光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計(論文)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計二〇一三年五月二十四日第1章緒論1.1光伏發(fā)電的背景及意義 目前傳統(tǒng)的化石能源正在不停的消耗，對地球環(huán)境造成的破壞日益嚴(yán)重，而且全球還有三分之一的人無法得到足夠的能源供應(yīng)。這個時候，全世界都把目光投向了新能源和可再生能源，希望新能源和可再生能源可以改變?nèi)祟惖哪茉聪M結(jié)構(gòu)，保障人類的可持續(xù)發(fā)展。而太陽能憑借其特有的優(yōu)勢得到人們的重視。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽輻射能每秒鐘到達地球表面的能量高達80萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)化效率為5%，每年發(fā)電量可達5.6*1012千瓦小時，相當(dāng)于世界上每年能消耗量的40倍。

1.1.1世界能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展新能源的背景自人類社會誕生以來，能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會的發(fā)展，能源在社會發(fā)展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益凸現(xiàn)出來的能源危機問題，更加明顯地把能源置于社會發(fā)展的首要地位。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計2012》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球能源消費仍然側(cè)重于化石燃料，而化石燃料在能源消費中的份額高達87%。可再生能源的份額繼續(xù)有所提高，但目前僅占全球能源消費量的2%。截至2011年底，世界石油探明儲量約為1.6526萬億桶，僅足以滿足54.2年的全球生產(chǎn)需求；全球天然氣探明儲量足以保證63.6年的生產(chǎn)需求；世界煤炭探明儲量足以滿足112年的全球生產(chǎn)需求。而我國截至2011年底，石油剩余技術(shù)可采儲量32.4億噸，天然氣4.02萬億立方米，煤炭查明資源儲量1.38萬億噸。我國的能源資源儲量情況危機逼人，探明可開發(fā)能源總儲量約占世界總量的十分之一，卻要保證世界五分之一人口能源需求。煤炭和水力資源人均擁有量相當(dāng)于世界平均水平的50%，石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的1/15左右。隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉础Ｑ芯亢蛯嵺`表明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國際社會公認的理想替代能源。新能源和可再生能源的開發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污染問題，促進社會和經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展。根據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測，到21世紀(jì)60年代，全球新能源與可再生能源的比例，將會發(fā)展到世界能源構(gòu)成的50%以上，成為人類社會未來能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，各國紛紛出臺各種法規(guī)支持開發(fā)利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升溫。20世紀(jì)90年代以來，以歐盟為代表的地區(qū)集團，大力開發(fā)利用可再生能源，連續(xù)10年可再生能源發(fā)電的年增長速度都在15%以上。以德國、西班牙為代表的一些國家通過立法方式，促進可再生能源的發(fā)展，1999年以來可再生能源年均增長速度均達到30%以上。西班牙2003年風(fēng)力發(fā)電裝機占到全部裝機總量的24%，德國在過去11年間，風(fēng)力發(fā)電增長21倍，2003年占全部裝機總量的3.1%。瑞典和奧地利的生物質(zhì)能源在其能源消費結(jié)構(gòu)中高達15%以上?！按罅φ{(diào)整能源結(jié)構(gòu)是我國轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式的主攻方向?！眹夷茉淳志珠L張國寶說，我國已向國際社會承諾，到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右。為此，到“十二五”末，我國非化石能源在一次能源消費中的比重要爭取達到11.4%。按照國家能源局的思路，未來5年，我國將在保護生態(tài)和做好移民工作的前提下積極發(fā)展水電，在確保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電，積極發(fā)展風(fēng)電，穩(wěn)定發(fā)展太陽能，開發(fā)利用生物質(zhì)能和地?zé)崮?。未?年，太陽能產(chǎn)業(yè)有望成為我國新興能源支柱產(chǎn)業(yè)。下階段，國家將通過繼續(xù)推廣利用太陽能熱水器、穩(wěn)步啟動國內(nèi)光伏發(fā)電市場、加強行業(yè)規(guī)劃和準(zhǔn)入管理等措施，努力將其培養(yǎng)成我國先進的裝備制造產(chǎn)業(yè)和新興能源支柱產(chǎn)業(yè)。到2015年，我國太陽能熱利用面積將達到4億平方米。1.1.2太陽能與光伏發(fā)電太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽能傳送到地球上每40秒鐘就有相當(dāng)于210億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天消費的能源。在目前的幾種新能源當(dāng)中，太陽能以其突出的優(yōu)勢被定位為的未來能源，有無窮的潛力。目前太陽能利用的方式主要有：太陽能光伏發(fā)電、太陽能光熱利用、太陽能光化利用和太陽能光生物利用。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認為是當(dāng)前具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各國均投入巨資競相研究開發(fā)，積極推進其產(chǎn)業(yè)化進程，大力開拓太陽能光伏發(fā)電的市場應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能光伏電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式。太陽能光伏電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，將太陽能光伏電池單元進行串、并聯(lián)可以做成太陽能光伏電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能光伏電池組件能作為電源使用的最小單元，可以將太陽能光伏電池組件進行進一步的串、并聯(lián)，構(gòu)成太陽能光伏電池方陣，以滿足負載所需要的功率輸出。光伏發(fā)電系統(tǒng)之所以能夠發(fā)展如此快速，是因為它具有一系列特有的優(yōu)勢，主要可歸納如下：發(fā)電原理具有先進性：即直接從光子到電子轉(zhuǎn)換，沒有中間過程(如熱能-機械能、機械能-電磁能轉(zhuǎn)換等)和機械運動，發(fā)電形式極為簡潔。因此，從理論上分析，可得到極高的發(fā)電效率，最高可達80％以上。通過努力，光伏電池轉(zhuǎn)換效率達到30％～50％是可以實現(xiàn)的。2.太陽能資源的無限和分布特性：太陽能輻射取之不盡、用之不竭，可再生并且無污染；陽光普照大地，無處不在，無需運輸，最重要的是絕無任何國家實施壟斷和控制的可能。

3.沒有資源短缺和耗盡問題：光伏電池所用的主要硅材料儲量豐富，硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素，達到26％之多。

4.光伏發(fā)電無污染：沒有燃燒過程，不排放溫室氣體和其他廢氣，不排放廢水，環(huán)境友好，做到真正的綠色發(fā)電。

5.沒有機械旋轉(zhuǎn)部件：光伏發(fā)電系統(tǒng)不存在機械磨損，無噪聲。

6.建造和拆卸特性：光伏發(fā)電系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)易于建造安裝、拆卸遷移，規(guī)模大小隨意，而且易于隨時擴大發(fā)電容量。

