第1-4章-光伏发电技术课件

太阳能光伏发电技术龚根平2013-8-27手机：[phone]QQ：562661674目录第一章太阳能光伏发电技术概述第二章太阳能光伏发电系统组成及原理第三章太阳能电池极其组件第四章蓄电池及其充放电模式第五章光伏控制器与逆变器第六章光伏发电系统设计第七章太阳能光伏发电系统施工第八章光伏系统工程验收及维护第九章太阳能光伏发电系统的典型工程应用课程设置及学习目标一、课程设置1、理论教学2、实验实践二、学习目标1、理解光伏发电原理2、掌握蓄电池充放电模式3、理解光伏控制器与逆变器工作原理4、能够设计一小型的光伏发电系统5、懂得太阳能光伏发电系统的施工家用光伏发电系统家用光伏发电系统光伏发电站太阳•直径：•体积：•质量：•中心温度：•表面温度：地球6太阳d1091039.1kmD地球6太阳v103.1V地球5太阳m103.3MK107中TK5800表T太阳能•元素组成：氢()80%、氦()19%、其他1%•太阳的核心温度高达1500万摄氏度，压力相当于2500亿个大气压，核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍•内部处于高温高压状态，不停的进行氢聚变反应•核反应方程：•每秒约有6~7亿吨的氢聚变成氦，质量亏损约4吨•爱因斯坦相对论：•m——亏损质量；c——光速（）2H2HenHeHH104231212mcEsm8103太阳能•向宇宙辐射的能量为：•到达地球的太阳辐射为其22亿分之一•辐射到达地面至少衰减30%•设每年辐射到地球表面的太阳能能量为EY•则有：•换算成“度”为：•相当于130万亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍•广义太阳能与狭义太阳能sJ20106.3)%(7010226024365)106.3(8220JsJEY)(1018.319hkWEY太阳能辐射•一、太阳能常数–定义：在日地平均距离处，地球大气外界垂直于太阳光束方向上接收到的太阳辐射度（在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，即观到的瞬时值），称为太阳常数，用S0表示–其值为：S0=1353(±21)W/m2（1976年，美国宇航局根据高空平台的观测结果）–太阳常数也有周期性的变化，变化范围在1％~2％，这可能与太阳黑子的活动周期有关太阳能辐射•二、大气质量•太阳光线到达地面至少衰减30%，造成衰减的原因有：–1、大气分子散射（瑞利散射）–2、微粒散射与灰尘散射–3、大气吸收（氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳等组成气体的吸收）太阳能辐射•三、光学大气质量的定义：–光线通过大气层的实际路程与大气层高度之比称之为光学大气质量，用AM表示–其值为：–其中，b——太阳光以天顶角Z斜入射时通过大气的路程，b0——大气厚度，Z——太阳天顶角ZbbAMsec0太阳能辐射四、大气光学质量图解当Z=48.2度时，AM=sec48.2=1.5当Z=60度时，AM=sec60=2我国太阳能辐射资源我国水平面太阳辐射分布图等级资源代号年总辐射量(kWh/m2)平均日辐射量(kWh/m2)最丰富Ⅰ≥1750≥4.8很丰富Ⅱ1400~17503.8~4.8较丰富Ⅲ1050~14002.9~3.8一般Ⅳ≤1050≤2.9太阳能的利用•1、光热利用（热水器、干燥器、蒸馏器）•2、太阳能发电–(1)“光——热——电”转换–(2)“光——电”转换•3、光化学利用（分解水制氢）•4、光生物利用（薪炭林、巨型海藻等）课后思考•1、当太阳以30度天顶角斜入射地面时，其相应的大气质量是多少？•2、冬至日正午，新余的大气质量是多少？其中，新余的纬度为北纬27046’，回归线的纬度为23026’。光伏发电技术•概念：将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。•特点：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装置。•光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电技术光伏发电技术光伏发电技术光伏发电技术光伏发电技术光伏发电技术历史•在国际上，光伏发电技术的研究已有100多年的历史。目前这一能源高端产品已经成熟。•我国于1958年开始研究太阳电池，•1971年首次成功地应用于我国发射的东方红二号卫星上。•1973年开始将太阳电池用于地面。•2002年，国家有关部门启动“送电到乡工程”，在西部七省区的近800个无电乡所在地安装光伏电站，该项目拉动了我国光伏工业快速发展。•截止到2004年底，我国太阳电池的累计装机已经达到6.5万千瓦。发展历史•第一代、第二代光伏发电技术都是用半导体技术–第一代指的是晶体硅光伏发电，分为单晶硅和多晶硅，用得非常普遍，我们国家在这个市场占有很大份额–第二代指的是品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，最大的缺点是光电转化率只有晶体硅的一半–第三代光伏发电技术，核心是引入了现代光学技术，从半导体技术转向了现代光学技术，核心技术是聚光光生伏打效应•概念：光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。–1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势–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。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。PN节发展趋势•一、发展要求–降低成本–提高效率•二、发展趋势–规模化–规范化–高技术化太阳能汽车太阳能充电站课后练习•分析我国光伏产业发展现在以及存在的一些问题。