頁(yè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)課題名稱：大型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：11級(jí)電信班學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：學(xué)生成績(jī)：指導(dǎo)教師：大型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)引言：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。現(xiàn)有電力能源的來源主要有3種，即火電、水電和核電。太陽(yáng)能的能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽(yáng)能），是太陽(yáng)中的氫原子核在超高溫時(shí)聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽(yáng)。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因?yàn)楦鞣N植物通過光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來后，再由埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來的。利民太陽(yáng)能發(fā)電有兩大類型：一類是太陽(yáng)光發(fā)電（亦稱太陽(yáng)能光發(fā)電），另一類是太陽(yáng)熱發(fā)電（亦稱太陽(yáng)能熱發(fā)電）。太陽(yáng)能光發(fā)電是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式，在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池、光電解電池和光催化電池。太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式。一種是將太陽(yáng)熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。另一種方式是將太陽(yáng)熱能通過熱機(jī)（如汽輪機(jī)）帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽(yáng)能。二、結(jié)構(gòu)原理太陽(yáng)能發(fā)電是利用電池組件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽(yáng)能電池組件（Solarcells）是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無(wú)電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達(dá)國(guó)家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。目前從民用的角度，在國(guó)外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑（照明）一體化"技術(shù)，而國(guó)內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無(wú)電地區(qū)家庭照明用的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽(yáng)能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負(fù)載等組成。其中，太陽(yáng)能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端。太陽(yáng)能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。電池單元由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實(shí)用中的太陽(yáng)能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽(yáng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽(yáng)能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽(yáng)能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功率P輸出。理論研究表明，太陽(yáng)能電池組件的峰值功率Pk，由當(dāng)?shù)氐奶?yáng)平均輻射強(qiáng)度與末端的用電負(fù)荷（需電量）決定。儲(chǔ)存單元太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲(chǔ)存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時(shí)間（發(fā)電時(shí)間）的影響。因此蓄電池瓦時(shí)容量和安時(shí)容量由預(yù)定的連續(xù)無(wú)日照時(shí)間決定。控制器控制器的主要功能是使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時(shí)切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)Pm，又能跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)參數(shù)的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。逆變器逆變器按激勵(lì)方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽(yáng)電池組件中其作用是避免由于太陽(yáng)電池方陣在陰雨和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時(shí)，擂電池組通過太陽(yáng)電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔谩Ｒ虼怂仨毐ＷC回路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的沖擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的話可以不用任何二極管，因?yàn)榭刂破鞅緛砭涂煞婪礇_。板子串聯(lián)的話，需要安裝旁路二極管，如果是并聯(lián)的話就要裝個(gè)防反沖二極管，防止板子直接沖電。防反充二極管只是保護(hù)作用，不會(huì)影響發(fā)電效果。效率在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等組成。但相對(duì)于太陽(yáng)能電池技術(shù)來講，要比控制器、逆變器及照明負(fù)載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價(jià)是太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。太陽(yáng)能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。對(duì)硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運(yùn)用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合；電池超薄型化；改進(jìn)理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率見表1。三、基于PVSYST的大型太陽(yáng)能發(fā)電的設(shè)計(jì)1、地理位置選擇中國(guó)的首都北京北京，參數(shù)如圖1：圖1：北京地理參數(shù)相關(guān)的日照參數(shù)如圖2：圖2：北京日照參數(shù)2、方位角選取為了更加充分有效地利用太陽(yáng)能，如何選取太陽(yáng)電池方陣的參數(shù)是一個(gè)十分重要的問題。①方位角:太陽(yáng)電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度）。在不同的季節(jié)，太陽(yáng)電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的時(shí)候。方陣設(shè)置場(chǎng)所受到許多條件的制約，

方位角

＝（一天中負(fù)荷的峰值時(shí)刻（24小時(shí)制）－12）×15＋（經(jīng)度－116）

。在不同的季節(jié)，各個(gè)方位的日射量峰值產(chǎn)生時(shí)刻是不一樣的。②傾斜角：傾斜角是太陽(yáng)電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是方陣一年中發(fā)電量為最大時(shí)的最佳傾斜角度。

