太阳能发电相关知识

太阳能发电相关知识太阳能资源情况介绍：太阳能具有无任何污染，且取之不尽，地球上某点24小时年平均辐射功率大约是0.2KW/m2，也就是每年的辐射能量大约是0.2KW*24小时*365天=1752KWH，若是光伏发电，目前商业应用的太阳能电池板组件的转换效率在15%左右，则每平方米可以发电1752KWH*15%=262度。我国是属于太阳能资源丰富的国家，全国年平均日照时间2200小时（每天6小时），年平均辐射总量5852MJ/m2（1625KWH），按照15%发电效率，每平方米年可发电243度。根据年辐射总量的大小，可以将全国分为5类地区，可以作为今后光伏发电工程的初步参考：(1)一类地区全年日照时数为3200~3300h。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为6680~8400M]，相当于225~285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部等地。是中国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。尤以西藏西部的太阳能资源最为丰富，全年日照时数达2900~3400h，年辐射总量高达7000~8000M]/m2，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第2位。(2)二类地区全年日照时数为3000~3200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳能辐射总量为5852~6680M]，相当于200~225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。为中国太阳能资源较丰富区。相当于印度尼西亚的雅加达一带。(3)三类地区全年日照时数为2200~3OOOh。在每平方米面积上一年接受的太阳辐射总量为5016~5852M]，相当于170~200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东东南部、河南东南部、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、天津、北京和台湾西南部等地。为中国太阳能资源的中等类型区。相当于美国的华盛顿地区。(4)四类地区全年日照时数为1400~2200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为4190~5016MJ，相当于140~170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。是中国太阳能资源较差地区。相当于意大利的米兰地区。(5)五类地区全年日照时数为1000，-.....，1400h。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为3344，-.....，4190MJ，相当于115，-.....，140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州、重庆等地。此区是中国太阳能资源最少的地区。相当于欧洲的大部分地区。也可以利用图1的太阳能资源分布图表示：图1我国太阳能资源分布图Ⅰ资源丰富带6700MJ(m2.a)*Ⅱ资源较富带5400-6700MJ/(m2.a)Ⅲ资源一般带4200-5400MJ/(m2.a)Ⅳ资源贫乏带<4200MJ/(m2.a)*MJ/(m2.a)-兆焦/(平方米.年).目前对太阳能的应用主要是太阳光热和太阳光电。太阳光热应用主要是太阳能热水器，我们不做介绍。太阳光电可分为太阳能发电和太阳能光热发电，太阳能发电指利用太阳能电池板直接进行光电转换发电，太阳光热发电是指利用聚焦装置收集太阳能热量，然后加热水产生蒸汽推动汽轮机带动发电机发电，与传统的火力发电比较相似。系统如图2所示：热交换器热交换器汽轮机冷却装置发电机电网集热装置太阳光油介质水介质图2太阳光热发电系统图原理：集热装置收集太阳能，将管中的油加热到800℃左右，通过热交换器，将水加热成500℃左右的蒸汽，推动汽轮机带动发电机进行发电。光热发电在同等占地面积下，具有比太阳能电池板发电更高的容量和效率，但是投资也比太阳能发电大，每度电的发电成本在2~3元左右，在早几件光伏发电成本还很高时具有较大优势，目前随着光伏组件的成本下降，已经不具备发电成本优势。国内目前只有内蒙古鄂尔多斯有50MW槽式太阳能热发电特许经营权招标，大唐新能源以0.93元/度中标，而实际发电成本应该在2.50/度左右。因为光热发电的设备造价成本降低的速度很慢，在未来很难和太阳能发电竞争。在下一期，我们将开始介绍太阳能发电系统。

