太陽能發(fā)電安裝技術(shù)

【專家解說】：　　太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件(Solar cells)是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達國家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實現(xiàn)互補。目前從民用的角度，在國外技術(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)，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
1　太陽能發(fā)電原理
太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽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系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。
1.1　太陽能電源系統(tǒng)
太陽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。
(1)　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，實用中的太陽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，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，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)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現(xiàn)了對負載的功率P輸出。
理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷(需電量)決定。
(2)　電能儲存單元：
太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，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，日照時間(發(fā)電時間)的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時間決定。
1.2　控制器
控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，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，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點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切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數(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。
1.3　DC-AC逆變器
逆變器按激勵方式，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。
2　太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率
在太陽能發(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、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對于太陽能電池技術(shù)來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且目前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。目前對硅電池轉(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；改進理論，建立新模型；聚光電池等。幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率見表1。
表1　幾種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率
實驗室典型電池 商品薄膜電池
各種太陽能電池 ηmax(%) 各種太陽能電池 η(%)
單晶硅 24.4 多晶硅 16.6
多晶硅 18.6 銅銦鎵硒 18.8
GaAs(單結(jié)) 25.7 碲化鎘 16.0
a-si(單結(jié)) 13 銅銦硒 14.1
充分利用太陽能是綠色照明的重要內(nèi)容之一。而真正意義上的綠色照明至少還包括：照明系統(tǒng)的高效率，高穩(wěn)定性，高效節(jié)能的綠色光源等。
3.1　發(fā)電--建筑照明一體化
目前成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面(頂)、墻壁及門窗等，實現(xiàn)了"光伏--建筑照明一體化(BIPV)"。1997年6月，美國宣布了以總統(tǒng)命名的"太陽能百萬屋頂計劃"，在2010年以前為100萬座住宅實施太陽能發(fā)電系統(tǒng)。日本"新陽光計劃"已在2000年以前將光伏建筑組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽能電池年產(chǎn)量達10MW，電池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德國僅用一年兩個月建成了全球首座零排放太陽能電池組件廠，完全用可再生能源提供電力，生產(chǎn)中不排放CO2。工廠的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻，包括屋頂PV組件，整個工廠建筑裝有575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能，其墻面和屋頂PV組件造型、色彩、建筑風(fēng)格與建筑物的結(jié)合，與周圍的自然環(huán)境的整合達到了十分完美的協(xié)調(diào)。該建筑另有約45kW容量，由以自然狀態(tài)的菜子油作燃料的熱電廠提供，經(jīng)設(shè)計燃燒菜子油時產(chǎn)生的CO2與油菜生長所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究，在捷克由德國WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墻。印度西孟加拉邦為一無電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種"太陽房"，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來，稱為太陽能建筑系統(tǒng)(SPBS)，SPBS已于2000年9月20日通過專家論證。近日在上海浦東建成了國內(nèi)首座太陽能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽能電池提供。這將有力地推動太陽能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場化的進程。
3.2　綠色照明光源研究
綠色照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，要求低能耗下獲得高的光效輸出，并延長燈的使用壽命。因此DC-AC逆變器設(shè)計，應(yīng)獲得合理的燈絲預(yù)熱時間和激勵燈管的電壓和電流波形。目前處在研究開發(fā)中的太陽能照明光源激勵方式有四種典型電路：①自激推挽振蕩電路，通過燈絲串聯(lián)啟輝器預(yù)熱啟動。該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是：輸入電壓DC＝12V，輸出光效＞495Lm/支，燈管額定效率9W，有效壽命3200h,連續(xù)開啟次數(shù)＞1000次。②自激推挽振蕩(簡單式)電路，該光源系統(tǒng)的主要參數(shù)是：輸入電壓DC＝12V，燈管功率9W，輸出光效315Lm/支，連續(xù)啟動次數(shù)＞1500次。③自激單管振蕩電路，燈絲串聯(lián)繼電器預(yù)熱啟動方式。④自激單管振蕩(簡單式)電路等方式的高效節(jié)能綠色光源。
4　結(jié)束語
綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是本世紀人類面臨的重大課題，開發(fā)新能源，對現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)化進程和技術(shù)開發(fā)的深化，它的效率、性價比將得到提高，它在包括BIPV在內(nèi)的各個領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，也將極大地推動中國"綠色照明工程"的快速發(fā)展。