太阳能光伏发电系统技术系统设计、安装运行及维护

太阳能光伏发电系统技术系统设计、安装运行及维护内容摘要：

太阳能光伏发电是利用半导体、太阳电池（也称光伏电池）的光生伏打效应，直接将太阳光能变成电能，是一种零排放的清洁能源。 1954 年第一片实用的硅太阳电池在美国贝尔实验室诞生以后，立即被用于航天飞行器，其高可靠、高效率、高功率质量比的优异性能，为航天事业立下了汗马功劳。 地面太阳电池也要求高可靠、高效率、更追求高功率 /成 本比。 地面用光伏发电系统设计与当地太阳能资源及气象条件密切相关。 本书比较扼要地介绍了太阳电池的原理、特性、光伏发电系统的设计、安装、运行以及维护方法，希望本书能为从事光伏发电科研、教学、生产和应用的同行提供帮助。 中国面临着环保和能源可持续发展的双重压力，迫切需要可再生能源替代和补充常规能源。 《中华人民共和国可再生能源》为大规模开发利用太阳能开辟了道路。 中国太阳能资源丰富，硅沙充足，光伏发电有巨大的市场。 中国的小康社会和实现中华民族的伟大复兴，最可靠的能源是太阳，太阳能光伏发电必将成为支撑中国未来电网的中坚 能源，中国终将成为世界光伏大国。 本书由崔容强教授、赵春江副教授任主编，上海交通大学太阳能研究所孟凡英副教授、孙铁囤副教授、周之斌副教授、徐林讲师和于化丛博士、陈凤翔博士、刘志刚博士、苦史伟硕士等参加了全书的编审工作。 陈凤翔博士、赵占霞博士还参与了全书的统编。 本书的编审和出版编审始终得到了国家发改委世界银行 /GEF 中国光伏发展项目办公室的全力支持。 项目办吴达成主任和国内许多光伏专家都为本书的编审提出了宝贵意见，在此一并感谢。 由于时间仓促及编者水平有限，本书定有疏漏错误之处，欢迎读者批评指正。 编者 2020 年 4 月 15 日 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 8 第 1 章 导 论 “到处阳光到处电 ”是人类美丽的理想。 太阳能光伏发电是指不通过热过程，直接将太阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。 依靠光伏电池，把照射到光伏电池上的光能直接转换成电能输出的光伏发电是太阳能光发电的主流。 太阳能 光伏发电的主要优缺点 太阳能光伏发电的主要优点为 ： （ 1） 结构简单，体积小且轻； （ 2）易安装，易运输，建设周期短； （ 3）使用方便，维护简单，在 50℃ ~65℃ 温度范围均可正常工作； （ 4）清洁能源，安全，无噪声，零排放； （ 5）可靠性高，寿命长； （ 6）太阳能几乎无处不有，所以光伏发电应用范围广，； （ 7）降价速度快，能量偿还时间有可能缩短； （ 8）可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。 太阳能光伏发电的主要缺点是： （ 1）太阳能能量密度低，覆盖面积大； （ 2）光伏发电具有间歇性和随机性； （ 3）各个地区太阳能资源情况不通，所以光伏发电区域性强。 太阳能光伏电池分类 迄今为止，人们已经研究了 100 多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太阳能电池（见表 ）。 目前大面积 地面用太阳能电池仍以 硅材料太阳能电池为主 ,主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池，此外还有部分化合物太阳能电池（如硒铟铜薄膜太阳电池等） ,化合物砷化镓太阳能电池主要应用于空间电源领域。 用于地面太阳能光发电系统的太阳能电池，要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，要求具有大规模生产的工艺可行性 和材料来源。 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 9 表 太阳电池与光伏组件的分类 A:按基本材料分类  晶体硅光伏电池及组件  非晶硅薄膜光伏电池及组件  微晶硅薄膜光伏电池及组件  纳晶硅薄膜光伏电池及组件  硒光电池  化合物太阳电池 :硫化镉 ,硒铟铜 ,碲化镉 ,砷化镓光伏电池及组件  染料电池 „„ . B: 按结构分类  同质结光伏电池及组件  异质结光伏电池及组件  肖特基结光伏电池及组件  复合结光伏电池及组件  液结光伏电池 及组件 C: 按用途分类  空间光伏电池及组件  地面光伏电池及组件  光伏传感器 D: 按使用状态分类  平板光伏电池 及组件  聚光光伏电池及组件  分光光伏电池及组件 E:按封装材料分类 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 10  刚性封装光伏电池及组件  半刚性封装光伏电池及组件  柔性衬底封装光伏电池及组件 太阳能光伏发电的发展历史和现状 自从 1839 年发现“光生伏打效应”和 1954 年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。 究其原因或许是人们对于信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对于能源的需求。 1973 年的石油危机和九十年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。 随着人们 对后续能源问题和环境质量的认识不断提高，加大了关于光伏发电的各项科研经费的投入，而科研成就转化为技术和生产规模不断增长，使得成本不断下降，政策刺激下的市场不断扩大。 自1998 年以来，连续 5 年以 30%以上的速度增长，至 2020 年已达 540MW/年， 2020 年高达约750MW，增长 40%。 由于德国、欧盟及日本太阳能屋顶项目的推动， 2020 年世界光伏年产量达到 1256MW，年增长率超过 50%。 应用范围也越来越广，尤其是各个国家的光伏计划，为太阳能光伏发电展现了无限光明的前途。 自 1996 年以来，世界光伏发电正在高速 发展。 主要表现在 :  光伏产量增长率持续走高。 多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一， 1999－ 2020年光伏组件的生长以 30－ 40％的速度甚至更高的递增速度发展，太阳电池的产量从 1999年的 202MW增加到 2020年的 1256MW，如图 11所示。  生产规模不断扩大， 光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术发展。 