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1太陽能光伏發(fā)電

1.1光伏組件單個(gè)電池片的電壓和電流很小，有必要把若干個(gè)電池片串并聯(lián)焊接起來，按一定方式裝配封裝在一塊較大面積的背板上，加上鋁合金邊框和引線，獲得較大的電壓和電流，稱作光伏電池板（電池組件）。封裝的好壞直接決定光伏組件工作的可靠性[5]。光伏組件是光伏方陣的一個(gè)單元，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，給蓄電池充電或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本決定著整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本[6-7]。圖2所示為太陽能電池板的構(gòu)成及剖面結(jié)構(gòu)示意圖。光伏電池板表層是鋼化絨面玻璃，用來保護(hù)發(fā)電主體電池片，減少光反射。鋼化玻璃之下是透明EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）膠膜，用來粘結(jié)鋼化玻璃和電池片，EVA材質(zhì)的優(yōu)劣影響組件的性能和壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃，降低組件的透光率和發(fā)電功率。引入無定形結(jié)構(gòu)的乙烯醋酸酯共聚鏈段（一般是33%左右）可提高材料的韌性和透明度[8]。除了EVA本身質(zhì)量外，層壓工藝影響也很大，如EVA黏度不達(dá)標(biāo)，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強(qiáng)度不夠，造成EVA提早老化，縮短組件壽命。電池片的功能是發(fā)電，當(dāng)前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品是晶體硅太陽電池片（包括單晶硅和多晶硅）。電池片之下的一層EVA用來粘結(jié)電池片和背板。背板的作用是支撐、密封、絕緣和防水，一般用TPT、TPE等材質(zhì)，必須耐老化，關(guān)鍵在于背板和硅膠是否達(dá)標(biāo)。最外邊的鋁合金邊框用來保護(hù)層壓部件，起密封、支撐和抗沖擊作用。光伏板背面有接線盒，串接二極管，防止反充電，也起到電流旁路的作用。如果組件有短路，接線盒自動(dòng)斷開短路的電池串，防止燒壞整個(gè)系統(tǒng)。接線盒中二極管的選用要和電池片的類型匹配。

1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板（方陣）、充放電控制器、逆變器、蓄電池、太陽跟蹤控制器和交流配電柜等設(shè)備組成[9]。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)之前，應(yīng)先預(yù)先規(guī)劃，進(jìn)行輸出電壓、電流和功率計(jì)算以及蓄電池容量設(shè)計(jì)，做好最大功率點(diǎn)追蹤控制和逆變控制[10]。在光伏方陣?yán)铮⒁獗O(jiān)測(cè)熱斑效應(yīng)，它有可能導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)癱瘓[11]。充放電控制器是防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。通過控制蓄電池的充放電電壓和電流，合理對(duì)負(fù)載輸出電能[12]。市面上有以單片機(jī)為核心的光伏充放電控制器出售，成本低，可靠性高，它對(duì)太陽能電池板電壓、蓄電池電壓、充電電流、環(huán)境溫度等參數(shù)檢測(cè)判斷，控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)充放電控制和保護(hù)功能[13-14]。我國(guó)目前太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。研究表明，基于電流調(diào)節(jié)的蓄電池充電控制策略可充分利用光伏電能，盡快提升蓄電池的荷電狀態(tài)。系統(tǒng)全年運(yùn)行結(jié)果表明，分組管理有利于改善蓄電池處于欠充電狀態(tài)，有效延長(zhǎng)其使用壽命[15]。太陽能電池是直流電源，對(duì)交流負(fù)載，系統(tǒng)須接入逆變器。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。逆變器分為用于離網(wǎng)太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的獨(dú)立逆變器和并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)逆變器作為太陽能電池與電網(wǎng)間的關(guān)鍵接口裝置，將光伏電池電壓較低、變化范圍較廣的直流電轉(zhuǎn)換成交流電并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。在光伏電池電壓較低時(shí)，采用兩級(jí)高頻逆變技術(shù)，前級(jí)采用DC-DC變換器升壓，后級(jí)采用DC-AC三相全橋逆變，得到需要的三相交流電[16]。目前，市場(chǎng)上受歡迎的是適用于各種負(fù)載的正弦波逆變器。此外，逆變器還有過載保護(hù)、短路保護(hù)、接反保護(hù)、過欠壓保護(hù)和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｄ孀兤鹘尤腚娋W(wǎng)，應(yīng)滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量、防止孤島效應(yīng)和安全隔離接地3個(gè)要求[17]。目前，將控制器和逆變器結(jié)合在一起的逆控一體機(jī)已經(jīng)面世。太陽跟蹤控制器是根據(jù)安放點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息計(jì)算一年當(dāng)中每一天不同時(shí)刻太陽的角度，將每個(gè)時(shí)刻的太陽位置存儲(chǔ)到可編程邏輯控制器（PLC）、單片機(jī)或電腦中，靠計(jì)算太陽位置來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，以獲取最大電功率輸出（光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)追蹤）。劉麗紅[18]采用地平坐標(biāo)系下的太陽跟蹤系統(tǒng)，運(yùn)用太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光強(qiáng)傳感器相結(jié)合的方法，由光強(qiáng)傳感器的檢測(cè)結(jié)果來判斷天氣狀況，控制跟蹤的啟停，用天文公式計(jì)算太陽的運(yùn)行軌跡來確定太陽的方位，利用單片機(jī)MSP430f149輸出控制信號(hào)，控制云臺(tái)帶動(dòng)太陽能電池板運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽光垂直入射電池板，提高太陽能輻射利用率，提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率。研究表明，與非跟蹤方式比較，帶太陽跟蹤控制器的光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提高35%[19]。光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)接入的不同，可分為分布式（離網(wǎng)）光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。2013年11月，國(guó)家能源局了《分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目管理暫行辦法》，對(duì)規(guī)范分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)管理，推進(jìn)分布式光伏發(fā)電應(yīng)用起到了很好的作用。圖3所示為離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成框圖[20]。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負(fù)載提供足夠的電源，應(yīng)根據(jù)用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6h為例，介紹一下計(jì)算方法。首先，算出每天消耗的瓦時(shí)數(shù)（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90%，則當(dāng)輸出功率為100W時(shí)，則實(shí)際輸出功率應(yīng)為100W/90%=111W；若按每天使用5h，則耗電量為111W×5h=555W•h。電池板輸出功率：按每日有效日照時(shí)間為6h計(jì)算，太陽能電池板的實(shí)際輸出功率應(yīng)為555Wh/6h/70%=132.1W。其中70%是考慮了充電效率和充電過程中的損耗。

