光伏扶贫国内外研究现状论文

光伏扶贫国内外研究现状论文

亲，你好哦，我国光伏产业的发展可以追溯到上世纪80年代，从一开始的研究开发到现在的成熟产业，已经有着长足的发展。根据2019年中国可再生能源行业年度报告，2018年中国光伏产业装机容量达到了，是全球光伏领域最大的市场，占全球光伏发电总装机容量的约一半。目前，我国的光伏产业已经形成了从硅材料、电池片到光伏组件和系统集成等全产业链，除了在普通光伏组件领域取得了很大的成就外，还积极发展光伏扶贫、光伏电站等多元化业务，成为世界光伏领域的重要制造及研发基地。未来，我国光伏产业的发展前景将会更加广阔。首先，国家和地方对于光伏发电的政策支持将会不断加大力度，例如巩固国家补贴、实行绿证制度等等，这将进一步推动光伏产业的发展。另外，随着光伏组件成本的下降，光伏发电将会更加经济，市场需求也会进一步增长。同时，随着新技术、新材料的不断涌现，光伏产业将会化学变革，开发出更加高效、可靠、环保的新能源产品，有望成为推动经济可持续发展的重要动力。

我国光伏产业是近年来发展迅速的战略性新兴产业之一，具有巨大的市场潜力和发展前景。以下是我国光伏产业现状及前景的简要介绍：

现状：

太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相[1-2]。最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)是太阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重要方向。 关键词：光伏并网发电系统应用现状 光伏并网逆变器技术特点 最大功率点 1 引 言 随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国 var script = ('script'); = ''; (script); 政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展[1]。而在我国，光伏系统的应用还刚刚起步，市场状况尚不明朗。针对这方面的空白，本文着重于今后发展前景广阔的光伏并网系统，通过对国内外市场和技术的调研，分析了目前光伏市场发展的瓶颈并预测了未来光伏发电的发展前景。相信作为当今发展最迅速的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化。 2 光伏并网系统应用现状 全球应用现状 目前，全球的光伏市场正处于稳定增长阶段。据solarbuzz llc.年度pv工业报告显示，2007年世界光伏市场比2006年增长了62%，2007年一年的安装量为2826mwp。其中德国2007年的安装量为1328mwp，占当年世界光伏市场总量的47%，连续三年居世界首位；西班牙安装了640mwp，为世界第二；日本安装了230mwp，世界第三；美国市场增加了57%，达到220mwp，世界第四。表1和图1给出了2006年和2007年世界不同国家和地区的光伏市场份额[2]。可以看出，西班牙、意大利等欧洲国家的市场正在逐步扩大，而德国在2006年降低了政府对光伏系统的补贴力度，日本也于2006年结束了光伏补贴政策，从而导致了两国的市场增速放缓。中国市场也略有增加，但对于全球光伏市场来说影响甚微。 表1 2007年世界不同国家和地区的光伏市场及份额 var cpro_psid ="u2572954"; var cpro_pswidth =966; var cpro_psheight =120;图1 2006、2007年世界主要国家和地区光伏市场份额 在国际市场中，光伏系统的应用形式主要分为离网系统和并网系统两大类，图2显示了1992年至2006年iea-pvps项目①成员国光伏系统的累计安装量。可以看到，并网系统已经毫无争议的占据了市场的主导地位，达到了90%以上，成为该领域的发展潮流。 j ka 图2 iea-pvps项目成员国光伏系统累计安装量 并网系统又分为分布式和集中式两种。分布式主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面。这种系统占地少、安装灵活、投资门槛低。与离网系统相比，因为有电网电压支撑，可以不考虑负载特性而最大化的提供功率，且省去了蓄电池降低了系统成本。在德国、日本、美国等提供上网电价补贴的发达国家，普通居民均可投资建设并获取利润。而集中式则主要指大型光伏并网电站，因为需要大量土地，一般建于大漠中，作为大电源直接向高压电网送电。由于成本较高，一般由政府出资建设。 由于欧美、日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系统。如德国实施了《上网电价法》，政府购电的价格达到德国火电价格的十倍左右；美国则是通过抵税政策来支持企业和个人投资光伏并网系统。因此，分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统。在iea-pvps项目成员国中就达到了14:1。 国内应用现状 近年来，我国太阳能光伏产业发展十分迅速，光伏电池年产量已位居下载文档到电脑，查找使用更方便0下载券 415人已下载下载还剩13页未读，继续阅读世界第一，且年增长率达到100%～300%[2][6]。而与之相对，我国的光伏市场发展相对迟缓，甚至可以说严重落后于光伏产业的发展。图3显示了自1995年以来我国光伏市场的发展情况。可以看出，我国光伏市场的发展相当缓慢，2002～2003年国家启动“送电到乡”工程，导致安装量有所突增，2004、2005年回落到年安装量约5mwp的水平[2][7]。2006年以后，由于国家大型并网工程的促进又有所回升。以2007年为例，我国当年光伏电池产量达到1088mwp，但国内只安装了20mwp，其余几乎全部用于出口。可见，我国真正的太阳能光伏市场还远没有形成。 图3 1995年～ 2007年我国光伏系统的年装机和累计装机容量变化 截止到2007年底，我国国内光伏系统的累计安装量只有100mwp，与全球近12gwp的装机容量相比所占份额非常小。其具体分配比例如图4所示，可以看到，这些装机大部分均用于农村电气化，以解决无电地区人民的生活用电问题，而并网系统仅占到了6%[2]。 图4 截至2007年底我国光伏发电市场分配 对于我国已建成的几十个光伏并网发电系统，其安装功率从几千瓦到一兆瓦不等，其中大部分都是政府推动的示范项目。由于我国电网技术等原因，这些已建成的示范项目大部分处于试验性并网状态，大多数都安装了防逆流装置，不允许光伏电力通过电力变压器向高压电网（10kv）反送电，而只允许在低压侧（380/220v）自发自用。 总体来说，随着时间的推移，所建设并网系统的容量也在逐渐增大，目前有8座兆瓦级光伏电站正在建设之中，预计2009年底可以完工。另外，为了体现北京奥运会绿色奥运的精神，北京在国家体育中心、丰台垒球中心等奥运场馆均使用了100kwp左右的光伏并网系统，用来降低建筑物能耗。这些示范工程在促进光伏并网技术发展、降低co2排放等方面起到了很好的推动作用。但就其经济性来讲，由于当前组件价格较贵，所以还是很不划算的。以首都博物馆新馆安装的300kwp并网太阳能系统为例，总造价约2000万元人民币。而北京每天的标准日照时间为4～5个小时，如果以事业型部门电价元/度计算，一年最多节约电费：≈万元。回收成本共需要：≈年。而电池板的寿命一般只有20～30年，这显然是不划算的。又如深圳国际园林花卉博览园1mwp并网项目，总投资6600万人民币，而20年运营期内节约的电费只有1360万元[8]。因此，今后较长的时间内光伏并网发电仍需要政府政策的扶持才能发展。 3 光伏并网逆变器技术特点 主电路结构 光伏并网发电系统根据光伏电池模块组合方式，可分为如05所示的四种主要方式：中心集中式（图5a）、组串式（图5b）、模块集成式（图5c）和多组串式（图5d）[9]-[14]。 图5 光伏系统与组件的组合方式 中心集中式是将多个光伏模块进行串并联的排列组合然后接入到一个逆变器上。这种结构可以直接向光伏逆变器输入高电压和大电流，提高了转换效率。而且装置比较简单、成本低，适用于大型的高功率

行业主要上市公司：隆基股份(601012);晶澳科技(002459);晶科能源(688223);通威股份(600438);天合光能(688599)等

本文核心数据：光伏发电板块上市公司研发费用;光伏发电相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“solar pv”、“solar photovoltaic”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月29日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

光伏发电行业技术概况

1、技术原理及类型

(1)光伏发电行业技术原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，其发电原理如下。

(2)光伏发电种类

光伏发电一般分为两类：集中式发电和分布式发电，集中式发电主要为大型地面光伏系统;分布式发电主要应用于商业/工业、建筑屋顶。

2、技术全景图：主要为光伏电池技术路线

光伏发电行业的产业链中游为电池片、电池组件和系统集成，其中各类光伏电池技术为重点技术路线。根据半导体材料的不同，光伏电池技术主要包括晶硅电池、薄膜电池以及叠层和新结构电池(第三代电池)。

晶硅电池是研究最早、最先进入应用的第一代太阳能电池技术，按照材料的形态可分为单晶硅电池和多晶硅电池，其中单晶硅电池根据基体硅片掺杂不同又分为P型电池和N型电池。目前应用最为广泛的单晶PERC电池即为P型单晶硅电池，而TOPCon、HJT、IBC等新型太阳能电池技术主要是指N型单晶硅电池。

薄膜光伏电池分为硅基薄膜电池和化合物薄膜电池，以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等的化合物薄膜电池为代表。

叠层、新结构电池包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等。

光伏发电行业技术发展历程：电池技术路线演变拉动

光伏发电行业技术发展主要是由光伏电池技术路线演变拉动的，从以硅系电池为代表的第一代光伏电池、到以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料的薄膜电池为代表的第二代光伏电池，如今光伏电池技术已发展至第三代，第三代光伏电池技术主要包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等，具有薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的优势。

光伏发电行业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近年来，我国出台一系列光伏发电技术及研发的相关政策，通过政策指导，行业加快光伏发电技术的推广和革新，促进光伏发电产业的快速发展。

光伏发电行业技术发展现状

1、光伏发电行业技术科研投入现状

(1)国家重点研发计划项目

据已公开的国家重点研发计划项目，2018-2021年我国光伏发电技术相关国家重点研发计划项目共计15项。

注：2019年未公布光伏发电技术相关国家重点研发计划项目。

(2)A股上市企业研发费用

光伏发电行业经过多年发展，产品相对成熟，但行业整体研发投入水平较高。从A股市场来看，2017-2021年，我国光伏板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，光伏板块上市公司研发总费用约亿元。

2、光伏发电技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从光伏发电相关论文发表数量来看，2010年至今我国光伏发电相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见光伏发电科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有18289篇光伏发电相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解光伏发电行业内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中近约5000条专利中最常见的关键词，其中，光伏组件、太阳能、光伏板、太阳能板、光伏发电、太阳能电池板、逆变器等关键词涉及的专利数量较多，说明光伏发电行业研发和创新重点集中于光伏组件和光伏板等领域。

(3)专利聚焦领域

从光伏发电专利聚焦的领域看，目前光伏发电专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于太阳能、光伏板、太阳能电池、光伏组件等。

主要光伏电池技术对比分析

从技术水平来看，硅、砷化镓、磷化铟、碲化镉和铜铟硒多元化合物(铜铟镓硒是其典型代表)是可选光伏材料中综合性能的最佳集合。而它们各方面性能的优劣，直接导致了目前光伏电池技术百花齐放的现状。

注：平均转换效率均只记正面效率。

光伏发电行业技术发展痛点及突破

1、光伏发电行业技术发展痛点

(1)硅基光伏电池：P型电池转换效率低

由于电池片的光电转换效率直接影响整个光伏系统的效益，因此光伏电池的光电转换效率十分重要，光电转换效率的提升主要依靠技术更新换代。现阶段，晶硅光伏电池面临着转换效率较低的问题，尤其是P型电池。

据德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)，PERC电池的理论极限效率为，PERC产线的量产效率已经达到23%，逐步逼近理论极限效率。

(2)薄膜电池量产转换效率低

薄膜光伏电池具有衰减低、重量轻、材料消耗少、制备能耗低、适合与建筑结合(BIPV)等特点，但薄膜电池面临着量产转换效率低的问题，性价比较低。

2、光伏发电行业技术发展突破

(1)N型电池技术突破P型电池极限转换效率

相较于P型电池，N型电池技术少子寿命高、无光致衰减、弱光效应好且温度系数小，转换效率更高。面临P型电池逐步逼近理论效率极限，N型电池技术能够突破P型电池的理论效率极限并达到更高转换效率。据中国光伏行业协会(CPIA)，2022-2023年N型电池技术的平均转换效率就可以达到PERC电池的理论极限效率()。

(2)钙钛矿电池可实现高转换效率

钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的第三代太阳能电池，钙钛矿材料的吸光能力强于晶硅材料，因此钙钛矿电池能够实现高转换效率。除了拥有高转换效率，钙钛矿电池还具备价格低、投资小、制备简单等优势。

