光伏概論教案

課時授課計劃授課日期授課節(jié)次授課班級課題：第五章太陽光伏系統(tǒng)（第一講）教學目的掌握光伏系統(tǒng)的組成、工作原理及獨立光伏系統(tǒng)分類中混合光伏系統(tǒng)的特點光伏系統(tǒng)的組成、獨立光伏系統(tǒng)分類中混合光伏系統(tǒng)教學重點教學難點1、光伏系統(tǒng)的組成2、獨立光伏系統(tǒng)分類中混合光伏系統(tǒng)的特點教學準備教材、教案、參考書講述法教學方法教學過程、課堂組織：3分鐘清點人數(shù)，維持紀律。、導入新課：5分鐘1、總結第一學期學習情況；2、提出新學期要求；3、引入本次課程主要內(nèi)容。、講授新課：72分鐘課時授課計劃教學過程第五章太陽能光伏系統(tǒng)（第一講）本講主要內(nèi)容：1、掌握光伏系統(tǒng)的組成2、掌握光伏系統(tǒng)組成部分的作用3、掌握光伏系統(tǒng)的工作原理4、了解光伏系統(tǒng)的分類5、掌握獨立光伏系統(tǒng)的概念6、了解獨立光伏系統(tǒng)的的基本情況7、了解獨立光伏系統(tǒng)的種類8、了解不同種類獨立光伏系統(tǒng)的構成及特點9、掌握大型太陽能供電系統(tǒng)及混合供電系統(tǒng)構成、特點光伏發(fā)電系統(tǒng)：是由光伏陣列、充放電控制器、逆變器、電纜、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設備和蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設備、負載等構成。光伏系統(tǒng)的定義：包含逆變器和相關平衡系統(tǒng)（BOS）以及具有一個公共連接點在內(nèi)的太陽電池方陣在內(nèi)的系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，沒有轉動部件，不產(chǎn)生噪聲；沒有空氣污染，不排放廢水；沒有燃燒過程，不需要燃料；維修保養(yǎng)簡單，維護費用低；運行可靠性，穩(wěn)定性好；作為關鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體硅太陽電池壽命可達到25年以上；根據(jù)需要很容易擴大發(fā)電規(guī)模，等等。光伏系統(tǒng)應用非常廣泛，光伏系統(tǒng)應用的基本形式可分為兩大類：獨立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。應用領域主要在太空航空器、通信系統(tǒng)、微波中繼站、電視差轉臺、光伏水泵和無電缺電地區(qū)戶用供電。隨著技術發(fā)展和世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，發(fā)達國家已經(jīng)開始有計劃地推廣城市光伏并網(wǎng)發(fā)電，主要是建設戶用屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和MW級集中型大型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等，同時在交通工具和城市照明等方面大力推廣太陽能光伏系統(tǒng)的應用。光伏系統(tǒng)的規(guī)模和應用形式各異，如系統(tǒng)規(guī)模跨度很大，小到0.3-2W的太陽能庭院燈，大到MW級的太陽能光伏電站。其應用形式也多種多樣，在家用、交通、通信、空間應用等諸多領域都能得到廣泛的應用。盡管光伏系統(tǒng)規(guī)模大小不一，但其組成結構和工作原理基本相同。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、充放電控制器、逆變器、電纜、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設備和蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設備、負載等構成。?太陽能電池陣列：吸收太陽能,將光能轉換成直流電能。太陽電池組件按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成，在太陽光照射下將太陽能轉換成電能輸出，它是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件。?