合乐888娱乐平台-首选地址太阳能光伏发电的系统组成及原理太阳能光伏发电系统具有没有转动部件，不产生噪声；没有空气污染，不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性、稳定性好的特点；作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达25年以上，因此，太阳能光伏发电是太阳能最重要利用形式之一，本章重点介绍独立型太阳能光伏发电系统、并网型光伏发电系统的组成及原理。2.1太阳能光伏发电系统的工作原理太阳光发电是指直接将太阳光能转变成电能的发电方式。通常人们所说太阳光发电就是指太阳能光伏发电。而光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件的光生伏打效应，有效地吸收太阳的辐射能，并使之直接转变为电能。太阳能光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳电池将太阳能直接转换成电能，也叫做太阳电池发电系统。太阳能光伏发电系统由太阳电池组（方阵）、控制器、蓄电池（组）、直流交流逆变器、测试仪表和计算机监控等电力设备或其他辅助发电设备组成，其系统组成如图2.1所示。2.2太阳能光伏发电系统的运行方式太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件多采用晶体硅太阳电池组件，基于晶体硅太阳电池的生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产，现已广泛应用于工业，农业、科技、国防和人民生活的各个领域，并发挥着越来越大的作用。不久的将来，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在世界可持续能源结构中占有一定比例。光伏系统应用非常广泛，对于地面用太阳能光伏发电系统，其应用的基本形式可分为两大类：没有与公用电网相连接的太阳能光伏系统称为离网太阳能光伏发电系统，也称为独立太阳能光伏发电系统。它通常用作便携式设备的电源，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。如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵、无电缺电地区户、边防哨所等场合提供电源。另外与公共电网相连接，共同承担供电任务的太阳能光伏发电系统称为并网太阳能光伏发电系统，也称为联网太阳能光伏发电系统。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。而并网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性：（1）可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数，有效地消除电网杂波。（2）所发电能回馈电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35%45%，发电成本大大降低。（3）光伏电池与建筑完美结合，既可发电又可作为建筑材料和装饰材料，使资源充分利用，发挥多种功能。（4）出入电网灵活，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，越来越多的国家开始有计划地推广城市光伏并网发电，其中太阳电池与建筑相结合的并网屋顶太阳能光伏发电系统—光伏建筑一体化(BIPV)是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。目前并网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段，远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。我国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，到2010年以前这种现象不会有很大改变，仍然是以独立发电系统为主。将来不久，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。2.3太阳能光伏发电系统的组成2.3.1独立太阳能光伏发电系统的组成独立运行的光伏发电系统可根据用电负载的特点，分为直流系统、交流系统和交直流混合系统。其主要区别是系统中是否带有逆变器。独立太阳能光伏发电系统如图2.2所示，它主要由太阳电池方阵、储能装置(蓄电池组）、直流交流逆变装置、控制设备与连接装置等组成。太阳电池方阵太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳电池。商用的太阳电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等几种类型。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。目前世界上多采用硅太阳电池，即单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池。太阳电池单体是用于光电转换的最小单元，一般不能单独作为电源使用。尺寸通常为2cm2cm到目前的15cm15cm。太阳电池的单体工作电压为400mV~500mV，工作电流为20~25mA/cm，远低于实际应用所需要的电压值。为了满足实际应用的需要，需要把太阳电池连接成组件。太阳电池组件包含一定数量的太阳电池，把这些太阳电池通过导线连接。一个组件上，太阳电池的标准数量是36个或40个（1010cm)，这意味着一个太阳电池组件大约能产生16V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。太阳电池组件种类繁多，根据太阳电池片的类型可分为：单晶硅组件、多晶硅组件，砷化镓组件、非晶硅薄膜电池组件等，其中晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）太阳电池组件约占市场的80%90%。封装材料与工艺也有所不同，主要分为环氧树脂胶封、层压封装、硅胶封装等。目前用得最多的是层压封装方式，这种封装方式适宜于大面积电池片的工业化封装。同类太阳电池组件根据峰值功率、额定电压又可以分为不同型号。将太阳电池组件经过串、并联安装在支架上，就构成了太阳电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率，如图2.3所示。图2.3太阳电池单体、组件和方阵防反充二极管防反充二极管又称阻塞二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通作用。因此它必须保证回路中有最大电流，而且要承受最大反向电压的冲击。一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。蓄电池组蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时所发出的电能并能随时向负载供电。