第8章 太阳能光伏发电系统 8.1 太阳能光伏发电系统原理及组成 8.2 太阳能光伏发电系统的设计 8.3 光伏发电系统运行方式的优势 8.4 太阳能并网系统的安装 8.5 太阳能光伏发电系统应用实例

8.1 太阳能光伏发电系统原理及组成 一、光伏系统的工作原理 白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

二、光伏系统的组成 光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等设备组成。 其各部分设备的作用是： （1）太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 （2）蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能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式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；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，每只蓄电池的额定电压为12VDC。 （3）充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

（4）逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。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。逆变器按输出波型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。 变器保护功能：a、过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。 ⑸交流配电柜：其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。

三、光伏发电系统的分类 光伏发电系统可根据不同的标准进行分类。 (1)按是否接入市电电网来分有以下两种类型：一是并网光伏系统，二是离网(独立)光伏系统。 (2)按安装位置的不同来分有以下三种类型：一是地面光伏系统，二是屋顶光伏系统，三是光伏建筑一体化光伏系统。 (3)按是否设置蓄电池等储能装置来分有以下两种类型：一是带有储能装置系统，二是不带储能装置系统。 (4)按采用光伏组件的形态不同来分有以下三种类型：一是建材型光伏系统，二是建筑构件型光伏系统，三是安装型光伏系统。 (5)按采用光伏组件的类型不同可分为平板式光伏系统和聚光式光伏系统。 (6)按装机容量来分有以下三种类型：一是小型系统，装机容量不大于50kwp；二是中型系统，装机容量在50～l000kwp之间；三是大型系统，装机容量不小于1000kwp。 (7)按跟踪方式的不同可分为固定式光伏系统、单轴追日式光伏系统和双轴追日式光伏丢统。 光伏发电系统的类型一般按照比较普遍的方法，还是按并网光伏发电系统、离网光伏发电系统来分类，或按照地面光伏系统、屋顶光伏系统、光伏建筑一体化光伏系统来分类。

组成：发电部件、控制器、蓄电池组、独立逆变器等。 离网(独立)光伏发电系统是指在内部封闭电路内消耗光伏电力，不与电网连接的发电方式。这是一种常见的太阳能应用方式，典型特征为需要蓄电池来存储。整个系统比较简单，而且适应性广，其核心配电装置为控制器，用来管理蓄电池的充电与放电。蓄电系统的容量大小取决于光伏组件的装机容量和用户用电情况，一般要求蓄电系统的有效储能量能够满足连续三个阴雨天的用电量。 离网(独立)光伏发电系统的缺点：蓄电池的使用寿命远远小于光伏组件寿命，因此需要经常更换(更换频率因使用状况和蓄电池种类而不同)，带来系统运行成本的大幅上升，从而限制了离网系统应用。但在一些偏远的无电地区，使用离网光伏系统仍比建设电网线路经济得多，是为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠、通信基站、钻井平台等无电地区或特殊场所提供电力的有效途径。 组成：发电部件、控制器、蓄电池组、独立逆变器等。

并网光伏发电系统：将所发电量并入电网，由电网进行管理和支配。系统与公用电网通过标准接口相连接，像一个发电厂连接到国家电网的发电方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。其运行模式为在有太阳辐照的条件下，组件阵列输出的电能经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，经dc／ac并网逆变器转换后并入电网。整个发电系统无需考虑储能，在电网的支持下完全达到电能的最大利用率。根据所并入电网的节点不同，并网系统又可分为用户侧并网和配电侧并网。用户侧并网是指光伏电力以用户直接可用的电压及相位形式(中国为单相或三相220v／380v交流电)直接提供给局域网，接入电网的节点在最低一级变电站的下游，负载可直接用电，而不必再经过任何一级变压器。这种系统的特点是单独为某一业主的电力负载供电，降低了对大电网电力的需求，节省了电费，即自发自用，往往装机容量较小；配电侧并网是指光伏电力接人电网中某一级变压器的上游，只有经过逐级降压后，用户负载才能使用，这种系统产生的电力经电网调配后可供多业主共享，往往适合于大型光伏发电系统。 并网光伏系统的缺点：只有在晴朗的白天才能比较稳定提供电力，一旦没有日照会导致发电量突降，对电网产生干扰。当并网光伏系统的装机容量与所并入电网的容量相比很小时，这种扰动可以忽略不计；但当容量相近时，就必须考虑其他措施降低干扰。目前有小规模试验性电站采用风力发电弥补夜间光伏发电的缺失，或者另外添加大型的蓄电系统在多云天气下调节电网稳定性。

