星海娱乐注册-平台注册。[任务描述 任务描述] 任务描述 光伏发电系统是将太阳能电池板通过光生伏特效应把太阳辐射能直接转换成电能的发 电系统。本任务主要是让学生理解光伏发电系统的原理，掌握光伏发电系统的组成及功能， 了解光伏发电系统的分类和离网光伏发电系统的应用实例，为以后的学习任务打下基础。 [作业质量标准 作业质量标准] 作业质量标准 1．能准确绘制出光伏发电系统的结构框图； 2．正确认知光伏发电系统各组成部件； 3．遵守操作规程，保持操作现场整洁。 4．正确执行安全技术操作规程。 [学习目标 学习目标] 学习目标 1．了解光伏系统类型； 2．掌握离网光伏发电系统的结构，了解各组件的功能； 3．熟悉离网光伏发电系统的应用领域； [技能目标 技能目标] 技能目标 1．能识别光伏发电系统的各个组件，并能指出它们的功能； 2．能识别和绘制光伏发电系统结构示意图。 [教学仪器 教学仪器] 教学仪器 多媒体教室，太阳能电池，控制器，蓄电池，逆变器，电缆，电工工具。 [相关知识 相关知识] 相关知识 太阳能光伏发电系统就是利用光生伏特效应制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换 成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组 成。 太阳能电池最早用于空间技术， 至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能 电池系统来供给。70 年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明、 铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等

　　各个领域。随着太阳能电池发电成本的进一步降低，它将进入更大规模的工业应用领域，如 海水淡化、光电制氢、电动车充电系统等,对于这些系统，目前世界上已有成功的示范。太 阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风 －光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。 一、太阳能光伏发电系统的分类 光伏发电系统的分类是随着其应用领域的扩展而不断发展的， 目前总体上分为离网光伏 系统(独立光伏系统)、并网光伏系统和混合光伏系统三大类。 1．离网光伏系统 离网光伏系统又称独立光伏系统， 是一种完全依靠太阳电池供电的光伏系统， 系统中太 阳电池方阵是唯一的能量来源。离网光伏系统又有以下一些类型： 一是直连系统。 直连系统是最简单的离网光伏系统， 太阳电池方阵发出的直流电直接供 给负载使用，中间没有储能设备，因此负载只有光照时才能工作。如图

　　光伏方阵——负载 例如：光伏水泵、太阳能风帽等。 第二类是直流负载离网光伏供电系统，除了光伏方阵和负载以外， 还带有储能设备和控 制器，如图**。

　　第三类是交流负载离网光伏供电系统，除了上述设备外还配有逆变器，如图 以上两种光伏系统主要为无电场所的直流和交流负载设备供应电力，可以就地供电， 不 需延伸电网，节省投资和减少线路损耗，使用方便，安全可靠，维护简单，应用领域十分广 泛。例如：通信电源、阴极保护电源、信号电源、照明电源、交通信号电源、交通工具电源、 独立户用电源系统等。

　　2．并网光伏发电系统 并网光伏系统就是通过并网逆变控制器将太阳电池组件产生的直流电转换成符合市电 电网要求的交流电之后直接接入公共电网的光伏系统。 并网系统中光伏方阵所产生电力除了 供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或 者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。 因为直接将电能输入电网， 免除配置蓄电 池， 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力从而减小了能量的 损耗，并降低了系统的成本。 并网光伏发电系统又分为分布式并网系统和集中式并网系统。 分布式并网系统是户用光 伏系统与电网相连，在有日照时，光伏电池方阵发出的电能除供给家庭电器使用外，将多余 电能输入电网；在夜间或阴雨天，光伏电池方阵发出的电能不足时，则由电网向家庭电器供 应部分或全部电力。 集中式并网光伏系统不与负载直接相连， 而是将所发电能全部输入电网， 通常规模很大，相当于常规发电站。近年来，由于技术的进步和太阳能电池价格的降低，加 上一些国家实施的扶助政策，大型光伏电站开始大量兴建，发展非常迅猛。 3．混合供电系统（Hybrid） 在光伏发电系统的应用中还可同时将一种或几种发电方式同时引入光伏系统中， 这种光 伏系统与其它发电方式一起联合向负载供电的系统称为混合光伏发电系统。例如光伏/柴油 机混合发电系统；光伏/风力混合发电系统等。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用 各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比方说，上述几种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的依赖性要小，它的优点是： 使用混合供电系统可以达到可再生能源的更好利用。因为可再生能源是变化的，不稳定 的， 所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。 由于系统是按照最差的情况进行设计， 所以在其他的时间， 系统的容量过大。 在太阳辐照最高峰时期产生的多余能量没法使用而白 白浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。如果最差月份的情况和其他月份差别很大， 有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。 具有较高的系统实用性。 在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现 供电不能满足负载需求的情况， 也就是存在负载缺电情况， 使用混合系统则会大大地降低负 载缺电率。 和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。 较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。

