太阳能光伏发电结项论文-屋顶太阳能光伏发电系统设计与实践.docx

电气信息工程学院卓越工程师创新实践项目结项论文题 目：屋顶太阳能光伏发电系统设计与实践 负 责 人： 孔玲玲 学 院： 电气信息工程学院 联系电话： [phone] 电子信箱： kongling0104 参与人员：段斌、自国付、李发胤 提交日期： 2016年5月 目录1.1太阳能光伏电池的特性与应用31.1.1光伏发电原理31.2太阳能电池的转换效率31.3太阳能电池的发展与分类41.3.1硅太阳能电池41.3.2化合物半导体太阳能电池41.3.3有机半导体和薄膜太阳能电池太阳能电池42.1系统分类52.1.1独立型光伏发电系统52.1.2并网型光伏发电系统52.1.3混合型光伏发电系统63.1系统组成63.2阳能光伏发电系统的应用73.3光伏发电尚存在的问题74.1光伏发电并网的必要性84.2光伏并网条件与并网电路原理94.3光伏逆变器94.3.1基于PWM技术的逆变器原理104.3.2光伏并网系统逆变器控制方式125.1光伏太阳能电池板及其负载的安转13屋顶太阳能光伏发电系统设计摘要：能源紧缺、环境恶化是日趋严重的全球性问题，人类为追求可持续发展，正积极开放可再生能源技术。太阳能光伏发电系统作为国家重点推广的节能技术，正在迅速发展。虽然我国在太阳能电池上取得了不少成绩，但事实上我国对于光伏发电方面，还处于比较空白的阶段。太阳能光伏发电作为一种新能源，对环境保护，解决能源短缺等问题具有很好的发展前景。本文主要阐述了太阳能光伏发电系统的组成结构，系统安装，包括光伏组件支架安装，光伏组件安装，电气系统工程安装，数据检测及采集系统安装，系统调试、运行。关键词：能源短缺 环境恶化 新能源1.1 太阳能光伏电池的特性与应用1.1.1光伏发电原理如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。图光伏发电原理示意图1.2太阳能电池的转换效率太阳能电池转换效率太阳能电池的能量转化效率是从太阳能电池的端子输出的电力能力与输入的太阳辐射光能之比转换效率可定义为：太阳能电池的转换效率 低 下 是 制 约 太 阳 能 光 伏 产业 的 一 个 瓶 颈 目 前 商 用 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 小 于； 实验室硅系太阳能电池转换效率接近； 非硅系太阳能电池据报道可达到，估计太阳能电池的理论效率，必须把从入射光能到输出电能之间所有可能发生的损耗都计算在内。其中有些是与材料及工艺有关的损耗，而另一些则是由基本物理原理所决定的。 目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工 业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。虽然大规模应用现在还有经济上的限制，但是一些个人便携式太阳能锂电池充电设备已经应用的非常广泛了。1.3太阳能电池的发展与分类太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，己经种类繁多，形式多样。下面按照材料进行分类并且加以介绍。1.3.1硅太阳能电池指以硅为基体材料的太阳能电池，有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。其中，单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良，但成本高，而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低，单片电池也可以做得比较大，效率比单晶硅电池低。非晶硅太阳电池对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄，通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之一，所以制作非晶硅太阳电池资源消耗少。非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换率偏低，目前效率一般在6%左右。1.3.2化合物半导体太阳能电池化合物类太阳能电池即化合物半导体太阳能电池，是发电元件(电池单元)的半导体材料不使用硅、而是使用多种物质的太阳能电池。由于化合物半导体是在玻璃或金属等基板上利用基于蒸镀等的薄膜工艺来形成，因此有助于降低成本。目前世界上已实现实用化的主要的化合物类太阳能电池方面，具有代表性的有以铜（Cu）、铟（In）、硒（Se）为原料的CIS太阳能电池，在上述原料的基础上增加了镓（Ga）的CIGS太阳能电池，以及使用碲化镉（CdTe）的碲化钙（CaTe）太阳能电池等。1.3.3有机半导体和薄膜太阳能电池太阳能电池指用含有一定数量的碳一碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。指用单质元素、无机化合物或有机材料制成的薄膜为基体材料的太阳能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池等。此外，按照应用还可将太阳能电池分为空间太阳能电池和地面太阳能电池两大类。地面太阳能电池又可分为电源太阳能电池和消费品用太阳能电池两种。空间太阳能电池的主要要求是耐辐射性好、可靠性高、光电转换效率高、功率面积比和功率质量比优等。2.1系统分类光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成：光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。一般情况下，我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。