在为太阳能光伏发电系统选择蓄电池时，要考虑电压电流特性等电气性能，还要求蓄电池组的自放电率低，使用寿命长，深放电能力强，充电效率高，可以少维护和免维护，工作温度范围宽，价格低廉等，再在此基础上考虑经济性选择最佳。蓄电池分为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂蓄电池等。目前我国与太阳能光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。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型铅酸蓄电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护型铅酸蓄电池。控制设备控制设备是太阳能光伏发电系统中的重要部分之一。系统中的控制设备通常应具有以下功能：信号检测：检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状况和参数，可以对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。蓄电池的充放电控制：一般蓄电池组经过过充或过放电后会严重影响其性能和寿命，所以充放电控制设备是不可缺少的。控制设备可根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状况，确定最佳充电方式，以实现高效、快速充电并对蓄电池放电过程进行 管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错 误保护等。其他设备保护：系统所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制设备来提供 保护，如系统中因逆变电路故障而出现的过电压和负载短路而出现的过电流等，如不及时加 以控制，就有可能导致系统或用电设备损坏。故障诊断定位：当系统发生故障时，可自动 检测故障类型，指示故障位置，对系统进行维护提供便利。运行状态指示：通过指示灯、 显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。 太阳能光伏发电系统在控制设备的管理下运行。控制设备可以采用多种技术方式实现其 控制功能。比较常见的有逻辑和计算机控制两种方式。 逆变器逆变器是将直流电转变成交流电的一种设备。它是光伏系统中的重要组成部分。 由于太 阳电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。通常逆变器 不仅可以把直流电转换为交流电，也可以如下所述那样，具有使太阳电池最大限度地发挥其 性能，以及出现异常和故障时保护系统的功能等。有效地去除受天气变化影响的太阳电池 的输出功率，具有自动运行停止功能及最大功率跟踪控制功能。 为保护系统，具有单独（孤 岛）运行防止功能及自动调压功能。当系统和逆变器出现异常时，可以安全地分离或使逆 变器停止工作。 逆变器按运行方式，可分为独立运行(离网)逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于 独立运行的太阳能光伏发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏 发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又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，正弦波逆变器将成为发 展主流。 测量设备对于小型太阳能光伏发电系统，一般只需要进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电操 作电流，这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。对于太阳能通信电源系统、 管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站，往往要求对更多的参数进行测 量，如测量太阳辐射能，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。而为了得到这种较为复杂的测量，就必须为太阳能光伏发电系统配备数据 采集系统和微机监控系统。 2.2.3 并网太阳能光伏发电系统的组成 并网光伏系统如图 2.4 所示，这种光伏发电系统实质上与其他类型的发电站一样，可为 整个电力系统提供电力。并网太阳能光伏发电系统分为集中大型并网光伏系统（大型集中并 网光伏电站）和分散式小型并网光伏发电系统（屋顶光伏系统或住宅并网光伏系统）两大类 型。前者功率容量通常在兆瓦级以上，后者则在千瓦级至百千瓦级之间。 大型集中并网光伏发电站的主要特点是系统所发的电能被直接输送到电网上，由电网统 一调配向用户供电。大型并网光伏电站的建设，投资巨大，建设期较长，需要复杂的控制及 配电设备，同时需要占用大片土地，同时其发电成本目前要比市电贵，因此其发展受到很多 限制。但随着太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，建设这种大型并网光伏电站就是 必然趋势。目前在大型并网光伏电站的发展上，国外较国内发展早且技术较为成熟。世界上 最大的 10 兆瓦以上的大型并网光伏电站都集中在欧美。例如西班牙 Beneixama （Alicante Province）20MW并网光伏电站、西班牙 Salamanca Kyocera 13.8MW 并网光伏电站、西班牙 Murcial2.7MW并网光伏电站、美国Nevada Nellis Air Force Basel5MW并网光伏电站及葡萄牙 Serpa 11MW 并网光伏电站目前都已建成并投入运行。还有德国 Rhineland Brandis投资1.3 亿欧元正在建设中的40MW并网光伏电站（见组图2.5）。相比国外，国内现 建成的最大的并网光伏电站有上海崇明岛前卫村 1MW 太阳能并网光伏电站和深圳国际园林 花卉博览园1MW 并网光伏电站（见组图2.6）。图2.4 并网光伏发电系统示意图 与大型并网光伏系统相比，住宅并网光伏发电系统，特别是与建筑相结合的住宅屋顶并 网光伏系统，由于具有许多优越性，建设容易，投资不大，许多国家又相继出台了一系列激 励政策，因而在各发达国家备受青睐，发展迅速，成为主流。住宅并网光伏发电系统的主要 特点是所发的电能直接分配到住宅（用户）的用电负载上，多于或不足的电力通过连接电网 来调节。根据并网光伏发电系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为逆潮流和非 逆潮流并网光伏发电系统两种。逆潮流系统（见图 2.7），是在光伏系统中产生剩余电力时将 该电能送入电网，由于是同电网的供电方向相反，所以成为逆潮流。在光伏发电系统中产生

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