　　在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。 负载匹配更佳。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率，所以混 合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。 还可以更好的匹配负载和系统的发电，只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办 到。 有时候， 负载的大小决定了需要使用混合系统， 大的负载需要很大的电流和很高的电压。 如果只是使用太阳能成本就会很高。 但混合系统也有其自身的缺点： 控制比较复杂。因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处理各 个子能源系统之间的相互影响、 协调整个系统的运作， 这样就导致其控制系统比独立系统复 杂，现在多使用微处理芯片进行系统管理。 初期工程较大。混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。 比独立系统需要更多的维护。油机的使用需要很多的维护工作，比如更换机油滤清器， 燃油滤清器，火花塞等，还需要给油箱添加燃油等。 污染和噪音。光伏系统是无噪音、无排放的洁净能源利用，但是因为混合系统中使用了 柴油机，这样就不可避免地产生噪音和污染。 很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用 混合系统供电，以求达到最好的性价比。我国新疆、云南建设的很多乡村光伏电站就是采用 光/柴混合系统。 本学习情景主要学习离网光伏发电系统。 二、离网光伏发电系统的结构 １．定义： 离网光伏系统又称独立光伏系统， 是一种不与公共电网连接， 完全依靠太阳电池方阵供 电的能独立运行的光伏发电系统。系统中太阳电池方阵是唯一的能量来源。 ２．结构： 一套基本的离网光伏发电系统是由太阳电池方阵、充电控制器、逆变器、蓄电池及负载

　　图 X 离网光伏系统的组成示意图 构成，如图 3．各部分的功能： (1)太阳电池方阵： 太阳能电池单体是光电转换的最小单元， 尺寸一般为 4cm2 到 100cm2 不等。太阳能电池单体的工作电压约为 0.5V, 工作电流约为 20－25mA/cm2, 一般不能单独 作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般 为几瓦至几十瓦， 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并联组合 安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 (见图 1－2)。 太阳电池方阵的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电， 供负载使用或存贮于蓄电池内 备用。

　　图 1－2 太阳能电池单体、组件和方阵 ①硅太阳能电池单体 常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。 晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成， 在晶 体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是 P 型硅，表面扩散层是 N 区，在这两个区的连接处就是所谓的 PN 结。PN 结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一 层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。 太阳能电池的工作原理如下：

　　光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被 晶体硅吸收后，在 PN 结中产生一对对正负电荷，由于在 PN 结区域的正负电荷被分离，因而 可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光 生伏特效应” 。 将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时， 将有电流流过该负载， 于是太阳能电 池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决 定， 低于基能能量的光子不能产生自由电子， 一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电 子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。 ②硅太阳能电池种类 目前世界上有 3 种已经商品化的硅太阳能电池： 单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池 和非晶硅太阳能电池。 对于单晶硅太阳能电池， 由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使 用的材料具有相同的品质， 使单晶硅的使用成本比较昂贵。 多晶硅太阳能电池的晶体方向的 无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被 PN 结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之 间的边界上可能由于晶体的不规则而损失， 所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太 阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的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，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅 太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。 一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 13――15 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 11――13 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 5――8 % ③太阳能电池组件 一个太阳能电池只能产生大约 0.5V 电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实 际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池， 这些太阳能电池通过导线连接。 一个组件上， 太阳能电池的标准数量是 36 片 （10cm×10cm） ， 这意味着一个太阳能电池组件大约能产生 17V 的电压， 正好能为一个额定电压为 12V 的蓄电 池进行有效充电。 通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件， 具有一定的防 腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压 和电流而单个组件不能满足要求时， 可把多个组件组成太阳能电池方阵， 以获得所需要的电 压和电流。

