太阳能光伏发电系统 （培训教材）

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,太阳能光伏发电系统,培训教材,*可再生能源技术开发中心,讲 座 内 容,第一讲,第,1,节 光伏发电原理及系统组成,第,2,节 太阳能资源及场地评价,第二讲,第,3,节 光伏系统设计原理,第,4,节 光伏系统安装、运行及维护,第三讲,第,5,节 光伏发电的安全问题,第,6,节 光伏发电的应用,第一节 光伏发电原理及系统组成,1.1,光伏发电原理,1.1.1,太阳电池简介,太阳电池原理：基于“量子理论,/,量子统计学”（见半导体物理基础）,太阳电池能量转换的基础：光,-,电半导体器件“结”的“光生伏打效应” 。,光照射（掺杂磷、硼等）半导体,能级跃迁,电子,/,空穴（对）,反向漂移运动（内电场作用）, P,区电势高,/N,区电势低,光生电动势（光效应伏）,1.1.2,太阳电池的主要类型,按基体材料：晶体硅、非晶硅、化合物（砷化镓、硫化镉）等。,按电池结构：平板型、聚光型等。,按用途分类：地面、空间、光电传感等。,单晶硅工艺流程,拉制单晶,切片,/,表面处理,制,PN,节（扩散法）,/,检测,腐蚀周边,/,除背结,(pn,）,制作上、下电极,/,焊引线,制减反射膜,封装,测试。,1.1.3,太阳电池的串联和并联,单电池电压大约。,太阳电池 组件电压,17,18V,。,1.2,太阳电池组件,1.2.2,组件简介,组件都包含有太阳电池片、透明封装材料，结构框架和电气接线等部分。不同类型的,硅太阳电池组件的主要差别在以下三个方面：,1.,电池材料,硅太阳电池可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。,单晶硅太阳电池效率大约在,12%,15%,的范围，工作寿命约,20,年。,2,透明封装材料,主要有钢化玻璃、石英玻璃和透明高分子材料等。,从透光率和保护电池片二者考虑，目前用得较多的,组件上盖板材料是低铁钢化玻璃。,3,结构及附件,太阳电池组件硬质材料边框的作用是,:,支撑和,保护电池片和构成方阵时用以进行组件之间的连,接与固定。用于边框的材料主要有，不锈钢、铝,合金、增强塑料及橡胶等。,组件底板的引出线通常采用橡皮软线或聚氯乙烯绝缘线等。,特别要注意引出线接线盒的防水、防潮性能以及组件的密封性、底板材料等,.,1.2.2,太阳电池性能及影响因素,1.,太阳电池性能,右 图给出的典型,I-V,曲线的条件为,:,日照,1000W/m,2,电,池温度,25,。,最大功率点（,Vmp,，,Imp,）,开路电压（,Voc,）,短路电流（,Isc,）,影响太阳电池性能的因素,负载阻抗、日照强度 、太阳电池温度、阴影和晶体结构。,负载阻抗,右图展示了纯阻性负载与组件,I-V,特性的匹配原理。,RM,合适，组件运行在最大功率点,PM,；,阻抗增加到,RH,，输出电压增加少许，但电流明显下降，,使组件输出功率减少，运行效率降低。；,阻抗减小到,RL,，输出电流略有上升，但电压急剧下降，,同样使组件的输出功率减少，运行效率降低。,感性负载应使用最大“功率跟踪器”。,日照强度,太阳电池组件的输出功率与直接的太阳辐射,强度成比例,随着太阳辐照强度的下降曲线向下,移动，组件输出电流在减少。（见右图）,注意：日照强度变化时，组件工作,电压基本不变。,太阳电池温度,太阳电池组件温度升高，输出电压下降 ，,工作效率降低 。,（见右图）,在,80,90,之间，温度每上升,1,度组件的,效率损失,0.5%,。因此，使太阳电池板上下,方的空气流动非常重要，这样可以将热量,带走，避免太阳电池温度升高。,阴影,阴影对太阳电池组件性能的影响不可低估，,例如，一个单电池被完全遮挡时，太阳电池组,件可减少输出,75%,。,表,1,。 阴影对组件输出的影响,晶体结构,太阳电池被遮挡状况,组件功率损失比例（,%,）,单个光电池被遮挡比例,（,%,）,0,0,25,25,50,50,75,66,100,75,3,个光电池被遮挡,93,1.2.2,不同性能组件的串联和并联,两组件性能不一致，串、并联后将达不到,应有的结果。