2.1.1独立型光伏发电系统独立型光伏发电系统的结构框图如图2-1所示。其特点是不和电网相连接，无电地区和特殊领域的供电，测站等远离电网的用电设备。在有太阳光照的情况下，如偏远山村用电设备、卫星通信设备、航标灯、主要用于偏远气象和地震观光伏阵列产生电能，负载的消耗，那多余的电能就会转换为化学能，并向负载供电。当光伏阵列的发电量大于存储在蓄电池中。当负载消耗大于当前光伏阵列产生的电能，那么光伏阵列和蓄电池同时对负载供电。如果当前没有太阳光照，则由蓄电池单独供电。同时，还可以根据负载的类型，选择是否加入逆变器。 图2-1 独立型光伏发电系统结构框图2.1.2并网型光伏发电系统 图2-2 并网型光伏发电系统结构框图 并网型光伏发电系统的结构框图如图2-2所示。其特点是输出端与公共电网相连接。按照电网接入点的不同可以分为输电侧和配电侧并网型光伏发电系统。城市中并网型光伏发电系统一般安装在建筑物表面，并且并网点一般在配电侧。而输电侧的并网型光伏发电系统一般安装在沙漠地区。其工作原理为：首先通过光伏阵列将太阳能转换为电能，再通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为和电网相位、频率都相同的交流电，并将所产生的电能并入电网。2.1.3混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统的结构框图如图2-3所示。其最大的特点就是，系统中除了光伏发电，还有其它形式的发电系统。当光伏阵列产生的电能不能满足负载需求的时候，可以通过其它形式的发电系统作为电能补充。目前应用比较多的就是风光互补发电系统，这样组合可以使得系统的稳定性、可靠性比单独的光伏发电系统或者风力发电系统有了很大的提高。通过合理的配置和设计，可以基本满足负载的需求。图2-3 混合型光伏发电系统的结构框图3.1系统组成光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是：1、电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，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”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。2、蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。3、控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。4、逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。3.2阳能光伏发电系统的应用目前我国光伏发电系统的应用主要在三方面：（1）以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农牧民(即目前我国三分之一的无电人口)提供最基本的生活用电；（2）通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统；（3）建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。3.3光伏发电尚存在的问题目前，光伏发电仍存在下列几个主要问题:（1） 光伏阵列发电效率低光伏阵列是光伏发电的最基本元件。光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。一般来讲，晶体硅光伏电池效率为10%15%左右，非晶体光伏电池效率为5%8%，薄膜光伏电池目前的转化效率仅为2%4&左右。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对光电转化管理不力，真正太阳能的利用率只有50%70%。目前，科学家们正在加紧研究，希望能大幅度提高光伏发电转换率。主要研究工作包括：在硅体里面增加其他元素，提高价能位置，从而形成更大的P-N结的空间电荷区，得到更大的输出电压；增加受光面的折射度，让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射，以最大程度将光子能量转换为电子能量；寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料，以获得更大的转换效率。 (2)系统造价成本高由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。2003年单、双晶硅光伏电池组件的价格约为3640元/，相比于目前的火力和水力发电，光伏发电的成本约为后者的620倍。成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。 (3)发电运行受气候环境因素影响大光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面的太阳照射受气候的影响时有时无。另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的投入量，进而减少了光电的转换。(4)制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（，二氧化硅）。从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是他们生产成本高的原因。制造非晶硅光伏电池所需的能耗少得多，人们正在为提高它的稳定性和工作寿命，降低它的内阻从而提高它的光电转换效率而不懈努力。