7.使用性能和壽命問題：經(jīng)數(shù)十年應(yīng)用實踐證明：光伏發(fā)電性能穩(wěn)定、可靠，使用壽命長(25年以上)。

8.維護管理問題：光伏發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守，維護成本低。1.2光伏發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢近年來太陽能光伏發(fā)電發(fā)展十分迅速，從1998年至今，全球范圍內(nèi)光伏發(fā)電新裝容量年增長率為43%，而最近5年，增速更進一步提高到56%。全球光伏發(fā)電累計安裝總量2007年是8.1GW，2008年12GW，2009年18GW，而2011年全球光伏發(fā)電總裝機量達67GW，較2010年底的40GW增長70%。從上述情況可以看出太陽能光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在一步步的擴大，并且有很多組織企業(yè)還在源源不斷的投身于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。美國非營利、非政府組織(Pew)的報告顯示，全球綠色能源產(chǎn)業(yè)在2012年獲得了總額達2690億美元投資，其中太陽能以1260億美元的總規(guī)模成為最受投資者歡迎的品種。在按國家、地區(qū)劃分后可以發(fā)現(xiàn)，投資者對中國清潔能源市場的投資總額為651億美元，約占據(jù)當(dāng)年全球投資總額的四分之一。新能源發(fā)展規(guī)劃出臺后，未來十年我國新能源投資將達5萬億元。“十二五”期間，全國商品化可再生能源占全部能源消費總量的比重要達到9.5%以上。目前，各國都加大了對太陽能的投資，并且制訂了相應(yīng)目標(biāo)。如下表1-1：表1-1各國光伏發(fā)展目標(biāo)國家光伏發(fā)展目標(biāo)美國2012年發(fā)電量中新能源占到10%，2025年達到25%，2020年光伏總裝機300GW德國2011年光伏裝機容量24.8GW,2015年光伏裝機容量達到50GW西班牙到2010年可再生能源支持能源需求的12.1%和發(fā)電量的30.3%法國2010年可再生能源占到能源消費的10%，2020年至少達到20%；2020年光伏裝機容量達到5.4GW日本2010年可再生能源提供發(fā)電量的1.35%；2010年光伏裝機容量4.82GW，2020年達到28GW，2030年達到56GW韓國2012年光伏裝機容量1.3GW，2030年達到81.3GW印度2020年前光伏裝機容量達到20GW，2030年和2050年前光伏裝機容量分別達到100GW和200GW光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要地位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，光伏發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。我國太陽能資源非常豐富，大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時以上，理論儲量達每年1.7萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。從全國太陽年輻射總量的分布如下圖1-1所示，青藏高原和西北地區(qū)、華北地區(qū)、東北大部以及云南、廣東、海南等部分低緯度地帶均為太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)。圖1-1全國太陽年輻射總量的分布圖根據(jù)《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，“十二五”時期，可再生能源新增發(fā)電裝機1.6億千瓦，其中常規(guī)水電6100萬千瓦，風(fēng)電7000萬千瓦，太陽能發(fā)電2100萬千瓦，生物質(zhì)發(fā)電750萬千瓦，到2015年可再生能源發(fā)電量爭取達到總發(fā)電量的20%以上。其中光伏電站裝機1000萬千瓦，太陽能熱發(fā)電裝機100萬千瓦，并網(wǎng)和離網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝容量達到1000萬千瓦。太陽能熱利用累計集熱面積達到4億平方米。到2020年，太陽能發(fā)電裝機達到5000萬千瓦，太陽能熱利用累計集熱面積達到8億平方米。在快速增長的國際市場的帶動下，我國已形成了具有國際競爭力的太陽能光伏發(fā)電制造產(chǎn)業(yè)，2007年中國光伏電池的產(chǎn)量己經(jīng)超越了美國、日本和歐洲成為了世界第一,2010年光伏電池產(chǎn)量占到全球光伏電池市場的50%。在光伏電池制造技術(shù)方面，我國已達到世界先進水平。光伏電池效率不斷提高，晶硅組件效率達到15%以上，非晶硅組件效率超過8%，多晶硅等上游材料的制約得到緩解，基本形成了完整的光伏發(fā)電制造產(chǎn)業(yè)鏈。在大型光伏電站特許權(quán)招標(biāo)、“太陽能屋頂計劃”和“金太陽示范工程”推動下，國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電市場開始啟動，規(guī)?；瘧?yīng)用的格局正在形成，2012年全國新增光伏裝機量約為4.5GW，同比增長66%。目前中國的太陽能光伏發(fā)電市場正山生產(chǎn)型轉(zhuǎn)向消費型。光伏市場產(chǎn)能過剩，供需失衡，多晶硅價格下滑，行業(yè)整體利潤下降。近年我國光伏電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。2008年我國光伏電池產(chǎn)量達2GW，占全球產(chǎn)量的36.7%；2009年突破4GW，占全球總產(chǎn)量的40%；2010年約8GW，占全球產(chǎn)量的50%，居世界首位；2011年達到20GW，約占全球產(chǎn)量的65%；2012年，光伏電池組件出貨量約23GW，但產(chǎn)值同比將大幅下降。與快速增長的產(chǎn)能相比，市場需求增量則相形見絀。歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(EPIA)秘書長透露，現(xiàn)在全球光伏產(chǎn)能是60GW，而整體需求只有30GW，中間的鴻溝非常大，產(chǎn)能過剩很嚴(yán)重。為了推動我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)健康良性的發(fā)展并緩解太陽能光伏電池企業(yè)因產(chǎn)能過剩產(chǎn)生的壓力，國家能源局正在研究如何規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展國內(nèi)的光伏發(fā)電市場。初期將在政策上給予優(yōu)惠，致力于啟動幾十萬千瓦的光伏電站項目作為加快我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提高我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的一項重要舉措。1.3論文主要研究內(nèi)容本課題項目名稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。目前由于光伏發(fā)電系統(tǒng)成本較高，使其應(yīng)用大受影響。降低光伏系統(tǒng)發(fā)電的成本，這是當(dāng)今世界范圍內(nèi)研究的一個課題。增加光伏發(fā)電的經(jīng)濟吸引力必須選擇以下一種或多種途徑：1.提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率；2.降低制造電池、組件和輔助設(shè)備的成本，同時降低安裝費用；3.設(shè)計高效、可靠的系統(tǒng)，以降低每單位功率輸出的費用及提高使用壽命。本論文基于第三個途徑，針對一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容包括作如下幾個方面：第1章緒論。主要介紹課題的來源、背景與意義以及國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展，同時對論文主要研究內(nèi)容進行說明。第2章光伏發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)概念。主要介紹和討論光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類，包括離網(wǎng)、并網(wǎng)及混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。同時對光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行探討，包括光伏電池的工作原理，光伏陣列的構(gòu)成及其特性，最大功率點跟蹤，交直流逆變器。第3章離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及分析。本章將對10kW光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行設(shè)計、選型、安裝，介紹和討論離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和分類，包括光伏電池的選型、充放電控制器的設(shè)計選型和蓄電池設(shè)計選型，同時將對離網(wǎng)逆變部分的進行分析選型。第4章并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及分析。本章介紹和討論離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和分類，將對并網(wǎng)逆變部分和孤島檢測技術(shù)進行分析，包括光伏并網(wǎng)逆變器的分類、輸出電流的控制方式、并網(wǎng)逆變器的模型以及相關(guān)參數(shù)的選取。第5章結(jié)束語。對全文進行總結(jié)，同時對論文的后續(xù)研究進展做出展望，供后續(xù)研究者參考。

第2章光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是光伏電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點是可靠性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨立發(fā)電又能并網(wǎng)運行，受到各國企業(yè)組織的青睞，具有廣闊的發(fā)展前景。2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池的光生伏特效應(yīng)，將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能直接供用戶使用或?qū)㈦娔懿⑷牍搽娋W(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部件包括：光伏電池、蓄電池、逆變器、控制器等。圖2-1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏電池：光伏電池將輻射能轉(zhuǎn)換成電能，是系統(tǒng)最有價值的組成部件。單塊光伏電池的容量較小，可以通過適當(dāng)?shù)拇?、并?lián)組成光伏電池陣列，提高光伏電池的輸出電流和輸出電壓。目前技術(shù)相對成熟，應(yīng)用也較廣泛的光伏電池是以硅作為主要材料的單晶、多晶和非晶硅光伏電池，其中晶硅電池的生產(chǎn)技術(shù)和工藝最成熟，已實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。蓄電池：光伏發(fā)電受到光照條件的影響較大，只能在有光照的條件下發(fā)電，這與用戶的用電要求是不符的，因此需要配置蓄電池。利用蓄電池將光伏電池在陽光充足時發(fā)出的多余的電能儲存起來，供陰雨天或夜晚使用。具體過程為：在光照充足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)除了給負載供電外，還對蓄電池進行充電，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來；在光照不足或無光照時，將利用蓄電池中儲存的能量來彌補光伏電池輸出能量的不足，保證負載的正常工作。逆變器：逆變器是通過控制功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的一種電力電子變換裝置。由于光伏電池輸出的是直流電，因此如果要為交流負載供電，就需要配置逆變器。隨著并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，并網(wǎng)型光伏逆變器的研制成為熱點。并網(wǎng)型光伏逆變器不僅具有最大功率跟蹤和將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷墓δ?，還具有自動并網(wǎng)和孤島檢測等功能?？刂破鳎嚎刂破魇菍夥l(fā)電系統(tǒng)進行管理和控制的設(shè)備，是整個系統(tǒng)的核心。根據(jù)系統(tǒng)的要求及重要程度的不同，控制器的功能多少及復(fù)雜程度相差很大。根據(jù)要求的不同，控制器可以具備以下功能：蓄電池充放電控制、設(shè)備保護、工作狀態(tài)顯示、最大功率跟蹤、孤島檢測、低電壓穿越等?？刂破鞯墓δ懿⒉皇窃蕉嘣胶?，否則會增加系統(tǒng)的研發(fā)費用，降低系統(tǒng)的可靠性，因此要根據(jù)實際情況合理配置系統(tǒng)的功能。2.1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類目前光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類，離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。1.離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。這是一種常見的太陽能應(yīng)用方式，由光伏組件發(fā)電，經(jīng)控制器對蓄電池進行充放電管理，并給直流負載提供電能或通過逆變器給交流負載提供電能的一種新型電源。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境惡劣的高原、海島、偏遠山區(qū)及野外作業(yè)，也可作為通訊基站、廣告燈箱、路燈等供電電源。在國內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡單，一般為小型光伏系統(tǒng)。圖2-2離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池陣列、控制器、并網(wǎng)逆變器組成，不經(jīng)過蓄電池儲能，通過并網(wǎng)逆變器直接將電能輸入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相比離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，減少了其中的能量消耗，節(jié)約了占地空間，還降低了配置成本。當(dāng)用電負荷較大時，光伏電力不足就向市電購電。而負荷較小時，或用不完電力時，就可將多余的電力賣給市電。圖2-3并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)?；旌闲凸夥l(fā)電系統(tǒng)是在系統(tǒng)中增加一臺備用發(fā)電機組，當(dāng)光伏發(fā)電不足或者是蓄電池儲存的能量不足時，就啟用發(fā)電機。它既可以直接給交流負載供電，又可以經(jīng)整流后給蓄電池補充能量。在混合系統(tǒng)中還可以由其他可再生能源發(fā)電技術(shù)構(gòu)成備用發(fā)電源，最常見的是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。圖2-4混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.3光伏發(fā)電原理太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在P-N結(jié)電場的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)，光伏電池的工作原理。光伏發(fā)電有兩種方式，一種是光-熱-電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光-電直接轉(zhuǎn)換方式。1.光-熱-電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光-熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱-電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍。2.光-電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光-電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是光伏電池。光伏電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的輻射能變成電能，產(chǎn)生電流。2.2光伏電池的工作原理2.2.1光伏電池原理及分類在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是光伏電池單體。光伏電池單體實際上是一個P-N結(jié)，P-N結(jié)在光照下會產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)，如下圖2-5所示。當(dāng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時，P-N結(jié)處有一個耗盡層，耗盡層中存在著勢壘電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)P-N結(jié)受到光照時，硅原子受光激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對，在勢壘電場的作用下，空穴向P區(qū)移動，電子向N區(qū)移動，從而P區(qū)就有過剩的空穴，N區(qū)就有過剩的電子，這樣便在P-N結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢。光生電動勢的一部分抵消勢壘電場，另一部分使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，從而在P區(qū)與N區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在光伏電池單體兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載就有光生電流流過，從而獲得功率輸出。由上可知，光伏電池單體將光能轉(zhuǎn)換成電能的工作原理可概括為以下四個過程：

