太阳能光伏技术的运用与进展

1太阳能光伏发电技术的应用方式

1.1太阳能照明系统

“光环境”是指光与颜色建立的生理和心理环境，它对人的精神状态和心理感受具有积极影响。“绿色照明”是指“节约能源、保护环境、促进效率、改善质量、有益身心”的照明光环境，太阳能照明即属于绿色照明。太阳能照明系统由太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器和节能灯具、灯杆等组成。建筑领域的太阳能灯主要有路灯、草坪灯、庭园灯、楼道灯等。太阳能灯的控制器除了要具备一般光伏系统的防反充、防过充和过放、防短路和反接等功能以外，还要具有自动开关照明灯的功能。通常使用定时和光控两种方式对太阳能灯的工作时间进行控制。定时控制可采用模拟线路或单片机控制两种方法，根据实际需要，事先设定路灯每天晚上的工作时间，调整电子或者机械计时器的接通或断开时刻，到时路灯便可以自动开或关。另一种控制方式是光控，可以单独安装光敏器件，也可以利用太阳能电池本身作为光敏器件，即在周围环境暗到一定程度（照度低于某一设定值）时自动开灯，一直到天亮（照度高于某一设定值）时再自动关灯。

1.2太阳能、LED光源的结合

应用太阳能给传统的灯具光源供电并不十分经济。随着固体物理和半导体技术的发展，人类开发出了第四代光源——固体光源LED（第一代为白炽灯，第二代为荧光灯，第三代为气体放电灯）。太阳能发电与LED照明的结合立即成为一大亮点，迅速吸引了人们的目光。固体光源——LED具有功耗低、寿命长（1.0×105h）、光效高（目前为5080lm/W，今后可达100120lm/W）、反应速度快（可在高频下使用，可任意控制其功耗和亮度，而不影响其寿命）、直流低压工作安全可靠（24V、12V、4.8V，免逆变器）、环保（耐震、耐冲击、不易破、废弃物可回收、没有污染）、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点；没有白炽灯泡高耗电、易碎以及日光灯废弃物含汞污染等缺点；兼备照明、装饰功效，是被业界看好在未来10年内，成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

1.3太阳能水泵

太阳能水泵一般不需要蓄电池，而由太阳能电池板直接带动水泵工作。大型光伏水泵站通常备有逆变器，首先将太阳能电池板的直流电变为交流电，然后用交流电机带动水泵工作，这样可以与常规供电互补。虽然太阳能光伏水泵系统一次性投资较高，但它的运行费用低、维修少，使用寿命比较长，通常来说比小型柴油机抽水更合算。特别是对于太阳辐射强的干旱地区，发展光伏水泵具有良好的前景。

1.4光伏建筑一体化（BIPV）

“光伏发电与建筑物集成化”（Buildingintegrated/attachedphotovoltaic）的概念早在1991年被正式提出，并很快成为热门课题。此后，一些国家纷纷实施、推广“太阳能屋顶计划”，比较著名的有德国10万屋顶计划、美国百万屋顶计划以及日本的新阳光计划等。所谓太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，即组成了户用并网光伏系统。这种并网系统因有太阳能、公共电网同时给负载供电，系统随时可向电网中存电或取电，所以供电可靠性得到增强；而且，系统一般不用蓄电池，这既降低了造价，又免去了蓄电池的电能损耗、维护更换；同时，多余的发电可反馈给电网，既充分利用了光伏系统所发的电能，又对电网具有调峰作用。太阳能屋顶还可采用一些创新技术，如设置能量管理优化智能系统，以减少能量消耗；设置屋顶冷却系统，对没有安装光伏组件的屋顶，使用特殊功能的反射涂层，可反射65%的太阳能，这样可以有效地降低夏季屋顶的温度，提高太阳能电池的转换效率；设置绝缘底层保护屋顶，并降低建筑物内部的温度。

光伏建筑一体化（BIPV）的进一步目标是将光伏器件与建筑材料集成化。比如，将建筑屋顶、向阳的外墙甚至窗户材料都用光伏器件来代替，则既能作为建材又能发电，可谓一举两得。当然，对光伏器件来说，同时还应具备建材所要求的隔热保温、防水防潮、机械强度、电气绝缘等性能，并要考虑安全可靠、便于施工、立面美观等因素。显然，光伏器件代替部分建材，可进一步降低光伏发电的成本，有利于光伏技术的推广应用。总之,光伏建筑一体化（BIPV）体现了创新的建筑设计理念和高科技含量，它不仅开辟了光伏技术应用于建筑领域的新天地，而且拉动了光伏技术的产业化发展及在城市的大规模应用，因而具有非常广阔的市场前景。

2太阳能光伏并网发电系统的应用实例

武汉新火车站定位于华中陆港、中部铁路枢纽，总建筑面积35.5万m2，总投资超过140亿元。共设铁轨线20条，站台11座，是京港高速铁路的重要站点，规模居全国第四。武汉新火车站于2006年开建，2009年底建成启用。　武汉站整体造型现代，外观如大鸟展翅，寓意“千年鹤归、中部崛起”。建筑中部突出的60m高大屋顶，预示着武汉是湖北乃至中部省份崛起的关键支点。九片屋檐同心排列，象征着武汉“九省通衢”的重要地理位置。为了有力推动武汉市和湖北省“两型社会”建设、推进“节能减排”工作，对可再生能源的利用起示范和带动作用，湖北省发改委决定：武汉站建设太阳能光伏发电系统，并进行国内公开招标。招标文件要求：太阳能光伏组件采用晶硅板，安装于南北中央站房及雨篷金属屋顶局部，系统总发电容量约2.2MW（2200kWp）、总投资约5000万元。采用并网发电的运行方式，系统产生的电能输送到城市电网。

经笔者在内的专家集体评审，选定了中标方案，其技术特点为：（1）并网发电系统组成：由光伏电池组件、并网逆变器、电源汇流箱柜、电源并接装置、防雷接地系统、监控系统等及其辅材组成。（2）太阳电池组件安装方案：采用单晶硅电池组件，安装数量1.65万只，每只135Wp，共2227.5kWp。（3）太阳电池组件升压回路方案：升压回路数量n=1.65万只/25只=660个升压回路（每25只串成1回路）。（4）汇流回路方案：设两级汇流，第一级汇流设于屋顶，由防雷汇流箱完成。每个防雷汇流箱输入侧由11个升压回路并联组成，共60个一级并联、60个防雷汇流箱；第二级汇流设于逆变器室，由防雷汇流柜完成，每个防雷汇流柜输入侧由67个一级汇流回路并联组成，共9个二级并联、9个防雷汇流柜。（5）逆变器安装方案：设9个250kW三相输出式逆变器，每个逆变器输入侧接一个防雷汇流柜输出侧。逆变器室分4间设于火车站25m层。220/380V接入系统的开关柜布置于火车站变配电所预留柜位，不重新设置单独的设备用房。（6）并网系统年发电量：采用清洁能源项目分析软件RETScreen计算，该系统年理论发电量为2256.3MWh（225.63万度），实际并网发电量约206.92万度。