太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理、組成

2.2太陽能光伏發(fā)電的運行方式2.3太陽能光伏發(fā)電的系統(tǒng)組成2.4太陽能光伏發(fā)電的主要應(yīng)用2.1太陽能光伏發(fā)電的工作原理第二章2.1太陽能光伏發(fā)電的工作原理器件：太陽能電池

工作原理：光生伏打效應(yīng)〔光伏效應(yīng)〕光伏效應(yīng)：當太陽光〔或其他光〕照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子-空穴對。在電池內(nèi)間電場作用下，光生電子-空穴對被別離，電池兩段出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓〞，這就是光生伏特伏打效應(yīng)〔光伏效應(yīng)〕。2.2太陽能光伏發(fā)電的運行方式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)：通過太陽能電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)

運行方式：離網(wǎng)運行、聯(lián)網(wǎng)運行離網(wǎng)運行：未與公共電網(wǎng)相聯(lián)接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用：遠離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊處所，如：為公共電網(wǎng)難以覆蓋的遙遠偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島、高原、荒漠的農(nóng)牧民提高照明、看電視、聽播送的根本生活用電，為通信中繼站、沿海和內(nèi)河航標、輸油輸氣管道陰極保護站、氣象臺站、公路道班以及邊防哨所等特殊處所提供電源。到2007年底，總裝機容量達94MW。聯(lián)網(wǎng)運行：與公共電網(wǎng)相聯(lián)接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)重要方向、主流趨勢。特別是其中的光伏電池與建筑相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng)屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，是世界各國競相開展的熱點。2.3太陽能光伏發(fā)電的系統(tǒng)組成一、離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成根據(jù)負載特點，分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)、交直流混合系統(tǒng)。主要區(qū)別是系統(tǒng)是否有逆變器。1、太陽能電池方陣太陽能電池單體：光電轉(zhuǎn)換最小單元，尺寸一般為2cm*2cm到15cm*15cm不等。工作電壓為0.45~0.5V，工作電流為20~25mA/cm2,不能單獨作電源使用。太陽能電池組件：將太陽能電池單體進行串并聯(lián)冰封狀。一個太陽能電池組件，一般由36或者40個單體電池組成，大約16V左右。其功率一般為幾瓦、幾十瓦，甚至100~300瓦。太陽能電池方陣：將太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并裝在支架上。2、防反沖二極管〔阻塞二極管〕作用：防止由于太陽能電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電時或者出現(xiàn)短路故障時，蓄電池通過太陽能電池方陣放電。起單向?qū)ㄗ饔?。選型要求：能夠承受足夠大的電流，而且正向電壓降要小，反向飽和電流要小。一般選適宜的整流二極管。3、蓄電池作用：儲存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。選型要求：1〕自放電率低；2〕使用壽命長；3〕深放電能力強；4〕充電效率高；5〕少維護或免維護；6〕工作溫度范圍寬；7〕價格低廉。200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封免維護鉛酸蓄電池；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池。4、控制器作用：核心部件功能：①信號檢測檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)各種裝置和各個單元的狀況和參數(shù)，為對系統(tǒng)進行判斷、控制、保護等提供依據(jù)。需要檢測的物理量有輸入電壓、充電電流、輸出電壓、輸出電流以及蓄電池溫升等。②蓄電池最優(yōu)充電控制控制器根據(jù)當前太陽能資源情況和蓄電池荷電狀態(tài)，確定最正確充電方式，以實現(xiàn)高效、快速地充電，并充分考慮充電方式對蓄電池壽命的影響。③蓄電池放電管理對蓄電池放電過程進行管理，如負載控制自動開關(guān)機、實現(xiàn)軟啟動、防止負載接入時蓄電池端電壓突降而導致的錯誤保護等。④設(shè)備保護光伏系統(tǒng)所連接的用電設(shè)備，在有些情況下需要由控制器來提供保護，如系統(tǒng)中因逆變電路故障而出現(xiàn)的過電壓和負載短路而出現(xiàn)的過電流等，如不及時加以控制，就有可能導致光伏系統(tǒng)或用電設(shè)備損壞。⑤故障診斷定位當光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時，可自動檢測故障類型，指示故障位置，為對系統(tǒng)進行維護提供方便。⑥運行狀態(tài)指示通過指示燈、顯示器等方式指示光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障信息。5、逆變器作用：將直流電變換成交流電要求：①能輸出一個電壓穩(wěn)定的交流電靜態(tài)時一般為土2％

