光伏发电系统设计方案 .pdfVIP

1.1介绍

工业革命以来，能源逐渐成为人类生存和现代社会发展的最重要基石。石油、煤炭

是目前人类使用最广泛的能源，而其均为不可再生资源，它们在燃烧的过程中产生了大

量二氧化碳、二氧化硫等污染气体，导致全球气温升高，温室效应愈来愈显著，冰川溶解

加速。而硫化物引起的酸雨问题亦更加突出，森林遭到破坏。而且，石油与煤炭随着开采

量的加大，能源枯竭只会提前到来。一系列世界性的环境气候问题和能源短缺给人类文

明带来了前所未有的危机。因此，要解决社会可持续发展与能源、环境的矛盾，人类必

须加快清洁、安全的新能源和可再生能源开发的步伐，以逐步替代传统能源。在众多新

型能源中，太阳能无疑是极具魅力的。它的能量来源堪称无限，太阳每秒向外放射的能量

高达3.865XJ，其中到达地球的也有1.765XJ之多，相当于6X吨标准煤。太阳能转换

形式多样，主要包括下列三种利用方式：

(1)光热转化。将辐射能搜集起来，与其他物质作用转化为热能加以利用。

(2)光电转化。有两种光电转化方式。一种是先将光辐射能转化为热能，对水加热产

生蒸汽，再利用高压蒸汽推动汽轮机，带动发电机发电。能量转化过程为，先是光热转

换，再是热电转换。另外一种是直接的光电转换。利用光生伏打效应，太阳能电池接收光

能直接输出电能。

(3)生物质转化。利用植物的光合作用，将太阳能转化为生物质。目前应用最为广泛

的太阳能开发方式是光伏太阳能技术。太阳能电池接收光照，在内部直接产生电势差，

对外输出电流，将光能转变为电能。太阳能有诸多的优点。相对于传统化石燃料，太阳能

电池工作时几乎不产生二氧化碳、硫化物、氮氧化物等污染物。不会导致温室效应与酸

雨。太阳能的来源广泛，只要有阳光的地方就能够进行太阳能的开采与

1997年6月26日，美国在纽约联合国环境与发展问题特别会议上公布了美国百万太

阳能屋顶计划（MSR）I。其宣告：“现在我们将与企业和社区共同努力，到2010年在

美国超过100万个屋顶上安装太阳能电池板，通过利用太阳能，减少对化石燃料的依赖。

捕获太阳的热能，帮助我们降低地球温度。”

1997年，公共部门还很少关注能源问题，有关全球变暖问题的讨论甚至更少。在

12年后本章即将出版的今天，这两个议题都得到了极大的关注。到2007年底，估计美

国各地已安装超过60万套太阳能系统，美国加利福尼亚州还退出了自己的百万太阳能屋

顶计划。这60万套系统包裹光伏发电、太阳能热水、太阳能游泳池加热系统。但是太阳

能的安装利用不仅限于美国，德国在太阳能和风能系统安装方面世界领先，日本、西班

牙和许多其他国家也在积极实施可再生能源项目。

如今越来越多的国家采用了可再生能源组合标准（RPS,即设定到某一特定日期

可再生能源店里在电能供应结构中的比例目标。这些目标需要工程师们去实现，并要求

工程师们理解光伏系统做出明智的系统设计方案。可再生能源组合标准与精心设计的激励

方案相互配合，在推动太阳能技术部署方面的时序效果将延续到2010年以后。

事实上，MSR有可能扩大到1亿太阳能屋顶计划，从而满足后代的可持续能源需求。

1.2人口与能源需求

地球人口目前已超过67亿，这些居民都需要能源来维持其生活所需。究竟多少能

源、什么能源才能满足这些需求呢？这正是当代人以及后代人必须解决的问题。然而，可

以肯定发展中国家将试图显著提高人均能源消耗。例如，1997年中国平均每周建设300M

发电厂。这些发电厂曾洁采用相对便宜的、陈旧的、效率较低的燃煤发电技术，并且供电

终端以利用效率较低的用户为主。持续增加化石燃料的使用，其潜在后果是十分深远

的。在开始学习光伏发电系统这一极具前景的未来能源的细节之前，了解当前的能源技

术与经济格局是有益的，这使读者能够更好地评估工程师在地球迈向未来可持续能源供给

的过程中所要做的贡献。

1.3能量单位

能量度量有多种方式，包括卡（cal）、英热单位（Btu）、夸德（quad）、英尺•磅

（ft•lb）和千瓦时（kW-h）

0

以下为基于地球系统大约27C条件下的这些量的定义:

1卡（cal