1.3光伏電站系指與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，是太陽能光伏利用的主要發(fā)展趨勢(shì)[21]。并網(wǎng)光伏電站主要由光伏陣列、具有最大功率跟蹤功能的逆變裝置及濾波電容器、濾波電感器、變壓器和控制系統(tǒng)等組成，并網(wǎng)逆變器是其中的關(guān)鍵設(shè)備[22-23]。目前，諧波是制約光伏電站并網(wǎng)最主要的問題之一，很多大型并網(wǎng)光伏電站存在諧波超標(biāo)，在低光照條件下更加突出[24]。帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有調(diào)度性，可根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電。這種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑上，在保證建筑物供電的同時(shí)，把多余電力供給電網(wǎng)，簡(jiǎn)化了蓄電池的配置[25]。不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在大中型工業(yè)系統(tǒng)上。圖4所示為不帶蓄電池的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成圖[26]。集中式大型并網(wǎng)光伏電站將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配，向用戶供電。分散式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)（BIPV），具有投資小、見效快、占地小、政策扶持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是并網(wǎng)光伏發(fā)電發(fā)展的主流方向之一。并網(wǎng)光伏電站維護(hù)應(yīng)注意的問題，包括由于各種故障、電性能不匹配和損耗引起的發(fā)電量低于預(yù)期值等[27]。

2光伏發(fā)電的應(yīng)用

太陽能光伏發(fā)電已成為太陽能利用最基本、最普遍和最有前景的形式之一，在通訊、農(nóng)業(yè)、照明和家用等方面有廣泛的應(yīng)用。在通訊/通信領(lǐng)域，可設(shè)置太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊電源系統(tǒng)、載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。在農(nóng)業(yè)上，有基于光伏水泵、太陽能殺蟲燈、太陽能哄鳥器、太陽能滴灌設(shè)備等。在照明上，有單塊光伏電池供電的手機(jī)充電器、LED電源和太陽能手電等；也有基于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的路燈、景觀燈、廣告燈箱等。在居家生活中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可為用戶提供中小型電源，為小家電、充電器、庭院燈、草坪燈等供電。將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與建筑物結(jié)合，使未來的大型建筑基本實(shí)現(xiàn)太陽能電力自給。與汽車技術(shù)結(jié)合，開發(fā)太陽能驅(qū)動(dòng)的新型混合動(dòng)力汽車是太陽能發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。現(xiàn)在，在一些有條件的地區(qū)，把風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電結(jié)合于一體的風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)方興未艾，其特點(diǎn)是夜間和陰雨天由風(fēng)力發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽的情況下兩者同時(shí)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了全天候發(fā)電，比單用風(fēng)機(jī)和太陽能更經(jīng)濟(jì)、科學(xué)和實(shí)用。

