1、 固定式并网光伏发电系统的优化设计与发电性能的评估 摘 要 在我国，大多数的光伏应用在于并网光伏电站，包括地面电站型与光伏建筑 一体化型。而在并网光伏电站设计中，光伏阵列最佳倾角的计算尤为重要，它关 系到光伏组件能否最大限度的吸收到太阳光能，转化为电能。本文收集了我国 527 个大中城市水平面上的太阳辐射资料，在总结国外科研工作者提出的关于最佳倾角的不同计算方法的基础上，根据 Klein 提出并经 Bushnell 修正的数学模型，应用 Matlab 开发出适用于 Windows 操作系统的计算程序。程序可以通过调用气象资料，计算固定式并网光伏发电系统全年最佳倾角、不同城市的任意方位角与倾角倾
2、斜面上的太阳辐射量、拟合不同方位角与最佳倾角的关系曲线，同时具有可视化用户操作界面，方便简单。 随着光伏技术的不断进步，光伏组件的寿命也在增加，组件的质保期越来越长。然而，由于光伏系统在国内应用的历史时间不长，对于太阳电池组件的使用寿命的讨论大多仅限于实验室内的加速老化试验，而真正意义上的验证则少有报导。本文在分析并网光伏发电系统的优化设计的基础上，把 144 块已经正常运行 了 23 年的多晶硅光伏组件进行重新利用，设计搭建了 5.886kWp 的并网光伏发电系统，并对该光伏系统进行了技术评估与经济分析，为探讨光伏组件真正使用期限与并网光伏发电项目的合理投资提供重要的参考依据。系统正常运行九
3、个半月，共发电 5065.95kWh，系统转换效率为 79.78%，逆变器平均效率为 89.31%， 光伏阵列的效率高达 89.33%，表现出很好的发电性能。 最后，文章对六个并网光伏发电系统进行了分析比较，探讨不同光伏组件的 I 性能与发电效果。 关键词：固定式并网光伏发电系统，优化设计，发电性能评估 II Abstract In our country, most of the photovoltaic application is grid-connected PV system, including terrestrial PV power plant and building-int
4、egrated PV power station. In the design of grid-connected PV system, the calculation of the optimum tilt angle is particularly important, which involves whether the PV modules could maximize the absorption of solar energy, and change it into electricity. In this paper, the solar radiation data on a
5、horizontal surface of 527 large and medium cities in China is collected. Based on the summary of different calculation methods made by many foreign researchers, a computer program is developed which could be applied in Windows operating systems, according to the mathematical model proposed by Klein,
6、 and amended by Bushnell. By calling back the solar radiation, the program can calculate the optimum tilt angle of the fixed grid-connected PV system, the whole year solar radiation on tilted surface whose azimuth angle and tilt angle is various, and fit the curve of different azimuth angle and opti
7、mum tilt angle. With a visual interface, the program is convenient and simple. The results show that, the program has certain practical value, as the basis for PV system design can be widely applied in practical engineering. With the continuous advancement of photovoltaic technology, the life of PV
8、modules is also increasing, and the warranty of them is longer and longer. However, since the application of PV systems does not have a long historical time in our country, the discussion of PV modules life is limited to laboratory accelerated aging test, while the real validation is rarely reported
