太阳能光伏发电系统及光伏建筑一体化

由于当今社会对煤、石油天然气等化石能源不断的开发和使用，以至于这些非再生能源无法避免出现存量降低甚至枯竭，人们开始对水能、风能以及太阳能等清洁能源给予越来越多的关注。本文首先指出了全球及我国能源的分布存储及利用情况并提出了发展太阳能光伏发电系统的必要性和重要性。进而介绍了太阳能光伏发电系统的历史由来、国内外发展应用现状和简单划分。为了提高太阳能发电系统的运行效率和降低其运行费用，通过已有的部分知识对太阳能光伏发电系统中的逆变器做了对比选择。最后对光伏建筑一体化（BIPV）做了简单的介绍和光伏建筑一体化现在的发展和应用以及未来的发展前景。

引言 (1)

1 课题研究的背景、目的和意义 (1)

1.1 课题研究的背景 (1)

1.2 课题研究的目的 (1)

1.2.1 太阳能发展历史 (2)

1.2.2 太阳能资源的优缺点 (2)

1.2.3 我国太阳能资源分布及利用 (2)

1.3课题研究的意义 (3)

2 太阳能光伏发电系统的国内外发展现状 (3)

2.1 国际上太阳能发展现状 (4)

2.2我国太阳能发展现状 (8)

2.2.1 发展中的问题—市场 (8)

2.2.2 发展中的问题—技术 (9)

2.2.3 发展中的问题—成本 (10)

3 光伏并网发电系统逆变器的对比和选择 (10)

3.1 用于光伏并网发电系统的逆变器设计 (11)

3.1.1 光伏并入电网对逆变器的要求 (11)

3.1.2 光伏阵列对逆变器的要求 (12)

3.1.3用电客户对逆变器的要求 (12)

3.1.4光伏发电逆变器的主要性能指标 (13)

3.2光伏发电并网系统逆变器结构的比较 (13)

3.2.1高频链结构 (15)

3.2.2直流链结构 (17)

3.2.3 结构选择及其对比 (19)

4光伏建筑一体化的应用 (21)

4.1光伏并网发电系统与独立光伏发电系统的不同 (21)

4.2 建筑与光伏器件的结合 (22)

5结论与展望 (23)

5.1 结论 (23)

5.2 展望 (23)

引言

能源作为人类经济、文化等一切活动的动力来源，具有非常重要的地位。在第一次工业革命之后的能源结构中，人类主要使用的能源有煤炭、石油、天然气等存在污染的化石能源，其均为一次能源。这些化石能源，其本质就是太阳能照射到地球上的一部分能源后来被储存在古生物体内，然后经过上万年的累积而形成。伴随着经济持续快速的发展、人类社会生活水平的不断提高与人口数量的不断增长，近百年来，由于人类对化石能源消耗速度的大幅提速，导致这些化石能源的存储量越来越少。在未来的一段时间甚至几百年的时间内，世界对能源的需求量将会持续增加，世界上的化石能源最终将会消耗殆尽，达到最终极限。然而，大量化石能源的消耗和使用也给人类的赖以生存的环境造成了非常大的影响，对人类的健康生存造成了巨大的威胁并引发了一系列严重的问题。当前社会，世界范围内的企业、居民生活所消耗的能源仍旧是化石能源，根据有关部门统计，每天全世界的温室气体排放量大约为 1 亿吨，这已经对大气环境造成了非常严重的污染。由化石能源燃烧而产生的二氧化碳会导致温室效应的产生，而温室效应将会导致全球气候变暖，若温室气体排放还在毫无节制的增加，将会导致南北极的冰山融化，进而会导致海平面持续上升，这将会严重威胁到海洋生物的生存，人类的生命安全及其生存空间。总而言之，当前高度发达的人类文明，与迅速恶化的地球环境之间已经成为一对十分突出的矛盾。

对于解决目前这种难以调和的矛盾，需要我们进一步压缩、减少化石能源的消耗量，大力开发、推广与利用各种绿色能源和可再生能源，这是当今时代人类实现可持续性发展的重要举措与必由之路。

1 课题研究的背景、目的和意义

1.1 课题研究的背景

中国虽然地大物博，但是也有众多的企业，作为世界上的能源生产大国,同时也是世界上的能源消费大国。尤其是最近几年来,我国的国民经济每年都在以8%左右的速度迅猛发展着,工业的发展也迫使各种能源的消耗急剧增加。在2012年中国一次能源消费总量为27.35亿吨油当量，大约占世界总量的22%，同比增长为7.28%，并且连续4年占世界消费总量第一。同期中国GDP增长率为7.8%。

我国能源发展中的各种问题因为最近几年能源消耗的急剧增加而不断凸现,如各种能源分布不均且开发利用率低等,但最主要的能源问题还是集中凸显在能源结构上。我国常规能源的储量比例严重失谐,我国煤炭存储量占能源资源总储量的98%以上,然而石油与天然气所占总量的比例却很小,不到2%,这是我国常规能源储量组成的一大特点。建国以来,作为我国最主要的能源以支撑着我国国民经济持续不断发展的能源就是煤炭,但是因为煤炭的大量开采和使用，中国同样为此也付出了相当沉重的代价。

