太阳能光伏发电系统

1 46 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统 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 太阳能 电能 化学能 电能 光能 2 46 一 系统简介一 系统简介 光伏发电是根据光生伏特效应原理 利用太阳电池将太阳光能直接转化为 电能 不论是独立使用还是并网发电 光伏发电系统主要由太阳电池板 组件 控制器和逆变器三大部分组成 它们主要由电子元器件构成 不涉及机械部 件 所以 光伏发电设备极为精炼 可靠稳定寿命长 安装维护简便 理论上 讲 光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合 上至航天器 下至家用电源 大到兆瓦级电站 小到玩具 光伏电源可以无处不在 光伏发电系统按安装容量可分为下列三种系统 1 小型光伏发电系统 安装容量小于或等于 1MWp 2 中型光伏发电系统 安装容量大于 1MWp 和小于或等于 30MWp 3 大型光伏发电系统 安装容量大于 30MWp 二 发电原理二 发电原理 3 46 由于技术和材料原因 单一电池的发电量是十分有限的 实用中的太阳能 电池是单一电池经串 并联组成的电池系统 称为电池组件 单一电池是一只 硅晶体二极管 根据半导体材料的电子学特性 当太阳光照射到由 P 型和 N 型 两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P N 结上时 在一定的条件下 太 阳能辐射被半导体材料吸收 在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴 同于 P N 结势垒区存在着较强的内建静电场 因而能在光照下形成电流密度 J 短路电流 Isc 开路电压 Uoc 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载 理论上讲由 P N 结 连接电路和负载形成的回路 于是就有 光生电流 流过 太阳能电池组件就实现了对负载的功率 P 输出 4 46 三 设置原理三 设置原理 太阳能光伏发电系统的设计需要考虑的因素 1 需要考虑太阳能光伏发电系统使用的地方以及该地日光辐射情况 2 需要考虑太阳能光伏发电系统需要承载的负载功率 3 系统所输出电压 以及考虑应该使用直流电还是交流电 4 系统每天需要工作的小时数 5 如遇到没有日光照射的阴雨天气 系统需连续供电多少天 6 考虑负载的情况 是纯电阻性 电容性还是电感性 启动电流的大小 四 系统组成四 系统组成 光伏系统是由太阳能电池方阵 蓄电池组 充放电控制器 交直流汇流箱 逆变器 交直流配电柜 自动太阳能跟踪系统 升压变压器 并网柜等设备组 成 其各部分设备的作用是 5 46 1 1 光伏组件 又称光伏组件 又称太阳能光伏电池 太阳能光伏电池 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 特效应 在光生伏特效应的作用下 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 原材料特点 以单晶硅为例 原材料特点 以单晶硅为例 电池片 采用高效率 16 5 以上 的单晶硅太阳能片封装 保证太阳能电 池板发电功率充足 太阳能电池图 玻璃 采用低铁钢化绒面玻璃 又称为白玻璃 厚度 3 2mm 在太阳电池 光谱响应的波长范围内 320 1100nm 透光率达 91 以上 对于大于 1200 nm 的 红外光有较高的反射率 此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射 透光率不下降 EVA 采用加有抗紫外剂 抗氧化剂和固化剂的厚度为 0 78mm 的优质 EVA 膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃 TPT 之间的连接剂 具有较高的透光率 和抗老化能力 TPT 太阳电池的背面覆盖物 氟塑料膜为白色 对阳光起反射作用 因此 对组件的效率略有提高 并因其具有较高的红外发射率 还可降低组件的工作 温度 也有利于提高组件的效率 当然 此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材 料所要求的耐老化 耐腐蚀 不透气等基本要求 边框 所采用的铝合金边框具有高强度 抗机械冲击能力强 也是家用太 阳能发电中价值最高的部分 光伏组件的分类光伏组件的分类 单晶硅光伏组件单晶硅光伏组件 6 46 多晶硅光伏组件多晶硅光伏组件 非晶硅光伏组件非晶硅光伏组件 非晶硅太阳电池 7 46 太阳能电池分类图 各类电池主要性能表 种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点 8 46 单晶硅 14 17 23 效率高 技术成熟原料成本高 晶硅电池 多晶硅 13 15 20 3 效率高 技术成熟原料成本较高 非晶硅 5 8 13 弱光效应好 成本相对较低转化率较低 碲化镉 5 8 15 8 弱光效应好 成本相对较低有毒污染环境薄膜电池 铜铟硒 5 8 15 3 弱光效应好 成本相对较低稀有金属 多晶硅电池组件的技术参数及性能多晶硅电池组件的技术参数及性能 测试条件大气质量 AM1 5 辐照度 1000W m 电池温度 25 C 峰值功率Wp255 开路电压 Voc V38 4 短路电流 Isc A8 79 工作电压 Vmp V30 4 工作电流 Imp A8 24 峰值功率温度系数 K 0 450 开路电压温度系数 K 0 330 短路电流温度系数 K 0 06 安装尺寸mm1650 992 40 重量kg19 3 单块光伏组件输出电压 电流都很小 必须相互串联 并联后才能使用 为保证光伏发电的稳定性 光伏方阵中不同倾角 不同方位角的光伏组件不能 相互串并联 也不能接入同一台逆变器 同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致 