9、. Based on the analysis of grid-connected PV power generation system optimal design， 144 poly-silicon PV modules which had been used for 23 years were utilized in a 5.886 kWp grid-connected PV power III generation system. In this paper, the technical and economic is discussed, which provides importa
10、nt reference for probing into the real service life of the PV modules and investing in Grid-connected PV power system reasonably. The total generated energy of the system reaches 5065.95kWh in nine and a half months, and the synthetical efficiency is 79.78%, the average efficiency of the inverters i
11、s 89.31%, the efficiency of the PV array is 89.33%,showing a good performance of the long term modules consisting grid-connected system was built. Finally, six grid-connected PV systems are analyzed and compared in the article, and the performance of different kinds of PV modules is discussed. Key W
12、ords: fixed grid-connected photovoltaic power generation system、 Optimal design、 performance evaluation IV 目 录 摘 要 . I Abstract. III 目 录 . V 第 1 章 绪论 . 1 1.1 世界光伏发展概况 . 1 1.2 我国光伏发展概况 . 4 1.3 硕士论文的主要工作 . 8 第 2 章 固定式并网光伏发电系统的设计 . 10 2.1 固定式并网光伏发电系统的原理与构成 . 11 2.2 固定式并网光伏发电系统的设计 . 12 2.3 小结 . 15 第 3 章
13、 固定式光伏组件安装倾角的设计 . 16 3.1 倾斜面上太阳辐射量计算模型 . 17 3.2 固定式并网光伏发电系统的最佳倾角计算 . 21 3.3 小结 . 34 第 4 章 旧组件并网光伏发电系统的设计安装、技术评估与经济分析 . 36 4.1 组件概况 . 36 4.2 并网光伏发电系统的设计安装 . 41 4.3 并网光伏发电系统发电性能评估 . 48 4.4 小结 . 61 第 5 章 不同光伏组件并网系统发电性能研究 . 62 5.1 组件与系统基本情况介绍 . 62 5.2 不同光伏组件并网系统发电量的分析 . 65 5.3 小结 . 70 第 6 章 总结与展望 . 71 6
14、.1 工作成果 . 71 6.2 进一步研究工作的建议 . 73 参考文献 . 75 攻读硕士学位期间发表的论文 . 77 附录 1：我国各省已建或在建的地面电站具体情况 . 78 附录 2：各大城市不同方位角、倾角倾斜面上的日均太阳辐射量 . 88 附录 3：各大城市不同方位角所对应的最佳倾角 . 101 致 谢 . 104 V 第 1 章 绪论 自从 1839 年法国科学家贝克勒尔发现 “ 光伏效应 ” 以来，太阳电池已经有 170 多年的发展历史 1。如今，光伏发电技术已经发展为一个学科，并伴随产生了一个庞大而完整的产业链。多年来，人们一直致力于研究如何提高太阳电池的效率与降低太阳电池的
15、制造成本，这两个问题制约着光伏的发展与商业应用。 1.1 世界光伏发展概况 近年来，人们对化石能源的利用与大气环境的温室效应有了更为深刻的认 识：传统的化石能源应该作为战略储备物资，因为它也有枯竭的一天。人们努力 的发展新能源技术，以代替传统能源发电，再加上日本 2011 年 3 月 11 日核泄漏 事件发生后，人们更清楚的意识到开发利用清洁可再生能源迫在眉睫。在过去十 几年，尤其是在近几年里，世界光伏产业一直保持高速的发展。 图 1-1 为 1996 年 -2010 年世界光伏市场的装机规模。 图 1- 1 1996 年 -2010 年全球太阳能光伏行业年新增装机容及累计装机量规模数据来源：
16、欧洲光伏工业协会（ EPIA）、 SEMI 1 从图中可以看出， 2005 年 -2010 年以来，世界光伏装机容量增长的势头越来越猛，除了 2008 与 2009 年间，由于金融危机的影响，光伏的发展受到牵连外，其余时间都保持着较高的增长率， 2010 年新增装机容量更是高达 16GW（不同的行业协会与研究机构发布的 2010 年全球光伏产业相关运行数据不同， IMS Research 为 17.5GW， Solar buzz 为 18.2GW，虽然存在差额，但总体来看，2010 年全球光伏市场确是翻倍增长），世界装机容 量近乎达到 40GW。图 1-2 为 2008、 2009、 2010