②能輸出一個頻率穩(wěn)定的交流電靜態(tài)時一般為±0.5％

③輸出的電壓及其頻率在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)一般輸出電壓可調(diào)范圍為士5％，輸出頻率可調(diào)范圍為±2Hz

。④具有一定的過載能力一般能過載125％～150％。當過載150％時，應(yīng)能持續(xù)30s；當過載125％時，應(yīng)能持續(xù)1min以上。

⑤輸出電壓波形含諧波成分應(yīng)盡量小。一般輸出波形的失真率應(yīng)控制在7％以內(nèi)⑥具有短路、過載、過熱、過電壓、欠電壓等保護和報警功能通過指示燈、顯示器等方式指示光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障信息。⑦起動平穩(wěn)，起動電流小，運行穩(wěn)定可靠

⑧換流損失小，逆變頻率高，一般在85％以上。⑨具有快速的動態(tài)響應(yīng)。

6、測量設(shè)備參數(shù)：蓄電池電壓、充放電電流、太陽輻射、環(huán)境氣溫、充放電電量等，有時甚至要求具有遠程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)打印和遙控功能

2.3太陽能光伏發(fā)電的系統(tǒng)組成一、聯(lián)網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成分類：集中式大型聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)(以下簡稱為大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站)和分散式小型聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)(以下簡稱住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng))兩大類型大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站特點：所發(fā)電能被直接輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電

