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光伏电站的主要设备与工作原理 【摘 要】：本文主要通过光伏光伏系统的组成构造与工作原理介绍，并描述了太阳能光伏系统的开展趋势，对于研究太阳能发电系统的工程技术人员、系统设计人员有一定的指导意义。 【关键词】：光伏电站 控制器 蓄电池 【中图分类号】：TK0 【文献标识码】：A 1 太阳能光伏系统的组成与原理 太阳能光伏系统由以下三局部组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表与计算机监控等电力电子设备与蓄电池或其它蓄能与辅助发电设备。 太阳能光伏系统具有以下的特点： 1没有转动部件，不产生噪音； 2没有空气污染、不排放废水； 3没有燃烧过程，不需要燃料； 4维修保养简单，维护费用低； 5运行可靠性、稳定性好； 6作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可到达25年以上； 7根据需要很容易扩大发电规模。 太阳能光伏系统应用非常广泛，太阳能光伏系统应用的根本形式可分为两大类：独立发电系统与并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵与无电缺电地区户用供电。随着技术开展与世界经济可持续开展的需要，兴旺国家已经开场有方案地推广城市光伏并网发电，主要是建立户用屋顶光伏发电系统与兆瓦级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具与城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。 太阳能光伏系统的规模与应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.32瓦的太阳能庭院灯，大到兆瓦级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管太阳能光伏系统规模大小不一，但其组成构造与工作原理根本一样。太阳能光伏系统包括以下几个主要部件： 光伏组件方阵：由太阳电池组件也称光伏电池组件按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。 蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照缺乏或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。 控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定与控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件与蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制局部。随着太阳能光伏产业的开展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制局部、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP与SMD系列的控制器就集成了上述三种功能8。 逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。 太阳能光伏供电系统的根本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照缺乏或者在夜间那么由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的太阳能光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。太阳能光伏系统的应用具有多种形式，但是其根本原理大同小异。对于其他类型的太阳能光伏系统只是在控制机理与系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的太阳能光伏系统进展详细地描述。 2 太阳能光伏系统的分类 一般将太阳能光伏系统分为独立系统、并网系统与混合系统。如果根据太阳能光伏系统的应用形式、应用规模与负载的类型，对光伏供电系统进展比拟细致的划分，可将太阳能光伏系统分为如下七种类型：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Utility Grid Connect；混合供电系统Hybrid；并网混合系统。 2.1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拟小，整个系统构造简单，操作简便。其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西北遥远地区就大面积推广使用了这种类型的太阳能光伏系统，负载为直流节能灯、收录机与电视机等，用来解决无电地区家庭的根本照明问题。 2.2 简单直流系统Simple DC9 该系统的特点是系统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，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。简单直流系统Simple DC构造简单，直接使用太阳能太阳电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存与释放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。其常用于光伏水泵系统、一些白天临时设备用电与旅游设施中。这种系统在开展中国家的无纯洁自来水供饮地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。 2.3 大型太阳能供电系统Large DC 与上述两种太阳能光伏系统相比，这种太阳能光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供给，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的太阳能太阳电池组件阵列与较大的蓄电池组，常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。我国在西部地区实施的“光明工程中，一些无电地区建立的局部乡村光伏电站就是采用这种形式；中国移动与中国联通公司在偏僻无电网地区建立的通信基站也采用了这种太阳能光伏系统供电。 2.4 交流、直流供电系统AC/DC 与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种太阳能光伏系统能够同时为直流与交流负载提供电力，在系统构造上比上述三种系统多了逆变器，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拟大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流与直流负载的通信基站与其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。 2.5 并网系统Utility Grid Connected 这种光伏发电系统最大的特点就是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入电网，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反应给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件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，省掉了蓄电池储能与释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的本钱。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、频率等性能指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有局部的能量损失。这种系统通常能够并行使用电网与太阳能太阳电池组件阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。而且并网太阳能光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。 2.6 混合供电系统Hybrid 这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，防止各自的缺点。比方说，上述几种独立太阳能光伏系统的优点是维护少，缺点是能量输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机与太阳电池组件的混合供电系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气的依赖性要小，它的优点是： 1使用混合供电系统可以到达可再生能源的更好利用。因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进展设计。由于系统是按照最差的情况进展设计，所以在其他的时间，系统的容量过大。在太阳辐照最顶峰时期产生的多余能量没法使用而白白浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。如果最差月份的情况与其他月份差异很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。 2具有较高的系统实用性。在独立系统中因为可再生能源的变化与不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统那么会大大地降低负载缺电率。 3与单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护与使用较少的燃料。 4较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。在混合系统中可以进展综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。 5负载匹配更佳。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率，所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。还可以更好的匹配负载与系统的发电，只要在负载的顶峰时期翻开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流与很高的电压。如果只是使用太阳能本钱就会很高。 但混合系统也有其自身的缺点： 6控制比拟复杂。因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制系统比独立系统复杂，现在多使用微处理芯片进展系统管理10。 7初期工程较大。混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。 8比独立系统需要更多的维护。油机的使用需要很多的维护工作，比方更换机油滤清器，燃油滤清器，火花塞等，还需要给油箱添加燃油等。 9污染与噪音。太阳能光伏系统是无噪音、无排放的干净能源利用，但是因为混合系统中使用了柴油机，这样就不可防止地产生噪音与污染。 10很多在偏远无电地区的通信电源与民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以求到达最好的性价比。我国新疆、云南建立的很多乡村光伏电站就是采用光/柴混合系统。 2.7 并网混合供电系统Hybrid 随着太阳能光伏产业的开展，出现了可以综合利用太阳能光伏阵列、与备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器与逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源，到达最正确的工作状态，并可以配备使用蓄电池。进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线UPS不连续电源工作。它可向电网供电，也可从电网获得电力，是个双向逆变/控制器。系统工作方式是将电网与光伏电源并行工作，对于本地负载而言，如果太阳电池组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用太阳电池组件产生的电能供给负载的需求。如果太阳电池组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回给电网；如果太阳电池组件产生的电能不够用，那么将自动启用电网，使用电网供给本地负载的需求；而且，当本地负载功耗小于SMD逆变器额定电网容量的60%时，电网就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态；如果电网产生故障，即电网停电或者电网的供电品质不合格，系统就会自动断开电网，转成独立工作模式，由蓄电池与逆变器提供负载所需的交流电能。一旦电网恢复正常，即电压与频率都恢复到正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由电网供电。有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制与数据采集功能集成到控制芯片中。 参考文献 1 太阳能与风能发电并网技术.中国水利水电出版社，2021第 9 页