光伏发电与电力电子技术

太阳能发电与电力电子技术主讲教师：潘俊民论文作者：杨贞祯50803092182010年3月27日太阳能发电与电力电子技术SolarPhotovoltaicTechnologyandElectronicsABSTRACT:Themajorityofthisessayisabouttheconceptofthesolarphotovoltaictechnologyanditscomposition.Besides,thesolarphotovoltaiccellsandthedesignofDCcontrolsystemandinverterareincluded.Someofmyexpectationshavealsobeenenclosedinthisessay.KeyWord:solarphotovoltaictechnology,solarphotovoltaiccells摘要：本论文大篇幅均在描述太阳能光伏技术的概念以及它的组成。另外，太阳能光伏电池和直流控制系统及逆变器也有说明。在论文的最后，作者对于太阳能光伏发电技术提出了展望。关键词：太阳能光伏发电，太阳能光伏电池1.太阳能的概况1.1太阳能的概念及来源太阳能是指由太阳光辐射而得到的能量。太阳能来自太阳内部的核聚变反应，在太阳内部高温高压的条件下，每四个氢原子核发生聚变反应并生成一个氦原子核，部分质量损失。由爱因斯坦的质能方程可知，这个过程中，释放的能量是非常巨大的。1.2太阳能与化石能源的比较1.2.1太阳能的优缺点太阳能作为一种新型可再生能源，首先具有“取之不竭”的储量。太阳平均每秒释放的能量约为1.6×1023kW，而其中到达地球表面的能量就有8×1013kW，倘若我们能将这些能量全部加以利用，那么我们得到的能量相当于燃烧6×109t煤所获得的能量。在太阳剩下几十亿年的寿命中，太阳可以源源不断地提供给地球如此巨大的能量，所以说太阳能可谓是一种取之不竭的无限能源。虽然说由于纬度的不同，获得太阳辐射的强度也不同，但是总的来说，太阳能还是在全球都普遍可得的。这为开发太阳能的利用提供的良好的契机。其次，太阳能相比于一些化石能源更加清洁环保，太阳能与风能、潮汐能等被称为清洁能源，开发利用的时候几乎不会产生对环境大气有害的污染。并且如果能够广泛的开发太阳能，其经济性也是非常可观的。但是虽然太阳能具有诸多优点，目前对太阳能的开发技术还是有限的，所以使用太阳能的费用依然高居不下，火力发电每度费用约为0.61元，但是使用太阳能每度却需要1.5元。如果我们能充分的利用开发太阳能，改进技术，费用必定会下降。美国的马萨诸塞州在09年的时候太阳能电费已经低于传统用电费用。1.2.2化石能源的优缺点化石能源是一种碳氢化合物或其衍生物，由上古时期遗留的动植物遗骸在地层下经过上万年的演变而形成。通常化石能源是不可再生的一次能源，主要包括煤炭、石油以及天然气。化石能源是目前全世界最早并且最广泛使用的能源，在利用化石能源方面的技术各国已经非常纯熟。但是，化石能源在长期以来不停地开采之下，如今已经面临枯竭的危险。据计算，全球已知的石油储量只能用到2020年，而天然气也只能再使用几十年，被誉为黑色金子的煤炭最多也只能再开采二三百年。加之，化石能源带来的危害日益显著。在各种化石燃料燃烧的同时，排放了极大数量的温室气体，引起了严重的温室效应，全球气候明显变化，还排放了大量硫化物到大气中，引起酸雨，污染水土环境。可见，开发新型可再生能源才是今后全球的发展趋势。2.太阳能发电与电力电子技术目前，世界上的太阳能发电主要有两种比较成熟的形式，一种是光电直接转换，其中需要利用太阳能电池将光能转换为电能。另一种是光热转换，它包涵了一种发电新思路：光—热—电，太阳能热电站就是运用光热转换，先利用太阳能集热器让汇聚的太阳光将水烧至沸腾，变为水蒸气，推动透平发电。