在上一期中，我们介绍到人类对太阳能的利用方式主要有太阳光热和太阳光电两种方式。太阳能光电应用主要是有太阳能发电和太阳能光热发电，目前成熟的技术和普及应用的是太阳能发电，我们这期将重点介绍。太阳能发电系统，依据其输出是否与电网联网，主要分成离网应用和并网应用系统。离网应用系统：主要应用在偏远无电地区，如海岛、边防哨所、湖泊、高速交通、高山通信基站等，系统的组成如下图：光伏组件光伏组件48V蓄电池组正弦波逆变器直流设备1.3.1典型离网应用示意图控制器太阳能离网应用系统太阳能并网系统：将太阳能电池板发出的直流电经过逆变器后，将电能送入电网应用，系统示意图如下：并网系统主要应用在大功率太阳能发电站，小功率的并网应用主要是在发达国家，在政府补贴，法规完整下才能运作起来。由以上两种应用系统图可以看出，主要差别在：是否与电网连接是否有电池储能环节并网系统应用中，太阳能电池板的发电功率受日照条件影响很大，其功率波动主要由电网承受消纳，而离网系统只能靠蓄电池来进行功率稳定和能量储存。不论离网还是并网系统，都离不开最主要的部件-----太阳能电池板，下面我们来介绍一下太阳能电池板。目前太阳能电池板大致可以分为三代：第一代：单晶/多晶硅电池板，是目前最为主流，占太阳能发电电池板90%份额，目前商业化应用组件效率在14-17%左右，我国2010年硅晶太阳能电池板产量约为8000MW（8GW），占全球50%。晶硅太阳能电池主要存在生产过程能耗大，温度特性不良（温度升高，发电单晶硅电池片多晶硅电池片量下降）。第二代：薄膜电池，晶体硅电池生产流程要经过提纯-拉棒-切片等流程，耗能非常大，导致其能量回收期需要3年左右（也就是需要3年发出的电量才能等于生产投入的电量），为此，推出了第二代薄膜电池，完全抛去晶体硅高耗能的生产流程。目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：硅基薄膜太阳能电池（a-Si）、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。这三种电池主要是以硅基薄膜电池为主，薄膜的电池组件存在生产成本较低，耗能较少，弱光发电特性好等优点，但是一直存在效率较低（目前商业组件6-7%），初期效率衰减大等问题。随着技术的发展，其市场份额正在逐步增长。柔性非晶薄膜太阳能板玻璃底板非晶薄膜太阳能板第三代：高倍率聚光电池，采用多结的GaAs（砷化镓）III-V族化合物电池，理论上转换效率可以达到50%，目前商业化的可以达到25%，是转换效率最高的太阳能电池。但是因为成本最高，市场份额较小。聚光电池-砷化镓几种光伏电池对比如下表：电池种类商业化效率优势缺点第一代

晶体硅单晶硅电池

sc-Si16-17%硅系电池中效率最高，技术成熟，大批量应用加工过程高耗能，高温下发电能力下降多晶硅电池

mc-Si14-15%技术成熟，效率适中，大批量应用加工过程高耗能（低于单晶硅），高温下发电能力下降第二代

薄膜电池非晶硅电池

a-Si6-7%成本低，生产耗能低，弱光发电好，温度特性好，第二代中主流效率低，使用初期效率下降很快铜铟镓硒

CIGS14%性能稳定，效率较高，发展潜力高稀有元素碲化镉

CdTe11%效率较高，生产容易镉为高污染重金属第三代

聚光电池多结砷化镓

GaAs23-25%高效率！高温特性好，占地面积小成本高昂目前的应用仍然以晶体硅电池为主，但是薄膜电池的低成本优势以及不断的技术改良提升效率，市场份额也在不断提升。下期我们将对离网系统做详细介绍。