1.2 课题研究的目的

1.2.1 太阳能发展历史

太阳能是地球的生命之源,早在远古时期,远古人类就开始利用太阳能来服务自己日常生活。但是在当时的生产力水平和低科技水平下，长久以来,人类利用太阳能的方式始终是晾晒、取火等简单形式,一直处于一种初级阶段。随着新时代的到来，工业革命的发生，人类社会在受到常规能源有限的发展限制的国际背景下,尤其是后来发生的两次全球石油危机以后,人们开始越来越重视对于太阳能的开发,从而慢慢的人来开始进入利用太阳能的高级阶段。1961年联合国在罗马召开国际新能源会议,会议中最重要的一个议题就是如何充分利用太阳能的问题。此次会议的召开也标志着在世界范围里太阳能开始了有组织的开发利用和大规模的研究。1992年在里约热内卢召开世界环境发展会议,会议提出了发展可持续建筑是今后建筑的发展方向,标志着太阳能建筑的发展进入了一个崭新的时代[1]。在诸多因素下，许多国家开始充分发挥自己的优势和长处并不断地投入大量的人力、物力、财力到太阳能发展技术的研究中,并且取得了让人满意的成果。

1.2.2 太阳能资源的优缺点

作为一种绿色可再生能源,太阳能是指太阳光辐射到地球上的能量,与常规能源相比太阳能有以下几个优点:

第一:太阳能具有取之不尽,用之不竭的优点，只要有太阳存在,就会有太阳辐射,它每秒钟辐射到地球陆地表面上的能量大约为170000亿千瓦,相当于目前全世界一年内各种能源消耗总量的3.5万多倍。

第二:地球上任何照射到太阳的地方,都可以对太阳能进行就地开发。

第三:清洁无污染，在开发利用太阳能时,不会产生残渣、废水、废气、不会产生噪音,不会破坏生态平衡,也不会危及人类的身体健康,属于绿色能源之一。

1.2.3 我国太阳能资源分布及利用

我国大陆面积每年能接收到的太阳能辐射总量能达到3340~8400MJ/(m2.a)之间,在全球范围内，我国属于太阳能资源丰富的国家之一,有着发展太阳能的先天条件。为了更充分的利用太阳能,我国曾在20世纪80年代根据各地接受太阳辐射能量的多少,将全国划分为多个区域。丰富的太阳能资源为我国进行太阳能的开发和利用提供了得天独厚的先天条件,同时各个区域太阳能辐射的差异性也向我们提出了挑战。

我国的太阳能事业起步较晚，但是在国家的鼓励和科技不断发展的情况下也开始迅猛发展。1975年，国家相关部门为了推动太阳能产业在国内的发展，在河南安阳举行了“全国第一次太阳能利用经验交流会”,这次会议标志着我国的太阳能开发开始获得国家的支持并纳入到正常发展轨道。在1992年,国务院又批准了《中国环境发展十大对策》,文件中明确提出要各个地方要根据自身的优势条件发展太阳能等可再生资源。从此,我国太阳能资源的开发利用进入了迅速发展的新阶段。几十年来,我国的太阳能利用科技在产品开

发、商业化运转、市场开拓方面都获得了较好的发展,太阳能产业已经成为一个朝气蓬勃的新兴产业。太阳能利用、环保节能观念逐渐深入人心,成绩喜人。

随着化石能源的不断开发和国内外经济发展对能源的需要，开发和利用各类可再生能源等各种绿色能源，已经成为人类能够实现可持续发展的关键和采取的必要措施。我们从能源供应安全等多个角度对绿色能源综合权衡，太阳能被公认为是实现能源与环境可持续发展的最理想的绿色能源。因此，在此大背景下我展开了对本课题的研究，意在通过对太阳能光伏发电系统逆变器的结构对比设计和进一步优化，对该系统的实际推广应用提供一些理论依据，同时希望本文的研究能够对国内外相关研究起到一定的促进作用。