1.光伏電池單體吸收光子，在P-N結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生稱為“光生載流子”的電子空穴對，兩者的電性相反，電子帶負電，空穴帶正電；

2.在光伏電池單體P-N結(jié)光生載流子，通過擴散作用到達空間電荷區(qū)；

3.到達空間電荷區(qū)的光生載流子被勢壘電場分離，電子被分離到N區(qū)，空穴被分離到P區(qū)；

4.被勢壘電場分離的電子和空穴分別被光伏電池單體的正、負極收集，若在光伏電池單體正、負極之間接入負載，則有光生電流流過，從而獲得電能。圖2-5光生伏特效應(yīng)原理光伏電池多為半導(dǎo)體材料制造，種類繁多，形式各樣，下面按照光伏電池的材料進行分類介紹：

1.硅光伏電池：指以硅為基體材料的光伏電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為18%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為20.4%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為16%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅太陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。2.化合物半導(dǎo)體光伏電池：指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導(dǎo)體特性的化合物半導(dǎo)體材料制成的光伏電池，如碲化鎘光伏電池、砷化鎵光伏電池、硒銦銅光伏電池、磷化銦光伏電池等。化合物半導(dǎo)體光伏電池具有轉(zhuǎn)換效率高，抗輻射性好，可在聚光條件下使用等特點，但碲化鎘光伏電池帶有毒性，易對環(huán)境造成污染，一般用于特定場合，如空間飛行器和航空系統(tǒng)。

3.有機半導(dǎo)體光伏電池：指用含有一定數(shù)量的碳-碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的光伏電池。該種電池雖然轉(zhuǎn)換率低，但價格便宜、輕便、易于大規(guī)模制造。

4.薄膜光伏電池：指用單質(zhì)元素、無機化合物或有機材料等制作的薄膜為基體材料的光伏電池。目前主要有非晶硅薄膜光伏電池、多晶硅薄膜光伏電池、化合物半導(dǎo)體薄膜光伏電池、納米薄膜光伏電池和微晶硅薄膜光伏電池等。其特點是轉(zhuǎn)換效率相對較高、成本降低(尤其是大大降低了晶體硅類光伏電池的硅材料用量)、且適合規(guī)模生產(chǎn)，因此薄膜光伏電池是未來光伏電池的一個重要發(fā)展方向。2.2.2光伏電池輸出特性1.標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏電池的輸出特性光伏電池的輸出特性是指光伏電池在一定的溫度和日照強度下所表現(xiàn)出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對應(yīng)關(guān)系，常簡稱為I-F特性。由于日照強度、電池溫度等都會影響光伏電池的輸出特性，因此需要定義標(biāo)準(zhǔn)測試條件用于地面測試光伏電池性能。我國應(yīng)用的準(zhǔn)測試條件定義為日照強度為1000W/㎡，光伏電池溫度為25℃，太陽輻射光譜為AMI.5。一般的光伏電池組件生產(chǎn)商均提供上述標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的五個參數(shù)。當(dāng)光伏電池輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，光伏電池近似為一恒流源，當(dāng)光伏電池輸出電壓超過一定的臨界值時，光伏電池輸出電流急劇下降，光伏電池可近似為一恒壓源。光伏電池的輸出特性是非線性的，既非恒流源也非恒壓源(在最大功率點左側(cè)為近似恒流源段，在最大功率點右側(cè)為近似恒壓源段)，且在一定的電池溫度和日照強度下有唯一的最大輸出功率點。