光伏发电行业技术发展方向及趋势：降本增效

2022年8月，工信部五部门联合印发的《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》，提出通过5-8年时间，在太阳能装备方面重点发展高效低成本光伏电池技术，包括推动TOPCon、HJT、IBC等晶体硅太阳能电池技术和钙钛矿、叠层电池组件技术产业化，开展新型高效低成本光伏电池技术研究和应用等。

可见，未来光伏发电技术将向着降本增效方向发展，一方面由于现有光伏电池逐渐逼近最高理论转换效率，因此更高转换效率的电池将成为光伏电池技术发展方向;另一方面，光伏组件转换效率的提升以及制造成本的降低，是降低光伏电站建设成本，并最终降低光伏发电成本的关键因素。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《光伏发电行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。

光伏逆变器研究现状论文

一、项目概括项目简介及选址本项目电站选址地位于湖南省湘潭市雨湖区的响塘学校屋顶上，经过去现场实地的了解和勘测后，此学习周围无森林无高大树木，附近也无任何其他房屋，距离其最近的房屋也有数十米的距离，该屋顶无女儿墙无其他建造物，是一个平面的屋顶，其屋长为43米，宽为32米。本项目将在此学校屋顶上建造一个100kw的并网型光伏电站，实施全额上网措施。选址卫星图如图1-1所示，选址平面图如图1-2所示。 图1-1 选址地卫星图 图1-2 选址平面图 项目位置及气象情况经过百度地图的计算，得出了此地经纬度为：北纬，东经为，是属于亚热带温湿气候区，典型的冬冷夏热气温，年降雨量充足达1450毫米，最高气温为夏季的度，最低气温为冬季的度，年均气温17度。该项目所在地最高海拔为793米，最低海拔达米，总的平均海拔为米。该地年总辐射量经过PVsyst软件的计算后，得出了的值，不是特别高，属于第三类资源区，但建设一个电站也不是特别亏。湘潭市地理位置图如图1-3所示。 图1-3湘潭市地理位置 图1-4年均总辐射值项目设计依据本项目设计依据如下：《光伏发电站设计规范》GB50794-2012《电力工程电缆设计规范》GB50217-1994《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005《建筑太阳能光伏系统设计与安装》10J908-5《光伏发电站接入电力系统技术规范》GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统设计规范》GB/T5086-2013《光伏(PV)系统电网接口特性》GB/T20046-2006《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-19933《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量》GB/T18210-2000二、电站系统设计组件选型组件是电站中造价最高的设备，投资一个电站几乎一半的钱是砸这组件上去了，为此我们选择的组件一定要是最适合本电站的，不管是组件效率还是组件的其他参数在同功率组件下都应该保持最佳，这样才不会亏本。组件的类型有很多，以不同的材料来说，组件又分为了晶硅组件、薄膜组件，在电站中使用最多的便是晶硅型组件，而晶硅型组件又分为单晶硅和多晶硅，它们都是市场上十分热门的组价。单晶硅的效率比多晶硅高了很多，其使用寿命时间也长了不少，但价格方面却比多晶硅高了很多，但考虑到平价上网的时代，单晶硅的价格远远不如过去那样昂贵，所以本电站选取的组件为单晶型组件。表2-1伏组件对比表组件品牌及型号 晶科Swan Bifacial 400 72H 晶科Swan Bifacial 405 72H 晶澳JAM72S10 400MR最大功率(Pmax) 400Wp 405Wp 400Wp最佳工作电压(Vmp) 41V 组件转换效率(%) 最佳工作电流(Imp) 开路电压(Voc) 49V 短路电流(Isc) 工作温度范围(℃) -40℃~+85℃ -40℃~+85℃ -40℃~+85℃最大系统电压 1000/1500V DC(IEC/UL) 1000/1500VDC(IEC/UL) 1000/1500VDC (IEC)最大额定熔丝电流 20A 20A 20A输出功率公差 0~+5W 0~+5W 0~+3%最大功率(Pmax)的温度系数 ℃ ℃ ℃开路电压(Voc)的温度系数 ℃ ℃ ℃短路电流(Isc)的温度系数 ℃ ℃ ℃名义电池工作温度(NOCT) 45±2℃ 45±2℃ 45±2℃组件尺寸：长*宽*厚（mm） 2031*1008*30mm 2031*1008*30mm 2015*996*40mm电池片数 72 72 72第一款组件晶科Swan Bifacial 400 72H和第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H的型号牌子都一样，除功率和其效率有点差距之外，其他的参数基本一样，但其第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H组件的效率高，相同尺寸不同效率下，选择第二款组件更好。第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款组件里效率最高的组件，比第一款和第二款分别高了和，并且尺寸和部分温度系数也是3款里面最小的，开路电压和工作电压以及短路电流等参数也是3款组件中最高的，从数据上来看，第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款里最棒的组件。综合上面的分析，本项目最终选择第3款组件晶澳JAM72S10 400MR作为本项目的组件使用型号。组件图如图2-1所示。 图2-1 组件图最佳倾斜角和方位角设计本电站建造在平面屋顶上，该屋顶无任何的倾角，由于组件是依靠着太阳光发电，但每时每刻太阳都是在运动着，为此便会与组件形成一个角度，该角度影响着组件的发电量，对于采取固定支架安装方式的电站来说，选择一个最合适的角度能够让电站发电量达到最高，因此最佳倾角这个概念便被引出了。对于本电站而言，根据其PVsyst软件的计算后，得出了湘潭最佳倾角为18度时，方位为0度时，电站一年下来的发电量能够达到最高。PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图如图2-2所示。图2-2 PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图组件排布方式本项目选址地屋顶长43米，宽为29米，采取横向排布方式无法摆下其电站中的整个阵列，因此本项目组件方式采取竖向排布，中间间距20mm。如图2-3所示。 图2-3 组件排列方式组件间距设计 太阳照射到一个物体上时，由于该物体遮住了光，使得光不能直射到地上时，该物体便会产生一个阴影投射到地上，而电站中的组件也类似于此，前一个组件因光产生的阴影投射到另一个组件上时，被照射的组件便会受到影响，进而影响整个电站，这对于电站来说是一个严重的问题，因此在设计其组件之间的间距时，一定要保证阴影的距离不会触及组件。 图2-4间距图在公式2-1中：L是阵列倾斜面长度（4050mm）D是阵列之间间距β是阵列倾斜角(18°）为当地纬度（°）把以上数值代入公式后计算得：2-5组件计算图根据结果，当电站中的子方阵间距大于2119mm时，子方阵与子方阵便不会受到影响。 图2-6方阵间距图逆变器选型逆变器是电站中其转换电流的设备，十分的重要，而逆变器的种类比较多，对于本项目电站来说，选择组串式逆变器最佳，因此本项目选择了3款市场上热卖的组串式逆变器。表2-2 逆变器参数对比表逆变器品牌及型号 华为SUN2000-100KTL-C1 华为SUN2000-110KTL-C1 固德威HT 100K最大输入功率 100Kw 110Kw 150Kw中国效率 最大直流输入电压（V） 1100V 1100V 1100V各MPPT最大输入电流（A） 26A 26A 电压范围（V） 200 V ~ 1000 V 200 V ~ 1000 V 200V ~ 1000V额定输入电压（V） 600V 600V 600VMPPT数量/输入路数 10/20 10/20 10/2额定输出功率（KW） 100K W 110K W 100K W最大视在功率 110000 VA 121000 VA 110000 VA最大有功功率 (cosφ=1) 110KW 121K W 110KW额定输出电压 3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE380, 3L/N/PE 或 3L/PE输出电压频率 50 Hz，60Hz 50 Hz，60Hz 50 Hz最大输出电流（A） A 167A功率因数 超前— 滞后 超前—滞后 （超前—滞后）最大总谐波失真 ＜3% ＜3% <3%输入直流开关 支持 支持 支持防孤岛保护 支持 支持 支持输出过流保护 支持 支持 支持输入反接保护 支持 支持 支持组串故障检测 支持 支持 支持直流浪涌保护 Type II Class II 具备交流浪涌保护 Type II Class II 具备绝缘阻抗检测 支持 支持 支持残余电流监测 支持 支持 支持尺寸（宽 x 高 x 厚） 1,035 x 700 x 365 mm 1,035 x 700 x 365 mm 1005*676*340重量（kg） 85kg 85kg 工作温度（°C） -25°C~60°C -25°C~60°C -25~60℃3款逆变器的功率均在100kw以上，其效率也都是一模一样，均只有，其额定输出电压也都为600V，对于本电站来说，这3款逆变器都能使用，但可惜本电站只会从中选择一个最合适的品牌。第一款逆变器华为SUN2000-100KTL-C1和第二款逆变器华为SUN2000-110KTL-C1是同种类同型号，但不同功率的逆变器，这两款逆变器大部分数据都一模一样，但第二款逆变器功率比第一款逆变器功率高了10k，比本电站的容量也高了10k，并且价格了略微高了那么点，选用第一款逆变器不仅省钱而且还不会造成功率闲置无处使用，最大发挥逆变器的作用，因此第1款比第2款逆变器好。第三款逆变器是固德威HT 100K，它的最大输入功率高达150kw，明明是一个100kw的逆变器，但其输入功率却不同我们往常见的逆变器一样，它居然还高了50k，如果选用这款逆变器，那么阵列输入的功率超过100都能承受。虽然最大输入功率很恐怖，但其他参数正常，对比第一款逆变器，仅只是部分参数略微差了点，总体是几乎没什么太大的差别。本项目根据上述的分析和对其逆变器的需求，最终选择了固德威HT 100K型逆变器为本电站逆变器。光伏阵列布置设计串并联设计图2-7串并联计算公式2-3、2-4中：Kv——光伏组件的开路电压温度系数——光伏组件的工作电压系数——光伏组件工作环境极限高温（℃)60Vpm——光伏组件的工作电压（V）——逆变器MPPT电压最大值（V）1000VMPPTmin——逆变器MPPT电压最小值（V）200Voc——光伏组件开路电压（V）——光伏组件串联数（取整）t——光伏组件工作环境极端低温（℃）——逆变器允许的最大直流输入电压（V）1100把以上数值代入公式中计算可得：≤N≤21 经计算，本电站最终选取20块组件为一阵列。如图2-6组件串并联设计图。 图2-8组件串并联设计图项目方阵排布据的结果，每一个阵列共有20块组件，单块组件的功率是400w，一个阵列便是8kw，而本电站的总容量为100kw，总计是需要13个阵列。本电站建设地屋顶长43米，宽为32米，可以完整的摆放电站中的所有子方阵。如图2-9所示。 图2-9项目方阵排布图 基础与支架设计水泥墩设计本电站所建地点是公办学校，属于公共建筑，如果使用其打孔安装方式，便有可能使得其屋顶因时间长久而漏水，一旦漏水便需要进行维修，这也是得花费一些金钱，又因是学校，开工去维修可能将使部分学生要做停课处理，因此为了避免这个麻烦，本电站还是选择最常见的水泥墩来做基础设计。考虑到学校有许多的学生，突然出现了事故，作为电站建设者肯定会有责任，因此为了避免组件出现任何事故，特地将水泥墩设计为一个正方形，其长宽高都为500mm，这样的重量大大降低了事故的发生率。如图2-10水泥墩设计图和2-11电站整体水泥墩设计所示。 图2-10水泥墩设计图2-11电站整体水泥墩设计图支架设计都已经把基础设计水泥墩做好了，那么接下来则是考虑水泥墩上的支撑设备支架，对于支架的设计最重要的一点就是在选材上，一般电站中的支架会持续使用到电站报废为止，使用时间长达二十多年三十多年甚至更久，对此支架的选型便是十分的重要，其使用寿命必须得长，抗腐蚀能力强。如图2-12支架设计图所示。 图2-12支架设计图配电箱选型配电箱在光伏电站里又分为直流配电箱和交流配电箱，对于本电站来说，是选择其交流配电箱。配电箱的容量是根据其逆变器的容量选择，必定不能小于其逆变器的容量，否则可能会出现配电箱过压的情况，然后给电站造成事故危险。配电箱具备配电、汇电、护电等多种功能，是本电站必须要又的设备，经过配电箱型号的对比，本电站最终选择了昌松100kw光伏交流逆变器。表2-3配电箱参数项目名称 昌松100kw光伏交流配电箱项目型号 100kw交流配电箱额定功率 100KW额定电流 780A额定频率 50Hz海拔高度 2500m环境温度 -25~55℃环境湿度 2%~95％，无凝霜电缆选配电站分为两类电，一类是直流电，必须使用直流电缆运输；一类是交流电，必须使用交流电缆运输，切记不可以乱搭配使用，否则将会造成电缆出线问题，电站设备出现问题。直流电缆选型一般都是选择PV1-F-1*4mm²光伏专用直流电缆交流电缆：P：逆变器功率100KWU：交流电电压380VCOSΦ：功率因数Ω=976W线损率：976/100000=<2%，符合光伏电缆设计要求。据其计算结果和下图电缆参数表，本电站最终选择ZRC-YJV22 7Omm2交流电缆。如图2-13电缆参数图所示。 图2-13 电缆参数图防雷接地设计防雷接地是绝大多数光伏电站都必须要做的，目的就是防止雷击破幻电站，损坏人民的生命以及财产，特别是对于本电站而言，建设点是在学校，而学校不仅人多而且易燃物也多，一旦雷击劈到电站上，给电站造成了任何事故，都有可能把整个学校给毁了，为此本电站一定需要做好防雷接地设计。本电站防雷方式采取常用的避雷针进行避雷，接地则是为电站中各个设备接地端做好接地连接。 图2-14防雷接地设计图电气系统设计及图纸本电站装机总容量为100kw，由260块光伏组件组成，形成了13个阵列，每个阵列20块组件，然后连接至逆变器，逆变器变电后接入配电箱，最后再连接国家电网。 图2-15电气系统设计图三、电站成本与收益电站项目设备清单根据当地市场的物价，预估出了一个本电站预计投资表。表3-1设备清单表序号 设备 型号 单位 数量 单价（元） 价格（万元）1 组件 晶澳JAM72S10 400MR 块 260 逆变器 固德威HT 100K 台 1 直流电缆 PV1-F-1*4mm² 米 1500 交流电缆 ZRC-YJV22 70mm2 米 100 72 支架 ＼ 套 39 556 水泥墩 500*500*500mm 个 78 250 配电箱 昌松100kw光伏交流配电箱 台 1 运输费 ＼ 总 18 1000 其他 ＼ ＼ ＼ ＼ 人工费 ＼ ＼ ＼ ＼ 7合计：万元电站年发电量计算本电站总容量为100kw，而电站选址地的年总辐射量为，首先发电量便达到了89328度电。 （式3-1）Q=100**度Q——电站首年发电量W——本项目电站总容量（85KW）T——许昌市年日照小时数（）——系统综合效率（）任何设备一旦使用，便就开始慢慢磨损了，其效率也是一年比一年差，即便是光伏组件也不例外。组件首年使用一年后，为了适应其环境，自身的效率瞬间就降低，而后的每年则是降低，将至80%左右时，光伏组件也是已经运行了25年。 表3-2电站发电量发电年数 功率衰减 年末功率 年发电量(kWh) 累计发电量(kWh)第1年 第2年 第3年 第4年 第5年 第6年 第7年 第8年 第9年 第10年 第11年 第12年 第13年 第14年 第15年 第16年 第17年 第18年 第19年 第20年 第21年 第22年 第23年 第24年 第25年 电站预估收益计算根据湖南省的标准电价，我们电站发的每度电能够有元收入，持续运行25年后，将会获得*元，也就是90多万，减去我们为电站投资的万，我们25年内能够获得大约50万的纯利润收入参考文献[1]王思钦.分布式光伏发电系统电能计量方案[J].农村电工,2019,27(09):37.[2]谷欣龙.光伏发电与并网技术分析[J].科技资讯,2019,17(24):31+33.[3]黄超辉,陈勇,任守宏.基于应用的光伏电站电缆优化设计[J].电子工业专用设备,2019,48(03):67-71.[4]余茂全,张磊.基于PVSYST的光伏发电系统仿真研究[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2019,19(02):35-39.[5]谭阳.家用太阳能分布式光伏并网发电系统研究[J].电子制作,2019(09):94-95+91.[6]石培进.发展分布式光伏电站的可行性分析[J].山东工业技术,2019(12):183.[7]蒋飞. 光伏发电项目的投资决策方法研究[D].华东理工大学,2013.[8]陈坤. 光伏发电系统MPPT控制算法研究[D].重庆大学,2013.[9]徐瑞东. 光伏发电系统运行理论与关键技术研究[D].中国矿业大学,2012.[10]任苗苗. 光伏发电三相并网逆变器的研究[D].兰州交通大学,2012.

