1、上海电力学院 课 程： 电气工程新技术专题 报告题目： 太阳能发电技术及工程介绍综述报告 专业年级： 电气工程150304班 学生姓名： 陈磊 孙权清 连海生 学 号： 15203017 15203008 15203028 指导教师： 范宏 2016年3月 17日目录引言31 太阳能发电的背景及发展概况41.1太阳能发电的现状41.2太阳能发电技术的难题61.3太阳能发电的前景72 太阳能发电技术的原理93太阳能光伏发电工程103.1光伏发电系统的分类103.2光伏发电系统的组成部分123.2.1太阳能电池阵列123.2.2蓄电池组123.2.3控制器133.2.4逆变器133.2.5阻塞二极
2、管133.3光伏发电系统的装机容量和总发电量143.4光伏方阵运行方式143.5光伏系统的选型163.6光伏系统的布置173.7光伏发电技术问题183.7.1太阳能电池技术183.7.2 光伏阵列的最大功率跟踪技术193.7.3 并网电流控制技术203.7.4聚光光伏技术203.7.5孤岛效应检测技术214我国太阳能光伏发电的发展现状及展望234.1我国光伏发电的现状234.2中国太阳能光伏产业的挑战264.3中国太阳能光伏产业的展望29参考文献39引言随着世界经济的不断发展，全球各国对能源的需求不断加大，国际石油价格的上升，化石能源的可采储量却日趋枯竭，导致能源问题成为世界各国需要面对的严峻
3、挑战。同时，化石能源的不断消耗，对全球气候变暖的影响也日益突出，使得低碳能源称为可持续发展的必然选择。利用开发新能源及可再生能源，构筑可持续发展的能源体系，已成为近年来世界各国关注的重点和研究方向。由于太阳能具有取之不尽、 用之不竭的特点，所以世界各国纷纷将太阳能光伏发电产业作为破解人类日益凸显的能源和环境问题的战略产业来予以大力支持，推动全球太阳能光伏发电产业迅猛发展。近五年来，全球太阳能光伏发电产业的年增长率高达50%。据研究机构Solarbuzz发布的统计数据显示，2008年，尽管受到全球金融危机的影响，但全球世界太阳能光伏发电装机容量达到创纪录的5.95GW，比2007年增长110%。
4、同期，全球太阳能光伏电池产量从2007年的3.44GW增长到6.85GW，整体产能利用率达到67%。2008年全球光伏市场总收入则达到371亿美元。 欧洲仍然全球光伏发电最重要的市场，占到新增装机容量的82%。西班牙市场实现了285%的惊人年增长率，以2.46GW的新增长装机超过德国，排名世界第一；德国以1.86GW的新增装机容量位居世界第二；美国上升到第三位。韩国意大利和日本则分列第四到第六位。据世界能源组织（IEA）、 欧洲联合研究中心、 欧洲光伏工业协会预测，2020年世界光伏发电将占总电力的1%，到2040年光伏发电将占全球发电量的20%，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长率将高达
5、25%30%。关键词：太阳能；光伏发电；工程介绍1 太阳能发电的背景及发展概况1.1太阳能发电的现状随着世界经济的不断发展，全球各国对能源的需求不断加大，国际石油价格的上升，化石能源的可采储量却日趋枯竭，导致能源问题成为世界各国需要面对的严峻挑战。同时，化石能源的不断消耗，对全球气候变暖的影响也日益突出，使得低碳能源称为可持续发展的必然选择。利用开发新能源及可再生能源，构筑可持续发展的能源体系，已成为近年来世界各国关注的重点和研究方向。1954年美国贝尔研究所的PEARSON等3位科学家在美国首次研制成功了实用的单晶硅太阳能电池，从此诞生了将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。20世纪70年代
6、，发达国家以国家级计划积极研究开发太阳能发电，其中日本于 1974年开始的国家“Sunshine计划”尤为突出。20世纪80年代后期，太阳能电池的种类不断增多，应用范围不断扩大，20世纪90年代光伏发电迅速发展。1990年德国率先提出并实施“ 一千屋顶计划”，1997年美国宣布实施“ 百万太阳能屋顶计划”，1999年1月德国又开始实施“ 十万屋顶计划”，2000年安装光伏容量超过40MW。中国对太阳能光伏发电的研究和开发起步较晚，1980年以后,政府才对其加大支持力度，2002年政府启动了“ 光明工程”,重点发展太阳能光伏发电。2009年开始，又推出太阳能光电建筑应用示范项目和金太阳示范工程。
