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1、光伏系统,photovoltaic system,序言,最近几年，随着对绿色能源的要求与日俱增，太阳能光伏因其可再生性、环保性和应用的便捷性，已逐渐成为21世纪新能源和绿色能源的首选。优点：1，没有污染2，可循环利用3，资源充足4，安装方便5，便于传输、储存的和使用6，大幅度节省远程输电的费用7，光伏建筑一体化的出现节约了土地的使用面积。,什么是太阳能光伏发电技术,就是将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器和用户负载等组成。其中,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统,控制器和逆变器为控制保护系统,用户
2、负载为系统终端。,光伏系统结构、组成部分光伏电池组(solar cell module)蓄电池(storage battery)控制器(charge controller)光伏逆变器(PV inverter),一、光伏系统结构、组成部分,1、光伏系统结构一般我们将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏系统的应用形式，应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。还可以将光伏系统细分为如下类型：,小型太阳能供电系统（Small DC）；简单直流系统（Simple DC）；大型太阳能供电系统（Large DC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（Utili
3、ty Grid Connect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。,1.小型太阳能供电系统（Small DC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品，主要是西部地区解决用户照明问题。2.简单直流系统（Simple DC）该系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，没有蓄电池，也不需要控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用。,
4、3 大型太阳能供电系统（Large DC）适用于直流电源系统，负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池组。我国西部一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用的这种形式，中国移动公司和中国联通公司在无电网地区建设的通讯基站也有采用这种光伏系统供电的。4 交流、直流供电系统（AC/DC）这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流
5、负载的光伏电站中得到应用。,5 并网系统（Utility Grid Connect）并网最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV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，光伏阵列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PV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。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。,6 混合供电系统（Hybrid
6、）这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外，还使用了油机作为备用电源。并网混合供电系统 随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行,2 光伏系统组成部分,光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器等设备组成。其各部分设备的作用是：,太阳能电池方阵(photovoltaic concentrator array)在有光照情况下，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 生伏特效应”。在光生伏打效应的作用下，太
7、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(single crystalline silicon solar cell)，多晶硅太阳能电池(polycrystalline silicon solar cell),非晶硅太阳能电池(amorphous silicon solar cell)三种。,二、光伏电池组(Solar Cell也称Photovoltaic Cell),太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体
8、为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。,太阳能电池组件（module）和太阳能电池片（solar cells）的关系。太阳能电池组件是由太阳能电池片通过串连，再经过封装后制作的。因为一块太阳能电池片的输出电压只有0.5V左右，通过串连就能提高组件的输出电压和功率。一般太阳能电池片的规格分为156156mm和125
9、125mm两类。,不管是单晶还是多晶，常用的有两种尺寸,125125、156156。125125 尺寸单片电压为0.5V，功率在2-2.5W，一般取最大2.5W，则电池板电流最大输出为5A。156156 尺寸单片电压为0.5V，功率在3-4W，一般取最大4W，则电池板最大输出电流为8A每个电池板尺寸的电流电压计算：串联电压相加，电流不变；并联电压不变，电流相加。,组件材料大多数晶体硅太阳电池组建是由透明的顶表面、胶质密封材料、背面层和外部框架组成。如下图所示，在大多数组件中，顶表面是玻璃，胶质密封材料是EVA（ethyl vinyl acetate,乙烯基乙酸乙酯），背面层是Tedlar(用以
10、保留热量的绝缘材料).,三、蓄电池(storage battery),一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。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镍镉蓄电池。,四、控制器(Charge Regulator),太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。由于蓄电池的循环充放电次数及放电
11、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。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。,五、光伏逆变器(PV Inverter),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
12、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。逆变器保护功能：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。,逆变器又称电源调整器，根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。,1.光伏逆变器简介如上所述，逆变器有多种类型，因此在选择机种和容量时需特别注意。尤其在太阳能发电系统中，逆变器效率的高低是决定太阳电池容量和蓄电池容量大小
13、的重要因素。,2.光伏逆变器的结构与工作原理逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样
14、形成一个脉冲波列（拟正弦波）。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。,3.光伏逆变器的功能逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。,、自动运行和停机功能 早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，
15、只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行，直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。,、最大功率跟踪控制功能 太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大
16、功率点跟踪（MPPT）这一功能。,逆变器按拓扑结构分类,（1）直接耦合系统逆变器（2）工频隔离系统逆变器（3）高频隔离系统逆变器（4）高频不隔离系统逆变器优缺点,（1）直接耦合系统逆变器,优点：省去了笨重的工频变压器：高效率（97%）、重量轻、结构简单。成本低。缺点：(1)太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，对人身安全不利。(2)直流侧太阳电池MPPT电压需要大于350V。这对于太阳电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。,（2）工频隔离系统逆变器,优点：使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有以下优点：结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好、直流
17、侧MPPT电压等级一般在200V-800V。缺点：(1)系统效率相对较低。(2)笨重。,（3）高频隔离系统逆变器,优点：同时具有电气隔离和重量轻的优点，系统效率在93左右。缺点：(1)由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构集中在5KW以下；(2)高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十KHz,或更高，系统的EMC比较难设计；（3)系统的抗冲击性能差。,（4）高频升压不隔离系统逆变器,优点：和第一种拓朴结构类似，由于省去了笨重的工频变压器，所以可以带来以下优点：高效率、重量轻。同时加入了BOOST电路用于DC/DC直流输入电压的提升，所以太阳电池阵列的直流输入电压范围
18、可以很宽（150V-450V）。这种拓扑结构越来越成为市场的主流。缺点：(1)同样，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压。(2)使用了高频DC/DC，EMC难度加大。,孤岛效应,孤岛效应原理“孤岛”是指公共电网停止供电后，由于分布式发电的存在(与电网相连并输送电能)，使电网停电区的部分线路仍维持带电状态，形成自给电力供应的孤岛。在孤岛状态下电力公司失去对线路电压、频率的控制，会带来一系列的安全隐患及事故纠纷，危害人身安全，造成设备损害。因而，电力公司要求并网的分布式发电系统需要反孤岛检测技术及时检测出孤岛并将分布式发电装置与公共电网断离。,转换效率,最大效率 max：逆变器所
19、能达到的最大效率欧洲效率 euro：按照在不同功率点效率根据加权公式计算加州效率cec：按照不同功率，不同直流电压点效率计算MPPT效率mppt：反应逆变器最大功率点跟踪的精度整机效率tot：在某个直流电压下euro 和mppt乘积,系统故障,SYSTEM FAULT一般为外界故障内部FAULT需要重启启动条件,光伏建筑一体化,光伏建筑一体化即BIPV（Building Integrated PV，PV即Photovolta-ic）。光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。光伏建筑体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV：Building Att
20、ached PV)的形式,相电压和线电压,相电压、线电压一般是相对于三相电而言的，三相电每一项的对零线电压称为相电压，每两相之间的电压称为线电压。举个例子，目前我们工业上用的动力电大部分是380伏星型接法，380是线电压，就是三相每两相之间是380伏，三相每相对零是220伏及相电压是220伏。对于星型接法的三相电来说，线电压=1.732相电压。,NOCT,额定电池工作温度（Normal Operating Cell Temperature）光伏行业专业词汇，是指当太阳能组件或电池处于开路状态，并在以下具有代表性情况时所达到的温度 电池表面光强强度=800W/m 空气温度=20 风速=1m/s 支架结构=后背面打开,STC,Standard Test Condition 标准测试条件 光伏组件的标准测试条件（STC）包括：光强：1000W/M2；频谱：1.5A；组件温度：25。,