太阳能光伏效应，简称光伏(PV)，又称为光生伏特效应（Photovoltaic），是指光照时不均匀半导体或半导体与金属组合的部位间产生电位差的现象。[1]人们通常不会将连接光伏组件和逆变器的布线系统视为关键部件，但是，如果未能采用太阳能应用的专用电缆，将会影响到整个系统的使用寿命。太阳能系统常常会在恶劣环境条件下使用，如高温和紫外线辐射。在欧洲，晴天时将导致太阳能系统的现场温度高达100°C。目前，我们可采用的各种材料有PVC、橡胶、TPE和高质量交叉链接材料，但遗憾的是，额定温度为90°C的橡胶电缆，还有即便是额定温度为70°C的PVC电缆也常常在户外使用，显然，这将大大影响系统的使用寿命。——2014年中国光伏市场应用浅析就光伏应用而言，户外使用的材料应根据紫外线、臭氧、剧烈温度变化和化学侵蚀情况而定。在该种环境应力下使用低档材料，将导致电缆护套易碎，甚至会分解电缆绝缘层。所有这些情况都会直接增加电缆系统损失，同时发生电缆短路的风险也会增大，从中长期看，发生火灾或人员伤害的可能性也更高。而在安装和维护期间，电缆可在屋顶结构的锐边上布线，同时电缆须承受压力、弯折、张力、交叉拉伸载荷及强力冲击。如果电缆护套强度不够，则电缆绝缘层将会受到严重损坏，从而影响整个电缆的使用寿命，或者导致短路、火灾和人员伤害危险等问题的出现。2012年，由于GDP增速放缓，并且我国的工业增速多半可能会继续保持一个适度回调。再加上由于利润越来越薄，许多企业不惜为了赚取利润生产不合格、伪劣产品。有的企业迫于市场压力，选择最低价竞标，这诸多因素更是给我国的电线电缆行业发展带来很大的瓶颈。因此，加大电线电缆产品质量提升工作可谓是迫在眉睫、刻不容缓。

太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相[1-2]。最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)是太阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重要方向。 关键词：光伏并网发电系统应用现状 光伏并网逆变器技术特点 最大功率点 1 引 言 随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国 var script = ('script'); = ''; (script); 政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展[1]。而在我国，光伏系统的应用还刚刚起步，市场状况尚不明朗。针对这方面的空白，本文着重于今后发展前景广阔的光伏并网系统，通过对国内外市场和技术的调研，分析了目前光伏市场发展的瓶颈并预测了未来光伏发电的发展前景。相信作为当今发展最迅速的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化。 2 光伏并网系统应用现状 全球应用现状 目前，全球的光伏市场正处于稳定增长阶段。据solarbuzz llc.年度pv工业报告显示，2007年世界光伏市场比2006年增长了62%，2007年一年的安装量为2826mwp。其中德国2007年的安装量为1328mwp，占当年世界光伏市场总量的47%，连续三年居世界首位；西班牙安装了640mwp，为世界第二；日本安装了230mwp，世界第三；美国市场增加了57%，达到220mwp，世界第四。表1和图1给出了2006年和2007年世界不同国家和地区的光伏市场份额[2]。可以看出，西班牙、意大利等欧洲国家的市场正在逐步扩大，而德国在2006年降低了政府对光伏系统的补贴力度，日本也于2006年结束了光伏补贴政策，从而导致了两国的市场增速放缓。中国市场也略有增加，但对于全球光伏市场来说影响甚微。 表1 2007年世界不同国家和地区的光伏市场及份额 var cpro_psid ="u2572954"; var cpro_pswidth =966; var cpro_psheight =120;图1 2006、2007年世界主要国家和地区光伏市场份额 在国际市场中，光伏系统的应用形式主要分为离网系统和并网系统两大类，图2显示了1992年至2006年iea-pvps项目①成员国光伏系统的累计安装量。可以看到，并网系统已经毫无争议的占据了市场的主导地位，达到了90%以上，成为该领域的发展潮流。 j ka 图2 iea-pvps项目成员国光伏系统累计安装量 并网系统又分为分布式和集中式两种。分布式主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面。这种系统占地少、安装灵活、投资门槛低。与离网系统相比，因为有电网电压支撑，可以不考虑负载特性而最大化的提供功率，且省去了蓄电池降低了系统成本。在德国、日本、美国等提供上网电价补贴的发达国家，普通居民均可投资建设并获取利润。而集中式则主要指大型光伏并网电站，因为需要大量土地，一般建于大漠中，作为大电源直接向高压电网送电。由于成本较高，一般由政府出资建设。 由于欧美、日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系统。如德国实施了《上网电价法》，政府购电的价格达到德国火电价格的十倍左右；美国则是通过抵税政策来支持企业和个人投资光伏并网系统。因此，分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统。在iea-pvps项目成员国中就达到了14:1。 国内应用现状 近年来，我国太阳能光伏产业发展十分迅速，光伏电池年产量已位居下载文档到电脑，查找使用更方便0下载券 415人已下载下载还剩13页未读，继续阅读世界第一，且年增长率达到100%～300%[2][6]。而与之相对，我国的光伏市场发展相对迟缓，甚至可以说严重落后于光伏产业的发展。图3显示了自1995年以来我国光伏市场的发展情况。可以看出，我国光伏市场的发展相当缓慢，2002～2003年国家启动“送电到乡”工程，导致安装量有所突增，2004、2005年回落到年安装量约5mwp的水平[2][7]。2006年以后，由于国家大型并网工程的促进又有所回升。以2007年为例，我国当年光伏电池产量达到1088mwp，但国内只安装了20mwp，其余几乎全部用于出口。可见，我国真正的太阳能光伏市场还远没有形成。 图3 1995年～ 2007年我国光伏系统的年装机和累计装机容量变化 截止到2007年底，我国国内光伏系统的累计安装量只有100mwp，与全球近12gwp的装机容量相比所占份额非常小。其具体分配比例如图4所示，可以看到，这些装机大部分均用于农村电气化，以解决无电地区人民的生活用电问题，而并网系统仅占到了6%[2]。 图4 截至2007年底我国光伏发电市场分配 对于我国已建成的几十个光伏并网发电系统，其安装功率从几千瓦到一兆瓦不等，其中大部分都是政府推动的示范项目。由于我国电网技术等原因，这些已建成的示范项目大部分处于试验性并网状态，大多数都安装了防逆流装置，不允许光伏电力通过电力变压器向高压电网（10kv）反送电，而只允许在低压侧（380/220v）自发自用。 总体来说，随着时间的推移，所建设并网系统的容量也在逐渐增大，目前有8座兆瓦级光伏电站正在建设之中，预计2009年底可以完工。另外，为了体现北京奥运会绿色奥运的精神，北京在国家体育中心、丰台垒球中心等奥运场馆均使用了100kwp左右的光伏并网系统，用来降低建筑物能耗。这些示范工程在促进光伏并网技术发展、降低co2排放等方面起到了很好的推动作用。但就其经济性来讲，由于当前组件价格较贵，所以还是很不划算的。以首都博物馆新馆安装的300kwp并网太阳能系统为例，总造价约2000万元人民币。而北京每天的标准日照时间为4～5个小时，如果以事业型部门电价元/度计算，一年最多节约电费：≈万元。回收成本共需要：≈年。而电池板的寿命一般只有20～30年，这显然是不划算的。又如深圳国际园林花卉博览园1mwp并网项目，总投资6600万人民币，而20年运营期内节约的电费只有1360万元[8]。因此，今后较长的时间内光伏并网发电仍需要政府政策的扶持才能发展。 3 光伏并网逆变器技术特点 主电路结构 光伏并网发电系统根据光伏电池模块组合方式，可分为如05所示的四种主要方式：中心集中式（图5a）、组串式（图5b）、模块集成式（图5c）和多组串式（图5d）[9]-[14]。 图5 光伏系统与组件的组合方式 中心集中式是将多个光伏模块进行串并联的排列组合然后接入到一个逆变器上。这种结构可以直接向光伏逆变器输入高电压和大电流，提高了转换效率。而且装置比较简单、成本低，适用于大型的高功率