此处主要讨论通过光电转换的太阳能发电技术，又被称为太阳能光伏发电。2.1光伏发电的原理太阳能光伏发电根据光生伏打效应原理，即物体吸收光子而产生电动势的现象，通过太阳能电池将光能直接转换为电能。光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器组成。2.1.1光伏发电中的光生伏打效应在光生伏打效应中，物体内部的电荷分布会由于光照而发生变化，从而产生电动势和电流。以PN结为例，由于PN结在光照下的光电转换率非常高，所以在光伏发电中占据了不可或缺的位置。在PN结交界面处N区一侧带正电荷，P区一侧带负电荷，空间电荷区中自建电场的方向自N区指向P区。由于光照可以在空间电荷区内部产生电子－空穴对，它们分别被自建电场扫向N区和P区,就如同有一个电子由P区穿过空间电荷区到达N区,形成光致电流。在空间电荷区附近一定范围内产生的电子－空穴对，只要它们能通过扩散运动到达空间电荷区,同样可以形成光致电流,光照产生的电子和空穴扩散运动所能走的距离为扩散长度。光致电流使N区和P区分别积累了负电荷和正电荷，在PN结上形成电势差,引起方向与光致电流相反的N结正向电流。当电势差增长到正向电流恰好抵消光致电流的时候，便达到稳定情况，这时的电势差称为开路电压。如果PN结两端用外电路连接起来，则有一股电流流过，在外电路负载电阻很低的情况，这股电流就等于光致电流，称为短路电流。[1]2.1.2太阳能电池板太阳能电池是一种将光能转换为电能的装置，是光电转换中的基本装置。一块太阳能电池板由许许多多个半导体光电二极管组成。当太阳光照在太阳能电池板上时，光电二极管会把光能变为电能，产生电流，当光电二极管足够多的时候，电池板的输出功率就会比较可观。但是，之所以太阳能发电的成本比起传统发电方式要高出很多的原因，就是因为这些太阳能电池板的造价一直不菲。目前太阳能电池大致分为两种：晶体硅电池和薄膜电池。晶体硅电池是将单晶硅或多晶硅切成薄片后制成的太阳能电池，厚度约为0.2毫米左右。晶硅电池约占全球太阳能电池总产量的90%，是当今光伏市场的主流产品。晶硅电池组件的效率可以达到15%-18%，单块组件的发电功率可以做到200瓦以上。[1]虽然晶体硅太阳能电池具有很高的转换率，它的成本价格很高，想要大幅降低它的成本很困难。为了能够降低太阳能发电的成本，发展了薄膜电池。薄膜电池的材料主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。薄膜电池是采用镀膜工艺在基板上沉积一层厚度仅几微米的薄膜并制成太阳能电池，因而比晶体硅电池节省了原材料90%以上。薄膜太阳电池可以用价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，目前的转换效率一般为6%-10%，最高可达13%。薄膜电池组件除了平面板式之外，还有用能够卷曲、折叠的塑料等材料做基板的柔性薄膜电池，因其具有可挠性，可以制作成非平面构造，扩大了其应用范围。[2]虽然薄膜电池的光电转换效率较低，但是它的生产工艺较为简单，消耗的原材料极少，具有非常明显的价格优势，易于大规模生产，所以总体来说，薄膜电池还是具有相当广阔的发展前景。光伏电池的伏安特性如下：2.1.3太阳能控制器太阳能控制器，即太阳能充放电控制器，可以控制多路太阳能电池方阵对蓄电池以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监控控制系统。2.1.4太阳能逆变器太阳能逆变器是一种电源转换装置，将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。太阳能发电中的逆变器充分运用了电力电子技术的知识，其电路图大致如下其中，控制器将与J1~J8相连。