大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站缺點：投資巨大，建設(shè)期長，需要復雜的控制和配電設(shè)備，并要占用大片土地，同時其發(fā)電本錢目前要比市電貴數(shù)倍，因而開展不快住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)特點：所發(fā)的電能直接分配到住宅(用戶)的用電負載上，多余或缺乏的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。圖2-3可逆流系統(tǒng)圖2-4不可逆流系統(tǒng)住宅系統(tǒng)由于輸出的電量受天氣和季節(jié)的制約，而用電又有時間的區(qū)分，為保證電力平衡，一般均設(shè)計成可逆流系統(tǒng)。根據(jù)聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)是否允許通過供電區(qū)變壓器向主電網(wǎng)饋電，分為可逆流與不可逆流聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。住宅系統(tǒng)又有家庭系統(tǒng)和小區(qū)系統(tǒng)之分。家庭系統(tǒng)特點，裝機容量較小，一般為1～5kW，為自家供電，由自家管理，獨立計量電量。小區(qū)系統(tǒng)特點，裝機容量較大些，一般為50～300kW，，為一個小區(qū)或一棟建筑物供電，統(tǒng)一管理，集中分表計量電量。根據(jù)聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)是否配置貯能裝置，分為有貯能裝置和無儲能裝置聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖2-5有儲能(帶蓄電池)系統(tǒng)圖2-6無儲能(不帶蓄電池)系統(tǒng)有貯能系統(tǒng)主動性較強，當出現(xiàn)電網(wǎng)限電、掉電、停電等情況時仍可正常供電。住宅聯(lián)網(wǎng)型光伏系統(tǒng)工作原理：太陽能電池方陣在太陽光輻照下發(fā)出直流電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，供用電器使用；系統(tǒng)同時又與電網(wǎng)相聯(lián)，白天將太陽能電池方陣發(fā)出的多余電能經(jīng)聯(lián)網(wǎng)逆變器逆變?yōu)榉纤与娋W(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電饋入電網(wǎng)，在晚上或陰雨天發(fā)電量缺乏時，由電網(wǎng)向住宅(用戶)供電。圖2-7典型住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖1-接線箱；2-聯(lián)網(wǎng)逆變器；3-配電箱；4-電表(向電網(wǎng)輸出)；5-電表(從電網(wǎng)引入)太陽能電池方陣是聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)的主要部件。一般都用支架安裝在建筑物的屋頂上。目前主要有如下兩種形式：1．建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合作為光伏與建筑相結(jié)合的第一步，是將現(xiàn)成的平板式光伏組件安裝在建筑物的屋頂?shù)忍?，引出端?jīng)過逆變和控制裝置與電網(wǎng)聯(lián)接，由光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)并聯(lián)向住宅(用戶)供電，多余電力向電網(wǎng)反響，缺乏電力向電網(wǎng)取用。2．建筑與光伏組件相結(jié)合光伏與建筑相結(jié)合的進一步目標，是將光伏器件與建筑材料集成化。目前已研發(fā)出的品種有：雙層玻璃大尺寸光伏幕墻，透明和半透明光伏組件，隔熱隔音外墻光伏構(gòu)件，光伏屋面瓦，大尺寸、無邊框、雙玻璃屋面光伏構(gòu)件，面積達2m2左右代替屋頂蒙皮的光伏構(gòu)件，光伏電池不同顏色、不同形狀、不同排列的構(gòu)件，屋面和墻體柔性光伏構(gòu)件等。(一)太陽能電池方陣光伏建筑一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，是設(shè)計良好的冷卻通風，這是因為光伏組件的發(fā)電效率隨其外表工作溫度的上升而下降。理論和試驗證明，在光伏組件屋面設(shè)計空氣通風通道，可使組件的電力輸出提高8.3％左右，組件的外表溫度降低15℃左右。圖2-8光伏建筑一體化的幾種形式(二)聯(lián)網(wǎng)逆變器1．聯(lián)網(wǎng)逆變器功能聯(lián)網(wǎng)逆變器是聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵。不僅可將太陽能電池方陣發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并且還可對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無功、同步、電能品質(zhì)(電壓波動、高次諧波)等進行控制。(1)自動開關(guān)根據(jù)從日出到日落的日照條件，盡量發(fā)揮太陽能電池方陣輸出功率的潛力，在此范圍內(nèi)實現(xiàn)自動開始和停止。(2)最大功率點跟蹤(MPPT)控制跟隨太陽能電池方陣外表溫度變化和太陽輻照度變化跟蹤控制，使方陣經(jīng)常保持最大的功率輸出。(3)防止單獨運行系統(tǒng)所在地發(fā)生停電，當負荷電力與逆變器輸出電力相同時，逆變器的輸出電壓不會發(fā)生變化，難以覺察停電，因而有通過系統(tǒng)向所在地供電的可能，這種情況叫做單獨運轉(zhuǎn)，又稱孤島效應(yīng)。在這種情況下，本應(yīng)停了電的配電線中又有了電，這對于保安檢查人員是危險的，因此要設(shè)置防止單獨運行功能。(4)自動電壓調(diào)整在剩余電力逆流人電網(wǎng)時，因電力逆向輸送而導致送電點電壓上升，有可能超過商用電網(wǎng)的運行范圍，為保持系統(tǒng)的電壓正常，運轉(zhuǎn)過程中要能夠自動防止電壓上升。(5)異常情況排解與停止運行當系統(tǒng)所在地電網(wǎng)或逆變器發(fā)生故障時，及時查出異常，平安加以排解，并控制逆變器停止運轉(zhuǎn)。2．聯(lián)網(wǎng)逆變器構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)逆變器主要由逆變器和聯(lián)網(wǎng)保護器兩大局部構(gòu)成，如圖2-8所示。(1)逆變器包括3個局部：①逆變局部，其功能是采用大功率晶體管將直流高速切割，并轉(zhuǎn)換為交流；②控制局部，由電子回路構(gòu)成，其功能是控制逆變局部；③保護局部，也由電子回路構(gòu)成，其功能是在逆變器內(nèi)部發(fā)生故障時起平安保護作用。(2)聯(lián)網(wǎng)保護器是一種平安裝置，主要用于頻率上下波動、過欠電壓和電網(wǎng)停電等的監(jiān)測。通過監(jiān)測如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時停止逆變器運轉(zhuǎn)，把光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，以確保平安。它一般裝在逆變器中，但也有單獨設(shè)置的。3．聯(lián)網(wǎng)逆變器回路方式主要有電網(wǎng)頻率變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式和無變壓器方式3種。①電網(wǎng)頻率變壓器絕緣方式，采用脈寬調(diào)制(PWM)逆變器產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流，并采用電網(wǎng)頻