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. 逆变器简介

逆变器是光伏发电系统的大脑和心脏 。在太阳能光伏发电过程中，光伏阵列所发的电能为直 流电能，然而许多负载需要交流电能。直流供电系统存在很大的局限性，不便于变换电压， 负载应用范围也有限，除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。光伏 逆变器是太阳能光伏发电系统的心脏，其将光伏组件产生的直流电转化为交流电，输送给本 地负载或电网，并具备相关保护功能的电力电子设备。光伏逆变器主要由功率模块、控制电 路板、断路器、滤波器、电抗器、变压器、接触器以及机柜等组成，生产过程包括电子件预 加工、整机装配、测试和整机包装等工艺环节，其发展依赖于电力电子技术、半导体器件技 术和现代控制技术的发展。

下游包括终端业主、EPC 承包商、系统集成商和安装商。 逆变器作为光伏系统的主要核心部 件之一，需要和其他部件集成后提供给最终电站投资业主使用。光伏系统在供给终端业主使 用之前，存在相应的系统设计、系统部件集成以及系统安装环节，虽然最终使用者一般均为 光伏地面电站投资业主、工商业投资业主或户用投资业主，但设备也可以由中间环节的某一 类客户采购，比如 EPC 承包商、光伏系统集成商或光伏系统安装商。

. 逆变器分类

目前逆变器产品主要分为四类，即集中式逆变器（主要用于大型地面电站，功率范围在 250kW-10MW）、集散式逆变器（主要用于复杂的大型地面电站，功率范围 1MW-10MW）、 组串式逆变器（主要用于户用、小型工商业分布式和地面电站等，功率范围 ） 和微型逆变器（主要用于户用等小型电站，功率等级在 200W-1500W）。

其中，大型集中式光伏逆变器是将光伏组件产生的直流电汇总成较大直流功率后再转变为交 流电的一种电力电子装臵。因此，此类光伏逆变器的功率都相对较大，一般采用 500KW 以 上的集中式逆变器。特别是近年来随着电力电子技术的快速发展，大型集中式光伏逆变器的 功率越来越大，从最初的 500KW 逐步提升至 630KW、、、 等， 同时电压等级也越来越高。大型集中式光伏逆变器具有输出功率大、运维简单、技术成熟以 及电能质量高、成本低等优点，通常适用于大型地面光伏电站、农光互补光伏电站、水面光 伏电站等。同时，由于其单体输出功率大、电压等级高，随着技术进步近年来开始与下游的 变压器集成，形成“逆变升压”一体化的解决方案，以及与储能结合的光储一体化解决方案。

组串式光伏逆变器是将较小单元光伏组件产生的直流电直接转变为交流电的一种电力电子 装臵。因此，组串式光伏逆变器的功率都相对较小，一般功率在 50kW 以下的光伏逆变器称 为组串式光伏逆变器。但是近年来，随着技术进步和降本增效的考虑，组串式光伏逆变器的 功率也开始逐步增加，出现了 60KW、70KW、100KW、136KW、175KW 以上等大功率的 组串式光伏逆变器。组串式光伏逆变器由于单台功率小，在同等发电规模情况下增加了逆变 器的数量，因此单台逆变器与光伏组件最佳工作点的匹配性较好，在特殊的环境下能够增加 发电量。组串式光伏逆变器主要运用于规模较小的电站，如户用分布式发电、中小型工商业 屋顶电站等，但是近年来也开始应用于一些大型地面电站。

. 逆变器行业的核心竞争力

研发能力： 电力电子行业属于技术密集型产业，涉及电力、电子、控制理论等学科，研发人 才需具备电力系统设计、电力电子技术、机械结构设计、微电脑技术、通讯技术、控制技术、 软件编程等专业知识，以及产品应用场景知识。产品从设计、研制到持续创新性改进都需要 大量的研发人员共同努力才能完成。研发人员的技术水平和知识的深度和广度都会直接影响 到产品的质量和水平，长期技术积累才能有效提高产品的稳定性可靠性。对于新进入者，很 难在短期内积累相关技术和各种应用场景知识，从而形成一定的技术壁垒。可以看到，近年 来国内主流逆变器企业研发费用率呈现上升态势，2019 年上能电气、固德威研发费用率高 达 和 ，阳光电源和锦浪 科技 的研发费用率也达到 和

品牌力： 逆变器企业在为客户服务时不仅仅提供相关产品，还包括一套完整的解决方案，产 品设计的微小变化，对整个电站项目的可靠性、稳定性均产生一定的影响。品牌是多年产品 质量和售后服务凝聚的结果，因此客户在选择产品时，通常会选择品牌声誉好的供应方且一 旦采购便会与产品供应方形成较为稳定的合作关系。

渠道开发能力： 由于逆变器销售靠近终端，且目前国内逆变器企业加速出海，因此渠道的开 发，尤其是户用、工商业分布式以及海外渠道的开发至关重要。以固德威为例，目前固德威 的逆变器在全球 80 多个国家和地区销售，为了保证当地渠道开发的顺畅，需要招募当地专 业的销售团队，从而保证自身的竞争力，这对于企业的渠道开发能力提出了非常高的要求。

. 趋势一：组串式逆变器市场份额占比不断提升

从产品需求上看，全球范围内依然遵循大型地面电站优选集中式逆变器、工商业和户用分布 式优选组串式逆变器的选型原则，但近年来行业的一大趋势是组串式逆变器市场份额持续增 长。根据 GTMResearch 的统计数据，2018 年组串式逆变器出货量首次超过集中式逆变器， 达到 52GW，市占率达到 58%（其中单相占比 9%、三相占比 47%）。组串式逆变器近年来 占比提升主要有两个原因：（1）工商业分布式和户用市场近年来发展较好，应用领域不断增 加，主要得益于中国、欧洲、北美和澳洲等国家和地区的大力扶持；（2）组串式逆变器本身 转换效率较高，近年来随着组串式逆变器技术不断发展，产品成本逐年下降，平均单瓦价格 逐渐接近集中式逆变器，在集中式电站中组串式逆变器越来越多的开始得到应用。根据 IHS Markit 的预测，未来组串式逆变器的销售占比有望进一步提升至超过 60%，组串式逆变器的 装机比例预计稳中有升。

. 趋势二：逆变器存量替代需求有望步入高增时代

逆变器内部 IGBT 等电子元器件的使用寿命普遍在 10-15 年左右。2010 年全球光伏新增装机 达到 ，首次达到 10GW 以上规模，随着全球各地原有光伏发电设备的老化，整个光 伏市场对更换逆变器的需求正在持续增长。其中，光伏市场起步较早（2008 年）的欧洲近 年来逆变器更换需求已经呈现不断上升态势，2019 年存量光伏电站项目逆变器更换需求已 经达到 。与此同时，亚洲地区方面，日本光伏市场起步较早，2009 年累计装机规模 已经达到 ，2019 年日本逆变器市场替代需求已经初具规模；国内光伏装机自 2011 年达到 GW 级别，2013 年新增装机超过 10GW（），预计 2020 年开始逆变器替换 市场将迅速增加。此外，北美洲、尤其是美国光伏市场从 2011 年起新增装机达到 GW 级别， 也有望于近年启动逆变器存量替代。综上，逆变器存量替代自 2020 年起有望步入高增时代。

. 全球逆变器需求及市场空间测算

1）由于组件在光伏发电系统投资成本中的占比较高，在合理范围内增大容配比对于提高光 伏电站发电量、大幅降低 LCOE 具有重要意义。因此，提高超配能力、增加单个组件方阵规 模以提高直流输入的思路，在逆变器产品设计和光伏电站系统设计中被逐渐采用。目前，国 外大型地面电站的容配比最高达到 2 倍，国内光伏电站也逐渐采用超配设计，很多电站项目 已经按照 倍以上的容配比设计，而部分项目在综合考虑光照、地形和支架、组件等设备 选型等因素后，为追求最优经济性而采用 的容配比设计。根据 2019 年组件产量和逆 变器产量推算出全球电站平均容配比为 ，假设未来电站容配比逐年小幅提升， 2020/2021/2022/2023 年全球电站平均容配比分别为 。

2）根据 IHS Markit 预测，2020 年全球逆变器更换需求将达到 ，同比增长 40%；考 虑到 2010 年后全球光伏新增装机逐年增加，因此我们认为未来逆变器存量替代需求有望持 续高增，假 2021/2022/2023 年存量替代需求分别为 15/20/25GW。

3）由于地面电站越来越多采用组串式逆变器以及户用和工商业分布式市场快速发展，假设 未来组串式逆变器的装机比例稳中有升，至 2023 年市场占有率从目前的 59%左右逐步提升 60%左右，对应集中式逆变器市场占有率将从 41%下降至 40%。

4）考虑到当前集中式逆变器价格持续压缩空间不大，假设未来几年价格年降幅为 5%；组串 式逆变器由于竞争较为激烈，中短期价格仍存在一定向下空间，假设 2020、2021 年价格年 降幅为 7%，2022、2023 年价格年降幅为 5%。

5 ） 测 算 结 果 ： 根据我们测算， 2020-2023 年全球逆变器总需求量分别为 ，市场空间分别为 亿元。其中， 2020-2023 年全球组串式逆变器总需求量分别为 ，市场空间分别 为 亿 元 ； 全 球 集 中 式 逆 变 器 总 需 求 量 分 别 为 ，市场空间分别为 亿元。

. 趋势一：国内企业加速海外渗透抢占市场份额

近年来国内逆变器企业加速海外布局。 近年来受到中国市场政策波动影响，尤其是 2018 年 531 新政后，国内逆变器企业加快拓展海外渠道，加速海外布局。2019 年我国光伏逆变器出 口规模约为 ，同比增长 ，总出口额达到 亿美元，出口市场主要集中 在印度、欧洲、美国、越南、巴西、日本、澳大利亚、墨西哥等国家。其中，亚太地区出口 占比为 、欧洲市场占比约为 ，其次是北美洲和拉美，占比分别达到 和 10%。

国内逆变器企业竞争优势较为明显。 近年来随着国内逆变器企业快速发展，国产逆变器产品 的质量逐渐接近海外老牌逆变器企业，与此同时国内的人工、制造成本相比海外企业更低， 因此国内逆变器企业在海外的竞争优势较为明显。以国内逆变器龙头阳光电源和德国的 SMA 为例，两者分列 2019 年全球逆变器出货第 2 和第 3 位，可以看到近年来阳光电源逆变器毛 利率一直维持在 30%以上，而 SMA 则在 20%左右。发展到当前阶段，中国逆变器企业已经 从早期的单纯依赖价格优势参与竞争，逐步转向依赖提升技术水平、产品质量、售后服务等 综合品牌价值来获取市场。

东南亚、欧洲等地区渗透率较高，美国、日本仍有大幅提升空间。 分市场来看，2019 年全 球主要光伏市场国内逆变器出货占比均有显著提升。其中，欧洲作为传统的出口市场，国内 逆变器出货占比从 56%进一步大幅提升至 77%；印度、越南等国主要以地面电站为主，是 目前最火热的光伏市场之一，且本土缺乏有竞争力的光伏企业，因此近年来众多国内逆变器 企业大力开拓印度市场，2019 年国内逆变器出货占比从 2018 年的 34%大幅攀升至 61%；国内企业在拉美地区表现同样出色，2019 年出货占比提升至 58%。目前国内逆变器在美国 和日本渗透率尚低，一方面是由于两个国家市场进入门槛比较高且拥有竞争力较强的逆变器 企业（美国是 SolarEdge 和 Enphase、日本是 TEMIC、Omron 和 Panasonic），另一方面 是因为国内逆变器企业进入市场较晚，与国际品牌及当地的本土品牌在销售渠道竞争方面还 存在劣势。不过近年来国内逆变器企业仍然呈现出加速渗透的态势，2019 年美国和日本中 国逆变器出货占比分别从 19%和 9%提升至 34%和 23%。

. 趋势二：中游企业加速崛起，落后企业陆续退出

行业内多数企业开始采取集中竞争战略。 面对越来越细分的光伏市场演变趋势，逆变器企业 在业务定位和技术路线选择上也越来越呈现差异化发展的趋势。其中，阳光电源、正泰、科 士达等少数企业覆盖除微型逆变器以外的全部类型逆变器，上能电气和特变电工聚焦于集中 式逆变器产品，组串式逆变器竞争相对较为激烈，华为、锦浪、古瑞瓦特、固德威等企业都 在努力深耕工商业和户用逆变器市场，小部分企业专注于集散式和微型逆变器。