并网发电系统可分为：逆流型，无逆流型，切换性，直交流型，混合用型，地域型等。

8.2 太阳能光伏发电系统设计 设计太阳能光伏系统并非易事；因为在设计过程中牵涉的因素很多，如太阳能辐射强度、气候、蓄电池性质、安装地点等等；而且许多因素又是随时间不断变化的。如果在设计中善于抓住主要因子，忽略一些微小因子，那么设计就变得比较轻松了。 太阳能发电系统的设计需要考虑的主要因素。 （1）太阳能发电系统使用地点？该地日光辐射情况如何？ （2）系统的负载功率多大？ （3）系统的输出电压是多少，直流还是交流？ （4）系统每天需要工作多少小时？ （5）如遇阴雨天气，系统需连续供电多少天？ （6）负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？ （7）系统需求的数量？

独立光伏发电系统设计的技术条件     设计中涉及的主要技术条件有负载性质、蓄电池的容量、太阳能辐射强度、太阳能电池方阵倾角、强度因子等。     ①负载性能  一般来说用户全天都要使用负载，白天使用的负载可由光伏系统直接供电，晚上再由光伏系统中蓄电池储存的电量供给负载。因此，白天使用的负载，其系统容量可以减小；晚上使用的负载，系统容量就应该增加。昼夜同时使用的负载，所需的容量取它们之间的值。如果月平均耗电量变化小于10％，可以看作平均耗电量都相同的均衡性负载。     ②太阳能辐射强度  太阳能辐射强度具有随机性，受季节、气候的变化，很难获得太阳能电池方阵安装后各时段确切的数据，只得以当地气象台记录的历史资料作为参考。所以在决定光伏方阵的大小时，首先要了解当地太阳辐照情况，仅知道1～2年还不够，应该了解8～10年的平均值。对于一般的光伏系统，只要计算倾斜面上的月平均辐照量便可，无需计算瞬时值。 ③太阳能电池方阵倾角  一般来讲是根据当地纬度加上5～20度来粗略确定太阳能电池方阵倾角的，尽管这种确定不太严格(因为有些地区纬度相差不大，而水平面地上的太阳辐照量往往相差很大)，但还是一种简易的近似确定电池方阵倾角可行的方法。当然最好通过计算，在满足负载用电情况下，比较各种不同的倾角所需配置的电池方阵和蓄电池容量前提下，再来决定方阵的最佳倾角。

④蓄电池容量  尽管铅酸蓄电池容量受许多因素影响，而且太阳能光伏系统对铅酸蓄电池的性能(充电率、放电率、深放电能力、工作温度等)要求很严，但是直至如今还没有一种蓄电池能比铅酸蓄电池更适合作太阳能的蓄电池。设计蓄电池容量应考虑铅酸蓄电池在没有光伏方阵电力供应条件下，完全由自身蓄存的电量供给负载用电的天数。 ⑤温度因素  尽管夏季太阳辐射强度大，方阵发电量有余部分，完全可以弥补由于温度所减少的电能，而且有的标准组件(如36片太阳能电池串联成12v苯电池充电的标准组成)已经考虑了夏季温升的影响。但是在温度较低时，如，≤0℃时，铅酸蓄电池由于硫酸电解液的黏度和温度增大，扩散困难，电阻加大以及易形成致密的硫酸铅，致使活性物质内部的电化学难以进行，铅酸蓄电池的放电容量降低。因此，设计太阳光伏发电系统时，还是要考虑温度这一影响因素。

系统优化的设计     系统优化的目标是，主要通过检验安装的实际日照强度、光反射度、外部环境温度、风力和光伏发电系统各个部件的运行性能以及之间的相互作用等方面，从而使光伏发电系统所发电量最大。     (1)优化光伏电池入射光照强度     ①追踪太阳法  追踪太阳的轨迹可以明显增强光伏电池的日照强度。通过追踪太阳轨迹，光伏发电量一天可增加10％～30％。尤其是在夏天可增加高达25％～30％，冬天略有增加。为了更好地跟踪太阳的轨迹，不但要知道太阳的高度角和方位角，还要知道太阳运行的轨迹。这就要求追踪装置以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹。双轴追踪装置比单轴追踪装置好，因为双轴追踪装置可以随着太阳轨迹的季节性升高而变化。为了降低成本提高效率，可以采用人工跟踪，每天每隔2～3h，对着太阳进行调节。     ②减少光反射法  由于太阳入射角大，太阳高，辐照度也大；反之入射角小，辐照度也小。最好使光线垂直入射，从而可以避免反射损失。然而，固定安装的光伏发电系统，光线基本上无法垂直入射，因此反射损失是无法避免的。低纬度地区，反射损失能可高达35％～45％，为了降低材料的反射率，提高吸收率，可以在材料的吸热体上制备一层黑色涂层。反射损失可以通过其他改变光伏电池表面属性的方法，去更好地匹配入射光线的折射系数。  （3）腐蚀光伏电池表面  目前企业有意将光伏电池表面进行腐蚀，即有意让光伏电池凹凸不平，这样好让通过临近的相对侧面反射，重新入射至光伏表面，来减少电池表面的反射光散失。     ④选择安装结构  入射角过小，辐照度也太小，表面看起来，太阳利用率不高，但可以选择安装结构(如V形安装结构)，就能将无效入射光偏移至有效使用区。至于什么样的形状安裟结构最好还得研究。

