光伏瓦光伏系统的性能研究
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第一章 绪论
1.1 课题研究背景
能源是社会和经济发展的重要保障，大力开发可再生能源是解决能源问题的重要途径。人类目前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在底下的石化资源，按照目前的开发力度，几十年或一百多年后，地球所储存的这些能源就将枯竭。因此开发和利用可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中水能已经得到了广泛的利用，但水能资源终究是有限的；相反，太阳能和风能是取之不尽、用之不竭的，只要宇宙中太阳系存在，就是如此。而且开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生和产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度审视，还是从特殊用途解决显示能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大的战略意义。
近年来，在不少国家实施“光伏屋顶计划\[l]的推动下，光伏发电得到了迅速的发展，应用范围正从偏远地区进入城镇，开始涉足庞大的电力市场。相应的光伏技术的研究也在不断深入。然而，在我国，人们对高效率、低成本太阳能电池制造技术的改进以及新型太阳能电池的进展给予很大的关注，而对实际应用应用技术的研究却重视不够。 1.1.1 能源及环境污染问题
能源是社会经济和人民生活的主要物质基础，对于社会经济的发展和人民生活水平的提高极为重要。然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，即25年间增长了69．7％，并预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到19亿吨标准煤。根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后40年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。在我国，这一情况也不容乐观，据官方统计，仅在2011年一年，我国就进口原油约1．8亿吨。目前的消耗速度，我国的现有能源储量至多可以使用50年。可见，矿物燃料并不是取之不尽的。同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染。根据相关资料显示，目前，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了污染，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升高口近若干年来全球二氧化碳排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁 .
因此，环境污染问题成为人们普遍关注的焦点。环境污染对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；
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工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。严重的环境污染还会造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突曰益增加。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。
1.1.2 太阳能及光伏发电的特点及优势
太阳能可以不分地域地辐射到地球的每一个角落，从而成为二十一世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。太阳是个巨大的能源，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳能每秒钟到达地球的能量高达11.2×10千瓦时，如果把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率为5％，那么每年发电量可达5.6×10千瓦时，相当于目前全世界能耗的40倍。 可以预料，今后十年太阳能光伏系统的安装量将会快速增加，随着太阳能光伏系统的应用与普及，将会出现配电系统局部集中太阳能光伏系统并网的情况，将来可以建设地球规模的太阳能发电系统、宇宙太阳能发电系统。全世界人们每年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一。太阳能作为一种巨量可再生能源，利用太阳能的潜力是十分巨大的[3]。
和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性[4]： (1)取之不尽，用之不竭
太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳象目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射3．286×1028j的辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就说太阳能至少还可象现在这样有60亿年可以稳定地被利用。 (2)就地可取，不需运输
矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。 (3)分布广泛，分散使用
太阳能年辐射总量一般大于5．04×106kJ／m2，就有实际利用价值，若每年辐射量大于6．3×106kJ／m2，则为利用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源，称得上具有分布较广、到处都有的优点。 (4)不污染环境，不破坏生态
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人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如S02、C02等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其他新能源中水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。 (5)周而复始，可以再生
在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。
太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，此外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点[4]：
(1)结构简单，体积小且轻。独立供电的太阳能电池组件结构都比较简单。 (2)容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源。
(3)维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被沾污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。
(4)清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不使用燃料，不向外界排放温室气体和其他废气在内的任何物质，而且无机械传动部件 ，没有机械噪声，运行稳定可靠，是一种理想的能源。
(5)可靠性高，寿命长(30年以上)，并且应用范围广。
(6)光伏发电的能量转换过程简单,是直接从光子到电子的转换,没有中间过程(如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等)和机械运动,不存在机械磨损.根据热力学分析光伏发电具有很高的理论发电效率,可达80%以上,技术开发潜力巨大。
（7）光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上，光伏发电还可以很方便的与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地。可节省宝贵的土地资源。
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。无论是独立运行还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆
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变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。太阳能作为一种可持续发展的新能源，与风能、水能、核能等比较，是最理想的可再生能源。如表1-1所示：
能源类型 太阳能 水能 风能 安装 易 难 难 安装成本 低 高（需建水坝） 高（风车） 每瓦成本价格 高 最低 较低 维修成本 最低 低 较低 使用寿命 长 长 长 是否需要人力操作 否 是 否
地域限制 否 是 是 噪音污染 否 否 是 能量来源 阳光/普遍从在 水/地域限制 风/地域限制 美观 是 是（水坝具有观赏价值） 否 组件是否失效 否 是 是
表1-1 可再生能源的特性比较
太阳能光伏发电虽受昼 夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适用于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。光伏发电有更加激动人心的计划。一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便全球供电。据测算，到2050年，即使全部太阳能发电供给全球用电，占地也不过全部海洋面积的2．3％或全部沙漠的51．4％。另一方案是天上发电，早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可以提供5×10kW电力[5]。
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1.2 光伏发电产业的现状及其发展
近年来，国际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。太阳能电池性能和可靠性有了很大提高，成本和售价不断下降，有经济效益的应用范围不断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自动化阶段。光伏发电的竞争力越来越强。预计不久就可成为火力发电的主要竞争者，前景十分广阔。 1.2.1 国外光伏发电产业发展现状及其趋势
1839年，法国物理学家埃德蒙贝克勒尔意外发现了光伏效应：将两片金属浸人溶液 构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生伏打电动势。他把这种现象称为“光生伏打 效应\，简称“光伏效应\．1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。由于半导体P．N结在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器