(5)其他因素由于太阳光存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的特点，因此发电受外界环境的影响较大。4.1光伏发电并网的必要性与孤立运行的的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。（1） 不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题；（2）光伏电池可以始终运行在最大运行功率点处，有大电网来接纳由太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；（3）省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。在工业化国家的大多数地区，可以将通用电网作为备用电源，不必再用昂贵的蓄电池贮能，还可将太阳能电池阵列过剩的电力卖出，并入通用电网。对于光伏中心发电站来说，并网是很自然的事情；对于小型的、以住宅为基本单元的系统并网用经济上考虑也有吸引力，这样，通用电网在某种意义上充当了光伏电能的贮存媒介。它把一个国家某个地区、全国甚至跨国的所有发电厂与用户联系起来。这样的电网是一个相当可靠的交流电压源。因此，将光伏阵列发出的电能输送到电网是具有十分重要的意义。4.2光伏并网条件与并网电路原理光伏阵列的输出电能与通用电网实现同步并网的关键是要求输出的正弦交流电与电网电压同频同相。而光伏阵列的输出电流是直流电，因此必须要有相应的DC-DC变换和DC-AC变换。光伏并网工作的电路原理图如图5-1所示，其中U2是通用电网的电压，U1是并网逆变器输出的高频SPWM电压波，L为串联电抗器，I为送入电网的电流，R为线路等效电阻。为保证送入电网为单位功率因数，并入电网的电流I的相位须与电网电压的相位保持一致。若以电网电压U2为零相位，则I与U2同相位，由于纯电阻并不改变电压与电流的相位差，因此等效电阻R上的电压UR与电网电压相位是一致的，但由于电抗器L的电感性，使其两端的电压UL落后于UR90。由此可得U1相位和幅值： (4-1)式中为电网角频率。在实际的电路设计应用中，电网电压U2的周期、幅值和相位可由电压传感器检测获得。但等效电阻R不易求得，故电流I的相位需采用电流负反馈来实现，用电流互感器实时检测I，确保其与电网电压的相位一致，以实现功率因数为1。 图4-1 光伏并网的电路原理4.3光伏逆变器 光伏逆变器是光伏并网的核心部件，主要完成光伏阵列输出的直流到交流的变换。因此，对逆变器的研究是非常必要的。4.3.1基于PWM技术的逆变器原理逆变器主电路结构如图5-2所示。 图5-2 逆变器主电路 这是一个桥式逆变电路，其功率器件选择全控型IGBT，工作过程为： 通过改变V1、V4和V2、V3的交替通断时间实现调频控制，通过改变半个周期内的V1、V4和V2、V3的通断时间比实现电压幅值的控制。在50或60Hz频率下，同步交替地接通V1/V4或V2/V3。因为负载可能是电抗性的，负载电流和电压也可能反向，所以电路中必须要有二极管，当U0为正时(V1和V4导通)，I可能为负(电流流过与V1和V4平行的两个二极管)。图5-3为180和120导通型的方波电压信号。 虽然180脉冲波形比较容易得到，但它却包括大量的三次和五次谐波。120脉冲包含较少的谐波，特别是它不包含三次谐波。而要实现并网，必须得到一个正弦波，脉冲宽度调制技术能进一步减少低次谐波。图5-3 逆变器180脉冲和120脉冲电压信号图5-4 脉宽调制型输出电压信号 基于PWM技术的逆变器就是通过对脉冲宽度进行调制将直流电压变换成交流正弦波的装置。其工作原理是：使开关元件在每半个周期内反复通断多次，并按照正弦波的变化趋势去控制开关器件的通断，这样在逆变器的输出端就可以得到近乎于正弦波的变频变幅电压输出。图5-4为脉宽调制型输出电压信号。而脉冲宽度和调制周期是通过控制信号实现的，所以控制电路是实现PWM技术逆变器的关键环节，被称为PWM调制器，一般采用三角波调制的方法，也可以用矩形方波或正弦波作为控制电压。4.3.2光伏并网系统逆变器控制方式逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。 如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此使用比较广泛。因此，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。图5-5逆变器结构图图5-6逆变器矢量关系图 C是直流侧支撑电容，相当于电压源，L是交流侧电感，抑制输出电流的过分波动，同时起到滤波的作用，将开关动作产生的高频电流成分滤掉。逆变器输出电压，电网电压，并网电流之间的关系为： (5-2)式中，为电网电压角频率，矢量图如图5-6所示。5.1光伏太阳能电池板及其负载的安转在此次的立项实践中，我们最大的工作量就是太阳能电池板的安装，在技术人员的指导下把十六块太阳能板按照电压的正负极安装完，又把各个电池板并联在一起，通过控制系统、DC-DC转换、把太阳能电池板产生的电能储存在了蓄电池中，其次我们还建立了一个小型风能发电装置，并且通过并网控制系统把风能发的电输送到了蓄电池中，然后又通过逆变器把直流电转换成了交流电，供给各个负载正常使用。我们建立了四个负载，分别是：手机充电站、LED灯显示屏、小型喷泉、指示灯，经测试在天气良好的情况下我们建立的太阳能风能并网系统能够供给四个负载正常使用。参考文献:1 李安定 吕全亚太阳能光伏发电系统工程M.北京:化学工业出版社，2012.72 王长贵 王斯成太阳能光伏发电使用技术（第2版）M.北京，化学工业出版社，20093 董有尔 太阳能光伏发电系统应用研究J.山西: 山西大学学报:自然科学版，36（1）：40-48，201313