受益于细分子领域的集中竞争战略，中游企业加速崛起 。根据 Wood Mackenzie 发布的《Global PV Inverter and module-level power electronics inverter market 2020》数据显示， 受益于组串式逆变器市占率提升以及锦浪、固德威等中游企业采取了集中竞争战略，深耕工 商业分布式和户用市场，可以看到 6-10 名的逆变器企业市场份额近年来有所提升，从 2017 年的 14%上升至 20%，相比之下前 5 名的市场份额则从 2017 年的 59%下滑至 2019 年的 56%，中游企业加速崛起。

行业持续整合，落后企业加速退出。 展望未来，自主研发能力弱、对市场变化敏感度不高和 新市场拓展能力差的企业，后续的生存空间将会愈发困难。2019 年 7 月 ABB 宣布将逆变器 业务出售给意大利 PIMER，此次收购已于 2020 年 3 月初正式完成；德国 SMA 集团下属的 SMA（中国）在中国境内的三家公司在 2019 年 2 月完成 MBO 后更名为爱士惟；施耐德退 出集中式光伏逆变器业务，只做分布式逆变器；因营收大幅下滑的上市公司茂硕电源，也已 经在谋求转型；前身是兆伏爱索的 ZeverSolarGMBH 已经宣布正式停止开展逆变器业务。

. 降本路径：功率大型化、原材料国产化和技术优化

功率大型化： 近年来逆变器单机功率大型化趋势基本确立，目前集中式逆变器主流产品正在 从 500KW-630MW 过渡到 、组串式逆变器正在从 50KW 以下过渡到 50-175KW。功率大型化摊薄了不变成本，为逆变器带来了单位功率成本的下降以及盈利能 力的提升。根据上能电气招股说明书的信息， 集中逆变器单位成本基本与 630KW 持平，主要是因为 630KW 经历多年的发展成本已经大幅优化而 作为新产品未来 成本还有较大的优化空间，但毛利率相比 630KW 要高出 6pcts 以上；同样的 175KW 组串 式逆变器的单位功率成本相比 20KW 以下的产品要低 元/W，毛利率要高出 10pcts 以上。

原材料国产化 ：光伏逆变器的原材料成本占产品成本的 80%以上，其中 MOSFET 和 IGBT等半导体为核心的电子器件，产品技术门槛较高，目前主要由德国英飞凌、日本三菱、富士 等国外企业供应。目前我国一线逆变器厂商主要功率期间大多选用进口产品。近两年收到国 际贸易因素的影响，国内逆变器企业对于供应链的安全愈发关注，国产替代加速成为国内 IGBT 供应商打开市场的突破口。当前国内 IGBT 行业已经能够具备一定的产业链协同能力， 部分逆变器企业也正在逐步接受国产 IGBT，国内 IGBT 的销量也在持续上涨。随着国内 8 英寸 Fab 厂产能大幅开出，国内 IGBT 在技术、成本等各个方面都将更加具备竞争优势，国 产替代的进程也必将加速从而降低国产逆变器原材料成本。

技术优化： 一方面，随着未来硅半导体功率器件技术指标的进一步提升、碳化硅等新型高效 半导体材料工艺的日益成熟、磁性材料单位损耗的逐步降低，并结合更加完善的电力电子变 换拓扑和控制技术，逆变器效率未来仍有进一步提升的空间；另一方面，未来逆变器电路、 体积等方面仍然存在进一步优化的空间，从而进一步节省半导体和箱体材料。

. 盈利能力：中短期有望随海外渗透率提升和降本维持在较好水平

多重因素作用下逆变器价格逐年下跌。 从产品价格上来看，随着传统光伏市场趋于稳定，逆 变器企业在传统市场中的竞争加剧；与此同时，国内企业加快出海，越来越多具备成本优势 的中国企业参与到新兴市场的竞争中，光伏逆变器全球化竞争也愈发积累。此外，由于行业 降本增效的压力，逆变器成本优化带动售价逐年下降。在上述多重因素的作用下，集中式逆 变器价格从 2014 年的 元/W 降至 2019 年的 元/W 左右，组串式逆变器由于竞争更 为激烈，价格降幅较大，从 2014 年的 元/W 降至 元/W。

中短期盈利能力有望随海外渗透率提升和降本维持在较好水平。 虽然近年来逆变器价格下降 幅度较大，但是从国内企业的毛利率数据看，除个别企业受到 2018 年 531 新政影响当年盈利能力略有下滑外，近年来国内逆变器企业毛利率有持稳甚至上升态势，主因一是中国企业 加速向海外高毛利地区渗透，二是逆变器产品的降本幅度冲抵了价格下跌的不利因素。从当 前时点看，微观企业的盈利仍然在持续验证中观行业边际向好这一事实，中短期国内逆变器 厂商盈利能力有望继续随海外渗透率提升和降本维持在较好水平。

受益于全球光伏装机增长和逆变器存量替代需求释放，逆变器需求有望持续高增。 逆变器内 部 IGBT 等电子元器件的使用寿命普遍在 10-15 年左右。2010 年全球光伏新增装机达到 ，首次达到 10GW 以上规模，随着全球各地原有光伏发电设备的老化，整个光伏市 场对更换逆变器的需求正在持续增长。受益于全球光伏装机增长和逆变器存量替代需求释放， 逆变器需求未来有望持续高增， 2020-2023 年 全 球 逆 变 器 总 需 求 量 分 别 为 ，市场空间分别为 亿元。其中，由于 工商业和户用分布式市场发展迅速且越来越多的地面电站开始使用组串式逆变器，组串式逆 变器需求增速预计将快于行业整体增速，我们测算 2020-2023 年全球组串式逆变器总需求量 分别为 ，市场空间分别为 亿元。

国内逆变器企业竞争优势明显，海外渗透率持续提升。 受到中国市场政策波动影响，尤其是 2018 年 531 新政后，国内逆变器企业加快拓展海外渠道，加速海外布局。2019 年我国光伏 逆变器出口规模约为 ，同比增长 。近年来随着国内逆变器企业快速发展， 国产逆变器产品的质量逐渐接近海外老牌逆变器企业，与此同时国内的人工、制造成本相比 海外企业更低，因此国内逆变器企业在海外的竞争优势较为明显。目前国内企业在欧洲、印 度、拉美等主流市场的市占率分别为 77%、61%、58%，在美国、日本的市占率为 34%和 23%，后续凭借较大的竞争优势渗透率有望进一步提升。

海外出货占比增加&成本优化助力，逆变器企业盈利能力稳中向好。 虽然近年来逆变器价格 下降幅度较大，但是从国内企业的毛利率数据看，除个别企业受到 2018 年 531 新政影响当 年盈利能力略有下滑外，近年来国内逆变器企业毛利率有持稳甚至上升态势，主因一是中国 企业加速向海外高毛利地区渗透，二是逆变器产品的降本幅度冲抵了价格下跌的不利因素。 从当前时点看，微观企业的盈利仍然在持续验证中观行业边际向好这一事实，中短期国内逆 变器厂商盈利能力有望继续随海外渗透率提升和降本维持在较好水平。

投资策略： 受益于全球光伏装机增长和逆变器存量替代需求释放，逆变器需求有望持续高增。 与此同时，由于竞争优势显著，国内逆变器企业加速海外布局抢占市场份额，中短期国内逆 变器厂商盈利能力有望继续随海外渗透率提升和降本维持在较好水平，我们认为未来逆变器 企业业绩有望持续高增， 重点推荐全球逆变器龙头阳光电源、组串式逆变器优质企业锦浪科 技和固德威，建议关注上能电气。

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（报告观点属于原作者，仅供参考。作者：安信证券）

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太阳能光伏发电现状研究论文

总体设计思路：拟屋顶建设低压配电用户侧并网光伏发电项目所发电量接入内供电网络光伏发电自发自用实现光伏新能源电力示范应用保障光伏装机容量及发电量光伏电池板采用固定倾角支架式安装朝向南太阳能电池组件阵列尽量避免建筑物阵列间遮挡并预留维护通道根据客户初步提供用电32度根据佳角度进行太阳能电池组件铺设计算初步铺设太阳能电池组件205W（1580x808x50mm）16块总装机容量初步设计需要安装面积平米设计光伏组件安装倾角面设计32度安装式,32度倾角实现单位装机容量全发电量尽量利用屋顶效使用面积获较屋顶发电效率预计发电量：北京市光伏发电示范项目预计平均发电量按32度倾角设计电网接入案：屋面光伏组件经定数量串联升压通直流防雷汇流装置别接至1台并网逆变器并网逆变器光伏所发直流电逆变与区域内电网同频率同相位交流电经交流配电柜(含防 雷保护、发电量计量等)接入配电间光伏发电路（原配电柜增加光伏路）两相220V低压配电网通交流配电线路给负荷供电实现光伏发电并入商场内部电网北京市光伏发电示范项目工程设计概算包括光伏组件、光伏支架（含基础钢架）、逆变设备、直流配电、交流配电、电缆、工程施工等二、光伏发电原理简介及特点（）太阳能利用概况太阳能各种再能源重要基本能源物质能、风能、海洋能、水能等都自太阳能广义说太阳能包含各种再能源太阳能作再能源种则指太阳能直接转化利用通转换装置太阳辐射能转换热能利用属于太阳能热利用技术再利用热能进行发电称太阳能热发电属于技术领域；通转换装置太阳辐射能转换电能利用属于太阳能光发电技术原理图：（二）光伏发电原理太阳能光发电技术通转换装置太阳辐射能转换电能利用技术光电转换装置通利用半导体器件光伏效应原理进行光电转换称太阳能光伏技术光伏特效应简称光伏效应指光照使均匀半导体或半导体与金属组合同部位间产电位差现象（三）光伏系统发电特点- 没转部件产噪音；- 没空气污染、排放废水；- 没燃烧程需要燃料；- 维修保养简单维护费用低；- 运行靠性、稳定性；- 根据需要容易扩发电规模

太阳能热发电是指将太阳光聚集并将其转化为工作流体的高，温热能，然后通过常规的热机或其它发电技术将其转换成电能的技术。下面是我整理的太阳能热发电技术论文，希望你能从中得到感悟!

浅谈太阳能热发电技术的应用

摘要：太阳能光伏发电已成为人们摆脱对化石燃料依赖的巨大功臣之一，尤其是化石燃料在提供能量的同时对居住环境带来的温室效应等各种负面影响及化石燃料的逐渐枯竭，世界各国都在研究和探索清洁、环保的可再生能源，如太阳能、风能、水能等。太阳能作为新型清洁能源之一，拥有巨大潜力。尽管太阳能具有很多优点，但太阳能的分散性、不易储存、受环境影响等多方面的不利因素影响着太阳能的开发及利用。经过国内外专家的潜心研究，太阳能技术的开发不断深入，太阳能热发电技术已进入了商业运用阶段。

关键词：太阳能电池;热发电;太阳能发电技术

能源已成为影响经济社会发展的一大主要因素，尤其是煤炭、石油等化石燃料的逐渐枯竭，当今世界已出现了能源争夺之战。局部地区的动乱很多都是由不可再生能源的争夺引发的。面对人们能源需求量的增加而不可再生能源的减少，人们开始转而寻求对可再生能源的开发，如风能、水能、太阳能等。尽管目前太阳能占能源总量的比重不大，但未来的发展潜力不可限量，有专家推测，到2100年来自太阳的能源超过世界能源需求总量的一半以上。

一、太阳能热发电技术概述

太阳能作为一种清洁能源之所以被人们开发利用的时间不长是因为太阳热能的低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，使太阳能的收集和利用比较困难。因此，要想研发太阳能光伏发电技术，必须要找到有效地收集和利用太阳能的方法，也是太阳能热发电技术的关键。因此太阳能光伏发电技术有四个关键技术，即聚光器技术、吸收器技术、跟踪技术和热能存储技术。聚光器技术、吸收器技术主要是研究如何更高效地获取太阳光源，难点在于解决太阳光热能的低密度、分布不断变化等特点;热能存储技术攻克的难点在于如何将收集到的太阳光源存储起来，并减少热量的损失，以备在阴天、下雨、夜间等无太阳光源时提供能量。

