太阳电池及其应用技术讲座_五_光伏发电系统.pdf

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1、1 1 71太阳能光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统可分为空间用系统和地面用系统。按运行方式分,地面用光伏系统主要有离网运行系统和并网运行系统两大类。(1)离网运行系统未与公共电网相联接的闭合系统为离网运行系统,主要应用于远离公共电网的无电地区,为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、牧区、海岛的农、牧、渔民提供基本生活用电,为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、公路道班及边防哨所等特殊场合提供电源。根据负载的特点,离网运行系统可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统3种。向集中居住的整个地区供电的系统称为集中式光伏发电系统,也称为光伏电站。集中式光伏发电系统为交流系统,由

2、专用场地、专用机房和专用围栏或围墙、专用的小规模电网等组成。在分散居住的地区,每户安装一套供用户单独使用的光伏发电系统称为户用光伏发电系统。户用光伏发电系统的功率一般为2 0 0 W以下。根据负载的不同,户用系统有直流系统、交流系统和交直流混合系统。(2)并网运行系统与公共电网相联接的光伏发电系统为并网运行系统。这种光伏发电系统和水电站、火电站一样,称为光伏电站。光伏并网运行系统把太阳能转化为电能,不经过蓄电池储能,直接通过并网逆变器把电能送上电网(图1)。光伏并网发电是当今世界太阳能发电技术发展的主流趋势。(3)直流总线光伏发电系统和交流总线光伏发电系统直流总线光伏发电系统在逆变器前是直流总

3、线连接,系统只输出直流电。交流总线光伏发电系统设备的电气连接是交流总线(图2)。如图2所示,有太阳时,太阳电池方阵输出的直流电经单向逆变器变为交流电送到交流总线上;双向逆变器从总线上得到交流电,经整流将交流电变为直流电给蓄电池组充电;同时系统通过太阳电池及其应用技术讲座(五)光 伏 发 电 系 统谢建,马勇刚,廖华,苏庆益,李景天,杨丽娟(云南师范大学 太阳能研究所,云南 昆明6 5 0 0 9 2)中图分类号:T K 5 1 1;T M 6 1 5文献标志码:B文章编号:1 6 1 7-5 2 9 2(2 0 0 7)0 5-0 1 1 7-0 4收稿日期:2 0 0 7-0 5-1 5。作

4、者简介:谢建(1 9 5 5-),男,云南剑川人,教授,硕士研究生导师,从事可再生能源技术研究和教学工作。E-m a i l:x i e j i a n 9 1 2 6.c o m图1并网光伏发电系统太阳电池组件并网逆变器交流负载交流电网图2交流总线系统!太阳电池方阵双向逆变器蓄电池组双向逆变器蓄电池组!交流输出太阳电池方阵单向逆变器单向逆变器可再生能源R e n e w a b l e E n e r g yR e s o u r c e s第2 5卷 第5期2 0 0 7年1 0月V o l.2 5N o.5O c t.2 0 0 71 1 8交流总线给外电网送电。无太阳时,蓄电池组放电,

5、经双向逆变器逆变成交流电送到交流总线;系统通过交流总线给外电网送电。2光伏发电系统的组成光伏发电系统由太阳电池方阵、蓄电池组、控制器和逆变器等组成(图3)。(1)太阳电池方阵太阳电池方阵是由多块太阳电池组件串联、并联构成的阵列,其作用是将太阳能转换为电能(图4)。太阳电池方阵可由若干个单元方阵串联和并联组成。单元方阵由多个太阳电池组件组成,称为子方阵。太阳电池方阵能产生所需要的电压和电流,其功率根据负载设计确定,可达k W级、M W级。太阳电池方阵可分为平板式和聚光式2大类。平板式方阵只须把一定数量的太阳电池组件按照电性能要求串联、并联即可,不需加装汇聚阳光的装置,结构简单,多用于固定安装场合

6、。聚光式方阵加有汇聚阳光的搜集器,通常采用平面反射镜、抛物面反射镜或菲涅尔透镜等装置聚光,以提高入射光的辐照度。聚光式方阵比相同输出功率的平板式方阵少用一些组件,从而使成本下降。但是,聚光式方阵通常需要装设向日跟踪装置,跟踪装置要消耗一定的能量。为获得所需要的电压和电流值,可将太阳电池组件串联、并联和串/并联组合。图5 7为太阳电池连接示意图。太阳电池组件串联,电压增加,电流不变。同样的2个1 2 V,3 A光伏组件,串联后得到2 4 V,3 A系统(图5)。太阳电池组件并联,电流增加,电压不变。同样的两个1 2 V,3 A光伏组件,并联后得到1 2 V,6A系统(图6)。为组合2 4 V,6

