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摘要:随着人类社会的不断发展,传统能源被不断的消耗,同时也带来了严重的环境问题。为了减少环境的污染,保证能源的可持续利用,就必须改变现有的能源结构,重视新能源的开发和利用。从长远发展的角度看,可再生资源是人类未来的主要能源来源,因此,世界上很多国家都开始重视太阳能等新能源的开发利用。在这些可再生资源中,光伏发电的发展速度最快,而太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。世界各国都非常重视太阳能光伏产业的发展,我国拥有丰富的太阳能资源,对太阳能的开采具有很大的优势,因此,太阳能光伏发电成为我国开发新能源的重要内容。太阳能作为一种新型的可再生能源近年来得到了广泛的应用,光伏并网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。本文分析光伏发电在普通家庭的应用要求,提出了一种基于家庭用户需求的光伏发电解决方案,并进行实验测试和验证。并以传统的独立太阳能光伏发电技术为基础,研究和设计了并网型太阳光伏发电控制系统。
关键词:太阳能;光伏发电;并网;逆变器
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一、太阳能光伏发电系统简介
太阳能是指太阳光照所辐射的能量。目前太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种形式。太阳能光电转换又分为光热发电和光伏发电两种,通常说的太阳能发电主要是指太阳能光伏发电。
太阳能光伏发电系统是利用半导体的光生伏特效应进行光电转换的发电系统,其应用基本形式主要分为独立发电系统(如图1所示)和并网发电系统(如图2所示)两大类。应用领域主要集中在航空航天、通信系统、微波中继站、无电缺电地区用户供电和市政照明工程等。一般的太阳能光伏发电系统主要是由光伏电池组件,交直流逆变器、蓄电池和光伏系统电池控制器组成。首先,通过光伏电池组件将太阳能转换为电能,其次,再利用交直流逆变器将直流电转变成交流电,同时逆变器还可以自动稳定电压,改善光伏发电系统的供电质量。利用蓄电池将电能存储起来,在需要的时候在释放出来。充放电控制器则是可以防止太阳能光伏电源系统的储能蓄电池组过充电和过放电的设备,它是光伏发电系统的核心组成部分。
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通常,太阳能光伏发电系统由光伏组件方阵、控制器、蓄电池和逆变器四大部分组成。

即太阳能电池组件方阵,由太阳能电池板按系统需求串、并联而成。它是太阳能发电系统中的核心部件,其作用就是将太阳的辐射能量转换成电能输送到蓄电池中储存或者驱动负载工作。

