离网光伏供电系统认识

　离网光伏供电系统的认识

　一、任务导入 在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达 50 万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采 40 年左右，天然气约 60 年，煤可望达 200 年。全球能源消耗的年增长率约为 2%，近 35 年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到 2025 年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。

　常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到 20 世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的 CO2 排放量约 210 亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前 CO2 的年排放量还在呈上升趋势。CO2 造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖 1.5℃～4.5℃,最严重的后果是海平面将上升 25 cm～145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。

　针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。

　二、相关知识

　学习情境 1

　我国太阳能资源的分布特点

　（一）太阳能

　太阳的基本结构是一个由炽热气体构成的球体，主要由氢和氦组成，其中氢占 80％，氦占 19％。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为 1367kW／m2 。地球赤道的周长为 40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达 173000TW。在海平面上的标准峰值强度为 1kW／m2 ，地球表面某一点 24h 的年平均辐射强度为 0.20kW／m2 相当于有 102000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源(地热能资源除外)。虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

　地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。我国太阳能资源十分丰富，全国有 2／3 以上的地区，年辐照总量大于 502 万 kJ／m2 ，年日照时数在 2000h 以上。

　太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于 1700 亿吨

　标准煤，但十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有 1000W 左右。同时，地面上太阳能还受季节、昼夜、气候等影响，时阴时晴，时强时弱，具有不稳定性，限制了太阳能的有效利用。

　人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面聚焦太阳光来点火，利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：

　(1)它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的 11 亿年中，太阳消耗了它本身能量的 2％，可以说是取之不尽，用之不竭。

　(2)地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

　(3)太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡。

　（二）我国太阳能资源分布的主要特点

　从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾地区的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在 4000m 以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，年平均日照时间为 3005.7h，相对日照为 68％，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8，太阳总辐射为 816kJ／(cm2 ·a)，比全国其他省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤是四川盆地，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为 1152.2h，相对日照为 26％，年平均晴天为 24.7 天，阴天达 244.6 天，年平均云量高达 8.4。其他地区的太阳年辐射总量居中。

　中国太阳能资源分布的主要特点有：

　(1)太阳能的高值中心为青藏高原，四川盆地为低值中心。

　(2)太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。

　(3)由于南方多数地区云多雨多，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的升高而增长。

　（三）我国太阳能资源区域划分及城市标准日照时数

　1．我国太阳能资源区域划分，如图 2-1 所示。

　 图 2-1

　我国太阳能资源区域划分图

　表 2—1 我国不同地区阳光光照条件 区域划分 丰富地区 比较丰富地区 可以利用地区 贫乏地区 年总辐射量（KJ/cm2 .年）

　≥580 500～580 420～500 ≤420 地域 内蒙西部、甘肃西部、新疆南部、青藏高原 新疆北部、东北、内蒙东部、华北、陕北、宁夏、甘肃部分、青藏高原东侧、海南、台湾 东北北端、内蒙呼盟、长江下游、福建、广东、广西、贵州部分、云南、河南、陕西 重庆、四川、贵州、广西、江西部分地区 连续阴雨天数 2 3 7 5 特征 年日照 ≥3000h

　 百分率≥0.75 年日照 2400～3000h 百分率 0.6 ～ 0.7 年日照 1600 ～2400h 百分率 0.6～0.4 年日照 ≤1600h 百分率≤0.4

　为了按照各地不同条件更好地利用太阳能，根据各地接受太阳总辐射量的多少，将全国划分为如下 5 类地区：

　(1)一类地区。一类地区的全年日照时数为 3200～3300h，辐射量在 670～837×104 kJ／(cm2 ·a)。相当于 225～285kg 标准煤燃烧所发出的热量。主要包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部等地，是中国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。尤以西藏西部的太阳能资源最为丰富，全年日照时数达 2900～3400h，年辐射总量高达 7000～8000MJ／m2 ，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉萨是世界著名的阳光城。