在本期我们将对离网光伏发电系统进行介绍离网光伏系统，从小到1-几瓦的草坪灯到用于偏远无电地区的集中供电系统的几百KW都能看到。按照功率大小来分，大致可以分成以下三种：微小型系统：几瓦~几百瓦功率，一般应用在草坪灯、路灯、无电地区游牧民户用系统等，如下图所示：草坪灯应用路灯应用中型系统：1-10KW左右，主要用在通信基站、微波站、部队海岛、边防哨所，一般是交直流负载都有，对于通信应用，一般采用直流48V系统。如下图：离网光伏系统在通信基站应用中型系统若应用所在地风能资源丰富，也常采用风光互补方案，以减低昂贵的光伏板功率，减低系统投资。对于部队等需要连续供电的重点单位，一般还配置发电机组成风光柴互补系统。大型系统：主要是为偏远无电地区人口聚集区供电：在太阳能资源丰富的西藏、新疆、内蒙等地有使用，功率在10-100KW之间，主要是采用大型蓄电池组和大功率离网逆变器组成微型电网供电系统。因为投资很大，一般是政府作为扶贫或者示范工程居多。如下图：偏远无电地区集中太阳能供电系统除了像太阳能抽水灌溉系统这样的离网应用不用蓄电池外，一般的光伏离网应用系统，都要用到蓄电池，这也是和并网系统的最大区别，不管微型系统还是大型系统，光伏离网应用系统的基本框图都是如下：光伏板光伏板控制器蓄电池逆变器交流负载直流负载光伏离网应用系统框图以下对几大部件进行介绍：光伏板：为整套系统的能量来源，在实际应用中，会涉及到光伏板的类型选择、光伏板的电压选择、光伏板的功率选择问题。光伏板类型选择：在上期我们介绍了目前光伏板大致有晶体硅、薄膜电池、聚光电池，目前主要应用最为广泛的还是晶体硅电池。光伏板电压选择：系统的蓄电池电压决定光伏板的串联总电压光伏板的串联总电压，由几个光伏组件串联而成，单个的光伏组件电压由其光伏电池片串联数量决定，下表是某厂家的组件技术指标：型号APM36P100W125x67型号APM72P160W158x81硅晶体材料多晶硅

硅晶体材料多晶硅

峰值功率Pm100W峰值功率Pm160W峰值电压Vmp17.5V峰值电压Vmp35V峰值电流Imp5.71A峰值电流Imp4.57A开路电压Voc21.5V开路电压Voc43V短路电流Isc6.46A短路电流Isc5.17A标准测试环境1000W/m2标准测试环境1000W/m2AM1.5AM1.525°C25°C开路电压-0.4%/℃开路电压-0.4%/℃温度系数温度系数短路电流0.1%/℃短路电流0.1%/℃温度系数温度系数光电池片效率15%～17%光电池片效率15%～17%太阳能电池板10%～15%太阳能电池板10%～15%效率效率使用温度-40℃～80℃使用温度-40℃～80℃组件尺寸670*1250*40