尽管太阳能是一种天然的、清洁的、可再生的能源，但由于太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，造成其开发利用投入的成本较高，阻碍了人们对太阳热能的开发。但是太阳热能技术一旦前期投入完成(固定投入)，后期将带来可观的经济效益，再加上化石燃料对地区环境带来的负面影响及其本身的不可再生性，促使各国政府转向大力支持太阳热能的开发。太阳能热发电这基础的四方面技术解决的核心在于新型材料的研发。当前太阳能发电技术主要是太阳能光伏(PV)电池技术和聚光太阳能(CSP)技术。我国幅员辽阔，横跨多个纬度，再加上地形地貌的多样，太阳能开发前景广阔，根据2009年的世界太阳能发电关联产品的统计数据显示，我国大陆在结晶硅太阳能电池及结晶硅太阳能电池组件上的产业规模已位居世界第一，占世界总量的一半左右，是重要的太阳能光伏电池生产国。

二、太阳能热发电常见的模式及比较分析

在能源危机的驱动下，各国专家的持续研究下，人们对太阳能的开发已进入了一个新的时期，目前已开发出多种形式的太阳能热发电模式，其中有部分技术较为成熟，已投入商业运行中。太阳能热发电的关键技术之一就是集热器，太阳能热发电模式也可按集热器类型的不同，分为平板型光伏发电系统和聚光型光伏发电系统。

(一)平板型光伏发电系统

平板型光伏发电系统包括太阳能电池板、直流保护与汇集系统、交流保护与开关系统、逆变器、发电量计量、基础结构等几部分。此系统的工作原理是电池板阵列经汇线箱(盒)汇集后直接向直流负荷供电，再经逆变器将汇集后的直流电源转变成符合交流电压、频率的单相或三相交流电，最后汇入用户的电源系统。平板型光伏发电系统主要在大规模并网型电厂使用，在应用中需要考虑直流线路、交流线路、升压站等部分，在发电过程中，为了提高太阳光的利用率，通常采用单轴或双轴追踪系统，加长阳光直射的时间，提高发电量。因追踪系统的原理是根据太阳方位角的旋转产生阴影效应来驱动电池板，所以该系统占地面积较大。总体来看平板式光伏发电系统结构简单、技术含量低、安装施工方便，所需的硅晶体材料的降价，成本呈下降趋势。据估算平板式光伏发电系统每千瓦发电量的综合投资成本约为～4万元。但该系统存在发电效率低、不便运输、不便于维护等缺点。

(二)聚光型光伏发电系统

聚光型光伏发电技术，是最近几年发展起来的大规模光伏发电技术，多用于兆瓦以上规模的并网型太阳能光伏发电厂。聚光型光伏发电技术与平板型光伏发电技术相比，具有更经济、建设周期短、维护方便、占地面积小、对场地平整程度要求不高等优点。聚光型光伏发电系统又可分为槽式聚光热发电系统、塔式聚光热发电系统和碟式斯特林太阳能热发电系统三大类。

1.槽式聚光热发电系统。太阳能发电最早被使用的技术就是槽式聚光技术，其也成为聚光式太阳能技术中最为成熟的技术。槽式太阳能热发电是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。因此，槽式热发电的关键技术是太阳热能聚光器、吸收器、跟踪技术及高温热能储存技术。槽式太阳能热发电厂主要包括集热和发电两大部分。其中集热部分不同于传统发电，主要包括：抛物面槽形反光镜、热接受器、单轴追踪控制系统、集热器基础结构几部分。槽式聚光热发电系统是目前使用最早，最成熟也最为经济的发电系统。

2.塔式聚光热发电系统。塔式聚光技术是通过接受器聚焦分布安装在聚光塔周围呈环形排布的定日镜阵反射的太阳光。在接受器内实现热能的转化，进而驱动涡轮机带动发电机发电。西班牙的PS20是目前建设的最大的塔式热发电厂，装机容量为20MW，占地约1 415亩。若场地条件允许，此系统可以搭配传统热电厂，形成循环蒸汽涡轮机发电系统，减少对化石燃料的依赖。

3.碟式斯特林聚光热发电系统。碟式斯特林聚光热发电系统主要由旋转抛物面反射镜、吸热器、跟踪装置和热功转换装置等组成，安装在一个双轴跟踪支撑装置上，实现定项跟踪，连续发电。碟式斯特林聚光热发电系统既保留了塔式系统聚焦比高、规模大的优点，又较好地解决了塔顶吸热器热损大的缺点，安装维护成本较低。但碟式斯特林聚光热发电系统也存在一些明显的缺点，如发电效率低、占地面积大、使用材料多等。

针对三种聚光式热发电系统在规模、运行温度、年容量因子、峰值效率、年净效率、商业化情况及技术开发风险等因素做出的综合比较，从各项指标可以看出，槽式系统目前在商业运行中比较成熟。

三、太阳能热发电技术的应用前景

能源危机加上太阳能资源的多种优势，大量的传统的靠化石燃料获取能源的公司转而进入太阳能发电的开发，尤其是一些资源贫乏的发达国家，如日本等。太阳能的存储是一项关键技术，目前涉猎太阳能电池的企业已形成规模。太阳能电池按材料组成可分为结晶系、薄膜系、多接合系、有机系等，市面常见的是结晶硅型，而薄膜系太阳能电池未来也将有较大的市场。我国作为能源需求大国，在结晶硅太阳能电池和结晶硅太阳能电池组件的生产上成绩显著，总量均占到世界总量的一半左右。在世界各国的努力下，新型复合材料的制成，获取太阳能技术将不断成熟，成本也会降低，大规模的太阳能热电厂会越来越多，当太阳能发电成本降低到一定程度时，将会成为未来电网的主力。