　(2)二类地区。二类地区的全年日照时数为 3000～3200h，辐射量在 586～670×104 kJ／(cm2 ·a)，相当于 200～225kg 标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此地区为我国太阳能资源较丰富区，相当于印度尼西亚的雅加达一带。

　(3)三类地区。三类地区的全年日照时数为 2200～3000h，辐射量在 502～586×104 kJ／(cm2 ·a)，相当于 170～200kg 标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部、天津、北京和台湾西南部等地。为中国太阳能资源的中等类型区，相当于美国的华盛顿地区。

　(4)四类地区。四类地区的全年日照时数为 1400～2200h，辐射量在 419～502×104 kJ／(cm2 ·a)。相当于 140～170kg 标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。是中国太阳能资源较差地区，相当于意大利的米兰地区。

　(5)五类地区。五类地区的全年日照时数约 l000～1400h，辐射量在 335～419×104 kJ／(cm2 ·a)。相当于 115～140kg 标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区，相当于欧洲的大部分地区。

　一、二、三类地区，年日照时数大于 2000h，辐射总量高于 586kJ／(cm2 ·a)，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的 2／3 以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

　中国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四川盆地和与其毗邻的地区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本、欧洲条件优越得多，特别是青藏高原的西部和东南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。近些年的研究发现，随着大气污染的加重，各地的太阳辐射量呈下降趋势。上述中国太阳能资源分布，主要是依据 20 世纪 80 年代以前的数据计算得出的，因此其代表性已有所降低。为此，中国气象科学研究院根据 20 世纪末期最新研究数据又重新计算了中国太阳能资源分布。各地区资源分类见表 2-2。

　表 2-2

　各地区资源分类 类型 地区 年照时间数/h 年辐射总量 （kcal/cm2 *a）

　1 西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部 2800～3300 160～200 2 西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部 3000～3200 140～160 3 新疆北部、甘肃东南部、山西南部、山西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部 2200～3000 120～140 4 湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、山西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江 1400～2200 100～120 5 四川、贵州 1000～1400 80～100

　2．全国各大城市标准 13 照时数 全国各大城市标准日照时数见表 2-3。

　表 2-3

　全国各大城市标准日照时数 城市 纬度 斜面日均辐射量(kJ/m2 ) 日辐射量 H (kJ/m2 ) 最佳倾角 哈尔滨 45.58° 15 838 12 703 φ+3° 长春 43.90° 17 127 13 572 φ+1° 沈阳 41.77° 16 563 13 793 φ+1°

　北京 39.80° 18 035 15 251 φ+4° 天津 39.10° 16 722 14 356 φ+5° 呼和浩特 40.78° 20 075 16 574 φ+3° 太原 37.78° 17 394 15 061 φ+5° 乌鲁木齐 43.78° 6594 14 461 φ+12° 西宁 36.75° 19 617 16 777 φ+1° 兰州 36.05° 15 842 14 966 φ+8° 银川 38.48° 19 617 16 553 φ+2° 西安 34.30° 12 952 12 781 φ+14° 上海 31.17° 13 691 12 760 φ+3° 南京 32.00° 14 207 13 099 φ+5° 合肥 31.85° 13 299 12 525 φ+9° 杭州 30.23° 12 372 11 668 φ+3° 南昌 28.67° 13 714 13 094 φ+2° 福州 26.08° 12 451 12 001 φ+4° 济南 36.68° 15 994 14 043 φ+6° 郑州 34.72° 14 558 13 332 φ+7° 武汉 30.63° 13 707 13 201

　φ+7° 长沙 28.20° 11 589 11 377

　φ+6° 广州 23.13° 12 702 12 110 φ+0° 海口 20.03° 13 510 13 835 φ+12° 南宁 22.82° 12 734 12 515 φ+5° 成都 30.67° 10 304 13 392 φ+2° 贵阳 26.58° 10 235 10 327 φ+8° 昆明 25.02° 15 333 14 194 φ+0° 拉萨 29.70° 24 151 21 301 φ+6°

