光伏发电基础知识.pdf

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1、本文由天才范贡献 pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。（一）光伏发电简介：光伏发电是利用光生伏打效应，使太阳光辐射能转变成电能的发电方式，是当今太阳光发电的主 流。太阳光发电是无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏效应就是当物体受到光照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产 生电动势和电流的一种效应。早在 1839 年，法国物理学家贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池，在受到 阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。后来有人发现当太阳光或其

2、他 光照射半导体的 PN 结时，就会在 PN 结的两边出现电压，叫做光生电压，如果使 PN 结短路，就会产生电流。人们把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体 PN 结器件在阳光下的光电转换效 率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。太阳能电池是太阳能光 伏发电的核心组件。1954 年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，由此诞 生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。近年来太阳能电池的转换效率得到提高，光伏发电 技术逐渐成熟。现在比较成熟的光伏元件是硅元件,分为晶体硅和非晶体硅。晶体硅目前能规模生产的产品发电 效率

3、在 13%一 17%,非晶体硅效率在 7%一 10%左右。即 1m 电池板在 1kw 太阳能量的照射下,分别产生130 一 170Wp 和 70 一 100Wp 的电能（电池板发电能力以Wp 来表示,读作“峰瓦”,表示电池板在标准条件下 所产生的电力）。由于晶体硅比非晶体硅的发电效率高,所以目前市场上晶体硅太阳电池（包括单晶 硅、多晶硅电池）占主导地位。2（二）光伏发电的特点：（1）资源优势能源问题是世界众多焦点问题之首。2006 年全球人口已经突破 65 亿，能源需求折合成发电装机 容量为 14.5TW，2050 年全世界人口将达到 90 多亿，折合电力装机容量接近60TW。届时主要靠可再

4、生能源来解决。可是世界上水能资源经济可开发量只有 0.9TW；风能实际可开发资源 2TW；生物质能 3TW。只有太阳能是唯一能够保证人类能源需求的能量来源，其潜在资源 TW，实际可利用资源 高达 600TW。因此太阳能是替代潜力最大的可再生能源技术，在未来能源结构占据着十分重要的地位。（2）发电特征光伏发电时利用太阳电池直接把太阳辐射能转变成电能的一种发电方式，发电过程简单，没有机 械转动部件，不消耗燃料和水，不排放包括温室气体等任何其他物质，无噪声、无污染，与环境友好；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭，受地域影响小；与建筑结合可节省大量宝贵土地资源；系统安装具有模块性质，拆卸迁移，易于

5、增容；发电可实现无人值守，维护成本低；发电系统稳定可 靠，使用寿命长（30 年以上）；制造太阳电池的硅占地球元素成分的 25.8%，其含量是地球上第二大 元素。（3）成本高现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的,这是制造硅太阳能电池最费钱的 部分。由于我国太阳能产业起步较晚，使得我国高纯度硅的制备技术与国际先进水平有很大的差距。中国的太阳能电力企业大多从欧洲和日本高价进口晶体硅,加工制成太阳能电池后,再返销回当地。这其中,占太阳能电池成本 70%以上的高纯度硅材料,95%以上都需要进口。加上国家没有有效的扶持 政策，使得太阳能光伏发电的上网电价过低，这进一步影响了国内太阳能光伏产

6、业的发展。目前，国 内主要从事太阳能电池板等低附加值、劳动密集程度高的生产。而且产品主要用于出口。此外，我国 光伏发电的配套技术还不成熟,也是影响太阳能光伏产业发展的瓶颈。如并网逆变控制产品还没有实 现自主研发商业化生产,产品可靠性、主要依赖进口独立系统中的蓄电池技术还不过关,寿命低。（三）光伏发电系统基本结构：DC照明负载太 阳 能 电 池 板 控 制 器 DC DC-AC 逆 变 器 AC 蓄电池 AC其它负载照明负载其它负载 (1)太阳能电池板单一的光伏元件的发电量很有限，使用中的太阳能电池板是由很多个光伏元件并联组成。它们排 列成陈列形式，并用钢化玻璃进行封装，可承受冰雹和强风的袭击。

7、太阳能电池板的使用温度一般为-40+60，使用寿命为 2025 年。现在对太阳能电池的研究主要集中在提高光电转换效率和降低成本上。提高太阳能电池组件的 转换率、降低单位功率造价是太阳能光伏发电产业化的重点和难点。（2）蓄电池 蓄电池将太阳能电池板产生的电能储存起来，当光照不足或晚上，或者负载需求大于太阳能电池 板所发的电量时，将存储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。（3）控制器 控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄 电池对负载的电能输出，包含蓄电池过充、过放、负载过流和防反充等保护电路。它是整个系统的核 心控制部分，保

