燃烧条件的探究

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太阳能光伏并网系统的优化设计摘要：太阳能既“取之不竭”又“安全环保”，所以太阳能发电被誉为是最理想的能源。本文详细介绍了太阳能发电的背景、目的、应用和前景以及它的构成及工作原理，并应用目前国外常用计算方法对斜面上太阳辐照量以及光伏方阵发电量进行计算，以确定光伏方阵及系统的规模，使之设计最优化。关键词：太阳能光伏发电系统太阳能电池数据通信引言现有能源主要有火电、水电和核电三种。　　火电需要燃烧石油、煤等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据专家估计，石油可供开采的年限只有40年。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。　　水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受到季节等因素的影响。核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是非常可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。相对于上述三种能源，太阳能这一新型能源既“取之不竭”又“安全环保”。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是最理想的能源。一、太阳能光伏发电系统工作原理及组成太阳能光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之变为电能的直接发电方式。太阳能光伏发电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于还有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器，将直流电转换成交流电。太阳能电池发电系统由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流－交流逆变器等部分组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。5 图1太阳能电池发电系统示意图1．太阳能电池方阵太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串联、并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率。2．硅太阳能电池常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池，主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达20％以上，性能稳定，但使用的单晶硅材料和半导体工业所用材料具有相同的品质，所以材料成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池效率比单晶硅太阳能电池稍低，大约为13％～14％左右，但多晶硅太阳能电池可用铸造方法生产，所以成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，价格最便宜，但光电转换效率最低，大约为7％～8％左右，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多用于弱光性电源，如手表、计算器等电池。3．太阳能电池组件太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。一个太阳能电池单体只能产生大约0.45～0.50V的电压，所以需要把太阳能电池连接成组件。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36个或40个，因此，一个太阳能电池组件大约能产生16V的电压，它正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。5 二、太阳能光伏发电系统的分类光伏系统按供电方式大致可分为独立系统、混合系统和并网系统三大类。1．独立发电系统独立光伏发电系统是指与电力系统不发生任何关系的闭合系统。它通常用做便携式设备的电源，向远离现有电网的地区或设备供电，以及用于任何不想与电网发生联系的供电场合。图2独立发电系统2．混合发电系统这种太阳能光伏系统中不单是使用太阳能电池方阵，还使用了各种发电技术，如燃油发电机、风力发电等。使用混合供电系统的目的是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比如，独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机和太阳能电池组件的混合供电系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气依赖性小；负载匹配更佳。但是混合系统控制较复杂；设计、安装和施工工程较大；需要更多的维护工作；有噪音和污染。图3混合发电系统3．并网发电系统太阳能并网发电系统是利用太阳能电池方阵，在白天有光照时产生的直流电通过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入公共电网，产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或晚上，太阳能电池组件没有产生电能不能满足负载需求时则由电网供电。这种系统直接将电能输入电网，免除了蓄电池储能装置，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电能从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。5 图3并网发电系统三、太阳辐照量太阳辐照量的随机性比较大，所以无法确定安装后方阵面上各个时段确切的太阳辐照量，只能根据气象台历年记录的太阳辐照量历史资料作为参考。但是气象台提供的通常只是水平面上的太阳辐照量，而光伏方阵安装时都是尽量朝向赤道倾斜安装，其一是可以增加方阵面上全年接收到的太阳辐照量，其二是倾斜放置时可以增加冬季方阵面上接收到的太阳辐照量，而减少夏季接收到的太阳辐照量，使系统能全年比较均衡地工作。系统设计时，要将水平面上的辐照量通过计算得到倾斜面上的太阳辐照量。对于月平均太阳辐照量的计算，目前国外通常用Klein和Theilacker的计算方法来算出不同方位和不同倾角的倾斜面上的太阳辐射量。这类计算非常复杂，一般只能通过编制计算程序软件来得到不同方位角和不同倾角时方阵面上的太阳辐照量，再将单位换算到,可得到该方阵面上的平均日照时数。对于并网的光伏系统，由于不受蓄电池荷电状态的限制，所以通常都希望全年方阵面上接受到最大的太阳辐射量，计算显示，所对应的方阵倾斜角要小于当地的纬度。四、光伏方阵发电量的计算在实际应用中，需要将一定数量的太阳电池组件进行串、并联以满足用户对电压和功率的要求。在系统设计时，首先要根据规模的大小，逆变器的要求，光伏组件的参数等因素，确定光伏方阵的直流工作电压。目前一般光伏组件通常是由36或40片太阳电池串联而成，其额定工作电压约在16V左右，光伏方阵的直流工作电压取决于组件的串联数，对于由性能基本相同的组件构成的光伏方阵，其工作电压：式中：为串联组件的数目，为每块组件的工作电压。系统运行时，太阳的辐射强度变化很大，对于独立光伏系统，由于有蓄电池的稳压作用，工作电压变动不大，而并网光伏系统的工作电压波动较大，这在逆变器设计时要特别注意。5 光伏方阵的工作电流应为：式中：η为系统中各部件的效率以及由于相互连接匹配等因素造成的损失，K为安全系数。这样即可得出所需方阵的功率为：与独立光伏系统相比，并网系统由于不用考虑蓄电池的影响，所以设计时较为简单。同时并网光伏系统也不必十分严格，如投资费用紧张，也可适当减少光伏方阵容量，当然这要增加电网向负载的供电量。五、太阳能发电的应用太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。六、太阳能发电的前景九十年代末期以来，全球太阳电池组件的年产量都以30%以上的速度在增长，特别是由于美国、欧盟、日本等工业化国家实施了“百万太阳能屋顶”等计划，使得太阳能光伏并网系统迅速增加，据统计在全球光伏市场份额中，并网系统在1999年的比例为38%，2000年为42%，到2001年已超过一半，达到了50.4%，而且这种趋势还将延续发展。这标志着光伏发电正在由偏远地区和特殊场合的应用向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，供电形式正由大型集中电站向分散供电的模式发展，这些对于逐渐改变传统的能源消费结构，建立可持续发展的能源体系将具有重大的意义，太阳能光伏并网系统有着十分广阔的发展前景。参考文献[1]沈辉,曾组勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.30-31,106-107.[2]李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京：北京工业大学出版社,2001.30-42.[3]杨金焕，葛亮，陈中华等.太阳能发电系统的最佳化设计[J].能源工程,2003，20(5):25-28.[4]KlienSA,TheilackerJC.Analgorithmforcalculatingmonthly-averageradiationoninclinedsurfaces[J].JournalofSolarEnergyEngineering,1981,103(5),29-33.[5]DuffieJA,BackmanWA.Solarengineeringofthermalprocesses[M].NewYork:JohnWiley&Sons.INC,1991.113-119.5