,当两个性能不同的组件（组件,A,、组件,B,）,串联到一起时，电压仍相加，电流将被限制到,略高于串联组中电流最小的组件（组件,B,）的,电流值，如右图虚线所示；,当两个性能不同的组件并联到一起时，电,流将增加，但是电压只是二者的平均值，如右,图虚线所示。,1.2.3,二极管的作用,阻塞二极管,阻塞二极管（亦称屏蔽二极管）置于组件或电池板和蓄电池,之间的正极性线路上（见右图），夜间或阴天时防止蓄电池电流,回流到方阵。,旁路二极管,旁路二极管（亦称分路二极管）同太阳电池或组件并联（见,右图）。当电池或组件出现阴影或损坏时用来旁路该电池或组件，,转移流经该电池或组件的电流。在大型方阵中当一个电池板的一,串组件发生故障时，其它正常电池板的电流可经由旁,路二极管形成通路，以保证整个方阵仍可正常工作。,隔离二极管,在方阵工作电压较高时，应安装隔离二极管,（见,右图,）。它的作用是当方阵中的某支路出现故障时，,二极管将正常运行支路与故障支路隔离，以保证整,个方阵仍可正常工作。,1.3,光伏发电系统,1.3.1,光伏发电系统组成,独立运行的光伏发电系统,光伏,/,风力互补发电系统,分散式互补发电系统,（,SMA Co.),并网光伏系统,1.3.2,太阳电池方阵,1,。方阵构成,2,。 方阵类型,1.3.3,蓄电池,1.,蓄电池简介,1),蓄电池的作用,解决了电能贮存问题,起着功率和能量调节作用,向负载提供瞬时大电流,2),蓄电池的重要性,蓄电池储能单元的设计与维护是光伏及风力发电系统中最敏感的问题。,蓄电池储能单元是影响光伏及风力发电系统运行成本的重要因素。,3),铅酸蓄电池基本原理,总的化学反应过程可用下列方程式表示：,（正极） （电解液） （负极,),（放电）（正极）（电解液）（负极）,Pb0,2,2H,2,S0,4,Pb,PbSO,4,2H,2,0,PbSO,4,（充电）,2.,铅酸蓄电池主要性能及影响因素,（,1,）蓄电池容量,1,）,容量的表示,蓄电池容量是蓄电池储存电荷的能力。将处于完全充电状态的蓄电池，按一定的,放电条件放电至所规定的终止电压，通常电池放出的电量以安时（）表示。 蓄电,池容量也可以用瓦时表示，安时（）容量乘以放电平均电压，即可得到瓦时,（）容量。,理论容量,：是根据活性物质的质量，按相关的化学定律计算得出的最高值；,额定容量,（也称保证容量）：是按国家或有关部门颁布的标准，在规定的放电条件 下，应该放出的最低限度的容量值；,实际容量,：是指电池在一定的条件下放出的电量，由于活性物质不能被,100%,利用等原因，此容量低于理论容量值。,2,）影响容量的因素,铅电池容量不是一个固定的参数，它是由设计、工艺和使用条件综合因素决定的。,对蓄电池使用者主要应了解，在使用过程中蓄电池放电率、电解液温度、电解液浓度及,层化是影响电池实际容量的最主要因素。,放电率的影响：大的放电率，将使蓄电池实际容量减小；,硫酸铅堵塞多孔极板的孔口，使电解液扩散困难，因而不能充分供应多孔电极内,部的需要。,由于活性物质沿极板厚度方向作用深度有限，电流愈大其作用深度愈浅，使活性,质利用率愈低。,由于极化和内阻的存在，在高电流密度下，电压,损失增加，使电池端电压迅速下降，,电解液温度影响：随着温度的升高，蓄电池容,量呈增加趋势。,电解液温度高时（在允许的温度范围内），离子,运动速度加快，获得的动能增加，因此渗透力增强，,从而使蓄电池内阻减小，扩散速度加快，电化反应,加强，从而使电池容量增大；反之，蓄电池容量减少。,电解液浓度及层化的影响,增加电解液浓度就是增加了反应物质 ；,电解液密度的差异，很容易造成极板上的活性物质得不到完全的、均匀的转化。,（反应在极板上部的输出输入端；密度高的电解液下沉）,蓄电池放电能力的大小以放电率表示，放电率有两种表示法：,小时率（时间率）：以一定的电流值放完电池的额定容量所需时间。,例如：容量,100Ah,的蓄电池以,10A,放电，,100Ah /10A,10h,，即,10,小时可放出全部电,量，称此放电率为,10,小时率。若以,5A,放电，,20,小时可放出全部电量，则称为,20,小时率，,以此类推。