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  20世纪90年代后期,世界上兴起一股“太阳屋顶”热。光伏发电技术发展较早的主要是日本、德国和美国,这些国家相继提出“1万屋顶”、“10万屋顶”和“百万屋顶”计划。近几年来,在发达国家已建造了相当发展水平的“零能房屋”,即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗,真正做到清洁、无污染。光伏发电技术代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势,将太阳能建筑的发展推向一个新阶段。德国弗赖堡著名的“完全自足太阳房”(图7.1)就是一座完全依靠太阳能采暖、发电,而不依赖常规能源的零消耗建筑。

  粗略估计,我国现有建筑屋顶面积总计约400×108m2,假如1%安装光伏系统,可安装光伏发电装机容量3550×104~6620×104kW,年发电量287×108~543×108kW·h。我国荒漠化土地面积约264×104km2,其中干旱区荒漠化土地面积超过250×104km2,主要分布在光照资源丰富的西北地区。按利用我国戈壁和荒漠面积3%的比例计算,太阳能发电可利用资源潜力可达27×108kW,年发电量可达4.1×1012kW·h。

  中国的光伏产业从20世纪70年代起步,90年代开始稳步发展,太阳能电池板及其组件的产量逐步增加。2000年以后国家电网公司为了加强对电网工程的控制,新发布了很多的管理方法,要求在管理上遵守电网工程建设的统一标准。2007年中国的光伏电池产量首次超过德国和日本,光伏电池的太阳能利用效率也逐步提高。我国2010年太阳光伏累计装机容量450MW,光伏产业复合成长率已达到38%。

  现在,我国的光伏发电市场已经涉及广电部的村村通工程、产业部的光缆工程、林业部的森林防火通信工程和大漠地区光伏发电工程等众多领域。国家在“973”和“863”等重大项目中也将太阳能光伏发电的发展放到重要位置,2008年北京绿色奥运、2010年上海世界博览会的筹办也对太阳能光伏发电的发展产生了巨大的推动作用。

  太阳能光伏发电系统是一种新型的发电系统,它是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,使太阳光的辐射能直接转换为电能。太阳能光伏发电系统按照运行方式的不同,可分为独立运行的光伏发电系统和并网运行的光伏发电系统两种。独立运行的光伏发电系统要保持连续供电,需要有蓄电池作为电能的储存装置,主要用于电网不能到达的边远地区和人口分散地区,相对来说整个系统造价比较高;在有公共电网供电的地区,光伏发电装置与电网连接并网运行,省去蓄电池,大幅度减少投资,具有更好的运行效率和环保性能。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。

  太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分,其作用是将太阳能直接转换成电能,供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

  太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压,快速、平稳、高效地为蓄电池充电,并在充电过程中减少损耗,尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池,避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载,通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因,太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。

  逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电,供给交流负载使用。

  蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来,供负载使用。在光伏发电系统中,蓄电池处于浮充放电状态,当日照量大时,除了供给负载用电外,还对蓄电池充电;当日照量小时,这部分储存的能量将逐步放出。

  目前我国光伏发电系统的应用,一方面以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主,来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题,为200万户偏远地区农牧民(即目前我国三分之一的无电人口)提供最基本的生活用电;另一方面,通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验,在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市,在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源,建设屋顶光伏发电系统。此外,还将建立大型的并网光伏系统,以便于为光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统应用活动做好准备。

  户用光伏系统和小型光伏电站属于非并网光伏发电系统(独立系统),多用于我国广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来,运行可靠,发电正常,性能优良。例如,辽宁省建昌县贫困无电山区已经安装了353套独立家用太阳能光伏电源系统,太阳能电池组件总功率可达22650W。

  此家用光伏电源系统包括直流系统和交流系统两大类。直流系统由太阳能电池组件及支架、控制器和蓄电池组三部分组成。交流系统比直流系统多一个逆变器,共由四部分组成。

  白天,太阳能电池组件接收太阳光照输出电能,然后经过防反充二极管向蓄电池组充电;夜晚,直流系统经过控制器将蓄电池组输出的直流电供直流负载使用,交流系统则经过逆变器把蓄电池组通过控制器输出的直流电变换为交流电供交流负载使用。在此系统中,太阳能电池组件的功能是将太阳辐射能转换为电能;蓄电池组的功能是将太阳能电池组件输出的直流电加以储存;防反充二极管的功能是用以阻止蓄电池组通过太阳能电池组件放电;控制器的功能是对蓄电池组的过充电和过放电进行保护;逆变器的功能是将蓄电池组输出的直流电变换为交流电。图7.2为户用光伏发电系统。

  此外,我国在西北偏远地区(如青海、西藏、新疆、甘肃等地)还建立了一些小型光伏电站。由于特殊的地缘,光伏电站特别适合西部特殊的居住环境,特别是在青藏高原有着得天独厚的地理环境优势,大力开发利用太阳能新能源,将其转换为电能,既解决了部分无电人口的供电问题,又解决了边远地区的通信问题,促进了西部地区脱贫致富,使经济和生态环境协调发展。其中西藏成为我国光伏电站、光伏电池装机容量最大的省区,有效地改善了当地牧民们的用电紧缺现象,而在通信方面,微波通信中继站应用光伏电源达到700kW以上,小型光伏电站有1300个。

  随着光伏应用技术的发展,世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划。“九五”期间,我国国家科学技术委员会也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。图7.3为屋顶光伏发电系统。太阳能光伏发电系统与建筑物相结合,备受世界重视的原因是它存在以下几方面优点:

  (2)可以原地发电,原地使用,减少了电力输送的线)降低了墙面及屋顶的温升,减轻了建筑物的空调负荷,降低了空调的能耗。

  (4)取代和节约了昂贵的外饰材料(如玻璃幕墙等),使建筑物的外观统一协调,美化建筑环境。

  (5)舒缓了高峰电力的需求,配备蓄电池后,还满足了安全用电设施的不断电要求。

  2008年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机,国家计划将太阳能光伏发电融入奥运会建筑中,各奥运会建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术,我国政府对在奥运村及奥运会场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研究,并在奥运场馆及奥运村中应用,降低了建筑能耗,提升了城市的整体形象。

  当今,诸多城市积极利用小型太阳能光伏电源,于道路、公园、车站甚至家庭安装了太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯,这些灯造型新颖、美观大方、变化多样,而且经久耐用,融观赏性与实用性于一体,既不用拉电线、占用空间,还具有节能、环保、维护方便等优点,成为城市一道亮丽的风景线,为城市美化增添色彩。

  并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志,是未来太阳能光伏发电的趋势。光伏系统步入大规模发电阶段,意味着现在的能源结构将发生根本的变化,是人类社会利用能源的一场革命。图7.4为太阳能光伏电站。

  目前,在世界范围内,如美国、德国等发达国家已经开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统,又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系统,甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网光伏发电系统。

  我国的并网光伏发电系统起步较晚,与上述国家相比,还有一段很大的差距。但我国已在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的太阳能并网光伏电站(图7.5),它在综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了太阳能光伏电站,电站总容量达1MW,并网光伏电站的年发电能力约为100×104kW·h,相当于每年可节省标准煤超过384t,减排粉尘约48t,减排灰渣约101t,减排二氧化碳超过170t,减排二氧化硫约768t,是真正的无污染的绿色能源。深圳国际园林花卉博览园1MWp太阳能并网光伏电站建成后,成为目前亚洲和我国总容量第一的并网光伏电站,同时也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一,填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白,将成为我国并网太阳能发电史上的里程碑。

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