光伏發(fā)電學(xué)習(xí)知識普及其篇

1、光伏發(fā)電基礎(chǔ)知識一、光伏發(fā)電的概念光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構(gòu)成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。二、光伏發(fā)電的原理光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。硅原子有4個(gè)外層電子，如果在純硅中摻入有5個(gè)外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個(gè)外層電子

2、的原子如硼原子，形成P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P-N結(jié)后，空穴由P極區(qū)往N極區(qū)移動(dòng)，電子由N極區(qū)向P極區(qū)移動(dòng)，形成電流。光電效應(yīng)就是光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。多晶硅經(jīng)過鑄錠、破錠、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上摻雜和擴(kuò)散微量的硼、磷等，就形成P-N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂一層防反射涂層，電池片就至此制成。電池片排列組合成電池

3、組件，就組成了大的電路板。一般在組件四周包鋁框，正面覆蓋玻璃，反面安裝電極。有了電池組件和其他輔助設(shè)備，就可以組成發(fā)電系統(tǒng)。為了將直流電轉(zhuǎn)化交流電，需要安裝電流轉(zhuǎn)換器。發(fā)電后可用蓄電池存儲，也可輸入公共電網(wǎng)。發(fā)電系統(tǒng)成本中，電池組件約占50%電流轉(zhuǎn)換器、安裝費(fèi)、其他輔助部件以及其他費(fèi)用占另外50%。光伏發(fā)電原理圖三、光伏發(fā)電系統(tǒng)分類（一）獨(dú)立光伏發(fā)電獨(dú)立光伏發(fā)電也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。獨(dú)立光伏電站包括邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，太陽能戶用電源系統(tǒng)，通信信號電源、陰極保護(hù)、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電

4、系統(tǒng)。（二）并網(wǎng)光伏發(fā)電并網(wǎng)光伏發(fā)電就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)?？梢苑譃閹铍姵氐暮筒粠铍姵氐牟⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。并網(wǎng)光伏發(fā)電有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展。而分

5、散式小型并網(wǎng)光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。（三）分布式光伏發(fā)電分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或者同時(shí)滿足這兩個(gè)方面的要求。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。具運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電

6、柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。四、光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)組成光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。其部分設(shè)備的作用是：（一）光伏發(fā)電電池方陣在有光照（無論是太陽光，還是其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”。在光生伏特效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。（二）光伏發(fā)電蓄電池組其作用是貯

7、存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長；c.深放電能力強(qiáng)；d.充電效率高；e.少維護(hù)或免維護(hù)；f.工作溫度范圍寬；g.價(jià)格低廉。（三）光伏發(fā)電控制器是能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設(shè)備。（四）光伏發(fā)電逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用

8、于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載。（五）光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)由于相對于某一個(gè)固定地點(diǎn)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時(shí)時(shí)刻刻都在變化，如果太陽能電池板能夠時(shí)刻正對太陽，發(fā)電效率才會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。世界上通用的太陽跟蹤控制系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息計(jì)算一年中的每一天的不同時(shí)刻太陽所在的角度，將一年中每個(gè)時(shí)刻的太陽位置存儲到PLC單

9、片機(jī)或電腦軟件中，也就是靠計(jì)算太陽位置以實(shí)現(xiàn)跟蹤。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動(dòng)或裝拆，每次移動(dòng)完就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個(gè)參數(shù)；原理、電路、技術(shù)、設(shè)備復(fù)雜，非專業(yè)人士不能夠隨便操作。把加裝了智能太陽跟蹤儀的太陽能發(fā)電系統(tǒng)安裝在高速行駛的汽車、火車，以及通訊應(yīng)急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船上，不論系統(tǒng)向何方行駛、如何調(diào)頭、拐彎，智能太陽跟蹤儀都能保證設(shè)備的要求跟蹤部位正對太陽！五、光伏發(fā)電的特點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)無論從世界還是從中國來看，常規(guī)能源都是很有限的。中國的一次能源儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的10%太陽能是人類取之不盡用之不竭

10、的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實(shí)的長壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。與常用的火力發(fā)電系統(tǒng)相比，光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：無枯竭危險(xiǎn)；安全可靠，無噪聲，無污染排放外，絕對干凈（無公害）；不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優(yōu)勢；例如，無電地區(qū)，以及地形復(fù)雜地區(qū)；無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；建設(shè)周期短，獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。（二）缺點(diǎn)太陽能電池板的生產(chǎn)卻具有高污染、高能耗的特點(diǎn)，在現(xiàn)有的條件下，生產(chǎn)國內(nèi)自己使用的電池板還說的過去，不過大量出口等于污染中國，造福世