2.溫度和日照強度對光伏電池輸出特性的影響光伏電池的I-V特性曲線與日照強度和電池溫度有關(guān)，圖2-6分別為不同日照光強和不同電池溫度時，光伏電池的輸出特性曲線。當(dāng)溫度一定時，光伏電池短路電流Isc隨日照強度的增加而增加，并與日照強度成正比，光伏電池開路電壓U0隨日照強度的增加稍有增加；當(dāng)日照強度一定時，電池溫度升高，光伏電池開路電壓U0降低，而光伏電池的短路電流Isc幾乎沒有變化。圖2-6光伏電池的I-V特性曲線2.3光伏陣列的構(gòu)成及其特性單體光伏電池又稱為光伏電池片，是光伏電池的最基本單元。在使用光伏電池供電時，光伏電池片容量較小，輸出電壓較小、輸出功率也只有1W左右，不能滿足負載用電的需要，通常不直接使用。因此需要將幾十或幾百片的單體電池根據(jù)負載需要，經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成組合體，再將組合體通過一定的工藝流程封裝在盒子里，引出正負引線，方可使用。封裝前的組合體稱之為光伏電池模塊組件，封裝后的薄膜盒子稱之為光伏電池組合板。若干個光伏電池板根據(jù)負載容量大小要求，再串并聯(lián)組合成較大的實際供電裝置，稱之為光伏陣列。光伏發(fā)電系統(tǒng)則根據(jù)實際需要，將若干個光伏組件排列組成光伏方陣，排列形式主要有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。在將光伏電池組件進行串并聯(lián)組裝方陣時，應(yīng)參考光伏電池串并聯(lián)所需注意的原則：1.串聯(lián)時需要工作電流相同的組件，并為每個組件并接旁路二極管；2.并聯(lián)時需要工作電壓相同的組件，并在每一條并聯(lián)線路串接阻塞二極管（防反沖二極管）；3.盡量考慮組件互連接線最短的原則；4.要嚴(yán)格防止個別性能壞的光伏電池組件混入光伏電池方陣。2.3.1.容量設(shè)計光伏電池組件設(shè)計的基本思想就是滿足年平均日負載的用電需求，設(shè)計的主要原則就是滿足平均天氣條件下負載的每日用電需求?？紤]到天氣條件可能會有低于或高于平均值的情況對光伏系統(tǒng)輸出的影響，所以要保證光伏陣列的設(shè)計和蓄電池的設(shè)計在各種天氣條件下可以協(xié)調(diào)工作。光伏電池組件設(shè)計的基本方法是用負載平均每天所需要的能量除以一塊電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量，這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的光伏電池組件數(shù)量，使這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負載所需要的電流。將系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓除以光伏電池組件的標(biāo)稱電壓，就可以得到光伏電池組件所需要串聯(lián)的光伏電池件數(shù)，使用這些光伏電池組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負載所需要的電壓。然而在實際情況中，光伏電池組件的輸出會受到環(huán)境的影響而降低，光伏系統(tǒng)的運行還依賴天氣狀況，因此設(shè)計上應(yīng)留有一定的余量將使得系統(tǒng)可以長期正常使用。另外，在蓄電池的充放電過程中，鉛酸蓄電池會電解水，產(chǎn)生氣體逸出，這也就是說光伏電池組件產(chǎn)生的電流中將有一部分不能轉(zhuǎn)化而是耗散掉。因此在保守設(shè)計中有必要根據(jù)實際應(yīng)用情況將光伏電池組件的功率增加，以抵消蓄電池的耗散損失。2.3.2方陣最佳傾角設(shè)計光伏陣列的安裝形式通常有兩種：固定形式和非固定形式。非固定形式可改變光伏陣列的方位角和傾角以跟蹤太陽，但它在獲得最大輻射能的同時也增加了系統(tǒng)運行的耗能，因此經(jīng)濟效益不能一概而論。本文主要討論固定式光伏陣列，并解決其傾角的設(shè)計問題。地球上觀測點同太陽中心連線與地平面的夾角αs為太陽高度角。太陽高度角的計算公式為：（2.1）式中，δ為太陽赤緯角；Ф為地理緯度；ω為太陽時角。光伏陣列傾角的大小將直接影響光伏陣列接受到的太陽輻射量的多少，傾角不同，各個月份方陣面上接收到的太陽輻射量差別很大，同時也影響光伏系統(tǒng)與蓄電池的總體成本及系統(tǒng)效率。因此，確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。一些文獻中指出方陣傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葹樽罴?。然而這樣做卻造成夏天發(fā)電量過剩而浪費，冬天發(fā)電量不足而使蓄電池欠充。為使光伏方陣最大限度的獲得太陽輻射能量，其安裝的最佳傾角β應(yīng)滿足在正午時的太陽光垂直射入光伏陣列面上。此時可以得到：（2.2）可以利用式（2.1）計算任意時刻的太陽高度角αs。對于正午12點的時候，太陽時角ω=0,則式（2.1）可簡化為：（2.3）對于北回歸線以北的地區(qū)，即Ф>δ有（2.4）代入式（2.2）有（2.5）由上式中可知，要想獲得理想狀況的光伏方陣傾角，就必須使方陣隨著太陽赤緯（±23o27’之間）的變化而變化。但是依照這種方式安裝支架對材料和技術(shù)的要求都非常高。因此，我們在沒有條件的情況下選擇固定安裝形式。對于系統(tǒng)均勻或近似均勻的光伏系統(tǒng)，可以采用光伏陣列使用時段的平均值來計算合理安裝傾角。在北半球，主要在冬季使用的光伏陣列通常在12月獲得最大輻射量，安裝傾角為地理緯度減11o；主要在夏季使用的光伏陣列通常在6月獲得最大輻射量，安裝傾角為地理緯度加11o；對于在全年使用的系統(tǒng)，由于北半球地區(qū)隨著太陽直射點的北移，日照時間也隨之增大，所以采用地理緯度作為安裝傾角的方法勢必會造成光伏系統(tǒng)使用的不平衡。因此，對其量化處理，引入一個量化參數(shù)，即輻射累積偏差δ是很有必要的。其數(shù)學(xué)表達式為：（2.6）為傾角為β的傾斜面上各月平均太陽輻射量；為該斜面上年平均太陽輻射量；M(i)為第i月的天數(shù)。δ的大小反映了全年輻射的均勻性，由此可見，δ越小輻射均勻性越好。對于非均勻負載的光伏系統(tǒng)，由于各月用電量有較大變化，必須比較各月輻射量與負載需求的關(guān)系。如果各月光伏電池的發(fā)電量剛好滿足該月的負載需求，這種情況比較理想。倘若兩者不相吻合，為得到最佳傾角，可取兩者差別最小的傾角為最佳傾角。對于并網(wǎng)光伏電池系統(tǒng)，應(yīng)該使光伏電池方陣全年接收到的太陽輻射最大為最佳。按照這種方法計算得出南寧地區(qū)的最佳安裝傾角為27o。2.4最大功率點跟蹤控制2.4.1最大功率點跟蹤控制的原理光伏發(fā)電存在的問題是光伏陣列的輸出特性受外界環(huán)境影響大，電池表面溫度和日照強度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化。并且，由于目前光伏陣列的成本高、轉(zhuǎn)換效率低，價格昂貴，初期投入較大。并且其輸出功率易受日照強度、環(huán)境溫度等因素的影響，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受日照強度、環(huán)境溫度和負載情況影響。在一定的日照強度和環(huán)境溫度下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才能達到最大值，這時光伏陣列的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(maximumpowerpoint，MPP)。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，充分利用光伏陣列所產(chǎn)生的能量是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求，在現(xiàn)在的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常要求光伏陣列的輸出功率始終保持最大，即系統(tǒng)要能實時地跟蹤光伏陣列的最大功率點。這一過程就稱之為最大功率點跟蹤控制（maximumpowerpointtracking，MPPT）。因此，要解決此問題可在光伏陣列與負載間加入最大功率點跟蹤裝置，使光伏陣列始終能夠輸出其最大功率，以提高太陽能的利用率。在最大功率點跟蹤系統(tǒng)中，確定一個好的算法是其中的關(guān)鍵。2.4.2最大功率點跟蹤方法及分類現(xiàn)有的幾種最大功率點跟蹤控制方法人們最早對MPPT技術(shù)的研究是將多個光伏電池按不同的并聯(lián)和串聯(lián)的排列方式組合起來，在特定的外界環(huán)境和負載的情況下，通過改變光伏電池的排列方式，可以達到較大功率的輸出。隨后出現(xiàn)定電最大功率點跟蹤的算法有很多種，常用的有：恒壓跟蹤法、功率回授法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、直線近似法、實際測量法等；另外還有近年來新興的模糊邏輯控制方法等等。下面主要針對恒壓跟蹤法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法進行簡單的介紹和比較。恒電壓跟蹤方法雖然光伏陣列的最大功率點功率隨著光照強度的增強而增大。但最大功率點電壓基本變化不大。因此，只要通過光伏陣列生產(chǎn)商提供的光伏陣列的特性數(shù)據(jù)或者通過實際測量就可以得到近似最大功率點電壓U0。系統(tǒng)只需將光伏陣列的輸出電壓固定在U0上。就可以使光伏陣列以近似最大功率輸出。這樣就將最大功率點跟蹤控制簡化成穩(wěn)壓控制，光伏陣列的工作點比較穩(wěn)定，實現(xiàn)方法簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。但是這種方法忽略了溫度對光伏陣列工作特性的形響。當(dāng)溫度上升時，光伏陣列的最大功率點電壓下降，并且變化較大。如果仍然采用固定電壓法控制。光伏陣列的輸出功率將損失較大。無法充分發(fā)揮作用，效率下降。因此，在冬夏、早晚等溫度變化較大時。采用固定電壓控制并不合適，此時，可以通過以下方法根據(jù)實際情況改變Um：（1）根據(jù)冬夏、早晚的實際情況，手工調(diào)整Um。由于需要人工維護，費時費力，因此較少采用。（2）將光伏陣列在不同溫度下對應(yīng)的Um。存儲在系統(tǒng)的存儲器內(nèi)。根據(jù)溫度傳感器測量得到的溫度相應(yīng)的將光伏陣列輸出電壓固定在此溫度下對應(yīng)的Um。（3）根據(jù)光伏陣列的最大功率點電壓與開路電壓之間存在近似的比例關(guān)系這一特性改變Um。2.電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏電池P-U曲線為一條一階連續(xù)可導(dǎo)的單峰值曲線的特點，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對P=UI求全導(dǎo)數(shù)，可得，(2.7)兩邊同除以dU，可得，(2.8)令=0，得，(2.9)式(2.9)即為獲得光伏電池最大功率點所需滿足的條件。該法是通過輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時負電導(dǎo)值的大小相比較來決定參考電壓變化的方向，下面就幾種情況加以分析：(1)設(shè)當(dāng)前的光伏電池的工作點位于最大功率點的左側(cè)時，此時有>0，即>-，說明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化。(2)同理，假設(shè)當(dāng)前的光伏電池工作點位于最大功率點的右側(cè)時，此時有<0，<-，說明參考電壓應(yīng)向著減小的方向變化。(3)假設(shè)當(dāng)前光伏電池的工作點位于最大功率點處(附近)，此時有=O，則參考電壓將保持不變，即光伏電池己工作在最大功率點上。因此，電導(dǎo)的增量可以判斷是否己經(jīng)達到最大功率點，然后在該點處停止對工作點的擾動，從而避免了在最大功率點左右振蕩，且能做到快速跟蹤。如果條件(3)不成立，MPPT工作點擾動方向可以通過和-的關(guān)系來計算。實現(xiàn)該方法的軟件算法可用圖2-7所示流程圖描述。其中，U(K)和I(K)分別為第K個采樣點的光伏輸出電壓和電流，光伏電池輸出改變時存在兩種情況：(1)光伏輸出電壓和電流關(guān)系在同一條特性曲線上變動，此時電壓和電流均發(fā)生變化；(2)光伏輸出電壓和電流關(guān)系變到另一條特性曲線上，光伏輸出電壓(或電流)有可能不變而只是電流(或電壓)發(fā)生變化。獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究因此首先用U(K)-U(K-1)來判斷，若其值等于零，則表示輸出特性不變或者己轉(zhuǎn)到另一條特性曲線上，此時由于電壓保持不變，故只需檢測電流變化即可判斷功率變化方向。電流不變表示系統(tǒng)輸出特性不變，此時維持占空比不變；電流增加表示系統(tǒng)工作點朝最大功率點方向移動，此時應(yīng)增加占空比以使得電流進一步增加；否則若電流降低則減小占空比。當(dāng)U(K)-U(K-1)不等于零時，則可以利用上面的三個條件來判斷工作點落在最大功率點的右側(cè)還是左側(cè)，然后對占空比的值做相應(yīng)調(diào)整。理論上這種方法比擾動觀察法好，因為它在下一時刻的變化方向完全取決于在該時刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時負電導(dǎo)值的比值大小，而與前一時刻的工作點電壓以及功率的大小無關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強度地快速變化，其控制精度較高，但是由于其中I和U的值很小，這樣就要求傳感器的精度要求很高，實現(xiàn)起來相對比較困難。圖2-7增量電導(dǎo)法流程圖增量電導(dǎo)法的優(yōu)點是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，能夠快速跟蹤其變化，且電壓擺動較擾動觀察法?。蝗秉c是算法較復(fù)雜，且在用數(shù)字方法實現(xiàn)時，對最大功率點的判斷容易出現(xiàn)誤差。擾動觀察法的最大優(yōu)點在于其原理清晰，實現(xiàn)簡單，被測參數(shù)少，且不需要知道光伏電池的特性曲線。其缺點是如果搜索步長V太小，則搜索速度過慢，反之，則容易引起振蕩；并且當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，不能快速跟蹤。需要改進之處：（1）提高跟蹤精度及速度，減小功率損失。這與初始值及跟蹤步長的設(shè)定有很大關(guān)系；（2）防止誤判。所謂的誤判，即當(dāng)日照強度增加時，導(dǎo)致擾動后的功率值大于擾動前的功率值，從而也使擾動方向繼續(xù)朝同一方向擾動。3.擾動觀察法擾動觀察法，由于實現(xiàn)簡單，且需要測量的參數(shù)較少，所以它被普遍地應(yīng)用在光伏電池的最大功率點跟蹤上。其工作原理為測量當(dāng)前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個小電壓分量(或稱之為擾動)其輸出功率會發(fā)生改變，測量出改變后的功率，比較當(dāng)前的功率與改變前的功率即可知道功率變化的方向。如果功率增大就繼續(xù)原擾動方向，如果減小則改變原擾動方向。圖2-8說明了這個動態(tài)過程，假設(shè)工作點在U1處，光伏電池輸出功率為P1，如果使工作點移到U2=U1+ΔU，光伏電池輸出功率為P2，然后比較當(dāng)前功率P2與記憶功率P1。因為P2>P1，說明輸入信號差ΔU使輸出功率變大，工作點位于最大功率值Pm的左邊，繼續(xù)增大電壓，使工作點繼續(xù)朝右邊即Pm的方向變化。如果工作點已越過Pm到達認此時若再增加ΔU，則工作點到達U5，比較結(jié)果：P5>P4，說明工作點在Pm右邊，需要改變輸入信號的變化方向，即輸入信號每次減去ΔU，再比較現(xiàn)時功率與記憶功率，就這樣周而復(fù)始地尋找最大功率點Pm。圖2-8擾動觀察法跟蹤情況示意圖擾動法存在以下優(yōu)點：1.模塊化控制回路；2.跟蹤方法簡單，實現(xiàn)容易；3.對傳感器精度要求不高。但也有缺點：1.只能在光伏電池陣列最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致一定功率損失；2.跟蹤步長對跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧；3.在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤情況。圖2-9為擾動法實現(xiàn)最大功率跟蹤的軟件流程圖。圖2-9擾動觀察法流程圖擾動觀察法結(jié)構(gòu)簡單、被測參數(shù)少，而電導(dǎo)增量法在外界環(huán)境發(fā)生迅速變化時，其動態(tài)性能和跟蹤特性方面比擾動觀察法好。但是這兩種方法都存在著一個共同的缺點，即步長固定，如果步長過小，就會導(dǎo)致光伏陣列長時間地滯留在低功率輸出區(qū)；如果步長過大，就會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇?？偨Y(jié)上述三種MPPT控制方法的優(yōu)缺點如下表2-1：表2-1三種MPPT控制方法的優(yōu)缺點MPPT控制方法優(yōu)點缺點恒電壓跟蹤方法控制最簡單忽略了環(huán)境條件的影響，不是真正的最大功率點跟蹤增量電導(dǎo)法通過判斷式減小了振蕩步長和閥值的選擇有一定的難度，對器件要求高擾動觀察法結(jié)構(gòu)簡單、被測參數(shù)少，容易實現(xiàn)，研究廣，改進優(yōu)化方法多系統(tǒng)在最大功率點附近會產(chǎn)生振蕩，步長選擇影響跟蹤速度，環(huán)境變化可能造成誤判2.5DC/DC變換器DC/DC變換器，亦稱直流斬波器，其工作原理是通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)，將一種持續(xù)的直流電壓變換成另一種(固定或可調(diào)的)直流電壓。通過對開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷時間長短的控制，控制從電源端到負載端傳送的能量。其中二極管起續(xù)流的作用，LC電路用來濾波。DC/DC轉(zhuǎn)換電路可以分多種，從工作方式的角度可分為：升壓式(Boost)、降壓式(Buck)、升降壓式(Buck-Boost)、庫克式(Cuk)。以Buck變換器為例，如圖2-9所示，通過在功率開關(guān)管的控制端施加周期一定，占空比可調(diào)的驅(qū)動信號，使其工作在開關(guān)狀態(tài)。對于Buck變換電路，其輸出電壓平均值V0總是小于輸入電壓Vin。圖2-10為在開關(guān)T關(guān)斷時給負載中的電感電流提供通道，圖中設(shè)置了續(xù)流二極管D。圖2-10Buck變換器結(jié)構(gòu)當(dāng)開關(guān)T導(dǎo)通時，如圖2-11所示，電源Vin，向負載供電，電流流經(jīng)電感L一部分向電容充電，另一部分流向負載，此時電路輸出電壓為VO。圖2-11T導(dǎo)通，D截止等效電路當(dāng)開關(guān)T關(guān)斷時，如圖2-12所示，電感釋放能量使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，在此階段，電感L把前一段的能量向負載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容C使輸出電壓的紋波進一步減小。顯然，功率管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間越長，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。圖2-12D導(dǎo)通，T截止等效電路Buck變換器有兩種可能的運行工況：電感電流連續(xù)模式和電感電流斷流模式。電感電流連續(xù)是指輸出電流在整個開關(guān)周期中都存在。電感電流斷流是指在開關(guān)T阻斷后的一段時間內(nèi)輸出電感的電流已經(jīng)降為零。Buck變換器適合用于光伏陣列輸出端電壓高而蓄電池電壓低的情況，當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓平均值為（2-9）式中，D為占空比，可表示為可見，0<D<1。對于Buck變換器，有可得即(2-10)由式(2-10)可知，Buck變換器具有變換阻抗的作用，通過調(diào)節(jié)占空比D，可以達到光伏電池與負載之間的阻抗匹配，使光伏電池工作在最大功率點上或附近。2.6控制器控制器在運行系統(tǒng)中是一個非常重要的部件，它不但控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常運行，而且實時檢測系統(tǒng)各參數(shù)以防異常情況的出現(xiàn)，一旦檢測到異常，它能夠自動保護并報警?？偟膩碚f，控制器的主要作用有如下幾個方面：1.調(diào)節(jié)光伏電池的功率輸出特性，保證光伏電池、蓄電池向負載可靠供電及光伏電能的充分利用；2.讓蓄電池在允許的限制范圍內(nèi)按照系統(tǒng)設(shè)計者規(guī)定的模式工作，特別是要防止過度充電和深度放電；3.當(dāng)蓄電池出現(xiàn)故障時，可以自動切換，啟動備用蓄電池（若有），以保證負載正常用電；4.當(dāng)負載發(fā)生短路時，可以自動斷開負載；5.保證系統(tǒng)中各種參數(shù)必要的計算、檢測和顯示。2.7逆變器逆變器的概念：通常，把直流電能變換成交流電能的過程稱為為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變器。