一年中的最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設(shè)計(jì)中也要考慮到屋頂?shù)膬A斜角及積雪滑落的傾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制條件。對(duì)于積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電量也存在增加的情況，因此，特別是在并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，并不一定優(yōu)先考慮積雪的滑落，此外，還要進(jìn)一步考慮其它因素。

對(duì)于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時(shí)，其日射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時(shí)，發(fā)電量下降到最小。方陣從垂直放置到10°～20°的傾斜放置都有實(shí)際的例子。對(duì)于方位角不為0°度的情況，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。

以上所述為方位角、傾斜角與發(fā)電量之間的關(guān)系，對(duì)于具體設(shè)計(jì)某一個(gè)方陣的方位角和傾斜角還應(yīng)綜合地進(jìn)一步同實(shí)際情況結(jié)合起來考慮。

③陰影對(duì)發(fā)電量的影響

一般情況下，我們?cè)谟?jì)算發(fā)電量時(shí)，是在方陣面完全沒有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽(yáng)電池不能被日光直接照到時(shí)，那么只有散射光用來發(fā)電，此時(shí)的發(fā)電量比無(wú)陰影的要減少約10％～20％。針對(duì)這種情況，我們要對(duì)理論計(jì)算值進(jìn)行校正。

通常，在方陣周圍有建筑物及山峰等物體時(shí)，太陽(yáng)出來后，建筑物及山的周圍會(huì)存在陰影，因此在選擇敷設(shè)方陣的地方時(shí)應(yīng)盡量避開陰影。如果實(shí)在無(wú)法躲開，也應(yīng)從太陽(yáng)電池的接線方法上進(jìn)行解決，使陰影對(duì)發(fā)電量的影響降低到最低程度。

另外，如果方陣是前后放置時(shí)，后面的方陣與前面的方陣之間距離接近后，前邊方陣的陰影會(huì)對(duì)后邊方陣的發(fā)電量產(chǎn)生影響。有一個(gè)高為L(zhǎng)1的竹竿，其南北方向的陰影長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，太陽(yáng)高度（仰角）為A，在方位角為B時(shí)，假設(shè)陰影的倍率為R，則：

R

＝

L2/L1

＝

ctgA×cosB

。此式應(yīng)按冬至那一天進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)椋且惶斓年幱白铋L(zhǎng)。例如方陣的上邊緣的高度為h1，下邊緣的高度為h2，則：方陣之間的距離a

＝

（h1-h2）×R。當(dāng)緯度較高時(shí)，方陣之間的距離加大，相應(yīng)地設(shè)置場(chǎng)所的面積也會(huì)增加。對(duì)于有防積雪措施的方陣來說，其傾斜角度大，因此使方陣的高度增大，為避免陰影的影響，相應(yīng)地也會(huì)使方陣之間的距離加大。通常在排布方陣陣列時(shí)，應(yīng)分別選取每一個(gè)方陣的構(gòu)造尺寸，將其高度調(diào)整到合適值，從而利用其高度差使方陣之間的距離調(diào)整到最小。

具體的太陽(yáng)電池方陣設(shè)計(jì)，在合理確定方位角與傾斜角的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行全面的考慮，才能使方陣達(dá)到最佳狀態(tài)。如圖3：圖3：方向角建模如圖4：圖4：模型的建立對(duì)于系統(tǒng)所需的各種參數(shù)的選取如圖5：圖5：參數(shù)選取日照影響的參數(shù)設(shè)定自然環(huán)境對(duì)太陽(yáng)日照參數(shù)有很大影響，參數(shù)設(shè)定如圖6：圖6：日照損失參數(shù)系統(tǒng)結(jié)果由以上對(duì)系統(tǒng)各種參數(shù)的設(shè)定得到系統(tǒng)的以下結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖7、8、9、10：圖7：方陣日均輸入、輸出能量圖8：系統(tǒng)產(chǎn)能