2.2实际运用中的光伏发电系统光伏发电系统与电网的连接方式，可以分为独立光伏系统和并网光伏系统两大类。上图为独立光伏发电系统的原理图。然而随着多年来坚持不懈的努力，光伏发电技术已经较为成熟，并且逐渐从过去的独立系统，向着规模化并网方向发展。下图为并网光伏发电系统的功能示意图。根据许洪华，中国科学院电工所副所长在2008年接受新华网采访时所说“目前每千瓦时电能生产成本约为煤电的20倍、风电的10倍左右。根据美国、日本、欧洲的发展路线图，预计随着技术进步、转换效率的提高以及市场规模的扩大，到2030年前后，光伏发电的成本有可能接近现在的风电成本。总之，太阳能光伏发电目前成本较高，但产业化基础好，在2030年前后具备成为战略能源的技术、成本和环境优势，2050年前后可成为重要的能源供应来源。”我国光伏市场发展较快。2002年国家启动了西部省区无电乡送电到乡工程，到2005年年底，共在中国西部七省区（西藏、新疆、青U/VI/A1620海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）建成了268座小水电站和721座光伏与风光互补电站，解决了大约30万户130万人的基本生活用电问题。送电到乡工程是中国乃至世界上迄今为止最大的采用光伏发电或风光互补发电，实现边远无电地区农村电气化的项目。该项目的实施，真正带动了国内光伏产业的发展，并因此造就了如无锡尚德、天威英利、常州天合等一大批国内光伏企业的崛起，促进了我国光伏产业的人才培养和能力建设，对我国光伏产业的发展有很大的促进和推动作用3.太阳能发电的现状及展望当今世界的能源日益短缺，导致能源的匮乏成了制约科技和经济发展的绊脚石，所以寻找并开发新能源成为了当务之急。其中太阳能是较为合适的新型能源。所以太阳能光伏发电技术是目前发电的趋势。太阳能发电技术可以广泛用于空间技术、由于铺设电力线不经济的偏远村庄，以及电力线所不能及的地方，例如海上的航标灯，偏远地区的隧道等等。所以，并网光伏发电主要分成两大部分：一是光伏与建筑集成，这是典型的分布式电源，电源位于电网末端，适合在城镇发展；二是大规模光伏电站，主要建于沙漠和戈壁。我认为，我国地理条件十分优越，据数据记载，总国土面积有三分之二以上的地区年日照时数大于两千小时，其中西藏、青海、新疆、内蒙古等地区都是极为理想的采集太阳能资源的地区。虽然光伏发电的技术在日益成熟，但是太阳能发电成本高的问题一直不能得以解决。由于硅材料严重短缺，我国大多数的多晶硅材料都依赖国外进口，并且太阳能电池的制作工艺基本也被国外垄断，这就使得费用更加难以降下来。如果能够在国内推广电价分摊制，也就是说按照多消费多承担的原则，在全国测算出一个全体老百姓每月平均用电量，超过平均水平的用电量提价，然后用这部分超支电费收购太阳能电。根据专家组测算，如果目前国内每千瓦时电多收2分钱，那一年就可以多收600亿元电费，而这些钱足够收购现在国内所能生产的太阳能发电量，财政并不需要为此多花很多钱。但是提高电价肯定会引起市民的不愿意，所以国家也可以提倡家庭自己发电，在电力富余的时候将多余的电量卖给电力公司，电力不足的时候又可以以一个比较优惠的价格从电力公司买入。这样，可以拉动市场，鼓励家庭进行太阳能发电。据说美国等发达国家已经制定了相关法律，将家庭太阳能发电进行的有声有色。另外，我国对于太阳能发电科技创新的方面支持力度还需加强，缺乏相关的法律制度，使得光伏发电技术并没有与市场接轨，企业也就不愿意投入资金，光伏技术也就只能发展缓慢。我想，如果相关的政策和法律出台之后，我国的光伏发电市场一定会发展成为世界一流。致谢感谢潘老师在此次现代电气讲座中带给我们有关太阳能发电的知识，让我对于这片新能源领域有了新的认识。参考文献[1]华成英，模拟电子技术基础，2006年12月[2]陈东兵，常州高新区报2010年7月20日