逆變器的分類：目前常用的逆變器，按頻率可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50～60Hz的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為400Hz到十幾kHz；高頻逆變器的頻率一般為十幾kHz到MHz。按輸出的相數(shù)可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。按照逆變器輸出電能的去向可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負載的逆變器稱為無源逆變器。按逆變器輸出電壓或電流的波形可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。按供電源分可分為在線式和非在線式。一般把具有市電輸入的稱為UPS，即uninterruptiblepowersupply。它在有市電輸入時負載使用市電作為供電電源，并對電池充電；在沒有市時UPS馬上切換到逆變狀態(tài)由蓄電池提供電源向負載供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求：1.要求具有較高的效率。由于目前光伏電池的價格偏高，為了最大限度地利用光伏電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。目前國外的無變壓器式逆變器效率能做到95%以上，但那要求直流端的電路足夠高，即直流高的電壓至少不低于輸出的交流電整流以后的電壓，而且價格昂貴。而目前國內(nèi)帶變壓器的工頻逆變器效率一般在80%左右，高頻的則可達到90%左右。而且功率較大時逆變器輸出效率容易提高，當(dāng)功率小時相對同一類型的逆變器則效率會低一點。2.要求具有較高的可靠性。在邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。3.要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于光伏電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對光伏電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，若直流電壓較低，則通過交流變壓器升壓，即得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓和頻率。對大容量的逆變器，由于直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到220V，在中、小容量的逆變器中，由于直流電壓較低，如12V、24V，就必須設(shè)計升壓電路。中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低，帶動感性負載的能力較差。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通，必須設(shè)計先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于升壓變壓器體積大，效率低，價格也較貴。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術(shù)實現(xiàn)逆變，可實現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結(jié)構(gòu)，但工作頻率均在20kHz以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在300V以上）再通過工頻逆變電路實現(xiàn)逆變。采用該電路結(jié)構(gòu)，使逆變器功率大大提高，逆變器的空載損耗也相應(yīng)降低，效率得到提高，該電路的缺點是電路復(fù)雜，可靠性相對低一點。