　3 3 ．太阳能光照时间对照表

　在计算太阳能电池的工作时间时，不应把日照时间看作每天有太阳光的时间，若选择计算时间为 8h 左右。将导致光伏发电系统不能稳定运行。设计中应根据不同的地区的光照条件，要分别区分太阳能电池的有效工作时间，根据太阳光照时间对照表(见表 2-4)进行计算。

　只有根据这些参数才能准确计算各地区的光照时间，和准确计算光伏发电部分所用的太阳能电池组件的数量和可靠系数。

　表 2-4

　太阳光照时间对照表 地区分类 年光辐照量/（KW/m2 ）

　平均峰值时间/h 丰富地区 》586 5.10～5.42 比较丰富地区 502～586 4.46～4.78 可以利用地区 419～502 3.82～4.14 贫乏地区 <419 3.19～3.50

　平均日照时数和峰值日照时数日照时间是指太阳光在一天当中从日出到日落实际的照射时间。

　日照时数是指在某一地点，一天当中太阳光达到一定的辐照度（一般以气象台测定的120W/m2为标准）时开始记录，直到小于此辐照度时停止记录，期间所经过的小时数。日照时数小于日照时间。

　平均日照时数是指某一地点一年或若干年的日照时数总和的平均值。例如，某地 1985年到 1995 年实际测量的年平均日照时数是 2053.6h，日平均日照时数就是 5.63h。

　峰值日照时数是指将当地的太阳辐射量，折算成标准测试条件（辐照度 1000W/m2 ）下的时数。峰值日照时数=斜面日辐射量/3600（h）

　学习情境 2

　光伏发 电技术

　太阳能发电是指太阳能光伏发电，光伏发电是利用半导光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种发电技术。太阳光能是一种非常理想的干净、安全且随处可得的清洁能源，因此各国均不断地研发各种相关技术，藉以提高系统发电效率并降低发电成本，推广普及使用太阳能。

　（一）太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式

　1．太阳能的主要利用形式 目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于太阳能电池的原料——硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

　在太阳能的有效利用当中，太阳能发电系统是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。太阳能是一种辖射能，利用太阳能发电是将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。太阳能发电有两种方式，一种是光——热——电转换方式，另一种是光——电直接转换方式。为此，人们研制和开发了太阳能电池，设计和建设独立和并网的光——电直接转换太阳能发电系统，有专家认为太阳能发电量最终将在电力供应中占 20%。

　(1)光——热——电转换方式是通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质蒸汽，再驱动汽轮发电机发电。前一个过程是光——热转换过程，后一个过程是热——电转换过程，其发电工艺流程与普通的火力发电一样。太阳能热能发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站高 5—10 倍，一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 20～25亿美元，平均 lkW 的投资为

　图 2-2

　光——热——电转换示意图 2000～2500 美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，为此，太阳能热能发电还不能与普通的火电站或核电站相竞争。如图 2-2 所示。

　(2)光——电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置是太阳能电池。太阳能电池是一种基于光生伏打效应将太阳光能直接转换为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，在外电路上产生电流。当许多个太阳能电池串联或并联起来就可构成比较大输出功率的太阳能电池方阵。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性 3 大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；太阳能光伏发电与火力发电、核麓发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用电的独立太阳能发电系统，这些特点是其他电源无法比拟的。如图 2-3 所示。

　太阳能发电是指将太阳能转换成电能，即直接将太阳光能转换成电能的发电方式。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳光发电的主流。

　图 2-3

　光——电直接转换示意图 2 2 ．光伏发电的运行方式

　太阳能光伏发电系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般将太阳能光伏发电系统分为独立（离网）系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏发电系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对太阳能光伏发电系统进行比较细致的划分，可将太阳能光伏发电系统分为如 6 种类型：小型太阳能光伏发电系统；太阳能光伏发电简单直流系统；大型太阳能光伏发电系统；太阳能光伏发电交流、直流供电系统；并网太阳能光伏发电系统；混合供电太阳能光伏发电系统；并网混合太阳能光伏发电系统。