17、 年各国光伏系统安装容量规模。 图 1- 2 2008-2010 年全球各国光伏系统安装容量 数据来源： 2008 年数据来源于 Solar buzz，数据不包括除德、意、日、美、韩、中、西等国以外的 480MW； 2009 与 2010 年数据为 Solar zoom 整理 从图 1-2 可以看出，德国一直保持着强劲的发展势头，其余国家也稳步增长， 意大利则在 2010 年时安装容量剧增。根据 Solar buzz 介绍， 2010 年，排名前五 位的德国、意大利、美国、日本、捷克，它们的系统安装容量占全球总需求的 80%，而整个欧洲市场占全球的 81%。 光伏产业能够得到如此迅速的发展，得
18、益于市场的需求与政策激励。从 1990 年开始，各国就陆续制定屋顶计划，通过立法、银行贷款、安装补贴制度和上网 电价补贴制度（ Feed In Tariff： FIT）等形式，来促进本国光伏产品的大规模 应用。而这些激励政策，除了让光伏应用迅速普及以外，更成就了一批强大的光 伏企业，如德国的 Q-Cells、日本的夏普、江苏无锡的尚德、江西新余的赛维 LDK 等。到如今，各国的光伏政策依然左右着全球光伏产业的发展。 1）德国： 2 2010 年 7 月，由于政策刺激使得光伏市场占据占据全球市场大半江山的德国通过了可再生能源法光伏发电上网补贴修订案，修正案整体减少了对光伏发电设施的补贴额度，平均
19、下降了十几个百分点。其补贴逐渐递减的政策，清晰地传达了德国政府逐步放手，试探并鼓励光伏产业降低成本、自主发展的意图 2。德国是我国光伏产品的主要出口国，削减光伏发电设施补贴曾引起国内企业的恐慌，但是，对于我国一些优秀企业来讲，由于生产成本相对较低，更能承受削减补贴所带来的冲击，能够实现真正的优胜劣汰，促进光伏行业的良性发展。 2）西班牙： 西班牙 2008 年光伏系统安装容量剧增为世界之首，高达 2.46GW，那是因为市场受到 2008 年 9 月 29 日首轮光伏补贴政策到期的影响。为了控制装机规模， 2008 年 9 月 23 日，西班牙政府宣布 2009 年补贴规模仅为 500MW，因此
20、 2009 年出现了严重的 负增长 3。 2010 年 4 月，西班牙某位官员表示，政府对待建与已建成的发电设施都将降低补贴。 3）意大利、捷克： 为了抑制本国光伏的过热发展，意大利政府与捷克政府于 2011 年 4 月份颁布了相应的削减补贴措施，因为它们前期的政策使得有些太阳能电站的投资回收期仅为 3 年，而带来了 “ 光伏产业过热 ” 的负面效应。 4）美国： 美国作为全球第三大太阳能光伏市场，它的经验值得人们去学习借鉴。绝大多数国家的光伏市场集中在某个特定的领域，而 2010 年以来，由于政策的激励，非住宅光伏市场（包括商业项目、公共事业项目、非盈利项目）与住宅光伏市场都得到了迅速发展，
21、以促进了美国光伏市场的稳步增长。 国家的政策激励只为一时，并非长久之策，面对多国的削减补贴政策，各国光伏企业必须提高自身竞争能力，努力提高太阳电池效率，降低电池成本，使光伏发电成本能真正与传统火力发电成本相竞争，才能实现全球光伏产业的良性循环。 3 1.2 我国光伏发展概况 我国的光伏产业于上世纪 70 年代起步，但一直以来发展较为缓慢，直到 2000 年开始率先在内蒙实施的 “ 光明工程 ” 与 2002 年启动的 “ 送电到乡 ” 工程，才真正开启了我国的光伏发展事业。 在欧洲光伏市场的拉动下，我国的光伏产业在 2004 年之后得到了快速的发展，连续 5 年年增长率超过 100%， 200
22、7 年至今，已经连续 4 年太阳电池产量居世界首位， 2010 年，我国的太阳电池产量超过全球总产量的 50%4。 Solar buzz 的年度光伏市场报告显示，我国大陆和台湾的太阳电池产量占全球产量的比例，由去年的 49%上升到今年 的 59%。入围全球前 12 的我国公司有 7 家，其中大陆的尚德、晶澳并列第一，天合光能与阿特斯太阳能分列第九与十二，台湾的茂迪、昱晶、新日光则分列第五、第六和第十一。 虽然我国的光伏产业发展如此迅速，已经掌握了多晶硅生产和太阳电池制造的关键工艺和技术，设备及主要原材料也逐步实现国产化，产业链不断完善，但是，我国的光伏应用市场却如图 1-2 所示，装机容量只占
23、全球市场很小的比例，尚未真正开启。绝大部分的光伏产品都出口国外，给我国的光伏产业发展带来了太多的不确定因素与风险。增加光伏系统的装机容量，扩大光伏 市场的内在需求，自产自用，才是我国光伏产业良性发展的正确途径。 2003 年，北京科诺伟业科技有限公司首先在北京大兴天普大厦建造了 50kWp 我国最早的真正意义上的 BIPV 系统，时至今日，根据欧洲光伏工业协会（ EPIA）与 SEMI 的统计数据，我国的光伏系统安装容量达到了 805MW，其中 2010 年新增安装容量为 500MW,如图 1-3 所示。从图中可以看出， 2008 年以前，我国的系统安装容量一直处于缓慢增长的状态， 2009、
24、 2010 年开始有所提高，年增长率分别为 110.34%、 163.93%。 4 图 1- 3 2003 年 -2010 年我国太阳能行业累计、新增装机容量与增长率数据来源：欧洲光伏工业协会（ EPIA）、 SEMI 根据作者的不完全统计，截止 2011 年 5 月 5 日，我国已建成或正在建设的并网光伏电站已达 1.458GW（含确定安装但尚未开建的 200MW 特许权项目，其中地面电站 1.385GW，屋顶电站 73MW） ,2009 年间开工建设的地面光伏电站为 419.5MW， 2010 年期间开工建设的地面光伏电站为 647.3MW， 2011 年至今开工建设的地面光伏电站为 97MW。图 1-3 为我国各省已建或在建的地面电站安装规模，具体情况见附录 1。 图 1- 4 各省已建、在建地面电站总装机容量数据来源：本文作者不完全统计 5