控制器：控制蓄電池的充放電深度，延長蓄電池壽命。它對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，控制器的功能越來越強大，有將傳統(tǒng)的控制部分、逆變器以及監(jiān)測系統(tǒng)集成的趨勢。?蓄電池：儲存太陽能電池板產(chǎn)生的電能，在必要時,向負荷提供直流電力。將太陽電池組件產(chǎn)生的電能儲存起來，當光照不足或晚上、或者負載需求大于太陽電池組件所發(fā)的電量時，將儲存的電能釋放以滿足負載的能量需求，它是太陽能光伏系統(tǒng)的儲能部件。目前太陽能光伏系統(tǒng)常用的是鉛酸蓄電池，對于較高要求的系統(tǒng)，通常采用深放電閥控式密封鉛酸蓄電池、深放電吸液式鉛酸蓄電池等。?逆變器：將直流輸入電力轉換成交流電力輸出。在太陽能光伏供電系統(tǒng)中，如果含有交流負載，那么就要使用逆變器設備，將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉化為負載需要的交流電。太陽能光伏供電系統(tǒng)的基本工作原理就是在太陽光的照射下，將太陽電池組件產(chǎn)生的電能通過控制器的控制給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下直接給負載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負載供電，對于含有交流負載的光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器，將直流電轉換成交流電。光伏系統(tǒng)分類：一般將光伏系統(tǒng)分為獨立光伏系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨立太陽能光伏系統(tǒng)根據(jù)負載情況又可分為專用負載系統(tǒng)和一般負載系統(tǒng)。專用負載系統(tǒng)是指太陽電池的出力與負載一一對應。一般負載系統(tǒng)是指在一定范圍內(nèi)以不特定的負載為對象。對兩種負載根據(jù)直流或交流形式供電又可以繼續(xù)細分直流專用負載系統(tǒng)、交流專用負載系統(tǒng)、直流一般負載系統(tǒng)、交流一般負載系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)太陽能光伏系統(tǒng)是否向電網(wǎng)送電可分為逆潮流系統(tǒng)和無逆潮流系統(tǒng)。然后根據(jù)有無蓄電池分為有蓄電池逆潮流系統(tǒng)、無蓄電池逆潮流蓄電系統(tǒng)、有蓄電池無逆潮流系統(tǒng)、無蓄電池逆潮流系統(tǒng)。獨立光伏系統(tǒng)概述獨立光伏系統(tǒng)是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連而孤立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立太陽能光伏系統(tǒng)主要用于遠離電網(wǎng)、不需并網(wǎng)和備用電源、夜間陰雨天不需要電網(wǎng)供電而又必須電力的地方。常建設在遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)或作為野外移動式便攜電源。獨立光伏系統(tǒng)有光伏陣列、儲能裝置、電能變換裝置、控制系統(tǒng)和配電設備組成。從太陽電池的輸入輸出特性可知，當電流增加時電壓會降低，因此，太陽電池特性存在最大功率時的最佳動作點，通過功率調(diào)節(jié)器件的調(diào)節(jié)，改變電壓使功率向增加的方向變化，將光伏組件產(chǎn)生的最大直流電能及時的盡可能多的提供給負載，使PV系統(tǒng)的系統(tǒng)能量利用效率盡可能高。獨立光伏系統(tǒng)是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連而孤立運行的發(fā)電系統(tǒng)，通常建設在遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)或作為野外移動式便攜電源。