8、证系统能正常、可靠地工作，延长系统部件的使用寿命。控制器还要保证太阳能发电 系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越 强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。（4）逆变器 太阳能电池组件的直接输出一般都是直流DC12V、DC24V、DC36V、DC48V。为能向 AC220V 的交流 电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC逆变 器。逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变，主要功能是将蓄电池的直流电逆 变成交流电。一般是通过全桥电路，采用处理器经过调制、滤波、升压后，

9、得到与用电负载频率相同、额定电压匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。如要与电网并网运行则还要考虑与电网的同步，需采用并网运行的逆变器。（四）光伏系统的应用方式：（1）独立系统 单一个体本身带有电池板、蓄电池、控制器、用电器等全套配置的系统，例如太阳能路灯、移动通讯基站、高速公路电话等。该系统的特点是：单一个体是一个独立的系统，即使某一个体出现故障，不会影响其他个体，且不必架设配电源线路。但要确保每一个体必须能充分地接收阳光。（2）群控系统 有些场合太阳光受到遮挡，不适合设置独立太阳能用电系统，就需要采用集群控制系统。集群控 制系统就是在接收阳光比较好的地点安放一组或多组太阳能电池板，并设置相应

10、的控制系统，对其它 阳光遮蔽处的多个用电器进行供电和控制。群控系统根据供电范围大小，决定采用何种供电模式。当用电设备距离控制系统较近时可以直接 DC 供电；当用电设备距控制系统较远时（大于 500m），低压直流供电的线路损耗将会使用电设备无法 正常工作，这时应采用交流 AC 系统，即经过逆变器将直流电 DC 转变为交流电AC 给用电设备供电。运行 经验表明,一般直流 DC12V 系统供电距离不超过 60m,DC24V 系统不超过 200m,DC36V 系统不超过 350m,DC48V 系统不超过 500m。供电距离超过 500m 时,采用交流系统 AC 供电。（3）并网系统 并网系统的特点是太

11、阳能电池板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 电之后直接接入公共电网。由于直接将电能输入到电网,免除了蓄电池的配置,降低了系统的成本且 省掉了蓄电池储能和释放的过程,充分利用太阳能电池板所发的电力,减少了能量的损耗。但另一方 面,系统中需要配置专用的并网逆变器,以保证输出的电能满足电网电力对电压、频率等用电性能指 标的要求。因为逆变器效率的问题,会有部分的能量损失。这种系统能够并行使用市电和太阳能电池 板作为本地交流负载的电源,降低了整个系统的负载缺电率,而且并网光伏系统可以对公用电网起 到调峰作用。但并网光伏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

12、不 良的影响,如谐波污染、孤岛效应等。（4）光伏发电机混合系统 混合系统中除了使用太阳能电池板发电之外,还使用了柴油发电机作为备用电源,其目的就是为 了综合利用各种发电技术的优点,避免各自的缺点。如光伏系统的优点是维护少,缺点是电能输出依 赖于天气、不稳定。使用这种光柴混合供电系统,可减少对天气的依赖性,降低负载缺电率,并实现 较好的负载匹配和较高的性价比。（5）光伏并网混合系统 随着太阳能光伏产业的发展,出现了可以综合利用太阳能电池板、市电和备用油机的并网混合供 电系统。这种系统将控制器和逆变器集成一体化,使用电脑芯片可全面控制整个系统的运行。针对不 同的使用情况,合理调剂利用太阳能、市电、

13、备用油机等各种能源,达到最佳的工作状态。还可以配 备使用蓄电池,使其长期处于浮充状态,进一步提高系统的负载供电保障率。（五）光伏并网发电系统光伏并网发电系统的逆变器输出一路连接到本地负载，另一路经过电表和电网相连。当太阳能电 池阵列的发电量大于本地负载用电量时，电能一部分供给负载使用，剩余的能量流向电网，实现有回 潮并网发电；当太阳能电池的发电量小于负载用电量时，电力不足部分由电网市电作为补充，这称作 无回潮并网发电；当在夜晚或者阴雨天气时，太阳能电池基本上不发电，此时负载用电则完全来自于 电网。一般地，光伏并网发电系统按照系统的设计要求可以分为两类:一种是“不可调度式光伏并网发 电系统”，这

14、种系统不含有储能环节；另一种是“可调度式光伏并网发电系统”，这种系统含有储能 环节。在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能直接转化为和电网 电压同频、同相的交流电能，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时间和并网的功率大小；可 调度式光伏并网系统增加了储能环节，系统首先对储能环节进行充电，然后根据需要将系统用作并网 或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。当电网断电或者故障时，逆变 器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用以对本地负载继续供电光伏并网发电系统虽然已经大规模使用（国外），但仍然有许多技术问题有待解决。