第3章離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于偏僻山區(qū)、無電區(qū)、海島、通訊基站和路燈等應(yīng)用場所。系統(tǒng)一般由光伏電池組件組成的光伏方陣、太陽能充放電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)型逆變器、直流負載和交流負載等構(gòu)成。光伏方陣在有光照的情況下將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過太陽能充放電控制器給負載供電，同時給蓄電池組充電；在無光照時，通過太陽能充放電控制器由蓄電池組給直流負載供電，同時蓄電池還要直接給獨立逆變器供電，通過獨立逆變器逆變成交流電，給交流負載供電。3.1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用場合不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般可分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。如下圖3-1所示，離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏電池板、充電器、蓄電池、控制器、直流升壓電路、逆變器和太陽自動跟蹤器等。圖3-1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.光伏電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要部分，也是光伏發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部件，其作用是將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為直流電能。2.光伏充放電控制器其作用是對光伏電池組件所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)和控制，最大限度地對蓄電池進行充電，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，光伏控制器應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ堋?.蓄電池組其主要任務(wù)是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。并網(wǎng)光伏電站，可以利用電網(wǎng)作為儲能系統(tǒng)，而獨立運行的離網(wǎng)光伏電站主要是依靠蓄電池來儲存多余的電能。鉛酸蓄電池是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中最常用的儲能單元。4.離網(wǎng)型逆變器離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，負責(zé)把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負荷使用。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證電站的長期穩(wěn)定運行，逆變器的性能指標(biāo)非常重要。光照強時，光伏電池的低壓直流電直接提供給直流升壓電路，并通過充電器給蓄電池充電儲能。光照弱時，光伏電池輸出功率達不到光伏發(fā)電的要求，這時，作為儲能裝置的蓄電池就為直流升壓電路提供低壓直流電，保證了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。直流升壓電路把低壓直流電升高到330V高壓直流電，然后通過逆變器就可以得到SOH成20V交流電。輸出交流電壓和電流通過檢測電路反饋給控制器，控制器可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。太陽自動跟蹤系統(tǒng)使光伏電池板跟隨太陽運動而轉(zhuǎn)動，充分利用了太陽能，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。3.2蓄電池工作原理及充放電控制儲能是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要部分，尤其當(dāng)光伏系統(tǒng)作為離網(wǎng)系統(tǒng)運行時，儲能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成部分。地面可獲得的太陽光輻射量是不斷變化的，一天中從早到晚都在不斷的變化之中，而且一年四季中不同月份的太陽光輻射量也是不同的，天氣的變化更是對它有直接影響。太陽光輻射量強度的變化必然引起直流發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的變化，而且這種變化同負載的用電需要沒有必然聯(lián)系，使得光伏電站的發(fā)電和用電無法匹配。并網(wǎng)光伏電站，可以利用電網(wǎng)作為儲能系統(tǒng)，而獨立運行的離網(wǎng)光伏電站主要是依靠蓄電池來儲存多余的電能。鉛酸蓄電池是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中最常用的儲能單元。重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應(yīng)用沒有前一種廣泛。在早期光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般使用開口式鉛酸蓄電池作為儲能裝置，但開口式鉛酸蓄電池有需要加酸加水維護，酸液易污染環(huán)境等缺點，不利于無人值守使用及環(huán)保。近些年來，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蝕設(shè)備污染環(huán)境，備受歡迎，在我國電信、電力、鐵路等行業(yè)得到廣泛使用?，F(xiàn)在的光伏系統(tǒng)用蓄電池，幾乎全部為VRLA蓄電池。VRLA蓄電池的主要作用有兩點：（1）在晚上或多云及光伏陣列產(chǎn)能和負載用電不一致等情況下，蓄電池能夠存儲多余能量或給負載提供能量；（2）由于太陽能電池組件的工作特性受太陽輻照度、溫度等影響很大，負載常常不能處在最理想工作點附近。蓄電池對光伏電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證負載處在最理想工作點附近。在獨立運行離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，白天日照量大，方陣除了供給負載用電外，還要給蓄電池充電；晚上無日照時，這部分儲存的電能逐步放出，負載用電全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當(dāng)然還要考慮價格低廉，使用方便等因素。3.3離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用離網(wǎng)光伏電站為發(fā)展偏遠地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和改善人們生活質(zhì)量發(fā)揮著積極有效的作用。主要用于偏遠山區(qū)包括邊遠地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，光伏戶用電源系統(tǒng)，通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈各種帶有蓄電池的可以獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。鑒于我國邊遠山區(qū)多、海島多的特點，獨立運行的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然有著廣大的市場。因此，研制高密度、低成本、長壽命、無污染的儲能系統(tǒng)，減少發(fā)電系統(tǒng)對自然條件的依賴性，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，是深入普及光伏發(fā)電技術(shù)，進一步開拓市場的重大課題。1.戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)戶用系統(tǒng)主要指為住戶自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。白天，發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池進行充電；晚間，發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池所存的電能進行逆變放電，實現(xiàn)對住戶負載的供電。戶用光伏系統(tǒng)的選用容量一般在幾十到幾百瓦，主要用于照明和小型家電。戶用系統(tǒng)也有用在對外無人設(shè)備的供電方面，如通信塔、廣播差轉(zhuǎn)臺、燈塔等。如對供電能力和穩(wěn)定性要求較高，同時對供電要求較大的獨立戶用系統(tǒng)，一般需要在直流母線上掛有蓄電池來穩(wěn)定供電電壓，同時兼作晚間和陰雨天氣間的供電。一般來說，戶用光伏系統(tǒng)容量相對較小，其應(yīng)用技術(shù)也相對簡單，用途多為單一的簡單目的，其供電可靠性、穩(wěn)定性要求相對不高。戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅解決了部分無電人口的供電問題，又解決了邊遠地區(qū)的通訊問題，促進了貧困地區(qū)脫貧致富，促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。2.離網(wǎng)光伏電站離網(wǎng)光伏電站也稱為獨立光伏電站。在負載需求量相對較大的無電村鎮(zhèn)、海島，并且在幾十公里范圍內(nèi)用戶相對集中的無電區(qū)域適宜建立離網(wǎng)光伏電站。目前光伏電站容量規(guī)模在幾千瓦到幾百千瓦。電站由光伏電池板、蓄電池、變換器、配電和輸電系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)計離網(wǎng)電站時，考慮蓄電池的合理使用是很重要的一個環(huán)節(jié)，尤其對于夜間用電或白天存在用電高比率的電動機類負荷。由于離網(wǎng)電站需要同時供給多個負荷的用電，各負荷用電與蓄電池間的能量分配需要合理規(guī)劃與管理。3.風(fēng)光互補發(fā)電風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電都受自然條件、天氣限制，帶有一定的局限性，但它們之間存在一定的互補性。一般來說，白天只要天氣晴好，光伏系統(tǒng)就能正常發(fā)電運行，夜間光伏系統(tǒng)停止發(fā)電。而我國西部地區(qū)氣候特點經(jīng)常是白天風(fēng)力小、夜間風(fēng)力大，因此兩者發(fā)電正好構(gòu)成一定的互補關(guān)系。另一方面，風(fēng)力由于其能量密度相對較高，發(fā)電功率可以做得大，現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機組的容量可達兆瓦級。風(fēng)力發(fā)電單位裝機容量的建設(shè)成本比光伏發(fā)電低許多，但其發(fā)電穩(wěn)定性比光伏發(fā)電要差。從穩(wěn)定性考慮，風(fēng)能是不穩(wěn)定的能源，如果沒有儲能或與其他發(fā)電裝置互補運行，風(fēng)力發(fā)電本身很難提供穩(wěn)定的電能輸出。為了解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前國內(nèi)外比較一致的作法是采用風(fēng)光一體化發(fā)電。按照自然條件和負荷情況配置風(fēng)和光的發(fā)電比例可以達到最佳的經(jīng)濟目標(biāo)，同時還可以大幅度減小蓄電池組的容量。當(dāng)風(fēng)光互補系統(tǒng)的資源、設(shè)備、運行模式、供電能量調(diào)度與管理、負載等進行合理設(shè)計與匹配后，發(fā)電系統(tǒng)得以優(yōu)化，基本上可以依賴風(fēng)力和光伏發(fā)電，而不需要其他發(fā)電機進行補償。3.410kW戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計安裝戶用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池方陣、充放電控制器、蓄電池、逆變器等部分，連接示意圖如下圖3-2所示。圖3-2離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)3.4.1光伏電池1.光伏電池選擇光伏電池是直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵部位。國際國內(nèi)主要商品化生產(chǎn)的光伏電池分別為單晶硅、多晶硅、非晶硅光伏電池。其性能比較如下表3-1所示：表3-1常用光伏電池比較表種類電池類型實驗效率商業(yè)效率優(yōu)點缺點晶硅電池單晶硅24.7%18.5%~19.5%效率高,技術(shù)成熟成本高多晶硅20.4%17%~18%效率較高,技術(shù)成熟成本較高薄膜電池非晶硅12.8%8%~11%弱光效應(yīng)好,成本相對較低轉(zhuǎn)化率相對較低碲化鎘18.7%8%~10%弱光效應(yīng)好,成本相對較低有毒,污染環(huán)境硒銦銅20.3%8%~10%弱光效應(yīng)好,成本相對較低稀有金屬綜合光伏電池組件轉(zhuǎn)換效率、技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝成熟度、市場占有率等因素,對于小型光伏電站,在目前條件下優(yōu)先選用規(guī)格為240Wp單晶硅光伏電池組件是合理的,將有助于提高工程經(jīng)濟效益,利于工程安全、可靠運行。本設(shè)計選用HSM-240W單晶光伏電池板，組件測試條件：輻射度1000W/㎡,組件溫度25℃，AMI.5，性能參數(shù)如下表3-2所示：表3-2HSM-240W單晶光伏電池板性能參數(shù)功率240Wp電池片單晶125mm*125mm開路電壓58.40V電池片數(shù)量96pcs工作電壓47.05V產(chǎn)品尺寸1602*1061*50mm短路電流5.56A重量20kg工作電流5.10A光伏電池標(biāo)稱工作溫度45℃±2℃系統(tǒng)耐壓1000V工作溫度-40℃~+90℃2.光伏電池板的連接方式設(shè)計共選取45塊光伏電池板，分5組，每組9塊。接一個逆變器，逆變器容量為2KW，具體連接方式如下表3-3所示:表3-3光伏電池板的連接方式光伏板型號逆變器型號每路串接電池板數(shù)量逆變器輸入路數(shù)總功率（W）HSM-240WSN48V-2000W95108003.光伏陣列的傾角因光伏電池方陣的發(fā)電量與其接收的太陽輻射能成正比，所以方陣的安裝方位和光伏陣列的傾角非常重要，將光伏電池板放在能直面太陽，不受建筑物的陰影遮擋的地方。本設(shè)計的方位為正南方設(shè)計。根據(jù)計算和南寧地區(qū)的緯度，設(shè)計傾角27o。光伏電池支架采用混凝土標(biāo)樁、槽鋼底框、角鋼支架，支架傾角30o，采用鋼架支撐，底部采用鍍鋅槽鋼固定。4.光伏陣列設(shè)計需要考慮的問題光伏陣列的壽命幾乎不取決于光伏電池板本身，而是與組件的封裝包括連接引線及接插件的質(zhì)量等有極大關(guān)系。所以設(shè)計中對以下各方面的情況都要加以考慮：(1).各陣列的導(dǎo)線均由PVC導(dǎo)線管保護。(2).方陣的支架和基礎(chǔ)設(shè)計牢固，能經(jīng)受邯鄲地區(qū)最大風(fēng)力的考驗。(3).考慮到季節(jié)和日夜溫差變化，在電池組件安裝時，要精心安裝調(diào)整。不讓玻璃受過大的應(yīng)力(例如安裝時緊固螺釘，要加橡膠墊且松緊適度等)，避免玻璃的損壞。(4).為便于分路控制，光伏電池方陣分為多個支路接入直流控制部分，同時各個支路分別接有斷路器。(5).為防止人身誤接觸光伏電池板方陣產(chǎn)生的高電壓大電流。整個光伏電池板方陣進行可靠的接地。(6).光伏電池板設(shè)在屋頂，應(yīng)做防雷措施，設(shè)計選用避雷針作為防直擊雷裝置。5.接地系統(tǒng)接地裝置的材料一般為抗腐蝕能力較強的扁鋼或圓鋼，其沖擊接地電阻一般不大于10Ω。如果安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)建筑物有接地裝置，光伏發(fā)電系統(tǒng)的各類設(shè)備的金屬組件可以按合適的方式(S或M型方式)連接到建筑物的接地裝置上；如果該建筑物無接地裝置，應(yīng)增設(shè)獨立接地裝置，使以上各類金屬組件都連接到此接地裝置上。3.4.2逆變器逆變器按照輸出波形可分為方波逆變器、修正正弦波逆變器、正弦波逆變器、組合式三相逆變器。本設(shè)計采用正弦波逆變器，正弦波逆變器的優(yōu)點是純正弦波輸出，帶負載能力強，應(yīng)用范圍廣；使用單片機智能控制，具有高可靠性、低故障率的特點；工作噪音小，效率高；此外具有完善的保護功能（過負載保護、內(nèi)部過溫保護、輸出短路保護、輸入欠壓保護、輸入過壓保護等），大大提高產(chǎn)品的可靠性等優(yōu)點。缺點是線路相對復(fù)雜、對維修技術(shù)要求高、價格比較昂貴。根據(jù)需要選用48V/2000W的正弦波逆變器KD-2000S1臺。其性能參數(shù)如下表3-4所示：表3-4正弦波逆變器KD-2000S性能參數(shù)型號KD-2000S輸入直流電壓48V直流電壓范圍42-60VDC空載電流<0.5效率>85%輸出輸出電壓100/110/120VACor220/230/240VAC額定功率2000W瞬間功率4000W輸出波形正弦波輸出頻率50Hzor60Hz波形失真3%保護低壓報警44VDC±1V低壓關(guān)斷42VDC±1V過載輸出關(guān)閉過壓61.2V過熱輸出自動關(guān)閉環(huán)境工作溫度10℃~+50℃之間包裝機器尺寸416*165*85（mm)凈重4.3kg其他啟動軟啟動冷卻方式風(fēng)扇冷卻3.4.3蓄電池光伏發(fā)電系統(tǒng)對所用蓄電池組的基本要求是：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強：充電效率高；少維護或免維護；工作溫度范圍寬：價格低廉。目前我國與光伏發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是免維護鉛酸蓄電池。最重要的原因就是維護簡單。蓄電池的容量選擇與很多因素有關(guān)，主要有日負載需求、蓄電池最大放電深度、獨立運行天數(shù)、安裝地環(huán)境溫度。本設(shè)計選用HB12V-100AhT鉛酸蓄電池。假設(shè)該光伏系統(tǒng)交流負載的耗電量為10kWh/天，如果在該光伏系統(tǒng)中，我們選擇使用的逆變器的效率為85%，輸入電壓為48V，那么可得所需的直流負載需求為462.96Ah/天。(10000Wh/0.85/48V=245.1Ah)。我們假設(shè)這是一個負載對電源要求并不是很嚴(yán)格的系統(tǒng)，使用者可以比較靈活的根據(jù)天氣情況調(diào)整用電。我們選擇5天的自給天數(shù)，并使用深循環(huán)電池，放電深度為80%。那么：