它由光伏陣列、儲能裝置、電能變換裝置、控制系統(tǒng)和配電設備組成。光伏陣列接收太陽能并轉換為電能，發(fā)出的電能經(jīng)逆變器變換成用電負載所需要的合格電力，經(jīng)配電設備向負載供電，并將發(fā)電與負載用電之剩余的電能供給充電器向蓄電池充電?？刂葡到y(tǒng)則采用光伏電池的最大功率點跟蹤(MPPT)、能量管理和逆變器輸出控制。太陽能發(fā)電的特點是白天發(fā)電，而負荷往往是全天候用電，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能元件是必不可少的。工程上使用的儲能元件主要是蓄電池，科學研究中也有使用超級電容器、超導儲能器件的，但限于成本過高尚未達到實用。從負載用電時間上劃分的光伏發(fā)電系統(tǒng)有白天用電的光伏發(fā)電系統(tǒng)、夜間用電的光伏發(fā)電系統(tǒng)和晝夜用電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。白天用電的負載包括計算機、光伏空調(diào)器、光伏水泵等。理論上，供給此類負荷的光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要儲能器件，一定程度上降低了系統(tǒng)造價。在光照充足條件下，負載能正常工作。該系統(tǒng)工作特點是光伏陣列發(fā)電全部供給負載使用，發(fā)電和用電是平衡的。負載用電受環(huán)境因素影響較大，工程實際中由于太陽光照、云層、風沙等天氣因素變化較大，加之光伏電池負載特性較軟，系統(tǒng)為了穩(wěn)定運行往往也接人一定容量的儲能元件，同時此儲能元件也可以在一定程度上提高光伏電池發(fā)電的利用率，以應付負載的沖擊性波動或沖擊性啟動等造成的電壓劇烈波動。夜間用電的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括照明燈、電視機等。儲能元件是必不可少的，白天光伏陣列所發(fā)電量除去自身系統(tǒng)所用外全部儲存在儲能元件中，夜間光伏電池停止發(fā)電，由儲能元件向負載和自身系統(tǒng)供電，負載供電相對平穩(wěn)。雖然太陽能發(fā)電受氣象環(huán)境因素影響較大，但此種系統(tǒng)在考慮了陰天影響的基礎上，只要發(fā)電容量和儲能容量設計合理，從宏觀上用電與發(fā)電可以達到平衡，由此受氣象環(huán)境的影響較小。光伏發(fā)電系統(tǒng)的合理設計要根據(jù)負載用電情況、負載特性和當?shù)啬昶骄照樟慷M行。獨立光伏系統(tǒng)的種類及構成獨立光伏系統(tǒng)的分類：小型太陽能供電系統(tǒng)、簡單直流系統(tǒng)、大型太陽能供電系統(tǒng)、交直流供電系統(tǒng)、混合供電系統(tǒng)?；旌闲拖到y(tǒng)的優(yōu)點：按照自然條件和負荷情況配置風和光的發(fā)電比例可以達到最佳的經(jīng)濟目標，構成一定的互補關系，克服光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電電能供應不穩(wěn)定的問題，同時還可以大幅度減小蓄電池組的容量。1、小型太陽能供電系統(tǒng)該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中只有直流負載而且負載功率比較小，整個系統(tǒng)結構簡單，操作簡便。其主要用途是一般的戶用系統(tǒng)，負載為各種民用的直流產(chǎn)品以及相關的娛樂設備。如在我國西北邊遠地區(qū)就大面積推廣使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，負載為直流節(jié)能燈、收錄機等直流設備，用來解決無電地區(qū)家庭的基本照明。2、簡單直流系統(tǒng)簡單直流系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)負載為直流負載，而且對負載的使用時間沒有特別的要求，負載主要是在白天使用，所以系統(tǒng)中沒有使用蓄電池，也不需要使用控制器。