7、根据中国有色金属工业协会硅业分会的统计,从2002年2010年，中国光伏装机容量从20.3MW 增加到500MW，增长23.6倍，年均增长49.3%；光伏发电累计容量从45MW增加到797.5MW，增加16.7倍。根据半导体设备暨材料协会（SEMI）的统计，2011年中国国内新增光伏装机容量2.7GW,占到2011年全球新增光伏装机容量的10%左右。水利水电规划总院的数据显示，截至到2012年底,中国光伏发电容量已经达到了7982.68MW,超越美国占据第三,但是最重要的还是集中在西部地区。中国19个省（区）共核准了484个大型并网光伏发电项目，核准容量是11543.9MW；中国15个主要省（
8、区）已累计建成233个大型并网光伏发电项目，总的建设容量为4193.6MW，2012年兴建98个。其中青海、宁夏甘肃3省（区）的建设容量和市场份额都占据了半壁江山。为了解决这种光伏发电集中的情况，从2012年12月开始了分布式光伏发电示范项目的一个技术评审，到2013年5月，中国26个省（ 区） 市共上报了140个示范区， 每一个示范区项目不是一个独立项目，可能涵盖了若干个市、县或者是镇，它的总容量是16529.6MW。根据OFweek行业研究中心的最新数据显示，2013年,上半年中国新增光伏装机2.8GW,其中1.3GW 为大型光伏电站。截至2013年上半年，中国光伏发电累计建设容量已经达到
9、10.77GW,其中大型光伏电站5.49GW,分布式光伏发电系统5.28GW。2013年，世界太阳能发电总装机容量为1.42亿千瓦，占总装机容量的2.5%；总发电量约1600亿千瓦时，约占总发电量的0.7%。太阳能发电产业快速增长。从多晶硅产业看，2013年全球多晶硅产能约39.3万吨，产量达到22.7万吨，平均产能利用率为57.8%。从电池产业看，2013年全球太阳能电池产能约7800万千瓦，产量约3950万千瓦，产能利用率约50.6%。在组件产业方面，2013年全球太阳能组件产能达到7600万千瓦以上，产量达到4300万千瓦。图1反映了2006年至2014年美国太阳能的消费量（单位：万亿英
10、热）的变化，从图中可以看出人类对太阳能的利用在不断加大。2015年2月有中国国家电网董事长刘振亚主编的全球能源互联网指出：太阳能发电经济性稳步提升。随着光伏电池及组件价格大幅下降，世界光伏电站造价已降到1500美元/千瓦。在中国，一些骨干企业已掌握万吨级多晶硅及晶硅电池全套工艺，光伏设备成本不断降低。在各国政策激励下，世界光伏发电已经从最初少数国家开发进入大规模发展阶段，而光热发电尚处于技术研发和试验示范阶段。从各国政策走势和规划来看，太阳能发电将继续保持快速发展，远期发展规模将超过风电。1.2太阳能发电技术的难题目前太阳能电池可以分为：有机太阳能电池和无机太阳能电池。有机太阳能电池的原理和无
11、机太阳能电池一样也是光伏效应。然而就其转化效率来说，无机太阳能电池可达20%以上，而有机太阳能电池一般在10%左右。可见有机太阳能电池效率低, 主要是由于使用的材料存在太阳光吸收效率低、吸收光谱与太阳光谱不匹配、吸收谱带较窄和载流子迁移率低的原因。但是未来有机太阳能电池研发和进步空间很大，将成为太阳能电池研究的热点。想要充分利用太阳能资源，还面临另一个不得不解决的问题：太阳能并网。随着光伏发电在电力系统中装机容量所占比例越来越大，它对电力系统规划、仿真、调度、控制的影响也引起人们极大关注：大规模光伏发电并网会对电网产生一系列的不良影响：光伏发电的间歇性出力直接造成电网的电压波动,无旋转惯量的电
12、流源并网接入使得电网的稳定裕度减小。对于接入配电网的大型光伏电站，所造成的潮流变化使得馈线电压调节困难， 保护整定更加复杂。电网从自身安全运行的角度出发，要求并网光伏电站具备一定的电源特性,而目前运行的示范工程均未达到这些要求,其差异情况如表 所示。要真正实现大规模并网，电网和光伏电站都需要相互增强适应性，可概括成下表。电网需求光伏电站现状有功功率可调，具备调频特性最大功率点跟踪，出力随机波动性大一定的无功输出，具备调压特性无功补偿装置建设滞后或不具备无功补偿装置孤岛保护多台逆变器之间的孤岛检测相互影响，无统一策略低电压穿越一般不具备此功能，与孤岛保护存在矛盾光伏电站作为整体进行调节变换器之间
13、相互影响高效变换，有较好的电能质量注入变换效率不够高，谐波超标等电能质量问题严重1.3太阳能发电的前景德国全球变化咨询委员会的研究表明，要实现全球能源的可持续发展，则要求可再生能源替代比例将要从2020年的20%升高到2050年的50%。日本太阳光发电协会的资料显示， 到达地球的太阳光能大约是1KW/M2，如果100%转化成为可以消费的能源，1h的太阳光能就可以满足世界1年的能源需求。中国幅员辽阔，大部分地区太阳光资源丰富，储量巨大，理论上中国陆地上每年接受的太阳光能折合成标准煤的话，相当于1.7104亿t，中国1/4的土地属于沙漠、沙漠化及潜在的沙漠化土地，如果利用其中的1%安装太阳能光伏发