3存在的問題及改進(jìn)建議

由于太陽光輻射能量密度小，獲得的電能同季節(jié)、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)，發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板占地面積較大，光伏電池轉(zhuǎn)換效率低以及生產(chǎn)中會(huì)造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)是制約光伏事業(yè)發(fā)展的瓶頸因素。當(dāng)前，光伏系統(tǒng)初始投資高，上網(wǎng)電價(jià)比較貴，為常規(guī)電價(jià)的3~15倍。在我國(guó)，光伏產(chǎn)業(yè)尚未建立起全面的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新體系，缺乏相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的支撐，因此我國(guó)太陽能電池和組件關(guān)鍵生產(chǎn)制造設(shè)備基本依賴進(jìn)口。所以，第一，應(yīng)積極創(chuàng)新、改進(jìn)太陽能電池技術(shù)，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本，特別注重從原理、結(jié)構(gòu)和材料角度創(chuàng)新光伏電池技術(shù)如新型納米光化學(xué)電池等。第二，從系統(tǒng)的角度，創(chuàng)新并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)，因地制宜，合理建站，開發(fā)諸如風(fēng)-光互補(bǔ)等發(fā)電技術(shù)，彌補(bǔ)光伏發(fā)電的不足。第三，國(guó)家應(yīng)加大對(duì)上網(wǎng)光伏電價(jià)的補(bǔ)貼力度，各地應(yīng)完善相應(yīng)的配套措施，鼓勵(lì)更多戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)向國(guó)家電網(wǎng)賣電，以體現(xiàn)對(duì)綠色可再生能源的扶持政策。第四，鑒于我國(guó)光伏應(yīng)用專業(yè)人才的巨量缺口，建議教育主管部門組織實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件具備的職業(yè)院校，盡快論證設(shè)立應(yīng)用光伏學(xué)專業(yè)的必要性和可行性，為我國(guó)培養(yǎng)太陽能光伏專業(yè)人才搭建平臺(tái)。

4前景展望

當(dāng)前，研發(fā)基于新原理、新材料及新結(jié)構(gòu)的太陽能電池是提高效率和降低成本的主要思路。從原理上，應(yīng)研究基于量子效應(yīng)、納米特性和光化學(xué)效應(yīng)的新型電池。材料上，大力研發(fā)基于非晶硅、微晶硅、納米硅等薄膜硅系列的疊層電池和化合物薄膜電池，它們具有成本低、弱光適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。化合物薄膜電池，如碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、銅銦鎵硒電池等，效率已接近晶體硅水平，發(fā)展前景較好。從技術(shù)改進(jìn)角度，開發(fā)諸如聚光型光伏電池、玻璃窗式電池及可穿戴柔性電池等。另外，積極制訂和推行建筑設(shè)計(jì)、施工與太陽能光伏產(chǎn)品一體化的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝，使二者融合得更好。國(guó)家要適時(shí)出臺(tái)太陽能光伏產(chǎn)品的支持政策，加大投入力度，把諸如太陽能汽車、太陽能家電等產(chǎn)品的研發(fā)作為優(yōu)先方向，使太陽能利用的范圍更廣，強(qiáng)度更大，深度更深。

5結(jié)束語

本文從介紹太陽能光伏發(fā)電基本原理入手，論述了光伏發(fā)電系統(tǒng)組成、設(shè)備和運(yùn)行特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了光伏發(fā)電在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)越性，指出了不足之處及改進(jìn)措施。今后研發(fā)的重點(diǎn)應(yīng)從原理、材料和制造工藝上創(chuàng)新太陽能電池技術(shù)，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)，合理建設(shè)光伏電站，解決光伏發(fā)電并網(wǎng)的一些突出問題，以提高發(fā)電效率，降低成本。

作者：王光偉沈潔楊旭張巍葛穎許書云單位：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與自動(dòng)化系