(2)替换建筑材料     利用太阳能阳面墙发电，成本比较高，因为太阳能阳面墙除了日照强度较低(因为它不可能跟踪太阳)外，反射损耗也很大。在靠近赤道地区，太阳仰角很高，反射损耗达到入射日照强度的42％。但是，使用太阳能阳面墙的费用(尤其目前过多强调阳面墙的装修情况下)比传统墙面加屋顶安装光伏电池的做法，更节约成本。如果在光伏电池表面形成不同的抗反射涂层使阳面墙外表呈现多种颜色，给人一种非常美丽、舒服的感觉，无疑会提高用户购买的欲望。 (3)光伏电池     要充分考虑纬度、光谱、温度、遮蔽、位置、接线等实际运行条件对光伏电池输出的影响，使光伏电池发电可行、适用、环保，效益也高。 (4)光伏发电模块、光伏发电机 通过控制光伏发电系统(机)的光学、温度以及电气参数，包括各光伏发电模块的接口等，引人新的理念和观点来改善光伏发电系统（机）的安装，提高发电量。当然，新理念也体现在如何在控制成本最小的情况下替代建筑物的表面，实现很好的建筑物-光伏发电系统的集成。 （5）直流-交流转换，并网设备     从成本收益率的角度选择各种不同的方案（级联型逆变器、String逆变器、集成逆变器模块。）

8.3 光伏发电系统运行方式的优势 因为太阳能资源无处不在，即使没有高低压网线，太阳能光伏发电系统照常可以工作。太阳能光伏发电作为独立电源使用，成本低，所以位于边远地区的村庄都可以作为家用供电系统、太阳能电池水泵系统以及大部分的通信电源系统等使用。太阳能光伏发电系统还可以同其他发电系统组成混合供电系统，如风-光混合系统、风-光-油混合系统等。由于风力发电系统成本低，风能和太阳能在许多地区具有互补性，从而可以大大减少蓄电池的存储容量，因此风-光混合系统的投资一般比独立太阳能光伏发电系统可以减少1／3左右。最有发展前景的是太阳能光伏发电系统与电网相联构成联网发电系统。联网系统是将太阳能电池发出的直流电通过并网逆变器馈人电网。联网发电系统分为被动式联网系统和主动式联网系统。被动式联网系统中不带储能系统，馈入电网的电力完全取决于日照的情况，不可调度；主动式联网系统带有储能系统，可根据需要随时将太阳能光伏发电系统并入或退出电网。实践证明，联网太阳能光伏电站可以对电网调峰、提高电网末端的电压稳定性、改善电网功率因数和有效地消除电网杂波，应用前景广阔，是大规模利用太阳能电池发电的发展方向。

8.4 太阳能并网系统的安装 (1)太阳能电池的安装和调试     太阳能电池的安装地点要防遮挡，安装方向、角度、太阳能电池方阵间距等都应严格按照设计要求，太阳能电池支架与基础之间安装应牢固。太阳能电池安装完毕之后要先测量总的电流和电压，如果不合乎设计要求，就应该对各个支路分别测量。为了避免各个支路互相产生影响，在测量各个支路的电流与电压时，各个支路要相互断开。 (2)蓄电池的安装与调试     蓄电池安装位置应尽可能靠近太阳能电池和控制器，要保证通风良好，排水方便，防止高温。若电池电压很高，应接地，以防短路和触电。接头处牢固，要很好地绝缘。     蓄电池安装结束后，要测量蓄电池的总电压和单只电压，单只电压大小要相等。要注意的是，要辨别清楚正负极，保证接线质量。由于蓄电池电动势与硫酸密度关系很大，所以对开口蓄电池还应测量电液密度。 (3)控制器的安装与调试     安装时要先连接蓄电池，再连接太阳能电池的输出，正负极不要搞错。控制器安装结束后，要先测量蓄电池电压，再测量充电电流。 (4)逆变器的安装与调试     先将逆变器输入开关断开，再接线。如果测量由控制器过来的电压正常，再打开逆变器的输入开关。此外，还要注意熔丝是否松动，接线是否良好。安装结束后，打开开关，待逆变器自检，如果输出无短路现象，则可以打开输出开关，检查温升情况。

8.5 太阳能并网发电系统应用实例