mm组件尺寸808*1580*46

mm重量10.0

kg重量16.0

kg指标中可以看出，开路电压21.5V的组件是采用36片太阳能片串联组成的，开路电压为43V的组件则是由72片串联组成。光伏板串联总电压同时还受光伏控制器的类型影响：现在市场上可供选择的光伏控制器有带MPPT控制功能和不带MPPT控制功能的。以48V直流系统为例，选用带MPPT功能控制器时，其最大光伏开路电压允许到150VDC，而若是选择不带MPPT功能的控制器，则对光伏板电压有严格的限制，对于48V直流系统一般选择4片开路电压21.5V的组件串联组成。（2.4）光伏板总电压选择还受温度影响：对于无MPPT控制功能的系统，光伏板总电压的选择必须考虑温度对电压的影响，单晶/多晶硅光伏板的电压-温度曲线如下图：开路电压开路电压温度大约每升高1°C每片电池的电压减少5mV太阳能电池板开路电压与温度关系图可见，在夏季光伏板上的温度可高达65°C，标称开路电压25°C时为21.5V的组件的开路电压将下降到21.5*(（1-0.4%*(65-25)）=18V左右，最佳工作点电压14.7V，加上隔直二极管的压降，只能勉强将电池充到均充电压，因此，对应12V电池组，光伏板一般选择开路电压21,5V，最大工作点电压17.5V的组件就是考虑这个原因。(2.5)光伏组件的功率选择：主要是根据负载大小和需要多长时间来将蓄电池充足电来决定光伏组件的功率。一般组件太阳能电池片的面积大小决定功率大小，相同太阳片面积，效率高的可输出更大功率。下表是某厂家的多晶硅太阳能电池片技术规格：（2.6）光伏板容量设计还应注意：系统组件的效率比单个组件要低2-3%。必须考虑运行几年后的光伏板转换效率衰退问题，一般取98%为有效值考虑灰尘对光伏板发电效率的影响，尤其是在西北多灰尘地区，可以根据当地情况取5-10%的发电损失厂家标称光伏板功率都是指实验室理想光照下的峰值发电功率，在实际使用中，根本无法达到，一般实际发电功率取标称功率70-80%。对于选用不带MPPT功能的控制器，因为光伏板不能工作在最大工作点，发电效率也要损失5%左右。综合以上几点，取损失的低端，累加损失在34%左右，以上几点在设计时若不加于考虑，往往会造成所选择太阳能电池板功率不足，造成蓄电池长期充电不足，非常容易导致蓄电池寿命大大缩短。控制器：不管系统大小，离网光伏系统都离不开控制器，控制器的主要作用是：一是控制光伏板对蓄电池的充电，避免过充电。二是控制蓄电池对负载的放电，避免蓄电池过渡放电。这是最基本的功能，其他都是附加功能。目前市场上的离网光伏控制器可以分为两大类，带MPPT功能和不带MPPT功能。市场上某进口知名品牌的带MPPT功能控制器如下图：图中可以看出，电路采用具有MPPT控制功能的BUCK电路，当电池选用48V系统时，太阳能电池板的开路电压范围可以达到150VDC，在一个较宽的电压范围内，都可以让太阳能电池板工作在MPPT状态，最大限度的发挥其发电功率。但是此控制器最多只能称是带MPPT的充电器，因为其不具备对电池的放电管理，电池可能面临过放电的危险。而且目前带MPPT的控制器价格昂贵，尤其是系统功率在10KW以上时，基本不用带MPPT功能的控制器。BUCK电路BUCK电路MPPT控制电路显示及通信太阳能电池板最大开路电压150VDC48VDC电池组监控通信带MPPT的太阳能控制器不带MPPT功能的控制器原理框图如下：控制电路控制电路显示及通信监控发电机K1D1J1J2太阳能电池板负载电池组典型光伏离网控制器原理框图当蓄电池充电到设定电压，K1断开，电池对负载放电一小会儿后，K1再接通，太阳能电池板再对电池充电，因为K1需要频繁闭合，一般选用低内阻的MOSFT管。也有厂家选用继电器的，寿命存在较大隐患。D1用于无日照时，避免蓄电池对太阳能电池板方向放电。J1是一旦K1击穿时，可以断开，起到对电池的保护！J2是对电池的放电进行保护，当电池电压低于设定值时断开。另外设计比较好的控制器一般都具有完善的监控接口，部分还具有发电机控制功能。