蓄電池容量＝5天*245.1Ah/0.8＝1531.86Ah如果選用12V/100Ah的單體蓄電池，那么需要串連的電池數(shù)：串聯(lián)蓄電池數(shù)＝48V/12V=4（個）需要并聯(lián)的蓄電池數(shù)：并聯(lián)蓄電池數(shù)＝1531.86/100＝15.31我們?nèi)≌麛?shù)為16，所以該系統(tǒng)需要使用12V/100Ah的蓄電池個數(shù)為：4串聯(lián)*16并聯(lián)=64（個）。3.4.4充放電控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電控制器一般應(yīng)具備如下功能：信號檢測、蓄電池最優(yōu)充電控制、蓄電池放電管理、設(shè)備保護、故障診斷定位、運行狀態(tài)指示等。根據(jù)系統(tǒng)要求預(yù)選用型號為CMP45-45A的充放電控制器。本控制器特點在于智能調(diào)節(jié)太陽能發(fā)電板的工作電壓，使太陽能板始終工作在V-A特性曲線的最大功率點。本控制器除具備以功能外，同時具備完善的控制和保護功能：1、防止蓄電池過度充電。2、防止蓄電池過度放電。3、防止夜間蓄電池向太陽能板反向放電。4、過載保護。5、短路保護。6、電池防反。性能參數(shù)如下表3-5所示：表3-5CMP45-45A的充放電控制器性能參數(shù)規(guī)格CMP45額定電壓12V、24V電壓自動識別或48V最大負載電流≦45A滿電斷開13.7V/12V；×2/24V；×4/48V默認值、可設(shè)置欠壓斷開10.5V/12V；×2/24V；×4/48V默認值、可設(shè)置開機恢復(fù)電壓12.6V/12V；×2/24V；×4/48V溫度補償-3mV/cell.空載損耗≦45mA最小接線面積6mm2回路壓降＜270mV3.4.5系統(tǒng)經(jīng)濟分析光伏系統(tǒng)發(fā)電量計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由光伏陣列的效率、逆變器效率、蓄電池效率等三部分組成。1.光伏陣列效率η1：光伏陣列在1000W/m2太陽輻射強度下,實際的直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換過程中的損失包括組件的匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽輻射損失、溫度影響、最大功率點跟蹤精度、及直流線路損失等，取效率85%計算。逆變器轉(zhuǎn)換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，取逆變器效率85%計算。3.蓄電池效率η3：即蓄電池放電深度，從光伏陣列輸出功率與蓄電池輸出功率之比，取蓄電池效率85%計算。4.系統(tǒng)總效率為η總=η1*η2*η3=85%*85%*85%=61%本項目總裝機容量為10kWp，南寧地區(qū)年平均滿功率發(fā)電1558小時，則該電站一年可發(fā)電1.558萬kWh。若考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)效率為61%，則本系統(tǒng)第一年發(fā)電量為1.558*61%=0.9504萬kWh。光伏組件產(chǎn)品平均25年壽命，25年總的衰減率為20%，經(jīng)過計算，該光伏發(fā)電系統(tǒng)25年的總發(fā)電量為21.384萬度。而本系統(tǒng)的成本如下表3-6所示：表3-6小型光伏系統(tǒng)設(shè)備成本設(shè)備名稱光伏電池板逆變器充放電控制器蓄電池型號HSM-240WKD-2000SCMP45-45AHB12V-100AhT數(shù)量（個）451164單價（元）190020005001100總計（元）85500200050070400以上設(shè)備共計158400元，另外考慮其他輔助設(shè)備的添加和系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護，預(yù)計共需17萬元左右。據(jù)環(huán)保專家測算：每節(jié)約1度電，就相應(yīng)節(jié)約0.35kg標(biāo)準(zhǔn)煤、4升純凈水，同時減少0.272kg碳粉塵、0.997kgCO2、0.03kgSO2。10kW光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命為25年，可發(fā)213840度電，可達到以下環(huán)保指標(biāo)：1、節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：0.35kg*213840/1000=74.84噸。2、減少碳粉塵：0.272kg*213840/1000=58.16噸。3、減少CO2排放：0.997kg*213840/1000=213.2噸。4、減少SO2排放：0.03kg*213840/1000=6.42噸。5、節(jié)約水：4升*213840/1000=855.4噸純凈水。由此可見，光伏電站的推廣，將充分推進了可再生能源的開發(fā)和利用，體現(xiàn)了節(jié)能減排政策的優(yōu)越性，而且可以彰顯我們環(huán)保節(jié)能新理念，這對我們建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市，實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型，將有著極為重要的意義。