7、 A的方阵,可用4个相同光伏组件串/并联组合(图7)。太阳电池组件在方阵中组合时,阴影的存在不仅会减少组件的输出,也将严重地影响整个方阵的输出。二极管是具有单向导电性的半导体器件,只允许电流在一个方向通过。把旁路二极管与组件并联,当组件出现阴影或损坏时,用来旁路该组件,转移流经该组件的电流,方阵通过二极管形成回路,减少了该组件对方阵输出的影响。多数厂家在组件的接线里安装了旁路二极管,一般已能够满足图6太阳电池组件并联太阳电池组件太阳电池组件6 A1 2 V+-3 A1 2 V3 A1 2 V图5太阳电池组件串联太阳电池组件太阳电池组件3 A2 4 V+-3 A1 2 V3 A1 2 V图7太阳

8、电池组件串/并联太阳电池组件太阳电池组件太阳电池组件太阳电池组件-+6 A2 4 V+-+3 A1 2 V3 A1 2 V3 A1 2 V3 A1 2 V图3光伏发电系统的组成太阳电池方阵控制器蓄电池组逆变器交流负载图4太阳电池方阵2 0 0 7,2 5(5)可再生能源1 1 9要求。(2)蓄电池组蓄电池组由多只蓄电池串联或并联组成,其作用是贮存太阳电池方阵发出的电能,并可随时向负载供电(图8)。光伏发电系统要求所用的蓄电池组的自放电率低,使用寿命长,深放电能力强,充电效率高,少维护或免维护,工作温度范围宽,价格低廉。与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和碱性蓄电池(例如镉镍蓄电池)

9、。碱性蓄电池价格高(约为铅酸蓄电池的2倍),内阻大,其应用受到限制。传统开口式铅酸蓄电池重量和体积大、比能量低、不密封、自放电率大、需要定期加水和测酸密度等,不利于使用。阀控式密封铅酸蓄电池由于全密封,使用时无需加水,具有免维护的特点,近年来有代替传统开口蓄电池用于光伏发电系统的趋势。尤其是阀控式密封胶体蓄电池更是一个新的亮点。阀控式密封铅蓄电池装有能自动开启和关闭的单向排气阀(内有防酸雾垫)。该电池采用吸收电解液的多孔超细玻璃纤维隔板和使用氧气循环技术,其正极析出的氧可在负极上被还原而消失,实现了“免维护”。阀控式密封铅蓄电池的优点:不加水、不溢酸、酸雾极少、运输方便、不需要专门的通风装置、

10、可以任意方位使用和积木式安装、寿命较长、价格低廉。可是,阀控式密封铅蓄电池必须严格执行充电制度:单格电压一般为2.3 2.4 V,保持良好的通风,搁置寿命2年。单体蓄电池是蓄电池的最小单元。2 0 0 A h以下的铅酸蓄电池每只为一单体,电压为2 V。2 0 0A h以上的铅酸蓄电池每只为6个单体串联,电压为1 2 V。镉镍蓄电池的单体电压为1.2 V。蓄电池组 的 电 压 由 串 联 的 蓄 电 池 单 体 只 数 确 定,有2 4,4 8,6 0,1 1 0 V等。以放电时间表示的放电速率为蓄电池的放电时间率,即以某电流放电至规定终止电压所经历的时间,标识为2 0h,1 0h,5h,3h,

11、1h,0.5h等。例如,容量C=1 0 0 A h蓄电池的2 0 h放电率,表示电池以1 0 0 A h/2 0 h=5 A的电流放电,时间为2 0 h,简称2 0 h率。蓄电池的额定容量是按放电率标定的。国际标准规定,对于起动型蓄电池,其额定容量以2 0 h率标定,表示为C 2 0;对于固定型蓄电池,其额定容量以1 0 h率标定,表示为C 1 0。蓄电池的放电终止电压 指蓄电池放电时电压下降到不宜再放电时的最低工作电压。对于铅酸蓄电池,后备电源系列电池1 0 h和3 h放电的终止电压为1.8 0 V/单体,1 h终止电压为1.7 5 V/单体。由于铅酸电池本身的特性,即使放电的终止电压继续降

12、低,电池也不会放出太多的容量,但终止电压过低对电池的损伤极大,尤其当放电电压达到0又不能及时充电,将会大大地缩短电池的寿命。对于光伏发电系统用的蓄电池,针对不同型号和用途,放电终止电压的设计也不一样。终止电压视放电率和需要而定。通常,小于1 0 h的小电流放电,终止电压取值稍高;大于1 0 h的大电流放电,终止电压取值稍低。蓄电池放电深度(D O D)指从蓄电池放出的容量占该电池额定容量的比值,通常以百分数表示。1 7%2 5%为浅循环放电;3 0%5 0%为中等循环放电:6 0%8 0%为深循环放电。蓄电池经历一次充电和放电,称为一次循环。在一定的放电条件下,电池使用至某一容量规定值之前,电

