户外独立光伏发电系统

引言

人类社会进入 21 世纪正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。廉价的石油时代已经结束，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已逐渐成为人们的共识。太阳能光伏发电具有独特的优点，近年来正在飞速发展。太阳能电池的产量年增长率在40%以上，已成为发展最迅速的高新技术产业之一，其应用规模和领域也大，从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用，发展到城市并网系统和大型光伏电站。尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道。但是随着社会的发展和技术的进步，其份额将会逐步增加，可以预期，到 21 世纪末。太阳能发电将成为世界能源供应的主体，一个光辉的太阳能时代将到来。我国的光伏产业发展极不平衡，2007 年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世界第一。然而光伏应用市场的发展却非常缓慢，光伏累计安装量大约只占世界的 1%，应用技术水平与国外相比还有相当大的差距。光伏产品与一般机电产品不同，必须很据负载的要求和当地的气象、地理条件来决定系统的配置，由于目前光伏发电成本较高，所以应进行优化设计，以达到可靠性和经济性的最佳结合，最大限度的发挥光伏电源的作用。为了提高太阳能的转换效率，获取更多的有效能源，满足人类的能源供应，世界各国在研究太阳能光伏系统中都投入了大量的人力与物力。我国对太阳能光伏电源系统的 研究还处于世界低等水平，产品的性能还有待提高，为迎接未来能源短缺带来的严峻挑战我们应该加大对太阳能光伏系统的研究，以满足人类未来对能源的需求本文从理论出发阐述了太阳能光伏电源的原理及其组成结构；结合科研实际，应用硬件和软件结合的方法，设计了简易的太阳能光伏电源模拟系统，根据这个简易系统研究分析了太阳能光伏发电的影响因素，合理优化了系统的配置，以提高系统的性能，最终提高了太阳能的转换效率。

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第一章 绪论

1.1 太阳能光伏发电的现状以及优势和前景

1.1.1 太阳能光伏发电的现状

能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源， 大量消耗终将枯竭，并且在生产和消费的过程中有大量污染物排放，破坏生态与环境。 为保证人类稳定、持久的能源供应，必须优化现存的以资源有限、不可再生的化石能源为主体的能源结构，建立资源无限、可以再生、多样化的新能源结构，走经济社会可持续发展之路。为保护人类赖以生存的地球生态环境，必须采取措施减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源，走与生态环境和谐的绿色能源之路。可再生能源，包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能，是广泛存在、用之不竭、可以自由索取、最终可依赖的初级能源。直至近二三百年化石能源得以大规模开发使用之前，它一直是人类赖以生存与发展的能源来源。当前，化石能源与核裂变能 已成为最主要的商品能源，可再生能源中只有水能在商品能源中占有明显的份额。自20 世纪70 年代开始，人们认识到根据当今 化石能源的开发使用力度，它将在几十至一百多年间衰竭，对于人类未来能源可持续供应来说，我们又将重新进入可再生能源为主的新时期。与化石能源相比，可再生能源具有能量密度低,随着季节、昼夜与气候条件的变化而变化，不连续,难于携带和运输等特点。 若要取代化石能源则需解决一系列科学技术问题和经济性问题，整个过程需要长时间的持续努力。近年来，可再生能源的开发利用得到了日益增强的重视与支持，取得了一些重要进展，大大增 强了人类在化石能源衰竭后仍能依赖可再生能源可持续发展的信心。太阳能利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用这三种主要形式。我国低温光热利用已经具有可观的规模，它成本低、使用方便、安全可靠，已经为全国广大人民所接受。光伏利用近期在世界范围内高速发展，我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞，特别是2002 年在“西部大开发”战略的推动下，呈现出了一片繁荣景象。

1.1.2 太阳能光伏发电的优势

与常规发电技术相比，光伏发电没有中间转换过程，发电形式极为简洁，发

电过程不消耗资源，不排放温室气体、废气和废水，环境友好；没有机械旋转部件，不存在机械磨损，无噪声，发电不用冷却水；发电设备既能在无水的荒漠地带安装，也可安装在城市的屋顶和墙面，不单独占地，模块化结构，规模大小随意，运行维护和管理简单，可实现无人值守，维护成本极低。特别是太阳能取之不尽，用之不竭，光伏电池制造所需的硅资源在地壳中的含量高达26%，没有资源短缺和耗尽问题。光伏发电是最具发展前景的发电技术，也是太阳能利用的重要形式。

1.1.3 光伏发电的发展前景

化石能源储量的有限性是发展可再生能源的主要因素之一。根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可采年限仅有41 年，其年占世界能源总消耗量的40.5%，国内剩余可开采年限为15 年；天然气剩余可采年限61.9 年，其年占世界能源总消耗量的24.1%，国内剩余可开采年限30年；煤炭剩余可采年限230 年，其年占世界能源总消耗量的25.2%，国内剩余可开采年限81 年；铀剩余可采年限71 年，其年占世界能源总消耗量的7.6%，国内剩余可开采年限为50 年。 能源种类 太阳能 石油 天然气 煤 铀

近年来，全球光伏产业发展很快，以年均30%以上的速度快速增长，到2009 年年底，全球光伏发电容量已超过2000 万千瓦。进入2010 年，根据Solarbuzz 最新年度光伏市场报告，2010 年全球光伏市场安装量达到18.2GW，相较于去年增幅139%。到2011 年底全球光伏安装量将累计达到58GW。光伏发电的竞争力不断提高，已成为全球最受重视的新能源发电技术。

在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015 年达到商业化竞争的水平；日本也提出了在2020 年达到28GW 的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2020 ”规划，规划在2020 年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。

剩余使用年限（自2000 年开始计算） 世界 无穷大 约45年 约61年 约230年 约71年 中国 无穷大 约15年 约30年 约81年 约50年

据预测，太阳能光伏发电在21 世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040 年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

1.2 太阳能光伏发电优缺点与应用

1.2.1 光伏发电的优缺点

优点:(1)普遍性：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。(2)无害性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染 越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)巨大性：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130 万亿吨煤，其总量属 现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久性：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而 地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 缺点:(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是 能流密度 很低。 (2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度 既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进 一步发展，主要受到经济性的制约。

1.2.2 光伏发电的应用

太阳能电池及光伏发电系统现在已经广泛应用于工业、农业、科技、国防及人民生活的方方面面。太阳能光伏发电的具体应用主要有以下几个方面。

1. 通信领域的应用。

2. 公路、铁路、航运等交通领域的应用。 3. 石油、海洋、气象领域的应用。