系統(tǒng)結構簡單，直接使用太陽電池組件給負載供電，省去了能量在蓄電池中的儲存和釋放過程所造成的損失，以及控制器中的能量損失，提高了太陽能的利用效率。其常用于光伏水泵系統(tǒng)、一些白天臨時設備用電和旅游設施中。3、大型太陽能供電系統(tǒng)與上述兩種光伏系統(tǒng)相比，這種光伏系統(tǒng)仍適用于直流電源系統(tǒng)，但是這種光伏系統(tǒng)的負載功率較大，為了保證可靠地給負載提供穩(wěn)定的電力供應，其相應的系統(tǒng)規(guī)模也較大，需要配備較大的太陽電池組件陣列和較大的蓄電池組，常應用于通信、遙測、監(jiān)測設備電源，農(nóng)村的集中供電站，航標燈塔、路燈等領域。中國在西部地區(qū)實施的“光明工程”中，一些無電地區(qū)建設的部分鄉(xiāng)村光伏電站就是采用這種形式；中國移動和中國聯(lián)通公司在偏僻無電網(wǎng)地區(qū)建設的通信基站也采用了這種光伏系統(tǒng)供電。如圖所示的光伏路燈系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)外的許多城市中應用。這種系統(tǒng)是最典型的“光伏＋儲能”系統(tǒng)。天氣良好的白天光伏發(fā)電，所發(fā)電力向蓄電池充電，晚間蓄電池向用電負荷放電。有些照明負荷是直流的，有些負荷是交流的。如負荷是直流的，則無須增加逆變環(huán)節(jié)，否則需要加裝逆變環(huán)節(jié)，增加逆變環(huán)節(jié)會帶來額外的功率損耗。照明負荷往往用電電壓是市電等級（即220V交流），因此必須使用升壓變換電路，將低壓的直流電力升高到220V的交流或等效直流。對白熾燈來說，220V交流和220V直流其照明工作原理和照明效果是基本相同的。但對內(nèi)部含有電子鎮(zhèn)流的節(jié)能燈來說，因電子鎮(zhèn)流器工作原理是先將220V交流電整流成約280-310V的直流電，再供電給電子鎮(zhèn)流器中的逆變環(huán)節(jié)。所以，此類供電負載可直接使用直流電源供電，而不必先將電源逆變成交流。只是使用直流電源供電時，應采用280-310V直流。故光伏照明系統(tǒng)輸出供給照明環(huán)節(jié)的額定電壓不能一概而論，即并非為固定的220V交流，要結合各種照明負載特性綜合而定。光伏路燈系統(tǒng)值得說明的是，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)造價的昂貴，照明負載的電光源應盡可能采用高效的節(jié)能燈或氣體放電燈等高效光源。蓄電池由于節(jié)數(shù)限制，其輸出一般要加升壓電路。系統(tǒng)使用的蓄電池一般為鉛酸免維護蓄電池，盡量不要使用會造成蓄電池極板記憶效應的鎳福蓄電池。因為蓄電池每晝夜構成一次充放電循環(huán)，充電和放電都是不完全的，視天氣和用電情況決定。使用鉛酸蓄電池充放電，還要注意不要過充電也不要過放電，以免造成蓄電池的損傷和損壞。照明系統(tǒng)一般帶有能量管理系統(tǒng)，用來控制蓄電池端電壓或統(tǒng)計每日的充放電電量和控制照明的時間。4、交流、直流供電系統(tǒng)與上述的三種光伏系統(tǒng)不同的是，交流、直流供電系統(tǒng)這種光伏系統(tǒng)能夠同時為直流和交流負載提供電力，在系統(tǒng)結構上比上述三種系統(tǒng)多了逆變器，用于將直流電轉換為交流電，以滿足交流負載的需求川。通常這種系統(tǒng)的負載耗電量也比較大，從而系統(tǒng)的規(guī)模也較大。在一些同時具有交流和直流負載的通信基站和其他一些含有交、直流負載的光伏電站中得到應用。5、混合供電系統(tǒng)混合供電系統(tǒng)，這種太陽能光伏系統(tǒng)中除了使用太陽電池組件陣列之外，還使用了其他發(fā)電系統(tǒng)作為備用電源。主要有：風光互補型系統(tǒng)、太陽光熱互補型系統(tǒng)、光伏燃料電池系統(tǒng)。使用混合供電系統(tǒng)的目的就是為了綜合利用各種發(fā)電技術的優(yōu)點，避免各自的缺點。比較典型的應用時風光互補型發(fā)電系統(tǒng)。風力發(fā)電和光伏發(fā)電都受自然條件、天氣限制，帶有一定的局限性，但它們之間存在一定的互補性。一般來說，白天只要天氣晴好，光伏系統(tǒng)就能正常發(fā)電運行，夜間光伏停止發(fā)電。