,电流率（倍率）：放电电流值相当于电池额定容量（,Ah,）值的倍数。,例如：容量,100Ah,的蓄电池以,1000.1=10A,电流放电，,10,小时将全部电量放完，电,流率为,10,，,C,10,表示,10,小时放电率下的电池容量。若以,100A,电流放电，,1,小时将全部,电量放完，电流率为,1C,10,，以此类推。,（,2,） 蓄电池使用寿命,1,）寿命定义与失效界定,根据蓄电池用途和使用方法不同，对寿命的评价方法也不相同。对于铅酸蓄电池可分为,充放循环寿命,、,使用寿命,和,恒流过充电寿命,等三种评价方法。,充放循环寿命指标反映了铅蓄电池在深放电方面的重复能力；使用寿命只是对铅蓄电池在浮充电状态运行时间长短（使用年限）的评价。,“固定型（开口式）铅酸蓄电池”，其使用期限规定为：当蓄电池实际容量低于额定容量的,80%,时，就认定该蓄电池失效，,根据国家标准规定，固定型（开口式）,铅酸蓄电池的充放循环寿命不低于,1000,次，,使用寿命（浮充电）应不低于,10,年。,2,）影响寿命的因素,放电过深,大电流充电或放电,电解液浓度过高,温度过低,（,3,） 蓄电池输出效率,描述蓄电池输出效率的物理量有三个：,安时效率、能量效率和电压效率,。,当设计蓄电池储能系统时，能量效率特别有意义。如果电流保持恒定，在相等的,充电和放电时间内，蓄电池放出电量和充入电量（,kWh,）的百分比，称为蓄电池的能量,效率。铅酸蓄电池效率的典型值是：安时效率约为,87,93%,；能量效率约为,71,79%,；,电压效率,85%,左右。,蓄电池效率受许多因素影响，如温度、放电率、充电率、充电终止点的判断等。,（,4,） 对光伏发电储能蓄电池的性能要求,具有深循环放电性能；,充放循环寿命长；,对过充、过放电耐受能力强；,当电池不能及时补充充电时，能有效抑制小颗粒硫酸铅的生长；,富液式电池在静态环境中使用时，电解液不易产生层化；,具有免维护或少维护性能；,低温下也具有良好的充电、放电特性；,充放电特性对高温不敏感；,无需初充电操作；,蓄电池各项性能一致性好，无需均衡充电；,具有较高的能量效率；,具有高的性能价格比；,具有高的重量比能量和体积比能量。,3.,常用蓄电池类型,（,1,）,固定型铅酸蓄,优点,容量大，单位容量价格便宜，使用寿命长和轻度硫酸化可恢复。与起动用蓄电池相比固定型蓄电池的性能更贴近光伏和风电系统的要求，因此目前在功率较大的光伏电站和风电站多数采用固定型（开口式）铅酸蓄电池。,缺点,需要维护，在干燥气候地区需经常添加蒸馏水，隔一段时间还要检查和调整电解液比重。此外，开口式电池带液运输时，电解液有溢出的危险。,（,2,）,阀控密封式铅酸电池,优点,不需要专门维护；,即便倾倒电解液也不会溢出；,不向空气中排放氢气和酸雾；,安全性能更好。,缺点,对过充电敏感，因此对充电控制器性能要求高；,当长时间反复过充电后，容易发生电解液干涸及活性物质脱落；,较普通开口式铅酸蓄电池价格高（国外产品约高,60%,100%,倍，国内产品约高,30%,60%,）。,（,3,）碱性蓄电池,目前常见的碱性蓄电池有镉镍电池和铁镍电池。碱性蓄电池（指镉镍蓄电池）与,铅酸蓄电池相比，主要有下列优点和缺点：,优点,对过充电、过放电的耐受能力强；,反复深放电对蓄电池寿命无大的影响；,在大电流和高温条件下，仍具较高的效率；,维护简单；,循环寿命长。,缺点,内阻大；,电动势小，输出电压较低；,价格高（约为铅酸蓄电池的,34,倍）。,由以上对各类电池优缺点的比较可以看出，虽然碱性蓄电池确有许多优点，但从,总的性能价格比分析，铅酸蓄电池仍有一定的优势。只有在对储能的可靠性、安全,性、机械强度和使用寿命等有较高要求的情况下，才选用碱性蓄电池。,1.3.4,控制器,1,。 控制器简介,蓄电池充电控制,系统运行状态控制,2,。蓄电池充电控制基本原理,（,1,）铅酸蓄电池充电特性,（,2,）“电压型”充电控制原理,（,3,）“电流型”充电控制原理,（,4,）充电控制的温度补偿,3.,蓄电池过放电保护基本原理,（,1,）铅酸蓄电池放电特性,（,2,）“电压型”过放电保护原理,（,3,）“电流型”过放电保护原理,（,4,）过放电保护的温度补偿,4.,控制器类型,（,1,） 串联控制器,（,2,）旁路控制器,（,3,）多阶控制器,（多路控制器）,（,4,） 脉冲控制器,脉宽调制（,PWM,）控制器与脉冲控制器基本原理相同，主要区别是将充电脉冲发生,器设计成充电脉宽调制器。