　（二）太阳能光伏技术的发展及应用前景

　太阳能电池也同晶体管一样，是由半导体构成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金材料。用于制造太阳能电池的高纯硅，要经过特殊的提纯处理制作。太阳能电池的工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，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，产生光生电子一空穴对，在内建电场作用下，光生电子和空穴分离，太阳能电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有了“光生电流”流过，从而获得功率输出。

　太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，就能够把光能转变为电能，太阳能电池可发出相当于所接收光能的 l0%～20%的电。一般来说，光线越强，发出的电能就越多。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在阳能电池板的上面都蒙上一层可防止光反射的膜，使阳能电池板的表面呈紫色。

　在太阳能发电系统中，系统的总效率由太阳能电池组件的光电转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。目前太阳能电池的光电转换率只有 17%左右。因此提高太阳能电池组件的光电转换率，降低太阳能光伏发电系统的单位功率造价是太阳能光伏发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主要材料保持着统治地位。目前，对硅太阳能电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小反射；运用吸杂技术和钝化工艺提高硅太阳电池的转化效率；硅太阳能电池超薄型化等。太阳能光伏发电系统主要应用于以下 3 大方面。

　(1)为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活、生产提供电力，还有为微波中继站和移动电话基站提供电源等。如图 2-4 所示。

　 图 2-4

　 移动电话基站

　 (2)太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等。如图2-5，2-6 所示。

　 2-5 太阳能路灯实际应用图

　 图 2-6 太阳能草坪灯

　(3)并网发电，在发达国家已经大面积推广实施，我国第一座大型并网太阳能发电站已于 2010 年投入运营。如图 2-7 所示。

　图 2-7

　 大型并网太阳能发电站

　 2 2 ．太阳能发电的优势

　通过对生物质能、水能、风能和太阳能等几种常见新能源的对比分析，可以清晰地得出太阳能发电具有以下独特优势。

　(1)光伏发电具有经济优势。可以从两个方面看太阳能利用的经济性：一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展及人类开发利用太阳能技术的突破，太阳能利用的经济性将会更加明显。如果说 20 世纪是石油世纪，那么 21 世纪则是可再生能源的世纪（太阳能的世纪）。

　从太阳能光伏发电站建设成本来看，随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用，每千瓦太阳能光伏发电的建设成本在 2010 年达到 7000—10000 元，相比其他可再生能源已具有同样的经济优势。

　(2)太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是 1.6×l023 kW，其中到达地球的能量高达 8×l013 kW，相当于 6×l09t 标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约 1. 892×l013 千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的 1 万倍。太阳的寿命至少尚有 40 亿年，相对于人类历史来说，太阳能可源源不断供给地球的时间是无限的，这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。从我国可开发的资源蕴含量来看，学者和专家比较公认的数字，生物质能1 亿千瓦，水电 3. 78 亿千瓦专风电 2.53 亿千瓦，而太阳能是 2.1 万亿千瓦，只需开发太阳能资源的 1%即达到 210 亿千瓦；从其比例看，生物质能仅占 0.46%，风电占 1.74%，水电占 1.16%，而光电为 96.64%。

　(3)对环境没有污染。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利周时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。由于传统化石燃料（煤、石油和天然气）在使用过程中排出大量的有毒有害物质，会对水、土壤和大气造成严重污染，形成温室效应和酸雨，严重危害到人类的生存环境和身体健康，因此急需开发出新的比较清洁的替代能源，而太阳能作为一种比较理想的清洁能源，正受到世界各国的日益重视。

　从目前各种发电方式的碳排放来看，不计算其上游环节：煤电为 275g，油发电为 204g，

　天然气发电为 181g，风力发电为 20g，而太阳能光伏发电则接近零排放。并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害物质，不会污染环境。