14、电装置，发电量就会满足全国的用电需求。在化石燃料日趋紧张的今天,太阳能资源开发利用的潜力还是非常大的。根据欧洲JRC的预测，到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上,太阳能发电占到60%以上。 2011年以来，受国际金融危机和贸易保护主义影响，中国太阳能光伏发电产业处在严重低迷期，但从各国的节能减排目标和联合国的可再生能源特别报告 中看出，到2050年实现高比例的可再生能源替代是一个世界性的趋势，这将会促进中国太阳能光伏发电产业的发展。2012-09-22日国务院发布了太阳能发电发展“ 十二五” 规划，提出到2015年中国太阳能发电装机容量达到21GW以上；2012-10-26日,国家
15、电网公司发布关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见，大幅度降低光伏发电入网门槛；2013年国务院出台关于促进光伏产业健康发展的若干意见，提出2013年至2015年，年均新增光伏发电装机容量1000万KW左右，到2015年总装机容量达到3500万KW以上，并且要着力推进产业结构调整和技术进步。国家能源局明确指出，到2020年装机目标是1亿KW，今后几年都是超过10个GW的国内装机容量。到2030年整个能源需求达到50亿t标准煤，2050年达到52亿t，可再生能源在2050年的整个能源需求里占到40%，在电力需求里可再生能源达到60%的比例，光伏发电可能装机要达到10亿KW。国家政策的大力支持,
16、将会推动中国太阳能光伏发电产业的快速健康发展。由于中国生产的99%的光伏产品用来出口，而且不掌握核心技术， 使产品成本较高,一旦发达国家采取“双反”政策，中国的光伏产业就会受到冲击，这就促使人们在技术创新、设备升级、提高转化效率的基础上，扩大中国的消费市场，例如扩大光伏发电在城市轨道交通、农业、并网发电领域的应用，都将具有广阔的前景。 2 太阳能发电技术的原理太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应,将太阳能转换成电能的装置。光伏效应：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，
17、将经由空间电荷的电场结果被相互分别。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。对晶体硅太阳能电池来说，这个电压的典型数值为0.50.6V。如果此时连上导线，就有电流流过。如果经由光照在界面层发作的电子空穴对越多，那么电流就会越大。我们可以结合图2-1来具体说明一下太阳能发电的原理。图2-1 太阳能发电原理图太阳光照射在光伏电池上，当太阳电池吸收太阳光后，能透过p型半导体及n型半导体使其产生电子(负极)及空穴(正极)，同时分离电子与空穴而形成电压降，以形成电流。3太阳能光伏发电工程3.1光伏发电系统的分类光伏发电系统可以分为下
18、面三大类：(1)独立运行光伏发电系统图3-1 独立运行光伏发电系统结构独立运行系统中，电能唯一来源于太阳能电池阵列。为保证稳定性和运行效率，系统必须配备贮能蓄电池来储存和调节电能，当在夜晚或日光不强等外在条件影响下，太阳能电池不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能稳定。另一方面，当日光充足使得系统能提供多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能。独立运行光伏发电系统总结构如图3-1所示，一般由光伏阵列、控制器、变换器、蓄电池和逆变器等组成。(2)并网光伏发电系统图3-2 并网光伏发电系统结构并网光伏发电系统如图3-2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
19、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，其不同处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池储能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，使得系统具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阵列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