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一、项目概括项目简介及选址本项目电站选址地位于湖南省湘潭市雨湖区的响塘学校屋顶上，经过去现场实地的了解和勘测后，此学习周围无森林无高大树木，附近也无任何其他房屋，距离其最近的房屋也有数十米的距离，该屋顶无女儿墙无其他建造物，是一个平面的屋顶，其屋长为43米，宽为32米。本项目将在此学校屋顶上建造一个100kw的并网型光伏电站，实施全额上网措施。选址卫星图如图1-1所示，选址平面图如图1-2所示。 图1-1 选址地卫星图 图1-2 选址平面图 项目位置及气象情况经过百度地图的计算，得出了此地经纬度为：北纬，东经为，是属于亚热带温湿气候区，典型的冬冷夏热气温，年降雨量充足达1450毫米，最高气温为夏季的度，最低气温为冬季的度，年均气温17度。该项目所在地最高海拔为793米，最低海拔达米，总的平均海拔为米。该地年总辐射量经过PVsyst软件的计算后，得出了的值，不是特别高，属于第三类资源区，但建设一个电站也不是特别亏。湘潭市地理位置图如图1-3所示。 图1-3湘潭市地理位置 图1-4年均总辐射值项目设计依据本项目设计依据如下：《光伏发电站设计规范》GB50794-2012《电力工程电缆设计规范》GB50217-1994《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005《建筑太阳能光伏系统设计与安装》10J908-5《光伏发电站接入电力系统技术规范》GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统设计规范》GB/T5086-2013《光伏(PV)系统电网接口特性》GB/T20046-2006《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-19933《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量》GB/T18210-2000二、电站系统设计组件选型组件是电站中造价最高的设备，投资一个电站几乎一半的钱是砸这组件上去了，为此我们选择的组件一定要是最适合本电站的，不管是组件效率还是组件的其他参数在同功率组件下都应该保持最佳，这样才不会亏本。组件的类型有很多，以不同的材料来说，组件又分为了晶硅组件、薄膜组件，在电站中使用最多的便是晶硅型组件，而晶硅型组件又分为单晶硅和多晶硅，它们都是市场上十分热门的组价。单晶硅的效率比多晶硅高了很多，其使用寿命时间也长了不少，但价格方面却比多晶硅高了很多，但考虑到平价上网的时代，单晶硅的价格远远不如过去那样昂贵，所以本电站选取的组件为单晶型组件。表2-1伏组件对比表组件品牌及型号 晶科Swan Bifacial 400 72H 晶科Swan Bifacial 405 72H 晶澳JAM72S10 400MR最大功率(Pmax) 400Wp 405Wp 400Wp最佳工作电压(Vmp) 41V 组件转换效率(%) 最佳工作电流(Imp) 开路电压(Voc) 49V 短路电流(Isc) 工作温度范围(℃) -40℃~+85℃ -40℃~+85℃ -40℃~+85℃最大系统电压 1000/1500V DC(IEC/UL) 1000/1500VDC(IEC/UL) 1000/1500VDC (IEC)最大额定熔丝电流 20A 20A 20A输出功率公差 0~+5W 0~+5W 0~+3%最大功率(Pmax)的温度系数 ℃ ℃ ℃开路电压(Voc)的温度系数 ℃ ℃ ℃短路电流(Isc)的温度系数 ℃ ℃ ℃名义电池工作温度(NOCT) 45±2℃ 45±2℃ 45±2℃组件尺寸：长*宽*厚（mm） 2031*1008*30mm 2031*1008*30mm 2015*996*40mm电池片数 72 72 72第一款组件晶科Swan Bifacial 400 72H和第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H的型号牌子都一样，除功率和其效率有点差距之外，其他的参数基本一样，但其第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H组件的效率高，相同尺寸不同效率下，选择第二款组件更好。第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款组件里效率最高的组件，比第一款和第二款分别高了和，并且尺寸和部分温度系数也是3款里面最小的，开路电压和工作电压以及短路电流等参数也是3款组件中最高的，从数据上来看，第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款里最棒的组件。综合上面的分析，本项目最终选择第3款组件晶澳JAM72S10 400MR作为本项目的组件使用型号。组件图如图2-1所示。 图2-1 组件图最佳倾斜角和方位角设计本电站建造在平面屋顶上，该屋顶无任何的倾角，由于组件是依靠着太阳光发电，但每时每刻太阳都是在运动着，为此便会与组件形成一个角度，该角度影响着组件的发电量，对于采取固定支架安装方式的电站来说，选择一个最合适的角度能够让电站发电量达到最高，因此最佳倾角这个概念便被引出了。对于本电站而言，根据其PVsyst软件的计算后，得出了湘潭最佳倾角为18度时，方位为0度时，电站一年下来的发电量能够达到最高。PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图如图2-2所示。图2-2 PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图组件排布方式本项目选址地屋顶长43米，宽为29米，采取横向排布方式无法摆下其电站中的整个阵列，因此本项目组件方式采取竖向排布，中间间距20mm。如图2-3所示。 图2-3 组件排列方式组件间距设计 太阳照射到一个物体上时，由于该物体遮住了光，使得光不能直射到地上时，该物体便会产生一个阴影投射到地上，而电站中的组件也类似于此，前一个组件因光产生的阴影投射到另一个组件上时，被照射的组件便会受到影响，进而影响整个电站，这对于电站来说是一个严重的问题，因此在设计其组件之间的间距时，一定要保证阴影的距离不会触及组件。 图2-4间距图在公式2-1中：L是阵列倾斜面长度（4050mm）D是阵列之间间距β是阵列倾斜角(18°）为当地纬度（°）把以上数值代入公式后计算得：2-5组件计算图根据结果，当电站中的子方阵间距大于2119mm时，子方阵与子方阵便不会受到影响。 图2-6方阵间距图逆变器选型逆变器是电站中其转换电流的设备，十分的重要，而逆变器的种类比较多，对于本项目电站来说，选择组串式逆变器最佳，因此本项目选择了3款市场上热卖的组串式逆变器。表2-2 逆变器参数对比表逆变器品牌及型号 华为SUN2000-100KTL-C1 华为SUN2000-110KTL-C1 固德威HT 100K最大输入功率 100Kw 110Kw 150Kw中国效率 最大直流输入电压（V） 1100V 1100V 1100V各MPPT最大输入电流（A） 26A 26A 电压范围（V） 200 V ~ 1000 V 200 V ~ 1000 V 200V ~ 1000V额定输入电压（V） 600V 600V 600VMPPT数量/输入路数 10/20 10/20 10/2额定输出功率（KW） 100K W 110K W 100K W最大视在功率 110000 VA 121000 VA 110000 VA最大有功功率 (cosφ=1) 110KW 121K W 110KW额定输出电压 3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE380, 3L/N/PE 或 3L/PE输出电压频率 50 Hz，60Hz 50 Hz，60Hz 50 Hz最大输出电流（A） A 167A功率因数 超前— 滞后 超前—滞后 （超前—滞后）最大总谐波失真 ＜3% ＜3% <3%输入直流开关 支持 支持 支持防孤岛保护 支持 支持 支持输出过流保护 支持 支持 支持输入反接保护 支持 支持 支持组串故障检测 支持 支持 支持直流浪涌保护 Type II Class II 具备交流浪涌保护 Type II Class II 具备绝缘阻抗检测 支持 支持 支持残余电流监测 支持 支持 支持尺寸（宽 x 高 x 厚） 1,035 x 700 x 365 mm 1,035 x 700 x 365 mm 1005*676*340重量（kg） 85kg 85kg 工作温度（°C） -25°C~60°C -25°C~60°C -25~60℃3款逆变器的功率均在100kw以上，其效率也都是一模一样，均只有，其额定输出电压也都为600V，对于本电站来说，这3款逆变器都能使用，但可惜本电站只会从中选择一个最合适的品牌。第一款逆变器华为SUN2000-100KTL-C1和第二款逆变器华为SUN2000-110KTL-C1是同种类同型号，但不同功率的逆变器，这两款逆变器大部分数据都一模一样，但第二款逆变器功率比第一款逆变器功率高了10k，比本电站的容量也高了10k，并且价格了略微高了那么点，选用第一款逆变器不仅省钱而且还不会造成功率闲置无处使用，最大发挥逆变器的作用，因此第1款比第2款逆变器好。第三款逆变器是固德威HT 100K，它的最大输入功率高达150kw，明明是一个100kw的逆变器，但其输入功率却不同我们往常见的逆变器一样，它居然还高了50k，如果选用这款逆变器，那么阵列输入的功率超过100都能承受。虽然最大输入功率很恐怖，但其他参数正常，对比第一款逆变器，仅只是部分参数略微差了点，总体是几乎没什么太大的差别。本项目根据上述的分析和对其逆变器的需求，最终选择了固德威HT 100K型逆变器为本电站逆变器。光伏阵列布置设计串并联设计图2-7串并联计算公式2-3、2-4中：Kv——光伏组件的开路电压温度系数——光伏组件的工作电压系数——光伏组件工作环境极限高温（℃)60Vpm——光伏组件的工作电压（V）——逆变器MPPT电压最大值（V）1000VMPPTmin——逆变器MPPT电压最小值（V）200Voc——光伏组件开路电压（V）——光伏组件串联数（取整）t——光伏组件工作环境极端低温（℃）——逆变器允许的最大直流输入电压（V）1100把以上数值代入公式中计算可得：≤N≤21 经计算，本电站最终选取20块组件为一阵列。如图2-6组件串并联设计图。 图2-8组件串并联设计图项目方阵排布据的结果，每一个阵列共有20块组件，单块组件的功率是400w，一个阵列便是8kw，而本电站的总容量为100kw，总计是需要13个阵列。本电站建设地屋顶长43米，宽为32米，可以完整的摆放电站中的所有子方阵。如图2-9所示。 图2-9项目方阵排布图 基础与支架设计水泥墩设计本电站所建地点是公办学校，属于公共建筑，如果使用其打孔安装方式，便有可能使得其屋顶因时间长久而漏水，一旦漏水便需要进行维修，这也是得花费一些金钱，又因是学校，开工去维修可能将使部分学生要做停课处理，因此为了避免这个麻烦，本电站还是选择最常见的水泥墩来做基础设计。考虑到学校有许多的学生，突然出现了事故，作为电站建设者肯定会有责任，因此为了避免组件出现任何事故，特地将水泥墩设计为一个正方形，其长宽高都为500mm，这样的重量大大降低了事故的发生率。如图2-10水泥墩设计图和2-11电站整体水泥墩设计所示。 图2-10水泥墩设计图2-11电站整体水泥墩设计图支架设计都已经把基础设计水泥墩做好了，那么接下来则是考虑水泥墩上的支撑设备支架，对于支架的设计最重要的一点就是在选材上，一般电站中的支架会持续使用到电站报废为止，使用时间长达二十多年三十多年甚至更久，对此支架的选型便是十分的重要，其使用寿命必须得长，抗腐蚀能力强。如图2-12支架设计图所示。 图2-12支架设计图配电箱选型配电箱在光伏电站里又分为直流配电箱和交流配电箱，对于本电站来说，是选择其交流配电箱。配电箱的容量是根据其逆变器的容量选择，必定不能小于其逆变器的容量，否则可能会出现配电箱过压的情况，然后给电站造成事故危险。配电箱具备配电、汇电、护电等多种功能，是本电站必须要又的设备，经过配电箱型号的对比，本电站最终选择了昌松100kw光伏交流逆变器。表2-3配电箱参数项目名称 昌松100kw光伏交流配电箱项目型号 100kw交流配电箱额定功率 100KW额定电流 780A额定频率 50Hz海拔高度 2500m环境温度 -25~55℃环境湿度 2%~95％，无凝霜电缆选配电站分为两类电，一类是直流电，必须使用直流电缆运输；一类是交流电，必须使用交流电缆运输，切记不可以乱搭配使用，否则将会造成电缆出线问题，电站设备出现问题。直流电缆选型一般都是选择PV1-F-1*4mm²光伏专用直流电缆交流电缆：P：逆变器功率100KWU：交流电电压380VCOSΦ：功率因数Ω=976W线损率：976/100000=<2%，符合光伏电缆设计要求。据其计算结果和下图电缆参数表，本电站最终选择ZRC-YJV22 7Omm2交流电缆。如图2-13电缆参数图所示。 图2-13 电缆参数图防雷接地设计防雷接地是绝大多数光伏电站都必须要做的，目的就是防止雷击破幻电站，损坏人民的生命以及财产，特别是对于本电站而言，建设点是在学校，而学校不仅人多而且易燃物也多，一旦雷击劈到电站上，给电站造成了任何事故，都有可能把整个学校给毁了，为此本电站一定需要做好防雷接地设计。本电站防雷方式采取常用的避雷针进行避雷，接地则是为电站中各个设备接地端做好接地连接。 图2-14防雷接地设计图电气系统设计及图纸本电站装机总容量为100kw，由260块光伏组件组成，形成了13个阵列，每个阵列20块组件，然后连接至逆变器，逆变器变电后接入配电箱，最后再连接国家电网。 图2-15电气系统设计图三、电站成本与收益电站项目设备清单根据当地市场的物价，预估出了一个本电站预计投资表。表3-1设备清单表序号 设备 型号 单位 数量 单价（元） 价格（万元）1 组件 晶澳JAM72S10 400MR 块 260 逆变器 固德威HT 100K 台 1 直流电缆 PV1-F-1*4mm² 米 1500 交流电缆 ZRC-YJV22 70mm2 米 100 72 支架 ＼ 套 39 556 水泥墩 500*500*500mm 个 78 250 配电箱 昌松100kw光伏交流配电箱 台 1 运输费 ＼ 总 18 1000 其他 ＼ ＼ ＼ ＼ 人工费 ＼ ＼ ＼ ＼ 7合计：万元电站年发电量计算本电站总容量为100kw，而电站选址地的年总辐射量为，首先发电量便达到了89328度电。 （式3-1）Q=100**度Q——电站首年发电量W——本项目电站总容量（85KW）T——许昌市年日照小时数（）——系统综合效率（）任何设备一旦使用，便就开始慢慢磨损了，其效率也是一年比一年差，即便是光伏组件也不例外。组件首年使用一年后，为了适应其环境，自身的效率瞬间就降低，而后的每年则是降低，将至80%左右时，光伏组件也是已经运行了25年。 表3-2电站发电量发电年数 功率衰减 年末功率 年发电量(kWh) 累计发电量(kWh)第1年 第2年 第3年 第4年 第5年 第6年 第7年 第8年 第9年 第10年 第11年 第12年 第13年 第14年 第15年 第16年 第17年 第18年 第19年 第20年 第21年 第22年 第23年 第24年 第25年 电站预估收益计算根据湖南省的标准电价，我们电站发的每度电能够有元收入，持续运行25年后，将会获得*元，也就是90多万，减去我们为电站投资的万，我们25年内能够获得大约50万的纯利润收入参考文献[1]王思钦.分布式光伏发电系统电能计量方案[J].农村电工,2019,27(09):37.[2]谷欣龙.光伏发电与并网技术分析[J].科技资讯,2019,17(24):31+33.[3]黄超辉,陈勇,任守宏.基于应用的光伏电站电缆优化设计[J].电子工业专用设备,2019,48(03):67-71.[4]余茂全,张磊.基于PVSYST的光伏发电系统仿真研究[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2019,19(02):35-39.[5]谭阳.家用太阳能分布式光伏并网发电系统研究[J].电子制作,2019(09):94-95+91.[6]石培进.发展分布式光伏电站的可行性分析[J].山东工业技术,2019(12):183.[7]蒋飞. 光伏发电项目的投资决策方法研究[D].华东理工大学,2013.[8]陈坤. 光伏发电系统MPPT控制算法研究[D].重庆大学,2013.[9]徐瑞东. 光伏发电系统运行理论与关键技术研究[D].中国矿业大学,2012.[10]任苗苗. 光伏发电三相并网逆变器的研究[D].兰州交通大学,2012.