1.3课题研究的意义

太阳能被全球能源专家们一致认为是21 世界全球范围内最重要的能源之一。与常规电能相比，太阳能发电的优点如下：

（1）没有机械转动零件，不会产生噪声；

（2）不会产生空气污染，不会排放污水；

（3）没有燃烧过程，不需要任何燃料；

（4）维修、保养相对简单，养护费用较低；

（5）系统运行具有良好的可靠性和稳定性；

（6）太阳能光伏电池使用期限长，晶体硅太阳能光伏电池寿命可以达到25 年以上；

（7）后期扩容性良好，便于增大发电规模；

（8）太阳能光伏发电与建筑一体化，可以节约太阳能光伏电站建设所使用的土地面积、费用等。

最近这些年，随着对太阳能电池研究力度的加深加大、太阳能发电相关技术的发展及太阳能电池转换效率的不断提升，太阳能光伏发电的成本变得越来越低并呈现出不断下降的趋势。我们可以做出预测，随着人类社会科技的不断进步，太阳能光伏发电将会占据越来越重要的位置，并将会发挥越来越大的作用。总的来说，发展太阳能光伏发电是综合了改善生态环境、维护生态平衡、提升综合国力和人民生活水平与实现能源、开发和利用绿色可再生能源、经济和社会的可持续发展的十分重大的一个课题，同时又包含了电子技术、光电子半导体、自动控制理论、电力电子技术、电机学、电气工程基础等多学科知识。研究和发展太阳能发电将会产生巨大的社会效益、经济效益与政治效益，同时太阳能光伏发电也具有较高的学术研究价值和意义。

2 太阳能光伏发电系统的国内外发展现状

进入21世纪以来，太阳能光伏发电产业作为当今世界最受关注的新兴产业之一，其当之无愧。光伏发电有着安全无污染等众多优点，被认为是21世纪最重要的新能源，可广泛应用于航天、通讯、能源、农业、办公设施、民宅以及交通等诸多领域。世界上的许多国家政府都在增大对该产业的政策扶持力度，试图把太阳能光伏发电等绿色新能源产业作为引领经济发展的重要举措。中国的太阳能光伏发电产业最近几年发展也较为迅速，通

过将国外的先进技术引进和自主创新，国内太阳能光伏产业的发展规模不断壮大，随着时间的慢慢推移，目前中国已经成为了全球最大的光伏产品制造基地之一。伴随着中国经济的发展，未来中国将会在光伏产业做出更好的成绩。

2.1 国际上太阳能发展现状

国际上光伏产业发展呈现出的一个突出特点就是起步晚，发展快，其中光伏发电产业发展势头尤为迅猛。自进入20世纪以来，世界光伏发电并网增长率高达百分之六十多，超过了光伏应用的百分之五十。2007年太阳能电池组件的年增长率达到了56.2%，世界上太阳能电池产量达到了4000兆瓦。到2008年的时候，世界并网光伏发电份额超过了85%以上。全球的太阳能安装总量已经累计达到15GW[2]。

2011年是中国光伏产业会、中国光伏产业联盟1周年。在慕尼黑展会上，国家发改委能源研究所展示了一下截至2011年世界光伏产业的发展规模（图2-1、图2-2、图2-3）以及世界上几个光伏产业发展大国的光伏生产规模和未来光伏生产规模预测(图2-4、图2-5、图2-6、图2-7）。

图2-1世界太阳能电池发货量

图2-2 2009和2010年国际光伏市场和安装量图2-3分地区的全球光伏累计安装量

图2-4美国光伏市场预测图2-5日本光伏市场预测图2-6印度光伏市场预测

图2-7意大利光伏市场预测

2.2我国太阳能发展现状

2009年，国务院总理温家宝主持召开的国务院常务会议决定，通过大力发展可再生能源、积极推进核电、水电、风电、光电建设等行动。即到2020年，中国水电将提高至30万兆瓦、太阳能提高到1800兆瓦，风电提高至5万兆瓦，到时可再生能源的消费比例将占全部能源消费的15%[3]。从国家中长期发展规划和各个光伏投资企业的近期投资来看，我国国内的光伏市场还是非常大的，尤其随着我国科学技术的不断发展特别是最近几年光伏产业技术的迅猛发展，光伏发电成本不断下降，再加上政府资金、政策的大力支持，光伏应用是一个非常有前途的投资领域，但是作为新兴产业的太阳能光伏发电领域也有许多潜在的威胁因素，不应该盲目投资。

2.2.1 发展中的问题—市场

在2006年之前国内太阳能电池所用的硅材料主要依赖进口，硅片的价格高达80美元/片，国内公司无锡尚德电力和美国的硅片供应商MEMC公司以40美元/ 片的价格签订了长达十年的硅片供应协议，再加上其从国外带回来的技术，因此在太阳能电池行业占得发展先机，逐步发展成为我国最大的太阳能光伏发电企业[4,5]。2006年的毛利率高达24.9%，2007年的毛利率也高达20.3%。这么高的利率对于投资者有着很大的诱惑力。自从2006年起，国内硅材料的供应量迅速提升，打破了国外对于硅材料供应的控制，至此硅片的价格开始大幅度下降，截至2011年硅片的价格已经降至3美元/片。从此，太阳能电池生产所需要的硅原料的供应量跟价格已不再是问题。

我国从上世纪五十年代就开始研究太阳能电池，国外留学生也带回了先进的太阳能光伏发电技术，太阳能电池技术门槛已经降得很低，太阳能光伏发电产业并不是人们心中的高科技产业。在市场、材料、技术条件准备充分的前提下，加上地方政府的推波助澜，投资太阳能光伏发电产业成为当时一大热点，国内企业从刚开始不到100多家以常人难以想象的速度增至将近600家，太阳能电池组件的产能从刚开始不到1000MW增至30000MW，