　　太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在 的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。 这种组件的前面是玻璃板， 背面是一层合 金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这 种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。 组件的电气特性主要是指电流－电压输出特性，也称为Ⅴ－Ⅰ特性曲线 所 示。Ⅴ－Ⅰ特性曲线 所示的电路装置进行测量。Ⅴ－Ⅰ特性曲线显示了通过 太阳能电池组件传送的电流 Im 与电压 Vm 在特定的太阳辐照度下的关系。 如果太阳能电池组 件电路短路即 V＝0，此时的电流称为短路电流 Isc；如果电路开路即 I＝0，此时的电压称 为开路电压 Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即 P＝ V*I 。

　　图 1-3 太阳能电池的电流－电压特性曲线 当太阳能电池组件的电压上升时， 例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零 （短路 条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从 0 开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到 最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压 Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功 率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压 Vm（又称为最大工作电压） ；该点所对应的 电流，称为最大功率点电流 Im（又称为最大工作电流） ；该点的功率，称为最大功率 Pm。 随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高 1  C 每片电池的电压减少 5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/ C。也就是说，如果太阳能电池温度 每升高 1  C，则最大功率减少 0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如 果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。

　　由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、 太阳能光谱的分布和太阳能电池的 温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义 为 101 号标准，其条件是： 光谱辐照度 大气质量系数 太阳电池温度 1000W/m2 AM1.5 25℃

　　在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化 的太阳能电池进行比较。 通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的， 因为太阳能电池组件所接受到的 太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温 度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到 10％或更大。 如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、 树荫等)长时间遮挡时， 被遮挡的太阳能电池组 件此时将会严重发热，这就是“热斑效应” 。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作 用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止 太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极 管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。 连接盒是一个很重要的元件： 它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其 他系统元件。它包含一个接线)充电控制器：在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充 电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄 电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。在不同类型的光伏发 电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，充电控制器主要由电子 元器件、仪表、继电器、开关等组成。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分 为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控 制)和 PWM 脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。开关器件，可以是继电器，也可以是 MOSFET 模块。但 PWM 脉宽调制控制器，只能用 MOSFET 模块作为开关器件。

　　(3)逆变器：逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发 出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独 立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统， 为独立 负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变 器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但 谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可 以适用于各种负载。从长远看，SPWM 脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。逆变器 的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成２２０伏交流电， 供给交流 负载使用。

　　(4)蓄电池组：蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮存起来供负载使用。其作用是 储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。 太阳能电池发电系统对所 用蓄电池组的基本要求是：①自放电率低；②使用寿命长；③ 深放电能力强；④充电效率 高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。 目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。 配 套 200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池；配套 200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。

　　在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还 对蓄电池充电。在冬天日照量少时，这部分贮存的电能逐步放出。白天太阳能电池方阵给蓄 电池充电，同时方阵还要给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。

　　测量设备： 对于小型太阳能电池发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流， 测量所用的电压和电流表一般装在控制器面板上。 对于太阳能通信电源系统、 阴极保护系统 等工业电源系统和大型太阳能发电站，往往要求对更多的参数进行测量，如太阳能辐射量、 环境温度、充放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能，这时要 求为太阳能电池发电系统应配备智能化的“数据采集系统”和“微机监控系统” 。 三、离网式光伏发电系统的应用领域 1．农村电气化用光伏系统(村落供电系统、户用电源等） ； 2．公共事业单位用光伏系统（学校、医院、政府办公） ； 3．通迅和工业用光伏系统（微彼站、交通信号、阴极保护等） ； 4．其它光伏产品（太阳能照明系统） ； 5．航天应用。 [工作过程 工作过程] 工作过程