目前光伏组件的生产规模在 520MW/年。 许多公司在计划扩建和新建年产 50100MW级光伏组件生产厂。  新技术不断出现，电池效率持续攀升，成本明显降低。 随自动化程度和技术水平的提高，电池效 率将由现在的水平（单晶硅 1315%，多晶硅 1113%）向更高水平（单晶硅 1820%，多晶硅 1618%）发展。 而在过去的 30年中，光伏组件的成本已降低了 2个数量级，光伏组件的成本已降低了 2个数量级，如图 12所示。  2020－ 2020年 间 ，我国光伏产业迅猛发展，已经成为世界光伏产业和市场发展最快的国家之一。 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 11  图 11 世界太阳电池历年产量 图 12 世界光伏组件生产成本下降趋势 表 12 为历年太阳电池发货量，可以看到原来居太阳电池首位的美国。 已从 1999 年开始让位于日 本。 表 1－ 2： 19932020 年 世界太阳电池组件发货量（ MW） 年度 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2020 2020 2020 2020 日本 80 欧洲 40 美国 其它 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 12 合计 88..60 国际太阳电池研究现状 迄今为止，已经研究了近 100 种太阳电池，表 1－ 3，表 1－ 4 和表 1－ 5 为各种太阳电池世界最高水平的科研成果。 表 1－ 3 地面用太阳电池在标准测试条件下的效 率 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 13 表 1－ 4 地面用光伏组件在标准测试条件下的效率 表 1－ 5 地面用聚光太阳电池和组件在标准测试条件下的效率 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 14 中国的太阳能光伏发电 我国从 1958 年开始研究光伏发电， 1971 年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上。 于 1973 年开始地面光伏系统应用。 中国自制的光伏航标灯、太阳能灯塔和气象用光伏电源、通讯用光伏电源在七十年代已开始使用，但规模很小， 1977 年中国光伏产量只有,价格高达 200 元 /Wp,光电转换效率为 610。 八十年代开始先后引进了一批美 国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，使得中国的光伏工业开始起步。 至 1987 年，中国光伏产量达到 100KW/年 ,晶体硅太阳电池的价格已降到 4045 元 /Wp,光电转换效率达到了 812。 九十年代开始以来，全国已形成。 我国对于太阳电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、砷化镓太阳电池、空间用的硅太阳电池及其系统、锡铟铜及碲化镉化合物薄膜太阳电池和聚光太阳电池及系统。 目前我国各种太阳电池的实验室最高效率见表 16。 表 16 中国各种太阳 电池实验室研究的最高效率 类型 最高效率（％） 面积（ cm2） 单晶硅电池 2*2 GaAs 电池 1*1 多晶硅电池 (2020 年 ) 2*2 聚光硅电池 17 2*2 CdS/CuxS 电池 12 几个 mm CuInSe2 电池 1*1 CdTe 电池 7 3mm 多晶硅薄膜电池 1*1,非活性硅衬底上 非晶硅电池 (单结 ) （双结） 几个 mm 几个 mm 10*10 20*20 30*30 二氧化钛纳米有 机电池 10 1*1 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 15 进入 21 世纪，我国的光伏产业出现了新气象，老的国有企业重组焕发青春，大型上市公司采取多种形式加入，大型民营企业也开始涉足。 2020 年，国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川） 780 个无电乡的用电问题，光伏用量达到。 这一项目的启动大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWP（ 2020 年当年产量 20MWP）。 截止 2020 年底我国太阳电池底累计装机已 达到50MWP。 较大的生产规模和先进的技术使太阳电池的价格已从 2020 年的 3640 元 /Wp，降为 2020 年的 30 元 /Wp。 哈尔滨克罗拉太阳能电力公司及深圳拓日太阳能公司等 2 个工厂生产的非晶硅太阳电池价格为 2325 元 /Wp,光电转换效率为 46。 对光伏的产量和价格的预测见表 16。 表 16 生产能力、产量、价格、系统价格、年产值预测 年度 组件生产能力 （ MWP） 组件年产量 （ MWP） 组件价格 (元 /WP) 系统造价 (元 /WP) 系统年产值 （亿元） 2020 42 80 2020 80 10 30 70 7 2020 120 50 25 50 25 2020 400 150 20 40 60 2020 2020 1500 16 30 450 太阳电池的效率和成本预测见表 17。 表 17 太阳电池的效率和成本预测 晶体硅太阳电池 年代 效率（％） 成本 (元 /WP) 寿命（年） 单晶硅 多晶硅 2020 1113 1011 2530 15 2020 1214 1113 1822 20 2020 1315 1214 1520 25 太阳能光伏发电系统技术（系统设计、安装运行及维护） 16 2020 1620 1518 1215 30 单结非晶硅太阳电池 年代 效率（％） 成本 (元 /WP) 寿命（年） 2020 35 1820 5 2020 46 1215 7 2020 68 1012 10 2020 1012 810 15 随着光伏产业的发展壮大，光伏器件的效率逐步增加，组件和系统的价格逐步下降，太阳能光伏发电的应用范围愈来愈广，其市场需要也将愈来愈大。 附录： 中国光伏的生产能力 中国太阳电池片主要厂家和生产能力 产品类别 厂商名称 生产能力 (MW) 单晶硅 上海太阳能科技股份有限公司 10 云南半导体器件厂 2 上海国飞 1 宁波太阳能 4 多晶硅 无锡尚德 25 保定英利 3 非晶硅 哈尔滨克罗拉 1 深圳创益 深圳日月环 深圳拓日 天津津能 8 北京世华 10 合计。