光伏发电原理及前景概述..

2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一章太阳能光伏发电太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电发电量计算太阳能光伏发电概述太阳能光伏发电成本计算2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述1.优点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。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述1.优点：与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在：1)无枯竭危险；2)安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；3)不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂地区；4)无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；5)能源质量高；6)使用者从感情上容易接受；7)建设周期短，获取能源花费的时间短。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述2.缺点：但是，太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点，在现有的条件下，生产国内自己使用的电池板还说的过去，不过大量出口等于污染中国，造福世界了，据统计，生产一块1m×1.5m的太阳能板必须燃烧超过40公斤煤，但即使中国最没有效率的火力发电厂也能够用这些煤生产130千瓦时的电——这足够让2.2瓦的发光二极管（LED）灯泡按照每天工作12小时计算发光30年。而一块太阳能电池板的设计寿命只有20年2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述2.缺点：1)照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；2)获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；3)目前相对于火力发电，发电机会成本高；4)光伏板制造过程中不环保。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述3.发展过程：1)早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。2)1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。3)20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述3.发展过程：太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦时，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第一节太阳能光伏发电概述3.发展过程：4)20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理1.概念：光伏发电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。光生伏特效应（简称光伏效应）指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。1839年，法国物理学家贝克雷尔（A.E.Becquerel）是第一次发现光生伏特效应的人。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理1.概念：光伏发电的主要原理是半导体的光伏/电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。电子的移动就形成了电流。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理PN结光生伏特效应指的是在光照射到近表层的PN结时，将在其上产生电动势的现象。2.PN结光伏效应：由于光照在P-N结两端产生光生电动势，相当于在PN结两端加正向电压V，使势垒降低，产生正向电流。在P-N结开路情况下，光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立起稳定的电势差，这就是光电池的开路电压。如果将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，换言之，P-N结起了电源的作用。这便是光电池（太阳能电池）的基本原理。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理光伏发电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（光电池）。3.光伏发电基本原理：实际生产中的光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理3.光伏发电基本原理：2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理光伏组件阵列、支架安装系统、汇流设备、储能与充放电设备、逆变器、变配电设备、线缆及监控系统等。4.光伏发电系统组成：2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理作用：利用光照产生直流电。4.光伏发电系统组成：太阳能电池板依据制作材料可分为：单晶硅电池板、多晶硅电池板、非晶硅电池板（含柔性薄膜）。太阳能电池板阵列高速公路摄像头电源2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理支架系统4.光伏发电系统组成：依据是否可根据光照自动调节组件方向以实现发电效率最大化，可将支架系统分为：固定倾角支架系统、单轴跟踪系统、双轴（多轴）跟踪系统。作用：用于支撑光伏组件阵列。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理汇流部件：4.光伏发电系统组成：作用：汇流匹配。直流配电柜、汇流箱、汇流盒。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理储能与充放电控制部件：4.光伏发电系统组成：作用：储存富余的直流电能，补充直流电能不足时电能。包括：蓄电池组、充放电控制器。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理逆变器：4.光伏发电系统组成：作用：将直流电变为交流电。依据与电网的关系可分为：并网型逆变器、离网型逆变器、混合型逆变器。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理变配电设备：4.光伏发电系统组成：作用：实现交流配电、计量、电压等级转换等。监控系统作用：检测光伏电站各设备运行情况及电站运行数据处理等。包括：监控软件、电脑、环境检测仪、通讯线缆等。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第二节太阳能光伏发电原理5.太阳能光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统从大类上可分为独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。其中，独立光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交直流混合光伏发电系统。而在直流光伏发电系统中又可分为有蓄电池和无蓄电池的系统。在并网光伏发电系统中，也分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途也分为有蓄电池和无蓄电池的系统。最大区别是系统中是否带有逆变器。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第三节光伏发电发电量计算1MW屋顶光伏电站年发电量计算1.1MW屋顶光伏电站所需电池板面积一块235W的多晶电池板面积为：1.65×0.992=1.6368m21MW需要1000000/235=4255.32块电池电池板总面积为：1.6368*4255.32=6965m22019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第三节光伏发电发电量计算1MW屋顶光伏电站年发电量计算2.年平均太阳辐射总量计算上海倾角等于当地纬度斜面上的太阳总辐射月平均日辐照量H月份123456H(MJ/m2)12.23614.39716.38118.15818.96118.383月份789101112H(MJ/m2)15.75515.53416.13814.69611.59210.4402019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第三节光伏发电发电量计算1MW屋顶光伏电站年发电量计算2.年平均太阳辐射总量计算由于太阳能电池组件铺设斜度正好与当地纬度相同，所以在计算辐照量时可以直接采用表中所列数据(2月份以28天记)。年平均太阳辐射总量=Σ(月平均日辐照量×当月天数)结算结果为：5555.339(MJ/m2)2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第三节光伏发电发电量计算1MW屋顶光伏电站年发电量计算3.理论年发电量理论年发电量=年平均太阳辐射总量*电池总面积*光电转换效率=5555.339*6965*17.5%=6771263.8MJ=6771263.8*0.28KWH=1895953.86KWH=189.6万度W=Pt=1千瓦×1时=l千瓦时=1000瓦×3600秒=3.6×106焦即1千瓦时=3.6×106焦。或者：1MJ=0.2778KWH2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第三节光伏发电发电量计算1MW屋顶光伏电站年发电量计算4.系统实际年发电量系统实际年发电量=理论年发电量×实际发电效率=189.6×65.7％=124.56万度►太阳电池板输出功率时要考虑到0.95的影响系数；►光伏组件内部的温度达到50-75℃时，考虑到0.89的影响系数；►灰尘的累积考虑到0.93的影响系数；►光伏组件的不匹配性和板问连线损失系数0.95；►安装角度因素折算后的效率为0.880.95×0.89×0.93×0.95×0.88=65.7%。2019/12/24ChongQingJiaoTongUniversity第四节光伏发电成本计算例如装机容量：5千瓦（KW）；占地面积：约40-60平方米；投资金额：3-5万元左右；发电量：日均20度左右，一年发电7300度；并网模式：自发自用，余电上网；补贴收入：0.42元/度(只算国家补贴)×7300