这样，使充电脉冲的平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池,当前的荷电状态。最理想的状态是符合蓄电池的,充电可接受曲线,。使用,DC/DC,变换,的,PWM,控制器还可实现光伏系统的最大功率跟踪功能。因此，脉宽调制控制器可用于大,型光伏系统。缺点是脉宽调制控制器自身带来一定的损耗（大约,4,8%,）。,1.3.5,逆变器,1,。逆变器类型及特点,（,1,）方波逆变器,（,2,）阶梯波逆变器,（,3),正弦波逆变器,（,4,）组合式三相逆变器,（,5,）组串式逆变器及双向逆换器,组串式,逆变器是由德国,SMA,公司为光伏发电系统开发的专用,逆变器（见图,6-16,），其特点是：逆变器采用模块化设计，扩,容极为方便；即可用于并网光伏系统，也可应用于独立光伏系统。,双向逆换器，顾名思义是既可将直流电变换成交流电，又可,将交流电变换成直流电的逆换器。由于双向逆换器主要用于蓄电,池的充电和放电，又称为蓄电池逆换器。,组串式逆变器与双向逆换器结合可构成,独立运行的光伏发电系统，以此为基本单元,可组成模块化结构的分散式独立供电系统。,2.,逆变器主要性能参数,1,）使用环境条件,逆变器正常使用条件：海拔高度不超过,1000m,，空气温度,0,+40,。,2,）直流输入电源条件,逆变器的输入直流电压波动范围为蓄电池组额定电压值的,15%,。,3,）额定输出电压,在规定的输入电源条件下，输出额定电流时，逆变器应输出的额定电压值。,逆变器的电压波动范围为单相,220V5%,，三相,3805%,。,4,）过载能力,过载能力指在规定的条件下，较短时间内，逆变器输出超过额定电流值的能力。,逆变器的过载能力应在规定的负载功率因数下，满足一定的要求。,5,）最大谐波含量,对于正弦波逆变器，在阻性负载下，输出电压的最大谐波含量应,10%,。,6,）负载的非对称性,在,10%,的非对称负载下，固定频率的三相逆变器输出电压的非对称性应,10%,。,7),起动特性,在正常工作条件下，逆变器在满载负载和空载运行条件下，应能连续,5,次正常起动。,8),效率,效率指在额定输出电压、输出电流和规定的负载功率因数下，逆变器输出有功功率与输入有功功率（或直流功率）之比。,9),负载功率因数,逆变器负载功率因数的允许变化范围，推荐值为,0,7,1,0,。,10),保护功能,逆变器应设置：短路保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护及缺相保护。,11),干扰与抗干扰,逆变器应在规定的正常工作条件下，能承受一般环境下的电磁干扰。,逆变器的抗干扰性能和电磁兼容性应符合有关标准的规定。,12),噪声,不经常操作、监视和维护的逆变器，其噪声值应,95db,；,经常操作、监视和维护的逆变器，其噪声值应,80db,。,第,2,节 太阳能资源及场地评价,2.1,太阳辐射概述,2.1.1,太阳的能量及光谱,（,1,）,太阳的能量,太阳表面温度大约,5700 ,，中心温度高达约,2107 ,；,类似于氢弹爆炸的热核反应，是太阳能量的主要来源。,（,2,）,太阳光谱与太阳电池的光谱响应,晶体硅光谱响应：,波长 ,m,（蓝与红光之间）,2.1.2,太阳能术语与单位（）,太阳常数,：地球位于日地平均距离处，在大气层外，,垂直于太阳辐射束平面上 形成的辐照度。,在大气层外大气质量为零，,用,AM0,表示；（,2,),地球上海平面大气质量为,1,，,用,AM1,表示； （,2,),太阳辐射斜射入大气层，,当大气质量为,1.5,用,AM 1.5,表示。,太阳电池标准测试：,的太阳光谱，辐照度,1kW/m,2,。,单位,辐射功率,（,辐射通量）,在单位时间内，以辐射形式发射的能量，单位是瓦（,W,）。