　(4)转换环节最少最直接。从能量转换环节来看，太阳能光伏发电是直接将太阳辐射能转换为电能，在所有可再生能源利用中太阳能光伏发电的转换环节最少、利用最直接。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加整个系统的建设和运行成本及不稳定性。目前，晶体硅太阳能电池的转换效率实用水平在 15%—20%，实验室水平最高目前已达 35%。

　(5)最经济、最清洁、最坏保。从资源条件尤其是土地占用来看，生物能、风能是较为苛刻的，而太阳能则很灵活和广泛。如果说太阳能光伏发电要占用土地面积为 1 的话，风力则是太阳能的 8—10 倍，生物能则达到 100 倍。而水电，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十到上百平方公里的土地。相比而言，太阳能发电不需要占用更多的土地，屋顶、墙面都可成为太阳能光伏发电利用的场所，还可利用我国广阔的沙漠，通过在沙漠上建造太阳能光伏发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减少蒸发量，进而使植物的存活和生长在相当程度上成为可能，稳固并减少了沙丘，又向自然索取了需要的清洁可再生能源。

　(6)可免费使用，且无须运输。人类可以通过专门的技术和设备将光能转换为热能或电能，就地加以利用，无须运输，为人类造福。而且人类利用这一取之不尽的能源也是免费的。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。

　三、项目实施：独立（离网）的光伏发电系统的认识

　太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。独立太阳能光伏发电系统在自己的闭路系统内部形成电路，是通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。并网发电系统通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能量转换为电能，再经过高频直流转换后变成离压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。

　太阳能光伏发电系统的规模和应用形式各异，系统规模跨度很大，小到 0.3～2W 的太阳能庭院灯，大到 MW 级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。独立的太阳能光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、DC/AC 逆变器和用电负载构成。独立太阳能光伏系统构成如图 2-8 所示。

　控制器蓄电池组直流/交流逆变器交流负载直流负载太阳能电池方阵 图 2-8 独立太阳能光伏系统构成

　1 1 ．光伏组件方阵

　在太阳能光伏发电系统中最重要的是太阳能电池，它是收集太阳光的核心组件。大量的太阳能电池通过串并联构成光伏组件或太阳能电池光伏组件方阵。太阳能电池主要划分为：晶体硅电池（包括单晶硅、多晶硅、带状硅）、非晶硅电池、非硅电池（包括硒化铜铟、碲化镉）,如图 2-9 所示。太阳能电池的类型及特性如表 2-5 所示。

　单晶硅电池板

　 多晶硅电池板

　 非晶硅电池板 图 2-9

　太阳能电池板 表 2-5

　太阳能电池的类型及特性

　由于技术和材料原因，单一太阳能电池的发电量是十分有限的，实际应用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件。近年来，作为太阳能电池主流技术的晶体硅电池的原材料价格不断上涨，从而导致晶体硅电池的成本大幅攀升，这使得非晶硅电池成本优势更加明显。另外，薄膜电池（大大节约原材料的使用，从而大幅降低成本）已成为太阳能电池的发展方向，但是其技术要求非常高，而非晶硅薄膜电池作为目前技术最 成熟的薄膜电池，是目前薄膜电池中最富增长潜力的品种。

　2)蓄电池 蓄电池组是太阳能光伏发电系统中的储能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射 能转换来的直流电转换为化学能储存起来，似供负载应用。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。太阳能电池产生的电能以化学能的形式储存在蓄电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。蓄电池的特性直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足负载用电的前提下，把白天太 阳能电池组件产生的电

　能尽量储存下来，同时还要能够储存预定的连续阴雨天时负载需要的电能。如图 2-10 所示。

　图 2-10

　太阳能专用蓄电池 蓄电池容量受到末端负载需用电量及日照时间（发电时间）的影响。蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的负载需用电量和连续无日照时间决定，因此蓄电池的性能直接影响着太阳能光伏发电系统的工作特性。目前，太阳能光伏发电系统常用的是阀控密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

