太阳能光伏发电系统(1).ppt
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1、太阳能光伏发电系统,课程性质与目的,课程性质:面向本科生的通识课。知识普及型课程。目的:了解和认识光伏发电系统的组成、原理及发展趋势掌握光伏发电系统在现代能源战略下给我们未来生活带来的影响。了解光伏发电领域的关键技术、新技术、新趋势、新信息。,课程内容,第1章 光伏发电系统概述(2学时)第2章 光伏发电相关政策(2学时)第3章 光伏电池(4学时)第4章 储能技术(2学时)第5章 充放电控制器(2学时)第6章 逆变器(4学时)第7章 光伏发电与电能质量(4学时)第8章 光伏发电系统设计(4学时)第9章 光伏发电标准、规范(2学时)第10章 光伏发电与智能电网(4学时),考核方法,总成绩包含平时考
2、核成绩和期终考核成绩两部分。平时成绩为平时作业+课堂考勤。期末考核以考核论文为主。成绩组成:平时50%,期末 50%。,第一章 光伏发电系统概述,能源,定义:自然界赋存的已经查明和推定的能够提供热、光、动力和电能等各种形式的能量来源。能源是人类活动的物质基础。人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。,能源的分类,1、按其形成和来源分类:(1)来自太阳辐射的能量,如:太阳能、煤、石油、天然气、水能、风能、生物能等。(2)来自地球内部的能量,如:核能、地热能。(3)天体引力能,如:潮汐能。2、按开发利用状况分类:(1)常规能源,如:煤、石油、天然气、水能、生物能。(2)新能源,如:
3、核能、地热、海洋能、太阳能、早期、风能。,能源的分类,3、按属性分类:(1)可再生能源,如:太阳能、地热、水能、风能、生物能、海洋能。(2)非可再生能源,如:煤、石油、天然气、核能。4、按转换传递过程分类:(1)一次能源,直接来自自然界的能源。如:煤、石油、天然气、水能、风能、核能、海洋能、生物能。(2)二次能源,如:沼气、汽油、柴油、焦炭、煤气、蒸汽、火电、水电、核电、太阳能发电、潮汐发电、波浪发电等。,全球能源发展态势,进入新世纪来,全球能源消耗持续增长,供求关系总体偏紧,资源竞争日趋激烈(例如钓鱼岛),温室气体排放(海平面上升、生物物种减少)和环境问题(PM2.5)日益得到世界各国的高度
4、关注。在过去的100年里,占世界人口15%的发达国家消耗了全球60%的能源从而实现了国家的工业化和现代化。而占世界人口85%的发展中国家只占有了40%的能源。发展中国家也将陆续进入现代化,传统资源将难以维持。,世界能源分布情况,常规能源危机的解决方法,近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计,到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。常规能源将在未来的几十年内枯竭耗尽。新能源与可再生能源的发展成为了能源危机的唯一解决方法。太阳能的利用是再生能源最为重要的一部分。,环境问题,气候变化是目前人类共同面对的最大挑战和威胁,是经济和社会发展的主要制约因素。低碳经济:低能耗、低排放、低污染目的是减少
5、二氧化碳等温室气体的排放,以减缓由于全球气候变暖而带来的一系列生态环境问题。,环境问题,替代能源技术是低碳经济最为重要的组成部分。全球碳排放的最大来源是来自化石能源的消耗。太阳能依然是最好的选择。课外知识:哪个国家温室气体排放为世界第一?,太阳能,太阳:离地球最近的一颗恒星。质量占太阳系总质量的99.865%太阳系中唯一自己发光的天体。由于太阳的照射,地面平均温度在14摄氏度左右,形成了人类以及绝大部分生物生存的条件。如没有太阳照射,地面温度将接近绝对0度。由氢和氦组成的火球,半径为地球的109倍,质量为地球的33万倍。地球只能接受太阳总辐射的二十二亿分之一,通过大气层衰减后只有8.5*101
6、3kW到达地面,这个数字相当于全世界发电量的几十万倍。太阳的寿命接近100亿年,而地球寿命只有50亿年。,太阳能,太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量,在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存。太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。,太阳能,光热利用具有低成本,方便,利用效率较高等优点,但不利于能量的传输,一般只能就地使用,而且输出能量形式不具备通用性。(太阳能热水器)光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在,但目前人类还
7、不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式,在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。,光伏发电的优势,普遍: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,且无须开采和运输。无害: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。,光伏发电的优势,巨大: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。长久:根据目前太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持几十亿年,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。,光伏发电
8、的缺点,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。平均说来,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,正午时太阳辐射的辐照度最大,在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1,000W左右;若按全年日夜平均,则只有200W左右。而在冬季大致只有一半,阴天一般只有1/5左右,这样的能流密度是很低的。因此,在利用太阳能时,想要得到一定的转换功率,往往需要面积相当大的一套收集和转换设备,造价较高。,光伏发电的缺点,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
9、,这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源,就必须很好地解决蓄能问题,即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来,以供夜间或阴雨天使用,但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。,光伏发电的缺点,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。,什么叫光伏发电?,光伏的英文是“photovoltaic”,缩写为PV。当光线照射在半导体器件
10、(p-n结器件)上时,在器件的两侧(p和n)产生电压的现象,称光伏效应(photovoltaic effect)。利用半导体器件的光伏效应把太阳的辐射能转变为电能的发电方式叫太阳能光伏发电。,太阳能光伏电源系统的原理及组成,光伏系统的规模和应用形式各异,如系统规模跨度很大,小到0.32W的太阳能庭院灯,大到MW级的太阳能光伏电站。但其组成结构和工作原理基本相同。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。,太阳能光伏电源系统的原理及组成,太阳能电池发电系统是将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。,太阳能光伏电源系统的原理及组成,光伏组件方阵:由太阳电池组件(也称光伏电池组
11、件)按照系统需求串、并联而成,在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出,它是太阳能光伏系统的核心部件。蓄电池:将太阳电池组件产生的电能储存起来,当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时,将储存的电能释放以满足负载的能量需求,它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池,对于较高要求的系统,通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。,太阳能光伏电源系统的原理及组成,控制器:它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制,并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出,是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展,控制器的功能越来