,辐照度,（,辐射度）,太阳投射到单位面积上的辐射功率（辐射通量），单位是瓦,/,平方米（,W/m,2,）。,辐照量（辐射量）,在一段规定的时间内（如每小时、每日、每周、每月、每年等），太阳照射到,单位面积上的辐射能量，单位是,kWh/m,2,/,日（月、年）。,2.1.3,太阳辐射及影响因素,1.,大气条件对太阳辐射的影响,主要原因是由空气分子、水滴、水晶和尘埃引起的大气散射和由臭氧、水蒸气和二,氧化碳引起的大气吸收。由于大气散射波长的范围集中在能量比较大的可见光波段，因,此,散射,是使太阳辐射能衰减的主要因素之一。在晴朗夏天的正午时刻，大约有,70%,的太,阳辐射能穿过大气层直接到达地球表面；另有,7%,左右的太阳辐射能经大气分子和粒子,散射后，也最终抵达地面；其余的被大气吸收或经散射返回空间。,2.,地球相对太阳位置的影响,3.,地形地貌及障碍物的影响,2.2,获取太阳能资源数据,2.2.1,对资源数据的要求,太阳资源数据主要包括各月的日射资料。气候状况的数据主要包括：年平均气,温，年最高气温，年最低气温，一年内最长连续阴天数（含降水或降雪天），年平均,风速，年最大风速，年冰雹次数，年沙暴日数。其中，,太阳总辐射的各月数值,是必不,可少的。此外，还应包括上述各项数据最近,5,年,10,年,的累计数据，以评估太阳能资,源和气候状况数据的有效性。,峰值太阳小时,为便于进行不同地点日照条件的比较和设计，规定辐照度等于,1000W/m,的每天日,照小时数，被称为“峰值太阳小时”。例如：,5,峰值太阳小时,= 5 kWh/m,，即太阳以,1000W/m,的辐照度照射了,5,小时。,2.2.2,数据有效性评估,1, 当一个具体场地的太阳能资源数据不够完整或缺少多年的累积数据，则必须对太,阳辐射的有效性和量值进行评估。,2, 虽然当地的太阳能资源数据比较完整，而且太阳辐射情况也较好，但由于候选场,地处于多山地区或附近存在明显影响太阳辐射的地形地貌，在这种情况下要通过研究,候选场地周围邻近地区的平均数据变化，来评估当地太阳能资源数据的有效性,。,2.3,太阳方位和电池板倾角的确定,2.3.1,方位角,太阳从地平线升起后，在正南方由东向西移动的位置,称为方位角，以正南方为基准的东西向角度来测量，,并以度计量。,2.3.2,高度角,太阳在地平线以上的高度以地平面与太阳所在位置的,夹角来测量称为高度角（或仰角）（见图,4-2,），并以度,计量。由于地球是以一定的倾角绕轨道运行，太阳正午时,在地平线以上全年有不同的高度角。,2.3.3,倾角,在正午时刻，为了使阳光垂直照射在太阳电池板上，,在安装时太阳电池板与水平面之间要有一个角度，通常,称电池板与水平面的夹角为倾角，以度计量。,2.3.4,确定方阵倾角,为了简化光伏系统控制，同时考虑满足不同,季节的负载用电需要，可以按下列规律确定方阵,倾角：,为满足冬季负载 倾角,=,纬度,+11,度,45,分,为满足夏季负载 倾角,=,纬度,-11,度,45,分,考虑全年平均值 倾角,=,纬度,+5,度,2.3.5,确定太阳正午方位,1.,时区正午法,地球自转一周为,24,小时，地球东西向的经度为,360,，,因此地球按时间可分成,15,一个时区，供有,24,个时区。,我国现在通用的标准时,北京时，实际上并不是北京的地方时，而是,120E,子午线的,时间。,(,北京地区大约位于东经,116),2.,立竿见影法,在近于中午前后的,12,小时之内，不断观察并在地面上记录细杆阴影的长短变化，其,中最短阴影所指的方向即为当地的正南,正北方向。,2.4,场地日照条件评价,2.4.1,阴影影响,电池板上的一个小小阴影也能够使其性能降低,80%,因此，在光伏系统运行过程中，每,年要仔细检查阳光通路和避开阴影，,2.4.2,测算方阵运行时间,当方阵在场地的方位和倾角确定后，需评估和测定太阳电池板在不同季节里每日的可,运行时间。（,9,15,点，,8,16,点）,太阳窗,在评价场地时，必须确定一个在场地上全天,无阴影的时间段，作为太阳电池方阵的运行时间，,这个最适宜的时间区间称为太阳窗。左图绘出了,反映场地日照时间和路径状况的“太阳窗”示意图,。,