13、池所能承受的循环次数,称为循环寿命。放电深度对蓄电池的循环使用寿命影响很大,放电浅,循环寿命长;放电深,循环寿命短。例如,后备电源以1 0 0%D O D放电,循环寿命一般为1 0 0 2 0 0次。如果电池以3 0%D O D放电,循环寿命一般为1 0 0 0 1 2 0 0次。(3)控制器蓄电池组使用寿命的长短对光伏发电系统的寿命影响极大。延长蓄电池组使用寿命的关键在于对它的充-放电条件加以规定和控制。控制器是防止蓄电池组被太阳电池方阵过充电和被负载图8蓄电池组谢建,等光伏发电系统过放电,使蓄电池组使用达到最佳状态的中心控制设备,它还具有其他辅助功能。充电控制根据蓄电池的容量和电压进行充电

14、控制。当蓄电池容量和电压达到充电控制设定值时,控制器自动关断蓄电池充电回路;当蓄电池容量和电压低于充电控制设定值时,控制器可自动恢复接通蓄电池充电回路;设定值可调节和改变。常规过充电保护原理:对于开口式固定型铅酸蓄电池,标准状态(2 5,0.1 C放电率)下的充电终止电压约为2.5 V;对于阀控式密封铅酸蓄电池,标准状态(2 5,0.1 C放电率)下的充电终止电压约为2.3 5 V。当控制器检测出蓄电池充电至充电终止电压时,将自动关断蓄电池充电回路。对于由多个子方阵组成的4 k W以下光伏发电系统,充电控制还采用多路控制方式。多路控制即太阳电池方阵中的一个子方阵对应控制器的一路输入,控制器根据

15、蓄电池组的充电状态,逐个断开或者接通各个子方阵的输入,以产生不同的充电电流,防止蓄电池组过充电。放电控制根据蓄电池容量和电压进行放电控制。当蓄电池容量和电压达到放电控制设定值时,控制器自动关断蓄电池放电回路;当蓄电池容量和电压高于放电控制恢复设定值时,控制器可自动恢复接通蓄电池放电回路;设定值可调节和改变。常规过放电保护原理:对于开口式固定型铅酸蓄电池,标准状态(2 5,0.1 C放电率)下的放电终止电压约为1.7 5 1.8 V;对于阀控式密封铅酸蓄电池,标准状态(2 5,0.1 C放电率)下的放电终止电压约为1.7 8 1.8 2 V。当控制器检测出蓄电池放电至放电终止电压时,将自动关断蓄

16、电池放电回路。自动温度补偿控制控制器依据工作环境温度对蓄电池的充电状态进行自动补偿。铅酸蓄电池的温度系数一般为单体电池-5 -3 m V/(2 5 时),即当电解液温度每升高1,每单体电池的充电终止电压向下调整3 5 m V;电解液温度每下降1,每单体电池的充电终止电压向上调整3 5 m V。对于过放电保护一般不作温度补偿。控制器的保护和测量显示功能控制器具有负载、蓄电池组短路保护,太阳电池方阵、蓄电池组极性反接保护,蓄电池组向太阳电池方阵反放电保护等功能。控制器用指针或数字方式显示太阳电池方阵充电电流、电压和蓄电池组的电压、电流。控制器还指示蓄电池组状态和太阳电池方阵的工作状态。(4)逆变器

17、逆变器是光伏发电系统的电源转换设备,其作用是将直流电转换为单相或者三相交流电。按输出电压波形分类,逆变器可分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器。4 k W以下的光伏发电系统一般采用正弦波逆变器。按输出交流电相数分类,它又可分为单相逆变器和三相逆变器。单相供电系统采用单相逆变器,三相供电系统采用三相逆变器。按功率流动方向分类,逆变器还可分为单向逆变器和双向相逆变器。逆变器还有离网逆变器和并网逆变器之分。逆变器的主要保护功能有直流输入过电压、欠电压和极性反接保护和输出短路、过电压、欠压、过载保护。逆变器的测量显示功能有直流输入电压、输入电流的测量显示,交流输出电压、输出电流的测量显示,它还指

18、示逆变器的运行状态(运行、故障、停机等)。3光伏发电系统的特点(1)太阳能光伏发电系统的优点太阳电池组件由半导体材料制成,控制器和逆变器是电子设备,蓄电池是化学装置,所以供电系统无转动部件,运行可靠,故障率低;光伏发电系统使用寿命长,一次投资可保证2 0 a不间断供电;系统设备管理维护简单,不需要维护,只需要保持清洁;系统用清洁的太阳能发电,没有废渣、废料、废气排放,无任何污染。(2)太阳能光伏发电系统的缺点初期投资大,供电系统的初期投资按峰值功率约1 0 0元/W;输入的太阳光能量与输出的电能量之比很低;太阳电池组件的输出随日照而变化,特别在阴雨天或日照不好时,发出的电能是有限的,输出不稳定;为保证夜间或阴雨天用电的需要,须配备储能装置(蓄电池)。(未完待续)可再生能源1 2 02 0 0 7,2 5(5)