控制器主要完成的工作如下:①蓄电池的充放电保护;②高压断开、低压报警和恢复功能;③温度补偿功能;④短路保护;⑤防反接功能。

将光伏阵列组件产生的电能储存起来,当光照强度过低或负载需求过大时,将储存的能量释放出来满足负载的能量需求。一般为铅酸电池,有的微型系统也使用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
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在我国实际应用中,负载的额定电源通常为交流220V,而光伏阵列组件产生的电能通常为直流,因此需要通过逆变器将其转换成负载所需的交流电能,故要使用逆变器。
目前,欧美、日韩等发达国家和地区正在大规模推广光伏并网发电系统,一方面以取代正在急剧减少的常规化石能源;另一方面减少废气排放对环境造成的污染。为推动西部大开发,我国也正在进行大西部地区的太阳能发电工程建设,以改善西部生产条件和投资环境,促进我国西部地区的经济发展。同时也将太阳能光伏发电技术大规模的应用和推广到市政照明工程上。
二太阳能光伏发电系统的现状及发展前景
1国外的太阳能光伏发电的现状和发展趋势
作为20世纪80年代世界上增长最快的高新技术产业之一,太阳能光伏发电产业快速发展。截止2004年,。到了2006年底,。像单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、带状硅电池、聚光电池以及薄膜电池等太阳能光伏电池已经商品化和实用化。在国际市场上,,并网后的价格为每瓦6美元,。光伏电池的发电效率在不断的提高,晶体硅光电池的转换率为15%,%,***化镓光电池更是达到25%的转化率。同时太阳能光伏电池组件的使用寿命也大大的延长,最多可达30年之久。目前,世界上太阳能光伏发电系统应用最多的国家为美国、日本和欧盟,它们的太阳能发电总量占世界光伏发电量的80%。专家预测,日后的世界太阳能光伏发电系统将会朝高效率、高寿命、低成本和美观实用的方向发展,太阳能光伏发电系统的发电总量也将占13-15%,预测到2100年光伏发电总量将占60%以上。
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2国内太阳能光伏发电系统现状和发展趋势。
我国太阳能光伏发电系统的启用较晚,20世纪90年代以来我国光伏发电快速发展。在这一阶段我国光伏组件的生产能力不断提升,产品生产成本降低,市场不断扩大并出口到国外,装机总容量也逐年增加。截止2006年底,我国光伏发电总量为35MW,占世界总量的3%。到2020年之前,我国太阳能光伏发电技术不断发展和完善,光伏市场也将发生巨大的变化。发电成本也逐渐降低,,预计到2020年,。
随着我国光伏企业的不断发展,近年来受到西方国家的反倾销等政策的打击,一些光伏组件的生产厂商面临着巨大的挑战。在这个背景下,太阳能光伏发电系统的开发应用应该转向国内,中国太阳能资源丰富,尤其是西北等内地地区,光照充足,必须加大财政支持,推进太阳能光伏发电系统在中国的应用,促进光伏产业的健康发展。随着太阳能的开发和利用,我国光伏发电系统的应用快速成熟起来。太阳能光伏发电系统不但具有环保的特点,而且科技含量高,发电成本低,是对传统发电模式的重大突破。但是,光伏发电系统的使用率还不高,主要原因是光伏发电系统的组成科技含量高,对材料的使用要求严格,因此必须加快研发太阳能光伏电池的新材料,提高光伏发电的效率,降低发电成本。加大对光伏产业的扶持力度,开发国内市场,将光伏发电系统广泛的应用到国内,提高光伏产业竞争了,不断推进光伏产品的更新和升级,为我国的电力供应开辟新的途径。
三、并网型太阳能光伏发电控制系统简介
如图2所示,并网型太阳能光伏发电系统最大的特点就是光伏组件方阵产生的直流电(一般为12VDC、24VDC、48VDC)经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后直接接入公共电网。当光照充足时,系统产生的电力除了供给负载外,剩余的电力反馈给公共电网;在白天或夜晚,系统产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。
该系统主要由光伏组件方阵(即太阳能电池板)、光源跟踪控制系统、并网逆变器等组成,与独立光伏发电系统相比,因并网型光伏发电系统直接将电能输入电网,也可直接利用电网电能,所以免除了配置控制器和蓄电池,但是系统中的逆变器必须使用专用的并网逆变器。
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1太阳能电池板的应用
太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅,非晶硅,***化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现已晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。
太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后,输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是家用太阳能发电中最重要的部件之一,其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。太阳能电池板以多晶太阳能电池板居多。
多晶太阳能电池板是由多晶硅高效太阳能电池片、EVA胶膜低钢化玻璃、轻质电镀率金组成。可应用于太阳路灯、太阳能草坪灯、太阳能发电系统、通讯、航天等途径。多晶硅是含有大量单晶颗粒的集合体,它有多种不同排列方向的单组成。用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化铸造固化而成。其制造简单而成本较低。通常多晶硅太阳能电池的光电转换效率为16%左右。
多晶太阳能电池板的输出功率严格控制在±3%,以确保每个货柜都为正公差。其组件经由国际知名试验室测试,保证输出公率的准确性。在组件生产过程中,应用了无螺钉内置角键连接的先进技术,紧固密封,抗机械强度高,采用高透光率钢化玻璃封装和密封防水接线盒,确保组件使用安全,保证这些光伏组件在10年使用期间,输出功率在90%以上;25年使用期间,输出功率在80%以上。多晶太阳能电池板选用的封装形式和接线盒等配件满足野外使用的要求,防护等级达到IP65。组件抗风压达到2400帕,能够抵御120Km/h风速,组件强度能抵御一般的风沙
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、冰雹和雪压。
“家庭电站”是一种家庭太阳能发电系统的简称,主要由太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成。“家庭电站”在我国不仅有较为成熟的技术支撑和现实需求,且随着社会环保意识的增强,其在我国的发展将有着广阔的空间。个人分布式光伏发电并网的条件并不难,即需要一台光伏发电设备(太阳能电池板或组件)、一台逆变器、一个微断开关和一些导线即可。所谓逆变器是用来将发电设备发出的直流电转换为符合并网要求的交流电。微断开关则主要起保护作用,当设备出现故障时会自动跳开。这些“装备”中最重要的是太阳能电池板。目前市场上的太阳能电池板大致分为单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池以及非晶硅薄膜电池。对于太阳能电池而言,最重要的参数是转换效率,目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中,单晶硅电池效率为25%,%,薄膜电池效率不到20%,%。
为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件。下面以100W输出功率,每天使用6个小时为例,介绍一下计算方法:
(包括逆变器的损耗):若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%=111W;若按每天使用5小时,则耗电量为111W*5小时=555Wh。
:按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。
2模拟光源跟踪控制系统
系统工作原理:
正常情况下:光电池阵列接受光照后,光电传感器输出信号(电压差)经放大处理等(光源跟踪信号前置电路)输入单片机,单片机处理后发出信号给电机驱动电路,进而驱动电机对光电池阵列进行水平和垂直方向的调节,以便保持同太阳光垂直的角度,从而达到对太阳光的最大利用,通
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