20、有日照，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。(3)混合型光伏发电系统图3-3 混合型光伏发电系统结构图3-3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。混合型发电一般有风光互补发电、光柴混合发电和风光柴混合发电等。3.2光伏发电系统的组成部分3.2.1太阳能电池阵列太阳能电池阵列（如图3-4所示）一般由多块太阳能电池组件串并联
21、而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池阵列分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。 图3-4 太阳能光伏电池3.2.2蓄电池组蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，
22、相对来说应用没有前一种广泛。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵除了供给负载用电外，还要给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电)，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池
23、得到合理的保护和利用。如果过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时逆变器自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。3.2.3控制器在不同的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少和复杂程度差别很大，需要根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器一般由各种电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。最简单的系统也可以不用控制器，有些要求有过充放、稳压等功能，而一些复杂的系统，如并网发电的光伏电站(并网发电不在本文的讨论范围内)，则要求有自动检测、控制、转换等多种功能。3.2.4逆变器 逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成
24、负载所需的交流电。逆变器主电路由大功率晶体管构成，采用正弦脉宽调制工作制，抗干扰能力强，还有很强的过载及限流保护功能。3.2.5阻塞二极管阻塞二极管也称防反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导通特性防止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对于阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压，在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0608V，对硝特基或锗管为03V左右。3.3光伏发电系统的装机容量和总发电量太阳发电系统装机容量电池板面积日照强度光电转换效率。其中：日照强度：指太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：W/m2 光电
25、转换效率：指太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体硅目前的效率约为：13-16%。 太阳发电系统发电量装机容量有效日照时间综合系数。其中：综合系数：指考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的系统发电效率因数。3.4光伏方阵运行方式光伏方阵的运行方式有简单的固定式、倾角季度调节式和自动跟踪式三种类型。自动跟踪式又可分为“单轴跟踪”、“双轴跟踪”两种类型。（1）固定运行方式固定运行方式是指光伏方阵固定安装在支架上，一般朝正南方向放置，且有一定的倾角。倾角可根据当地辐射和地理位置进行优化选择。其中最佳倾角安装可以介绍如下不同纬度地区太