光伏组件串的串 联数应按下列公式计算 9 46 10 46 11 46 12 46 13 46 上述产品是直接把太阳能转换成电能的设备 还有是把太阳能转 换成热能的设备如太阳能热水器 另外 就是把太阳能先转换成热 能再转换成电能的装置 常用的有以下几种 碟式抛物面反射镜碟式抛物面反射镜 碟式太阳能热发电系统主要由碟式聚光镜 接收器 自动跟踪装置 斯特 林发动机 发电机组成 目前峰值转换效率可达30 以上 是一种有前途的太阳 能热利用装置 碟式太阳能热发电系统采用旋转抛物面汇聚太阳光 旋转抛物面是抛物线 绕轴线旋转形成的面 与抛物面轴线平行的光线照射到镜面时 光线会聚焦到 焦点 在焦点放置的物体会被加热到很高的温度 通过接收器把热量输送到发 动机再带动发电机发出电力 14 46 15 46 网上的碟式太阳能系统网上的碟式太阳能系统 槽式聚光集热器槽式聚光集热器 槽式太阳能热发电系统由聚光集热器 自动跟踪装置 热交换器 蒸汽轮 机 发电机等组成 聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成 成像聚光太阳能集热器通过聚 光器将太阳辐射聚焦在接收器上形成焦点 或焦线 以获得高强度太阳能 聚光集热器是一套光学系统 聚光器一般由反射镜或透镜构成 主要有抛物面 反射镜 菲涅耳透镜 菲涅耳反射镜三种 根据光学原理 与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上 焦点在镜面的 轴线上 见下图 a 把接收器安装在反射镜的焦点上 当太阳光与镜面轴线 平行时 反射的光辐射全部会聚到接收器 见下图 b 16 46 17 46 槽式太阳能热发电系统框图槽式太阳能热发电系统框图 塔式太阳能集热系统塔式太阳能集热系统 18 46 塔式太阳能热发电系统主要由集热系统 热传输与交换系统 发电系统组成 塔式太阳能热发电系统采用多个平面反射镜来会聚太阳光 这些平面反射镜 称为定日镜 下图是一个塔式太阳能集热器的示意图 为清楚显示图中仅绘制 了少量的定日镜 许多定日镜同时把太阳光反射到接收器上 接收器安装在高 塔上 定日镜主要由平面反射镜与跟踪机构组成 反射镜可由玻璃制造 背 面镀银并涂保护层 也可用反光铝板制造 反射镜安装在反光镜托架上 19 46 20 46 塔式太阳能热发电系统框图塔式太阳能热发电系统框图 2 2 充放电控制器充放电控制器 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 3 3 蓄电池组蓄电池组 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 4 4 逆变器逆变器 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 并网逆变器保护功能 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 除边远不通电地区采用独立运行逆变器外 一般均采用并网逆变器 1 1 集中型逆变器集中型逆变器 21 46 集中型逆变器一般功率在数百千瓦 用于地势平坦 光伏组件布局环境好能集中布置 的场合 集中型逆变器最大特点是系统的功率高 成本低 缺点是不同光伏组串的输出电压 22 46 电流往往不完全匹配 特别是光伏组串因多云 树荫 污渍等原因被部分遮挡时 采用集 中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低 集中并网逆变器一般自带 8 路直流输入 不需另配直流配电柜 用于直流汇流箱和逆 变器之间的连接 内设直流断路器 II 级电涌保护器及断路器状态检测等装置 集中式逆变器参数集中式逆变器参数 序号名称500kW 逆变器 1额定输出功率500kW 2输出电压范围 315 10 V 3最大直流输入电压1000V 4最大直流输入功率560kW 5额定输出电流1007A 6低电压穿越功能有 7断电后最短重启时间180s 8欧洲效率98 2 9最大效率98 6 10MPPT 调节范围420V 850V 11功率因数调节范围 0 99 0 9 可调 12总谐波电流 3 额定功率 13最大运行自耗电 1500W 14最大待机自耗电 100W 15工作环境温度范围额定功率运行 16运行噪音65dB 17冷却方式强制风冷 18外观尺寸 宽 高 深 2700 2185 800 19重量2180kg 20输出频率范围47 51 5Hz 21外壳材料及防护等级IP20 22直流分量百分值98 4 最大输入电流 18A 额定交流输出功率 27 5 kW 最大交流输出电流 33 5A 额定交流输出电压 3x277 480V PE 额定交流频率 50Hz 60Hz 功率因数 cos 0 8 0 8 电流波形畸变率 Y Y Y B A L3L2L1N N L VN V3 V2 V1 Y 45 46 六 六 系统优劣系统优劣 1 1 优点优点 a 太阳能取之不尽 用之不竭 地球表面接受的太阳辐射能 能够满足全 球能源需求的 1 万倍 只要在全球 4 沙漠上安装太阳能光伏系统 所发电力就 可以满足全球的需要 太阳能发电安全可靠 不会遭受能源危机或燃料市场不 稳定的冲击 b 太阳能随处可取 可就近供电 不必长距离输送 避免了长距离输电线 路的损失 c 太阳能不用燃料 运行成本很低 d 太阳能发电没有运动部件 不易用损坏 维护简单 特别适合于无人值 守情况下使用 e 太阳能发电不会产生任何废弃物 没有污染 噪声等公害 对环境无不 良影响 是理想的清洁能源 f 太阳能发电系统建设周期短 方便灵活 而且可以根据负荷的增减 任 意添加或减少太阳能方阵容量 避免浪费 2 2 缺点缺点 a 地面应用时有间歇性和随机性 发电量与气候条件有关 在晚上或阴雨 天就不能或很少发电 b 能量密度较低 标准条件下 地面上接收到的太阳辐射强度为 1000W M 2 大规格使用时 需要占用较大面积 c 价格比较贵 为常规发电的 3 15 倍 初始投资高 d 当安装有蓄电池时 后期投资较大 储能的蓄电池平均每 2 3 年要更换 一次 七 应用领域七 应用领域 1 用户太阳能电源 a