　3)控制器 控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效安全可靠地工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载输出电能，是整个太阳能发电系统的核心部分。通过控制器对蓄电池充、放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，它逐应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能光伏发电系统的设计来说，控制器充、放电控制电路的质量至关重要。如图2-11 所示。

　 图 2-11 充放电控制器 控制器的主要功能是使太阳能光伏发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即 PWM 控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点 P m 。附近区域。放电控制主要是指当蓄电池缺电、系统故障，如蓄电池开路或接反时切断开关。目前研制出了既能跟踪调控点 P m ，又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器，将固定太阳能电池组件的效率提高了 50%左右。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、变换器及监测系统集成的趋势，如 AES 公司的 SPP和 SMD 系列的控制器就集成了上述 3 种功能。

　4) DC/AC 逆变器 在太阳能光伏发电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用 DC/AC 逆变器将太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电经逆变主电路的调制、滤波、升压后，得到与交流负载额定频率、额定电压相同的正弦交流电提供给系统负载使用。逆变器按激励方式，可分为自激式

　振荡逆变器和他激式振荡逆变器。逆变器具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。DC/AC 逆变器如图2-12 所示。逆变器的种类及特点如表 2-6 所示。

　表 2-6 逆变器种类及特点

　 图 2-12

　DC/AC 逆变器 5)用电负载 太阳能光伏发电系统按负载性质分为直流负载系统和交流负载系统。其系统框图如图2-13 所示。

　图 2-13 太阳能光伏发电直流和交流负载系统框图 独立光伏发电系统目前面临以下两个问题：

　(1)能量密度不高，整体的利用效率较低，前期的投资较大。

　(2)独立发电系统的储能装置一般以铅酸蓄电池为主，蓄电池成本占太阳能光伏发电系

　统初始设备成本的 25%左右，若对于蓄电池的充、放电控制比较简单，容易导致蓄电池提前失效，增加了系统的运行成本。蓄电池在 20 年的运行周期中占投资费用的 43%，大多数蓄电池并不能达到设计的使用寿命，除了蓄电池本身的缺陷和控制器的技术性能不佳外，蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因。

　因此，对于独立太阳能光伏发电系统，提高能量利用率，研究科学的系统能量控制策略，可以降低独立光伏系统的投资费用。

　四、 知识拓展 —— 并网光伏发电系 统简介

　Ｂ－汇流箱；Ｃ－直流配电柜；ＳＧ－并网逆变器；Ｄ－交流配电柜；Ｅ－光伏监控系统 图 2-14

　并网光伏发电系统图 并网太阳能光伏发电系统由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能馈入公共电网。因直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉蓄电池储能和释放的过程，减少了能量损耗，节省其占用的空间及系统投资与维护成本；另外，发电容量可以做得很大并可保障用电设备电源的可靠性，但降低整个系统的供电可靠性。由于逆变器输出与电网并联，必须保持两组电源电压、相位、频率等电气特性的一致性，否则会造成两组电源相互间的充放电，引起整个电源系统的内耗和不稳定。

　太阳能并网发电系统的主要组件是逆变器或电源调节器( PCU)，PCU 把太阳能光伏发电系统产生的直流电转换为符合电力部门要求的标准交流电，当电力部门停止供电时或公共电网故障时，PCU 会自动切断电源。在光伏系统交流输出与公共电网的并网点设置并网屏，当太阳能光伏发电系统输出的电能超过系统负实际所需的电量时，将多余的电能传输给公共电网。当太阳能光伏发电系统输出的电能小于系统负载实际所需的电量时，可通过公共电网补充系统负载所需要的电量。同时也要保证在公共电网故障或维修时，太阳能光伏发电系统不会将电能馈送到公共电网上，以使系统运行稳定可靠。太阳能并网发电是太阳能光伏发电的发展方向，代表 21 世纪极具潜力的能源利用技术。