11、界了，據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)一塊1$1.5m的太陽能板必須燃燒超過40公斤煤，但即使中國最沒有效率的火力發(fā)電廠也能夠用這些煤生產(chǎn)130千瓦時(shí)的電一一這足夠讓2.2瓦的發(fā)光二極管（LED燈泡按照每天工作12小時(shí)計(jì)算發(fā)光30年。而一塊太陽能電池板的設(shè)計(jì)壽命只有20年。照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)。目前相對于火力發(fā)電，發(fā)電機(jī)會(huì)成本高。光伏板制造過程中不環(huán)保。六、光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域（一）用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；（2）3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；（

12、3）光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。（二）交通領(lǐng)域如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。（三）通訊/通信領(lǐng)域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPSK電等。（四）石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等。（五）家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。（六）光伏電站：10KW-50M地立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)

13、電站、各種大型停車廠充電站等。（七）太陽能建筑將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。（八）其他領(lǐng)域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動(dòng)車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；（3）海水淡化設(shè)備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。七、光伏發(fā)電的發(fā)展歷程早期歷史早在1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾（Becqurel）就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電

14、池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。20世紀(jì)70年代后，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球約有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。太陽能以其獨(dú)有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點(diǎn)。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬千瓦時(shí)，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%每年發(fā)電量可達(dá)5.6X1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于

15、世界上能耗的40倍。正是由于太陽能的這些獨(dú)特優(yōu)勢，20世紀(jì)80年代后，太陽能電池的種類不斷增多、應(yīng)用范圍日益廣闊、市場規(guī)模也逐步擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到2006年，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個(gè)兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計(jì)劃。日本1992年啟動(dòng)了新陽光計(jì)劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)，大大推動(dòng)了光伏市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛

16、制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。世界光伏組件在1990年2005年年平均增長率約15%20世紀(jì)90年代后期，發(fā)展更加迅速，1999年光伏組件生產(chǎn)達(dá)到200兆瓦。商品化電池效率從10%-13悔高到13%-15%生產(chǎn)規(guī)模從15兆瓦/年發(fā)展到525兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴(kuò)大。光伏組件的生產(chǎn)成本降到3美元/瓦以下。光伏發(fā)電現(xiàn)狀與趨勢2011年，全球光伏新增裝機(jī)容量約為27.5GW較上年的18.1GW相比，漲幅高達(dá)52%全球累計(jì)安裝量超過67GW全千近28GW勺總裝機(jī)量中，有將近20GW勺系統(tǒng)安裝于歐洲，但增速相對放緩，其中意大利和德國市場占全球裝機(jī)增長量的55

17、%分別為7.66府口7.5GW2011年以中日印為代表的亞太地區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)市場需求同比增長129%其裝機(jī)量分別為2.2GW1.1GMH350MW此外，在日趨成熟的北美市場，新增安裝量約2.1GVV增幅高達(dá)84%其中中國是全球光伏發(fā)電安裝量增長最快的國家，2011年的光伏發(fā)電安裝量比2010年增長了約5倍，2011年電池產(chǎn)量達(dá)到20GW約占全球的65%截至2011年底，中國共有電池企業(yè)約115家，總產(chǎn)能為36.5GW左右。其中產(chǎn)能1GW以上的企業(yè)共14家，占總產(chǎn)能的53%在100MW口1GW二間的企業(yè)共63家，占總產(chǎn)能的43%剩余的38家產(chǎn)能皆在100MM內(nèi)，僅占全國總產(chǎn)能的4%規(guī)模、技術(shù)、成本的

18、差異化競爭格局逐漸明晰。國內(nèi)前十家組件生產(chǎn)商的出貨量占到電池總產(chǎn)量的60%在今后的十幾年中，中國光伏發(fā)電的市場將會(huì)由獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。中國太陽能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?，配合積極穩(wěn)定的政策扶持，到2030年光伏裝機(jī)容量將達(dá)1億千瓦，年發(fā)電量可達(dá)1300億千瓦時(shí)，相當(dāng)于少建30多個(gè)大型煤電廠。國家未來三年將投資200億補(bǔ)貼光伏業(yè)，中國太陽能光伏發(fā)電又迎來了新一輪的快速增長，并吸引了更多的戰(zhàn)略投資者融入到這個(gè)行業(yè)中來。2015年上半年，全國累計(jì)光伏發(fā)電量190億千瓦時(shí)。2015年9月7日，江蘇省首個(gè)供電所光伏發(fā)電項(xiàng)目在南京市浦口區(qū)正式并網(wǎng)運(yùn)行，農(nóng)村居民也用上了“綠色電”。接下來光伏發(fā)電項(xiàng)目將在農(nóng)村變電所推廣。2015年11月，安徽省來安縣全面啟動(dòng)鄉(xiāng)村光伏發(fā)電項(xiàng)目，11個(gè)美好鄉(xiāng)村“空殼村”裝機(jī)容量為60KW以上的光伏電站進(jìn)入招標(biāo)程序。據(jù)初步估算，并網(wǎng)發(fā)電后各村每年能提供7200