第2章光伏发电系统的组成及原理•光伏发电系统特点：•（1）无传动部件，不产生噪音•（2）无空气污染，不排放废水•（3）无燃烧过程，不需要燃料•（4）维修保养简单，维护费用低•（5）运行可靠，稳定性好•晶体硅太阳电池寿命可达25年以上工作原理•1、光生伏打效应制成太阳电池•2、系统由太阳电池组（方阵）、控制器、蓄电池、直流——交流逆变器、测量仪表和计算机监控等电力设备或其他辅助发电设备组成系统运行方式•1、离网光伏发电系统–没有与公用电网相连–向远离电网的地区或设备供电系统运行方式•2、并网光伏发电系统（主流趋势）•与公共电网相连接•大规模商业化发电–（1）电网调峰，提供电网末端电压稳定性–（2）发电回馈电网，省掉蓄电池，降低成本–（3）光伏建筑一体化，建筑材料和装饰材料，资源充分利用–（4）出入电网灵活离网光伏发电系统组成•1、太阳电池方阵–由若干个太阳能电池组件或太阳能电池板在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。离网光伏发电系统组成•2、防反充二极管（单向导通作用）–防止太阳能电池组件在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件倒送充电，不仅消耗能量，而且会使组件发热甚至损坏–防止方阵各支路之间的电流倒送。这是因为串联各支路的输出电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体输出电压的降低。在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生。离网光伏发电系统组成•3、蓄电池组–具有可逆的电化学能量转换功能，并能进行充电、放电多次循环使用的直流电源设备。•（1）电压电流等电气特性•（2）放电效率•（3）使用寿命•（4）深放电能力•（5）充电效率离网光伏发电系统组成•4、控制设备–（1）信号检测–（2）蓄电池的充放电控制–（3）其他设备保护–（4）故障诊断定位–（5）运行状态指示离网光伏发电系统组成•5、逆变器•（1）•（2）并网逆变器独立运行逆变器运行方式正弦波逆变器方波逆变器输出波形离网光伏发电系统组成•6、测量设备–（1）蓄电池电压和充放电操作电流–（2）太阳辐射能–（3）环境温度–（4）充放电电量–（5）数据传输–（6）遥控功能–配备数据采集系统和微机监控系统并网光伏发电系统组成•（1）集中大型（发电站）•投资大•周期长•控制及配电设备复杂•（2）分散小型（光伏建筑一体化、城市建设）•投资小•建设容易•激励政策多并网光伏发电系统组成•1、逆潮流系统•发电充裕送入电网•发电不足或停止电网供电•2、非逆潮流系统•发电无法满足需求•系统组成：（1）太阳电池方阵•（2）并网逆变器•（3）控制检测系统•（4）其他孤岛效应•孤岛效应是指电网突然失压时，并网光伏发电系统仍保持对电网中的临近部分线路供电状态的一种效应。•1)危害电力维修人员的生命安全；•2)影响配电系统上的保护开关动作程序；•3)孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏；•4)当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏；•5)光伏并网发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。课后习题•1、简述太阳光伏发电系统的工作原理•2、简述离网光伏发电系统的组成第3章太阳电池及其组件等效电路•结电压•太阳电池I-V关系VIRVSjbkSHSHLIRVII输出特性I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压标准条件：AM=1.5Q’=1000W/m2T=25C太阳电池的I-V特性及功率曲线短路电流•将太阳光谱划分成多段，每一段只有很窄的波长范围，找出每一段光谱所对应的电路，电池的总短路电流便是全部光谱段贡献的总和•其中，为本征吸收波长限，R(λ)为表面反射率，F(λ)为太阳光谱中波长为λ~λ+dλ间隔内的光子数•当外电路短路时，I最大，Imax=IL=ISCdqFRImsc)()())(1(03.00开路电压•对于理想PN结不考虑太阳电池有限尺寸的影响，光照PN结2端建立光生电势qVoc，则开路电压与之具有如下关系•当光照很弱时ILIO有•正比关系（直线）•当光照很强时ILIO有•对数关系（对数曲线）)1ln(OLocIInkTqVOLocIIqnkTVOLocIIqnkTVln填充因子•太阳电池最大输出功率Pm=Vm×Im•Vm、Im分别表示电池工作时的最大电压和电流•填充因子是指最大输出功率与电池的短路电流和开路电压的乘积之比，用FF表示•FF越大，表征太阳电池的输出特新越好•给出我国FF的经验式scocmmscocmIVIVIVPFF1)72.0ln(ocococVVVFF转换效率•转换效率是指外电路连接最佳负载R时，得到的最大能量转换效率，其值为•由于太阳电池只能最大限度的一定波长的太阳能辐射，而太阳光谱却是一定宽度的连续光谱，导致太阳电池的最高转换效率不可能达到100%inscocinmpmpinPIVFFPIVPPmax太阳光强与开路电压和短路电流的关系温度的影响•随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20-100C范围，大约每升高1C每片电池的电压减少2mV；而光电流随温度的增加略有上升。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型功率温度系数为－0.35%/C。也就是说，如果太阳电池温度每升高1C，则功率减少0.35%。光强的影响•光强与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由100W/m2——1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光强对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光强在400W/m2——1000W/m2范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。光谱影响•太阳电池的光谱响应表征的现实意义是，一定量的单色光照射在太阳电池上形成的光生电流的大小。体现了光电流与入射光波长的关系，光谱响应SR(λ)定义为：)(1)()()(OLqJSR应理想吸收材料的光谱响1=时，SREgh光子能量当0=时，