太阳能光伏技术的运用及发展

1前言

太阳能是储量最丰富、最清洁、最安全、具有巨大的开发利用潜力的绿色可再生能源。太阳能储量丰富，地球可接收到太阳总辐射的二十二亿分之一，即1.77×1014kW到达地球大气层上边缘，最终有8.5×1013kW达到地球表面，相当于全世界发电量的几十万倍。据估计太阳的寿命约为50亿年，可以说太阳的能量是取之不尽用之不竭的[1]。近年来，我国开始实施“光伏能屋顶计划”，光伏发电得到了迅速的发展，应用范围正从偏远地区进入城镇，开始涉足庞大的电力市场，光伏技术的研究也在不断深入。

2太阳能光伏技术

太阳能光伏现象最早是于1839年法国人发现的，但在38年后研制出的硒太阳能电池因为转换效率太低（1%）而没有得到推广应用[2]。随着科技的不断发展以及能源危机的出现，以太阳能为代表的可再生能源得到了世界的高度重视，太阳能电池材料在生产工艺上得到了很大的发展。除了单晶硅电池外，多晶浇铸电池得到迅速发展。此外以非晶硅、碲化镉和铜铟硒为代表的薄膜太阳能电池也相继进入市场。太阳能电池的特点是应用半导体光伏效应将太阳辐射直接转换为电能。太阳能转化的电全部为直流电，为了满足平均日负荷下的用电需求可选择不同数目的组件进行串并联得到所需的直流电，或经过逆变器转换为交流电加以利用。

3太阳能光伏技术的应用

为了充分利用储量巨大、不受地域限制、清洁的太阳能，各国都进行了相应的规划，如美国的“百万屋顶计划”，日本的“阳光计划”，德国的“10万屋顶发电计划”以及我国的“光明工程”计划等。目前，太阳能光伏的利用主要集中在LED灯上，在家电上的应用还处在实验室研究阶段，相应的批量化生产的产品比较匮乏。实际上，随着太阳能光伏技术的成熟，在空调器、电视机、电话、冰箱、换气扇等家电上的应用前景非常广阔。

3.1太阳能光伏技术在冰箱上的应用

太阳能光伏技术应用的冰箱上分为直流应用和交流应用，其中直流应用中又分为低直流和高直流。若使用交流电需使用逆变器将太阳能电池板发出的直流电进行逆变为交流电，逆变的损失较大。若用高直流来驱动冰箱则需要太阳能光伏电池板的面积比较大，根据实际情况经济方面不可行。中国家用电器研究院和北京工业大学在太阳能光伏低直流冰箱方面进行了全面的理论及实验研究。此系统由太阳能光伏电池、蓄电池、控制器、低压直流冰箱以及蓄冷部件等构成。其中，电压为电池板提供的12V直流电，不使用逆变器。使用太阳能功率计，光伏控制器，数字式点参量记录仪及温度采集仪记录相关的参数。通过测试及相关分析结果可知，经过改造后的光伏直流冰箱系统各部件具有良好的匹配性，光伏电源部分的配置能够较好的满足负载冰箱的运行需求。通过对改造后的冰箱进行晴天及阴天两种天气下采集数据并进行分析，证明太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统在两种天气情况的应用情况都比较好，系统能够正常工作，冰箱各间室温度也基本能够满足要求，系统整体匹配性较好。通过对环境及太阳能辐射强度对太阳能光伏直流蓄冷冰箱的性能影响的分析，得出该冰箱的地域适应性。根据我国的温度分布和太阳能辐射分布自北向南划分五个温度带，即寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带。根据北京、长春、乌鲁木齐、成都、昆明、福州等其他几个典型城市的各月平均日照总辐射量、月平均室外温度、月日照时间内平均温度、月平均辐射强度等条件来对以上城市进行分析。各典型城市的供耗电电差如表1所示。图1反映了各个典型城市的耗能系统的最佳匹配季以及最差匹配季。由图1可以看出，系统在各城市电量差最大月的值都超过了600Wh，特别是在北京、长春、乌鲁木齐都高达900Wh以上；电量差最小月份，福州的差值最小低至149Wh，而其他五个城市都能维持在300Wh左右，由此可以基本得出系统在各个城市的适应情况。太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统在北京以及长春、乌鲁木齐等地区的具有良好的匹配性，昆明、成都两地次之，而福州的匹配性相对较差。通过对晴天及阴天的实验数据进行分析得出光伏电源部分的转换效率分别为8.8%与11.4%，在晴天，阴天的情况下用负载冰箱消耗的电量与光伏电源部分的转换效率的比值得到需吸收的光能量为3.602kWh和2.781kWh。根据冰箱的运行情况用相应的公式计算冰箱的基准耗电量为0.698kWh/24h，通过实验数据对稳定运行下两个周期的实验数据进行分析，得出两个周期的耗电量分别为0.317kWh/24h与0.316kWh/24h。通过各个周期的耗电连与基准耗电量的比值得到第一个周期的能效比为45.4%，第二天的能效比为45.3%。由最终试验计算结果可知，经过不断优化后的直流蓄冷冰箱属于一级能效（η≤50%）。

3.2太阳能光伏技术在空调上的应用

由于太阳能光电转换的成本要比光热转换的成本高，所以，太阳能在空调上的应用主要采用光热转换。光热转换中的太阳能吸收式制冷是目前应用最多的形式，其中溴化锂吸收式制冷机的太阳能空调系统较为成熟。2010年，我国空调产量超过8000万台套，若利用太阳能，仅替代部分城郊和部分农村的空调器市场，所产生的节能减排的效益将十分可观。空调系统的使用需要消耗巨大的电能(发达国家的空调能耗占全年民用能耗的25%),由此给能源、电力和环境带来很大的压力。若能将此技术应用到空调系统中将有效减少建筑能耗，缓解电力以及环境的压力[3]。太阳能光热的使用有一定的局限性，因此，太阳能光伏产业得到了迅猛的发展，太阳能光伏所产生的电，理论上可以驱动所有的家用电器。太阳能光伏空调器可选用全部由电池板供电或部分由电池板供电。全部由电池板供电的空调在理论上可行，但在经济方面，若按1.5匹功率为1200W，太阳能电池板的价格按12元/瓦计算，电池板算需费用为14400元。考虑到目前空调的售价问题不能够被接受，从而在经济上不可行。因此，可以采用将太阳能光伏电并联到市电中再供空调使用，实现部分应用太阳能。北京工业大学提出一种基于太阳能发电和市电供电混合能源的全直流空调器，该系统将220V交流市电转经整流后变为直流电，与并网电源系统直接并联。通过对每块太阳能电池模组标配一个太阳能控制器，可以实现每块太阳能电池板都能跟踪到最大功率点，交流市电整流电路包含有源PFC电路。系统原理如图2。系统中应用最大功率点跟踪技术，保证太阳能电池阵列工作在最大功率点上，提高光电转换效率。同时，应用小型化、模块化、标准化的太阳能控制器安装在太阳能模组上，实现分布独立控制。