　并网运行的太阳能光伏发电系统，要求逆变器具有同电网连接的功能，并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为储能单元。太阳能光伏发电并网系统如图 2-15所示。由于太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高，要求并网逆变器具有多种组合运行方式，以实现最佳方式的太阳能转换。现在世界上比较通衍的太阳能逆变方式为：集中逆变器、组串逆变器、多组串逆变器和组件逆变器。

　 图 2-15

　太阳能光伏发电并网系统 1 1 ．集中逆变器

　集中逆变器一般用于大型太阳能光伏发电站中(> l0kW)，很多并行的光伏单元的输出端被连到同一台集中逆变器的直流输入端，功率大的逆变器使用三相的 IGBT 功率模块，功率较小的逆变器使用场效应晶体管，同时使用具有 DSP 的控制器来控制逆变器输出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。集中逆变器的最大特点是系统的功率高，成本低。集中逆变式光伏发电系统受光伏组件的匹配和部分遮影的影响，使整个光伏发电系统的效率下降。同时整个光伏发电系统的可靠性也受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器拓扑连接，以获得集中逆变式光伏发电系统的高效率。

　SolarMax（索瑞·麦克）集中逆变器可以附加一个光伏阵列的接口箱，对每一个光伏组件进行监控，如光伏阵列中有一个光伏组件工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一光伏组件停止工作，从而不会因为某一个光伏组件故障而降低和影响整个光伏系统的功率输出。

　2 2 ．组串逆变器

　组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器，组串逆变器基于模块化基础，每个光伏单元组(1～5kW)通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流瑞与公共电网并网。许多大型太阳能光伏发电厂都使用组串逆变器。组串逆变器的优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引入“主一从”概念，使系统在单组光伏组件不能满足单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组件连在一起，让其中一个或几个组件工作，从而产出更多的电能。最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主一从”概念，使系统的可靠性又进了一步。

　目前，无变压器式组串逆变器已在太阳能光伏发电系统中占了主导地位。

　3 3 ．多组串逆变器

　多组串逆变器利用了集中逆变器和组串逆变器的优点，避免了其缺点，可应用于几千瓦

　的光伏发电站。在多组串逆变器中，包含了不同单独的功率峰值跟踪和 DC/DC 转换器，而直流通过直流到交流的逆变器转换成交流电与公共电网并网。光伏组串的不同额定值（如不同的额定功率、每组串不同的组件数、组件的不同的生产厂家等）、不同的尺寸或不同技术的光伏组件、不同方向的组串（如东、南和西）、不同的倾角或遮影，都可以被连在一个共同的逆变器上，同时每一个组串都工作在它们备自的最大功率峰值上。同时，可减少直流电缆的长度，将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。

　4 4 ．组件逆变器

　组件逆变器是将每个光伏组件与一个逆变器相连，同时每个组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样组件与逆变器的配合更好。该逆变通常用于 50~ 400W 的光伏发电站，总效率低于组串逆变器。由于是在交流处并联，这就增加了逆变器交流侧接线的复杂性，维护困难。另外需要解决的是怎样更有效的与电网并网，简单的办法是直接通过普通的交流电断路器进行并网，这样可以减少成本和设备的安装，但各地的电网安全标准不允许这样做，电力公司反对发电装置直接和普通用户的普通断路器相连。另一个和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器（高频或低频），或者允许使用无变压器式的逆变器。

　并网光伏系统最大的特点是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接并入公共电网，并网系统中太阳能光伏方阵所产生的电能除了供给系统内的交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳能电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网给系统内的负载供电。因为直接将电能输入电网，免除了配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发出的电能，从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网对电压、频率等电性能指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏发电系统作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。而且并网光伏发电系统可以对公用电网起到调峰作用。但并网光伏发电系统作为一种分散式发电系统，对公共电网会产生一些不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。

　 五、 思考与练习

　1.我的家乡在哪里？太阳能资源的利用情况？ 2.独立的光伏发电系统有什么组成？

　3.说明并网光伏系统主要组成部分的作用？ 4.独立太阳能光伏系统主要用途是什么？