而中國西部地區(qū)氣候特點經(jīng)常是白天風力小、夜間風力大，因此二者發(fā)電正好構成一定的互補關系。另一方面，風力由于其能量密度相對較高，發(fā)電功率可以做得很大，現(xiàn)風力發(fā)電機組其容量已可達兆瓦級。風力發(fā)電單位裝機容量的建設成本比光伏發(fā)電要低許多，但其發(fā)電運行穩(wěn)定性比光伏發(fā)電要差。從穩(wěn)定性考慮，風能是非常不穩(wěn)定的能源，如果沒有儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行，風力發(fā)電裝置本身很難提供穩(wěn)定的電能輸出。為了解決風力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前國內(nèi)外比較一致的作法是：大中型風力發(fā)電機組（上百千瓦及以上）并入電網(wǎng)運行；小型風力發(fā)電機組（幾十千瓦）或者并網(wǎng)運行或者與其他發(fā)電設備互補運行，如柴油發(fā)電機組或光伏發(fā)電系統(tǒng)；微型風力發(fā)電機組（幾千瓦）一般采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲能裝置獨立運行，其供電可靠性和穩(wěn)定性均相對較差。從發(fā)電的經(jīng)濟角度考慮，采用風光一體化發(fā)電，即按照自然條件和負荷情況配置風和光的發(fā)電比例可以達到最佳的經(jīng)濟目標，構成一定的互補關系，克服光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電電能供應不穩(wěn)定的問題，同時還可以大幅度減小蓄電池組的容量。當對風光互補系統(tǒng)的資源、設備、運行模式、供電能量調(diào)度與管理、負載等進行合理設計與匹配后，發(fā)電系統(tǒng)得以優(yōu)化，基本上可以依靠風力和光伏發(fā)電，而不需要啟動柴油發(fā)電機進行補償。從另一方面看，互補發(fā)電系統(tǒng)整體上具有較好的經(jīng)濟效益。目前光伏發(fā)電仍然成本較高，采用風光互補辦法實施電力生產(chǎn)是一種比較經(jīng)濟和合理的發(fā)電辦法。中國西部地區(qū)不僅太陽能豐富，風力資源也十分豐富，風光一體化模式大有作為。使用適當比例的太陽能和風力發(fā)電，將獲得最佳的投資組合。具體組合比例要經(jīng)過技術、投資、氣象、負荷情況綜合論證。不足：控制比較復雜：因為使用了多種能源，所以系統(tǒng)需要監(jiān)控每種能源的工作情況，處理各個子能源系統(tǒng)之間的相互影響、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運作，這樣就導致其控制系統(tǒng)比獨立系統(tǒng)復雜，現(xiàn)在多使用微處理芯片進行系統(tǒng)管理。仍受氣象條件影響較大：蓄電池屬于儲能元件，使用它儲能雖可一定程度上彌補二者供電的不穩(wěn)定性，儲存的能量畢竟有限，不能長時間持續(xù)供給功率，如遇連續(xù)陰雨天氣和連續(xù)無風天氣，這個供電系統(tǒng)供電能力將會大大下降。對于比較重要的或供電穩(wěn)定性要求較高的負載，還需要考慮用備用的柴油發(fā)電機組。初期工程較大：混合系統(tǒng)的設計，安裝，施工工程都比獨立工程要大。不可避免地存在噪音污染：光伏系統(tǒng)是無噪音、無排放的潔凈能源利用，但是因為混合系統(tǒng)中使用了柴油機，這樣就不可避免地產(chǎn)生噪音和污染。、歸納總結：5分鐘1、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成：光伏陣列、充放電控制器、逆變器、電纜、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設備和蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設備、負載等構成。2、光伏系統(tǒng)的定義：包含逆變器和相關平衡系統(tǒng)（BOS）以及具有一個公共連接點在內(nèi)的太陽電池方陣在內(nèi)的系統(tǒng)。3、光伏系統(tǒng)組成部分的作用：1）太陽能電池陣列：吸收太陽