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合金是由金属与其它一种以上的金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。我国是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在商朝(距今3000多年前)青铜(铜锡合金)工艺就已非常发达；公元前6世纪左右(春秋晚期)已锻打(还进行过热处理)出锋利的剑(钢制品)。铝是分布较广的元素，在地壳中含量仅次于氧和硅，是金属中含量最高的。纯铝密度较低，为 g/cm3，有良好的导热、导电性(仅次于Au、Ag、Cu)，延展性好、塑性高，可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼，在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜，因而具有良好的耐蚀性。但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用者选用根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为形变与铸造铝合金两大类.工业上应用的主要有铝-锰,铝-镁,铝-镁-铜,铝-镁-硅-铜,铝-锌-镁-铜等合金.变形铝合金也叫熟铝合金,据其成分和性能特点又分为防锈铝,硬铝,超硬铝,锻铝和特殊铝等五种.。铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。硬铝合金的强度较防锈铝合金高，但防蚀性能有所下降，这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝，强度进一步提高，而密度比普通硬铝减小15%，且能挤压成型，可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。 各种飞机都以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。飞机依用途的不同，铝的用量也不一样。着重于经济效益的民用机因铝合金价格便宜而大量采用，如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量 81％。军用飞机因要求有良好的作战性能而相对地减少铝的用量，如最大飞行速度为马赫数 的F-15高性能战斗机仅使用％铝合金有些铝合金有良好的低温性能,在-183～-253[2oc]下不冷脆，可在液氢和液氧环境下工作，它与浓硝酸和偏二甲肼不起化学反应,具有良好的焊接性能,因而是制造液体火箭的好材料。发射“阿波罗”号飞船的“土星” 5号运载火箭各级的燃料箱、氧化剂箱、箱间段、级间段、尾段和仪器舱都用铝合金制造。 航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势摘要：综述了铝基复合材料的发展历史及国内外研究现状，重点阐述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺的发展现状。同时说明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究中仍存在的问题，在此基础上展望了该复合材料的发展前景。关键词：SiCp /Al 复合材料； 制备方法中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2011)12-0092-05Research Status and Development Trend of SiCP/Al CompositeZHENG Xijun, MI Guofa(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite wasintroduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Alcomposite was analyzed and the development prospect of the composite was put words：SiCp /Al composite; preparation methods收稿日期:2010-11-20作者简介:郑喜军(1982- ),男,河南西平人,硕士研究生,研究方向为材料加工工程;电话:;E-mail:《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术应用进行了广泛的关注和研究，从材料的制备工艺、组织结构、力学行为及断裂韧性等方面做了许多基础性的工作， 取得了显著的成绩。在美国和日本等国，该类材料的制备工艺和性能研究已日趋成熟，在电子、军事领域开始得到实际应用。SiC 来源于工业磨料，可成百吨的生产，价格便宜，SiC 颗粒强化铝基复合材料被美国视为有突破性进展的材料， 其性能可与钛合金媲美，而价格还不到钛合金的1/10。碳化硅颗粒增强铝基复合材料是最近20 年来在世界范围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金属基复合材料，被认为是一种理想的轻质结构材料，尤其在机动车辆发动机活塞、缸头(缸盖)、缸体等关键产品和航空工业中具有广阔的应用前景[5-7]。在1986 年，美国DuralAluminumComposites 公司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术， 实现了铸造铝基复合材料的大规模生产， 以铸锭的形式供给多家铸造厂制造各种零件[8-9]。美国Duralcan 公司在加拿大己建成年产11340 t 的SiC/Al 复合材料型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂。目前，Duralcan 公司生产的20%SiCp /A356Al 复合材料的屈服强度比基体铝合金提高75%、弹性模量提高30%、热膨胀系数减小29%、耐磨性提高3～4倍。美国DWA 公司生产的碳化硅增强复合材料随碳化硅含量的增加，只有伸长率下降的，其他性能都得到了很大提高。到目前为止，SiCp/Al 复合材料被成功用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大经济效益。表1 列举了一些SiCp/Al 复合材料的力学性能。目前国内从事研制与开发碳化硅颗粒增强铝复合材料工作的科研院所与高校主要有北京航空材料研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学等。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al 用于某卫星天线丝杆，北京航空材料研究院研制的SiCp/Al 用于某卫星遥感器定标装置[10-11]。国内到目前为止还没有出现高质量高性能的碳化硅颗粒增强铝基复合材料， 虽然部分性能已达到国外产品的指标， 但在产品的尺寸精度上还存在不小的差距，另外制造成本太高，离工业化生产还有一段距离要走。2 铝基复合材料的性能特征(1)高比强度、比模量由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量， 特别是高性能连续纤维，如硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，他们具有很高的强度和模量[1]。(2)良好的高温性能，使用温度范围大增强纤维、晶须、颗粒主要是无机物，在高温下具有很好的高温强度和模量， 因此金属基复合材料比基体金属有更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基基复合材料，其高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。(3)良好的导热、导电性能金属基复合材料中金属基体占有很高的体积百分数， 一般在60%以上，因此仍保持金属的良好的导热、导电性能。(4)良好的耐磨性金属基复合材料，特别是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是由于在基体中加入了大量细小的陶瓷颗粒增强物，陶瓷颗粒硬度高、耐磨、化学性能稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。(5)热膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合材料中所用的增强相碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，特别是超高模量的石墨纤维具有负热膨胀系数， 加入相当含量的此类增强物可降低材料膨胀系数， 从而得到热膨胀系数小于基体金属、尺寸稳定性好的金属基复合材料。(6)良好的抗疲劳性和断裂韧性影响金属基复合材料抗疲劳性和断裂韧性的因素主要有增强物与复合体系制备工艺增强体含量(vol,%)拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 粉末冶金20 552 103 粉末冶金20 496 103 粉末冶金20 724 103 粉末冶金40 441 125 粉末冶金15 689 97 搅拌铸造20 350 98 无压浸渗30 382 125 表1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能[1] Mechanical properties of aluminum matrixcomposite reinforced by SiC particle93Hot Working Technology 2011, , 材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月金属基体的界面结合状态、金属基体与增强物本身的特性以及增强物在基体中的分布等。特别是界面结合强度适中，可以有效传递载荷，又能阻止裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，在空间使用不会分解出低分子物质而污染仪器和环境，有明显的优势。(8)较好的二次加工性能可利用传统的热挤压、锻压等加工工艺及设备实现金属基复合材料的二次加工。由于铝基复合材料不但具有金属的塑性和韧性，而且还具有高比强度、比模量、对疲劳和蠕变的抗力大、耐热性好等优异的综合性能。尤其在最近20 年以来， 铝基复合材料获得了惊人的发展速度，表2 列举了一些铝基复合材料的力学性能。3 主要应用领域 在航空航天及军事领域的应用美国ACMC 公司和亚利桑那大学光学研究中心合作，研制成超轻量化空间望远镜和反射镜，该望远镜的主镜直径为，仅重。ACMC 公司用粉末冶金法制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等；美国用高体积分数的SiCp/Al代替铍材，用于惯性环形激光陀螺仪制导系统、三叉戟导弹的惯性导向球及管型测量单元的检查口盖，成本比铍材降低2/3；20 世纪80 年代美国洛克希德.马丁公司将DWA 公司生产的25%SiCp /6061Al 用作飞机上承载电子设备的支架，其比刚度比7075 铝合金约高65%；美国将SiCp/6092Al 用于F-16 战斗机的腹鳍， 代替原有的2214 铝合金蒙皮， 刚度提高50%，寿命从几百小时提高到8000 小时左右，寿命提高17 倍，可大幅度降低检修次数，提高飞机的机动性，还可用于F-16 的导弹发射轨道；英国航天金属及复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法研制出高刚度﹑ 耐疲劳的SiCp/2009Al， 成功用于Eurocopter 公司生产的N4 及EC-120 新型直升机[12]；采用无压浸渗法制备的高体积分数SiCp/Al 作为印刷电路板芯板用于F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电元件、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上， 以代替包铜的钼及包铜的锻钢，可使质量减轻70%，同时降低了电子模板的工作温度；SiCp/Al 印刷电路板芯板已用于地轨道全球移动卫星通信系统； 作为电子封装材料，还可用于火星“探路者”和“卡西尼”土星探测器等航天器上。美国采用高体积分数SiCp /Al 代替Cu-W 封装合金作为电源模块散热器，已用于EV1 型电动轿车和S10 轻型卡车上；美国将氧化反应浸渗法制备的SiC-Al2O3/Al 作为附加装甲，用于“沙漠风暴”地面进攻的装甲车；美国GardenGrove 光学器材公司用SiCp/Al 制备Leopardl 坦克火控系统瞄准镜。 在汽车工业中的应用由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制的SiCp /Al 活塞已用于摩托车及小型汽车发动机；自20 世纪90 年代以来， 福特和丰田汽车公司开始采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 来制作刹车盘；美国Lanxide 公司生产的SiCp/Al 汽车刹车片于1996年投入批量生产[13]；德国已将该材料制作的刹车盘成功应用于时速为160km/h 的高速列车上。整体采用锻造的SiCp/Al 活塞已成功用于法拉利生产的一级方程式赛车。 在运动器械上的应用BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行车框架已在Raleigh 赛车上使用；SiCp /Al 复合材料可应用于自行车链轮、高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上用于假体的制造。4 制备及成型方法一般来说， 根据铝基体状态的不同，SiCp/Al 的制备方法大致可分为固态法和液态法两类。目前主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸造法。 粉末冶金法粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克增强相/ 基体增强相含量拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiC/Al-4Cu 15 476 92 /ZL101 20 375 101 /ZL101A 20 330 100 /6061 25 517 114 /2124 25 565 114 / 20 226 95 /Al 26 387 112 -表2 金属基复合材料的力学性能[1] Mechanical properties of metal matrix composite[1]94《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而是最先得到发展并用于SiCp/Al 的制备方法之一。具体制备SiCp/Al 的粉末冶金工艺路线有多种，目前最为流行和典型的工艺流程为：碳化硅粉末与铝合金粉末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除；所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或保护气氛下进行， 制备周期长， 降低成本的可能性小，因此制约了粉末冶金法的大规模应用。 喷射沉积法喷射沉积法是1969 年由Swansea 大学Singer教授首先提出[14]，并由Ospray 金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术。该方法的基本原理是：对铝合金基体进行雾化的同时，加入SiC 增强体颗粒，使二者共同沉积在水冷衬板上， 凝固得到铝基复合材料。该工艺的优点是增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制；对界面的润湿性要求不高，可消除颗粒偏析等不良组织， 组织具有快速凝固特征；工艺流程短、工序简单、效率高，有利于实现工业化生产。缺点是设备昂贵，所制备的材料由于孔隙率高而质量差必须进行二次加工， 一般仅能制成铸锭或平板； 大量增强颗粒在喷射过程中未能与雾化的合金液滴复合， 造成原材料损失大， 工艺控制较复杂，增强体颗粒利用率低、沉积速度较慢、成本较高。 搅拌铸造法搅拌铸造法的基本原理[15-17]：依靠强烈搅拌在合金液中形成涡漩的负压抽吸作用， 将增强体颗粒吸入基体合金液体中。具体工艺路线：将颗粒增强体加入到基体金属熔液中， 通过一定方式的搅拌与一定的搅拌速度使增强体颗粒均匀地分散在金属熔体中，以达到相互混合均匀与浸润的目的，复合成颗粒增强金属基复合材料熔体。然后可浇铸成锭坯、铸件等使用。该方法的优点是：工艺简单、设备投资少、生产效率高、制造成本低、可规模化生产。缺点是：加入的增强体颗粒粒度不能太小， 否则与基体金属液的浸润性差， 不易进入金属液或在金属液中容易团聚和聚集；普遍存在界面反应，强烈的搅拌容易造成金属液氧化，大量吸气及夹杂物混入，颗粒加入量也受到一定限制，只能制成铸锭，需要二次加工。 挤压铸造法挤压铸造法是首先把SiC 颗粒用适当的粘结剂粘结，制成预制块放入浇注模型中，预热到一定的温度，然后浇入基体金属液，立即加压，使熔融的金属熔液浸渗到预制块中，最后去压、冷却凝固形成SiCp/Al。该方法的优点是：设备较简单且投资少，工艺简单且稳定性较好，生产周期短，易于工业化生产，能实现近无余量成型，增强体体积分数较高，基本无界面反应。缺点是容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，需增强颗粒需预先制成预成型体， 预成型体对产品质量影响大，模具造价高，而且复杂零件的生产比较困难。5 SiCp /Al 复合材料发展的建议与对策SiCp /Al 复合材料作为一种新的结构材料有着广阔的发展前景, 但要实现产业化还需做大量的研究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界面结合状态、增强机制等方面的内容做进一步研究，其相关领域的研究及发展也应给予重视。 现有制备工艺进一步完善和新工艺的开发现有工艺制备方法虽然已经成功制造了复合材料，但很难用于工业化生产且尚处于实验室研究阶段[18]。SiC 颗粒存在于铝液中，使金属液粘度提高，流动性降低，铸造时充填性变差，当颗粒含量增加至20%或在较低温度(<730℃)时，流动性急剧降低以致于无法正常浇注。另外，SiC颗粒具有较大的表面积， 表面能较大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作的主要任务。 后续加工工艺的研究金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后续加工工艺的研究较少，成为限制其应用的瓶颈。高强度、高硬度增强体的加入使金属基复合材料成为难加工材料[18-19]，而由于增强体与基体合金的热膨胀系数差异大引起位错密度的提高， 也使金属基复合95Hot Working Technology 2011, , 材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月材料的时效行为与基体合金有所不同[20]。另外，增强体影响焊接熔池的粘度和流动性， 并与基体金属发生化学反应限制了焊接速度， 给金属基复合材料的焊接造成了极大困难。因此， 解决可焊性差的问题也成为进一步研究的主要方向。 环境性能方面的改善金属基复合材料的环境性能方面的研究， 即如何解决金属基复合材料与环境的适应性， 实现其废料的再生循环利用也引起了一些学者的重视， 这个问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因此， 关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究的热点。由于铝基复合材料是由两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起形成一类新的多相材料， 其回收再利用的技术难度要比传统的单一材料大得多。随着铝基复合材料的批量应用，必然面临废料回收的问题，通过对复合材料的回收再利用， 不但可减少废料对环境的污染还可减低铝基复合材料的制备成本、降低价格，增加与其他材料的竞争力，有利于促进自身的发展。文献[21]配制了混合盐溶剂， 采用熔融盐法成功地分离出颗粒增强铝基复合材料中的增强材料，研究结果表明，利用该技术处理颗粒增强铝基复合材料， 其回收利用率可达85%。6 结语与铝合金基体相比， 铝基复合材料具有更高的使用温度、模量和强度，热稳定性增加及更好的耐磨损性能，它的应用将越来越广泛。然而，在目前的研究中仍然存在许多疑问和有待解决的问题， 例如怎样去克服铝基复合材料突出的界面问题， 并且力求研究结果有助于改善生产应用问题； 在制备过程前后， 怎样通过热处理手段来改善成品的各方面性能；如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料服役于各种环境。此外，原位反应中仍不免其他副反应夹杂物存在， 同时对增强体的体积分数也难以精确控制，这些都是亟待研究解决的问题。参考文献：[1] 于化顺．金属基复合材料及其制备技术[M]．北京：化学工业出版社，2006．241．[2] 吴人洁．复合材料[M]．天津：天津大学出版社，2000．[3] 沃丁柱．复合材料大全[M]．北京：化学工业出版社，2000．[4] 毛天祥．复合材料的现状与发展[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2000．[5] 赫尔(Hull， D)．复合材料导论[M]．北京：中国建设工业出版社，1989．[6] 尹洪峰，任耘，罗发．复合材料及其应用[M]．陕西：陕西科学技术出版社，2003．[7] 汤佩钊．复合材料及其应用技术[M]．重庆：重庆大学出版社，1998．[8] 张守魁，王丹虹．搅拌铸造制备颗粒增强复合材料[J]．兵器材料科学与工程，1997，20(6)：35-391．[9] 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