想替代能源。在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源，受到了一致的青睐。在太阳能的各种应用中，光伏应用备受关注。随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。1.1.1国内外发展现状及趋势20世纪，太阳能利用技术获得了迅猛的发展，太阳能热水器的普及应用以及太阳能电池的成功开发，为21世纪大规模利用太阳能奠定了坚实的物质基础。目前太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、通讯、公共设施(如照明)、家庭生活用电等，尤其是在边远地区，太刚能光伏发电更加显示它的优势。（1）国际光伏发电发展现状及趋势在21世纪的头十年里，国际市场上光伏发电产业发展很快。在中国光伏产业的发展与挑战的报告中指出：“2007年全世界太阳能发电装机容量达2826MWp，而到了2008年，这一数字增加到了5.5GW，目前全球太阳能安装总量已累计达15GW。目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。（2）国内光伏发电发展现状及趋势20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计装机容量达35MW，约占世界份额的3%。10多年来，我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。到2020年前，我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，光伏市场会发生巨大的变化：2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.2/(kW·h)；2010-2020年，光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kW·h)。根据国家《可再生能源中长期发展规划》到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。预计到2050年，中国光伏发电装机将占到5%。未来十几年我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。到2020年我国光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。1.2我国太阳能发电的优势和难点发展太阳能发电的需求主要来自满足农村和边远地区的生产与生活用电和21世纪中持续发展我国电力事业两个方面。在太阳能发电上我国具有得天独厚的有利条件：（1）丰富的太阳能资源。我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000h以上，年平均日辐射量在4000MJ/m2以上，要优于欧洲和日本，与美国相近。如此丰富的太阳能资源可以节省太阳能电池的用量，有利于太阳能发电在较低成本下加以推广。（2）我国太阳能电池的生产能力超过日本、美国和欧洲，居世界第一位，2007年我国太阳能电池的产量约为1180兆瓦。2007年在全球太阳能生产企业16强中，我国占据了6席。（3）逆变技术是太阳能发电的关键技术之一，由于在大功率开关器件开发和逆变技术的应用等方面，我国已取得长足进步，生产出适用于光伏并网、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆变器成为可能。但为了太阳能发电产业的快速发展，必须解决以下几个问题：（1）我国生产太阳能电池的原材料主要依靠进口，而绝大多数太阳能电池和切片用于出口，这种不利于产业发展的加工业局面必须尽快扭转。（2）太阳能发电的成本在每千瓦小时3元以上，远远高于目前居民电网用店家的每千瓦小时0.5元。这也是发展太阳能发电的不利一面。（3）目前，太阳能电池的光电转换效率比较低，比如小尺寸（1cm2）多晶硅太阳能电池的光电转换效率为19.8%，而大尺寸（1000cm2）多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%，为了降低太阳能发电的成本必须提高太阳能电池的光电转换效率。（4）我国的太阳能发电产业起步于独立型太阳能发电设备（10kW以下），主要用于解决太阳能资源丰富而又无电的边远地区的居民用电。而更大容量（MW级）的并网型太阳能发电设备的投产是降低成本的途径之一。（5）截止到2005年，我国的风力发电总装机容量为1500MW左右，是太阳能发电总装机容量的20倍，到2020年规划总装机容量为30000MW，也是规划太阳能发电总装机容量的15倍。但两者特点各异。夏季日照足风速低，冬季日照弱风速强；同样白天日照强时风小，夜晚无光照时风大。太阳能发电与风力发电并网是提高电能质量和降低成本的另一途径。1.3太阳能光伏发电系统的分类根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。1.3.1独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。独立供电的光伏发电系统主要用于电网覆盖不到的边远山区或者是太阳光照不足，不能满足与电网互通需要的地区，主要用于满足单个用户的一天工作，生活用电，必须带有储能环节，满足黑夜或者光照不足的阴雨天的用电需要，这种供电方式设备复杂，蓄电池受环境和使用方法的影响，寿命一般不长，而且当有多余的电能或者是电能不足的情况下就会产生浪费或者影响工作和生活。独立运行光伏发电系统组成与负载有关，直流负载和交流负载都包含光伏阵列、蓄电池组、控制电路。独立光伏系统的负载如果是直流负载不含逆变回路，可直接与蓄电池相连，对蓄电池的输出电压进行升（降）压后提供给负载。这类系统结构简单，成本低廉。由于负载直流电压的不同，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是生活用电，负载主要为交流，而且直流系统也很难实现并网运行。因此，交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。交流光伏逆变电源系统与直流光伏电源系统的主要差别是在负载和蓄电池之间加入了逆变器，逆变器承担了将直流电压转化为交流电压的功能。图（1.1）为典型的独立光伏系统的结构图。光伏阵列安装在户外接受太阳能，通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电路将直流电转化为负载所需要的三相或单相交流电。DC/DC蓄电池直流负载交流负载逆变器控制器光伏阵列图1-1独立光伏发电系统结构图1.3.2并网光伏发电系统光伏并网发电是太阳能发电的发展方向，把太阳能发电系统与电网联系起来，这样当电能多余的时候，可以把多余的电能输送到电网，当电能不足时可以从电网获得电能补偿，满足工作和生活的需要，另外，并网发电系统不需要储能环节，这就大大节省了设备成本和维修率。并网光伏发电系统如图所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统其有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。DC/DC电网交流负载逆变器控制器光伏阵列图1-2并网光伏发电系统结构图1.3.3混合光伏发电系统图1.3为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。DC/DC蓄电池直流负载交流负载逆变器控制器光伏阵列主开关发电机组图1-3混合型光伏发电系统