15、特别是在变 流器（包括逆变器和充电器）拓朴结构、控制策略方面的研究。（1）常用变换结构 1.两级逆变结构（无变压器形式）交流电网 PV 太阳能电池阵列 I,U 控制器 U 控制器 I U,f，DC-DC 变换器 DC-AC 逆变器 将直流电经过非隔离变化后得到高压直流，再工频逆变得到交流电。不采用变压器进行输入和输 出的隔离，体积小、重量轻、效率高而且系统也不复杂、成本低。但是由于没有采用变压器实现隔离，存在不安全因素，为了进行保护和防止电磁干扰，要采取许多防护措施。因此隔离及保护部分的设计 是难点。DC 一 DC 变换环节主要的工作是将太阳能电池输出的电压升压并稳压，保证 DC 一 AC 变

16、换器的输入端 有稳定的直流。并且能够一直跟踪太阳能电池的最大功率点；DC 一 AC 逆变环节主要是保证输出电流与 电网电压同相位，同时获得单位功率因数。两级分别具有独立的控制目的和控制方法，可以分开设计，使得两级之间耦合不紧密，因此系统的控制环节易于设计和实现。由于只有一级最大功率点跟踪环节，整个系统中相当于设置了电压预调整单元，使系统具有较宽的输入范围;同时，前一级的最大功率点 跟踪环节可以使得逆变环节的输入相对稳定，而且输入电压较高，这有利于提高逆变环节的转换效率。2.单级逆变结构（工频变压器形式）单级式太阳能并网发电系统中，太阳能电池通过储能电容与DC-AC 逆变器相连，少了DC-DC

17、变换器，通过检测太阳能电池板的输出电压和输出电流，以及逆变器输出的并网电流，将这些检测信号输入到 控制器中，通过调节并网电流的幅值能够控制太阳能电池的输出功率，来实现最大功率跟踪和并网发 电。变换器先将直流电压逆变成有效值基本不变的工频交流电，再由工频变压器升压得到220V 交流电 压。这种电路效率比较高(可达 90%以上)，可靠性高、抗输出短路的能力较强，但是它响应速度比较 慢，波形畸变严重，带非线性负载的能力比较差，噪声大。由于采用工频变压器，体积庞大，质量大，价格也比较昂贵。目前市场上的国产逆变器的主流产品都是这一类的。由于单级式太阳能并网发电系 统升压程度有限，升压是靠电感储能实现的，

18、所以传输功率有限。3.三级结构（高频变压器形式）主电路分为高频升压和工频逆变，系统相对复杂。DC 一 AC 一 DC 部分:首先将直流电压逆变成高频 交流电，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的高压直流电(一般 300V以上)。DC 一 AC 部分:高压直流通过工频逆变电路实现逆变得到220v 或者是 380v 交流电。系统逆变效率可以达到 90%以上，由于这种电路形式采用了高频变压器，体积、重量、噪声等均明显减小。该电路的缺点就是电路相对 复杂。（2）最大功率工作点跟踪 太阳能电池是一非线性电源，而且输出电能受环境温度和光照强度的影响，在一定的光照强度和 环境温度下，光伏电池可以工作在

19、不同的工作电压下，但是只有在某一特定工作电压下，光伏电池输 出功率才会是最大值。为了让太阳能电池在任何温度和太阳光辐照强度下始终工作在最大功率点，能 够输出尽可能多的电能，所以必须对太阳能电池进行最大功率跟踪点跟踪。（3）提高逆变效率 目前的光伏发电，只能利用太阳能辐射中部分可见光，其总量不超过太阳能的30%。其余的能量 不仅不能通过光电池发电，还会降低光电池的发电效率。这就要求光伏系统中的其它功率转换装置拥 有较高的效率。而逆变器在实际运行中的效率是很低的，因为逆变器不可能在任何功率输出时都保持 高效率，按额定功率设计的逆变器通常总是在光照不足的欠功率状态下低效率运行。由此看来，提高逆变器的

20、转换效率对真个整个光伏系统的意义重大。随着并网控制策略的越来越先进，并网逆变器的效率也会越来越高，在电网中大规模使用光伏并 网系统可能出现的各种现象以及控制策略研究，由于目前光伏并网系统在国内的大规模使用还没有开 始，所以这个问题还不突出。但很有可能在将来的10 年内，光伏并网系统会得到大范围的应用。当多 台并网系统一起工作时，可能会出现许多问题（4）防止孤岛效应 根据美国 Sandia 国家实验室（SandiaNational Laboratories）的定义，所谓孤岛效应是指：当 电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测 出停电状态而将自身切

21、离市电网路，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司 无法掌握的自给供电孤岛。下图为孤岛效应发生时的系统供电状态：PV 太阳能电池 DC-AC 逆变器 交 流 负 载 投闸开关 交流电网一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括以下几个方 面：1.当电网需要停电维修时，维修人员不一定意识到分布式系统的存在，从而可能危及维修人员的安全；2.当孤岛效应发生时，电网不能控制供电孤岛的电压和频率，电压幅值和频率的漂移会对用电设备带 来破坏；3.由于并网系统输出电压和电网电压之间产生相位差，所以当电网重新恢复供电时会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏。1