26、阳入射角度是不同的，考虑一年当中各时段阳光照射强度因素，工程人员对电池板竖直方向的安装倾角进行优化计算，可以计算得到一个发电量最大的安装倾角。该安装方式适用于整个系统安装在开阔地和具有一定承重能力的屋面我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角如下表所示：城市纬度/最佳倾角城市纬度/最佳倾角哈尔滨45.68+3杭州30.23+3长春43.90+1南昌28.67+2沈阳41.77+1福州26.08+4北京39.80+4济南36.68+6天津39.10+5郑州34.72+7呼和浩特40.78+3武汉30.63+7太原37.78+5长沙28.20+6乌鲁木齐43.78+12广州23.13-7西宁36.75+
27、1海口20.03+12兰州36.05+8南宁22.82+5银川38.48+2成都30.67+2西安34.30+14贵阳26.58+8上海31.17+3昆明25.02-8南京32.00+5拉萨29.70-8合肥31.85+9（2）倾角季度调节式与固定式类似。不同之处，其方阵倾角设计成约1565，之间可以手动调节，一般设计成每10一个档位。在夏季，正午太阳高度角较大，方阵倾角可适当减小；而在冬季时，正午太阳高角度较低，可通过提高倾角从而使得太阳光入射到方阵面上的入射角尽可能小。倾角季度调节式的光伏方阵如图3-5所示。图3-5 倾角季度调节式的光伏方阵（3）自动跟踪式a、单轴跟踪式它通过围绕位于光伏
28、方阵面上的一个轴旋转来跟踪太阳。该轴可以有任一方向，但通常取东西横向，南北横向，或平行于地轴的方向。最常见的是轴取为南北横向，且有一定的倾角。 b、双轴跟踪式： 它有两个可以旋转的轴，通过旋转这两个轴可使得方阵面始终和太阳光垂直，从而最大可能捕获太阳能。3.5光伏系统的选型截止到2007年底，全球大型光伏电站中约有27%采用了自动跟踪式，其余采用固定式。倾角季度调节式在大型光伏电站使用较少。 倾角季度调节式与倾角设为最优的固定式相比，年总发电量提高5%左右，考虑其造价的增加以及人力成本的增加，该运行方式并不经济。 不同跟踪方式在当地条件下对发电量（与固定式相比）的影响不同。根据有关研究表明，单
29、轴跟踪比固定式发电量一般可提高1525%，双轴跟踪比固定式发电量提高2035%。目前，单轴跟踪式、双轴跟踪式的技术已经较为成熟，但是价格较贵，一般来说，发电量的提高比例低于成本的增加比例，性价比较差；而国内专业生产单轴跟踪、双轴跟踪支架的厂家虽然目前报价较低，但由于缺乏大规模商业化生产和运行经验，存在一定商业和技术风险。目前国内光伏发电系统大多采用固定式。3.6光伏系统的布置光伏系统的布置主要是光伏阵列前后排间距的设计。光伏阵列通常成排安装，一般要求在冬至影子最长时，两排光伏阵列之间的距离要保证上午9点到下午3点之间前排不对后排造成遮挡。在水平面垂直竖立的高为L的木杆的南北方向影子的长度为Ls
30、，Ls/L的数值称为影子的倍率。影子的倍率主要与纬度有关，一般来说纬度越高，影子的倍率越大。在特定的纬度，由影子的倍率和光伏电池板的竖直高度，我们可以求出光伏电池板前后排的最小间距，如图3-6所示。光伏电池板前后排的最小间距计算公式：图3-6 前后排阵列布置示意图3.7光伏发电技术问题太阳能光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。随着全球光伏产业的迅速发展，从电池板的生产到电力电子变换器的设计，众多的光伏发电相关技术都得到了极大的发展，对于一个光伏发电系统,太阳能电池技术、光伏阵列的最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技术、并网电流控制技术、聚光器技术、孤岛效应检测技术等都是系统运行所涉及到的重要技术。3.7.1太阳能电池技术光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件，它的大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池，其技术虽已经发展成熟，但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中，很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，且易于批量自动化生产，从而大大降低光伏电池的成本。国际上已经