第4章并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)目前主要用于無電或者缺電的邊遠地區(qū)，作為獨立的電源給家用電器及照明設(shè)備供電。隨著電力緊張、環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)重，與公共電網(wǎng)并網(wǎng)運行的光伏光伏發(fā)電系統(tǒng)己顯示出越來越強的競爭力。光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行，將省去離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的儲能環(huán)節(jié)，從而減少了電站的維護。由于蓄電池的壽命較短，而且其沖放電效率非常低。因此，省去蓄電池后，發(fā)電系統(tǒng)壽命可與光伏電池的壽命相當(dāng)，并且系統(tǒng)整體效率可以達到大幅度地提高。而且省去蓄電池后，對于家庭住宅而言，配備光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以緩和白天電力緊張的局面，提高電網(wǎng)功率因素和降低線路損耗。展望未來，并網(wǎng)運行的光伏光伏發(fā)電必將發(fā)展成為重要的發(fā)電方式之一。4.1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成如圖4-1所示，該系統(tǒng)一般由光伏陣列、MPPT控制、DC/DC變換器、逆變器以及控制器組成，其中變換器可將光伏陣列發(fā)出的直流電逆變成正弦交流電并入公共電網(wǎng)?？刂破髦饕刂颇孀兤鞑⒕W(wǎng)電流的波形、功率以及光伏電池最大功率點的跟蹤，以便向電網(wǎng)傳送的功率與光伏電池陣列所發(fā)的最大功率電能相匹配。圖4-1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與公共電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，因此該系統(tǒng)是既能滿足本地負載用電又能向公共電網(wǎng)送電。一般情況下，公共電網(wǎng)系統(tǒng)可看作是容量為無窮大的交流電壓源。當(dāng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列的發(fā)電量小于本地負載用電量時，本地負載電力不足部分由公共電網(wǎng)輸送供給；當(dāng)光伏電池陣列的發(fā)電量大于本地負載用電量時，光伏系統(tǒng)將多余的電能輸送給公共電網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分類并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)功能分為兩類：一種為不含蓄電池環(huán)節(jié)的不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；另一種為含有蓄電池組的可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如4-2所示：1.不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)2.可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)圖4-2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)增加了儲能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)首先對蓄電池進行充電，然后根據(jù)需要將系統(tǒng)用作并網(wǎng)或者經(jīng)逆變后獨立使用，系統(tǒng)工作時間和并網(wǎng)功率大小可以人為設(shè)定?？烧{(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)雖然在表面上看來比不可調(diào)度式系統(tǒng)功能齊全，但由于增加了儲能環(huán)節(jié)，帶來了很多問題，這是因為：1.由于采用蓄電池作為儲能設(shè)備，系統(tǒng)必須增加蓄電池的充電裝置，這就增加了成本并且降低了系統(tǒng)的可靠性。2.蓄電池組的壽命較短。目前免維修蓄電池在良好環(huán)境下的工作壽命通常為5年，而