12、越强大,有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势能。逆变器:在太阳能光伏供电系统中,如果含有交流负载,那么就要使用逆变器设备,将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。,光伏系统的分类,一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型,可分为:小型太阳能供电系统(Small DC);简单直流系统(Simple DC);大型太阳能供电系统(Large DC);交流、直流供电系统(AC/DC);并网系统(Utility Grid Connect);混合供电系统(Hybrid);并网混合系统。下面就每种系统的工作原理和
13、特点进行说明。,小型太阳能供电系统,系统中只有直流负载而且负载功率比较小,整个系统结构简单,操作简便。其主要用途是一般的户用系统,负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。在我国西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统,负载为直流节能灯、收录机和电视机等,用来解决无电地区家庭的基本照明问题。,简单直流系统,系统负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求,负载主要是在白天使用,所以系统中没有使用蓄电池,也不需要使用控制器。系统结构简单,直接使用太阳能太阳电池组件给负载供电,省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程所造成的损失,以及控制器中的能量损失,提高了太阳能的利用效率。其常用于光
14、伏水泵系统、一些白天临时设备用电和旅游设施中。,大型太阳能供电系统,这种光伏系统仍适用于直流电源系统,但是这种太阳能光伏系统的负载功率较大,为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应,其相应的系统规模也较大,需要配备较大的太阳能太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组,常应用于通信、遥测、监测设备电源,农村的集中供电站,航 标灯塔、路灯等领域。,交流、直流供电系统,与上述的三种太阳能光伏系统不同的是,这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力,在系统结构上比上述三种系统多了逆变器,用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。这种系统通常在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其它一些含有交、直流负载的
15、光伏电站中得到应用。,并网系统,这种光伏系统最大的特点就是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网,并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外,多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚,太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储能和释放的过程,可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗,并降低了系统的成本。,混合供电系统,这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能太阳电池组件阵列之外,还使用了燃油发电机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术
16、的优点,避免各自的缺点。比方说,上述几种独立光伏系统的优点是维护少,缺点是能量输出依赖于天气,不稳定。,并网混合供电系统,随着太阳能光伏产业的发展,出现了可以综合利用太阳能光伏阵列、市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化,使用电脑芯片全面控制整个系统的运行,综合利用各种能源,达到最佳的工作状态,并可以配备使用蓄电池。,光伏方阵的建造类型,直接建造在空地上:主要应用于偏僻、空旷光照强度大的地区。,光伏系统建造在建筑上,光伏系统附着在建筑上(BAPV:Building Attached PV):目前城市光伏发电的主要方式。BAPV是通过简单的支撑结构将光伏组件附着
17、安装在建筑上的形式,不会增加建筑的防水、遮风的性能。而且BAPV会增加建筑负载,影响建筑整体效果。另外,对建筑物表面来说,BAPV还存在重复建设的问题,浪费了建筑材料。,光伏系统建造在建筑上,光伏建筑一体化BIPV(Building Integrated PV):未来发展的方向。BIPV是将光伏组件或材料集成到建筑上,使其成为建筑物不可分割的一部分,光伏组件发挥遮风、挡雨、隔热等功能,拿开光伏组件之后建筑将失去这些功能。,世界光伏发展现状,单晶硅:硅的单晶体。是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%,甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。通常用高纯度的
18、多晶硅在单晶炉内拉制而成。多晶硅:多晶硅,是单质硅的一种形态。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅的导电性也远不如单晶硅显著。在化学活性方面,两者的差异极小。薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池,其用硅量极少,更容易降低成本,同时它既是一种高效能源产品,又是一种新型建筑材料,更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下,薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。,Wp=Wpeak,表示太阳能电池的峰值功率。每天随着太阳光辐照度的不同,太阳能电
19、池输出的功率也不同,Wp表示的是最大输出功率。太阳能峰值功率Wp是在标准条件下:辐射强度1000W/m2,大气质量AM1.5,电池温度25条件下,太阳能电池的输出功率。(这个条件大约和我们平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多),中国光伏发展及展望,产能现状光伏市场市场领域存在问题前景,怎么解决光伏市场落后的问题,推行好的支持政策政府补贴引进先进技术降低成本,世界光伏产业政策,一、世界光伏产业飞速发展,世界太阳能光伏产业和市场自1990年代后半期起进入了快速发展时期。最近10年太阳电池产量的年平均增长率高达45%以上;最近5年的年平均增长率高达55以上。光伏组件成本30年来降低了2个多数量级:从
20、300多美元/Wp降低到目前2美元/Wp左右。光伏发电成本也随之相应下降到目前平均0.2美元/kWh左右。,这个成果取得的背景在于:在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形势下,太阳能光伏发电技术普遍得到各国政府的重视和支持。其中,技术进步和逐步完善的法规政策是光伏产业快速发展的强大推动力。光伏扶持政策总体分为:固定电价法、净电量计量+补贴政策和可再生能源配额制。,固定电价制度,固定电价制度是当今世界上最被广泛采用的可再生能源定价机制。固定电价制度也是推动光伏发电快速发展最有效的方法和手段。定价通常比常规能源发电电价高出许多,以补贴光伏发电成本高的缺点。,国外光伏发
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