另外，若应用在通信系统，一般要选择正极接地方式，而且对负载一般要设计有二次下电功能，当电池放电到一定程度时，可以先将次要负载断开，继续对重要负载保持供电到保护点，J2断开了保护。因为蓄电池的放电深度对循环使用寿命影响很大，因此，电池欠压保护点的设置就非常关键。不少的控制器保护点是固定，或者是可以人为调整，但是电池的保护点一点设定死后，随着负载电流的减小，放电深度必然加深，好的控制器应该能根据实际的电池安装容量和负载电流大小，自动调整保护电压点，将放电深度控制在设计范围。另外，不少的控制器其电源单纯取自蓄电池，一旦蓄电池在最恶劣的情况下，被完全放电，此时，及时太阳能电池板能正常发电，也无法启动控制器对蓄电池进行充电，因此一般要求控制器的电源板取电需要来自蓄电池和光伏板。蓄电池：蓄电池在离网光伏系统中主要起到能量储存和能量稳定的作用。离网光伏系统中，最容易失效的主要部分应该就是电池，而电池的投资一般和PV板差不多，一旦电池达不到设计寿命，损失就非常大。目前比较适合在光伏离网系统应用的电池，一般是免维护铅酸电池，具有较高的综合性价比，常规的免维护铅酸电池设计寿命为3-5年，但是在实际应用中往往达不到设计寿命，主要因素有以下几点：循环寿命：所有的铅酸蓄电池厂家所给的电池寿命一般有循环寿命和浮充寿命，以下是汤浅电池NP系列的循环使用寿命和浮充使用寿命曲线图。汤浅NP系列循环寿命曲线汤浅NP系列浮充寿命曲线光伏离网应用系统，一般需要在白天利用光伏板对电池进行充电，晚上则靠蓄电池储存的能量对负载进行放电，这样的应用显然不适合浮充使用寿命曲线，而是要采用循环使用寿命曲线来分析。从循环使用寿命曲线图可以看出，在环境温度理想的情况下，当放电深度50%是，循环次数可以达到400次以上，而100%深度放电，则只有不足200次，为降低系统造价，电池的放电深度不可能取的太小，否则蓄电池的容量要非常大，经济上不划算，根据应用场合不同，是否配置备用发电机或者采用风力发电补充等，对放电深度的取值往往不同！常规取50-70%左右的放电深度，可以在容量投入和使用寿命之间折中。当取放电深度为70%时，循环寿命为300次左右，50%深度则有400多次。这还是理想的状况，以下情况不考虑好会再缩短使用寿命：环境温度：光伏离网应用，有相当多是在户外，或者无空调的场合，温度范围很大，低温主要影响可放电容量，高温则对寿命有非常大的影响，下图是汤浅NP系列的温度与浮充寿命关系图：汤浅NP系列电池温度与浮充寿命关系图上图可以看出，当环境温度高于25°C时，电池的使用寿命大幅下降，而离网光伏系统的电池在夏季，温度常常在30°C以上，部分在太阳直晒的地方，可能达到50°C以上，导致电池寿命远达不到设计寿命。因此在户外应用时，建议将电池埋在地下，是在不行，也避免太阳直晒电池，最好在电池箱上做简单的遮阳罩，尽可能的降低电池温度。高温对电池寿命有很大影响，低温则严重的影响电池的放电能力，常规的密闭式铅酸电池的工作温度下限一般在-10℃左右，低于此温度，电池的可放电容量一般就缩减的很厉害。低于-25℃左右，容量基本就放不出来。电池厂家所给的参数都是指针对单节电池的试验数据，当实际使用时多结电池串联时，随着循环次数的增加，电池间的差异必然加大，电池组的实际使用循环次数要少于单节电池的次数，串联的电池越多，可用循环次数越少，目前尚无准确数据，只能是根据经验估算。充电电压：因此光伏离网系统，电池必然处于循环应用下，蓄电池组的充电电压设置就非常关键，因为白天光伏板有效发电时间一般只有4-5小时，电池必须在这么短的时间内将晚上放出的能量补回来，因此充电电压一般要按均充电压来设置，即每单体电池2.35-2.45V（不同电池厂家有所不同），原则是，晚上的放电深度越深，均充电压就设置越高。温度补偿：因为光伏离网应用，电池不少处于户外环境，冬夏季温度变化非常大，要求控制器必须具备温度补偿功能，电池厂家一般会给出补偿曲线，下图为汤浅NP系列充电电压与温度关系图。从图中可以看出，随着环境温度的提高，充电电压要适当下调。一般是以25℃为中心，温度增加1℃，充电电压每单体下调5mV.。控制器不具备此功能