5太阳能发电系统的结构与设计

　　5.1地面太阳电池发电系统

　　太阳电池发电系统（又称光伏发电系统），按其使用场所不同，可分为空间应用和地面应用两大类。在地面可以作为独立的电源使用，也可以与风力发电机或柴油机等组成混合发电系统，还可以与电网联接，向电网输送电力。目前应用比较广泛的光伏发电系统主要是作为地面独立电源使用。

　　通常的独立光伏发电系统主要由太阳电池方阵、蓄电池、控制器以及阻塞二极管组成，其作用分别如下：

　　太阳电池方阵 方阵的作用是将太阳辐射能直接转换成电能，供给负载使用。一般由若干太阳电池组件按一定方式连接，再配上适当的支架及接线盒组成。

　　蓄电池组 蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能贮存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电，（同时方阵还要给负载用电），晚上则负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小、使用寿命要长、深放电能力要强、充电效率要高、少维护或免维护、工作温度范围要宽，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。

　　控制器 在不同类型的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能多少及复杂程度差别很大，需根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在简单的太阳电池，蓄电池系统中，控制器的作用是保护蓄电池，避免过充，过放。若光伏电站并网供电，控制器则需要有自动监测、控制、调节、转换、保护设备、故障诊断定位等多种功能。如果负载用的是交流电，则在负载和蓄电池间还应配备逆变器，逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给负载使用。

　　阻塞二极管 也称作为反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0.6~0.8；肖特基或锗管0.3V左右。

　　最大功率点跟踪器（MPPT）太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，太阳能电池的端电压将发生变化，使输出功率也发生很大变化，即最大功率点位置也将变化，也就是说，太阳能电池（光伏阵列）在不同日照强度下输出最大功率点位置并不固定，故太阳能电池本身是一种极不稳定的电源。为了能在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，就必须要解决太阳能电池阵列的最大功率点跟踪问题。MPPT控制通常有七种不同形式，（1）功率扰动观察法（2）增量电导法（3）滞环比较法（4）最佳工作电压法（5）最大功率跟踪的模糊控制（6）应用人工神经网络法（7）基于dP/de的最大功率控制。由于光伏阵列的开路电压Uoc、最大功率点电压U，受温度的影响较大，Um一旦设定，冬、夏会有较大偏离，这将会无谓地损失相当一部分能量，因此人们采用了自动寻优的概念，实时地测量光伏阵列的输出功率，进行比较后，自动地寻找到最大功率点。不断地寻找，不断地调整，不断地再寻找…，如此周而复始，系统一直处于微机的调整之中。这种“MPPT”可以自动适应冬、夏较大的温差而毋需人工干预，十分有利于提高系统的全年效率。

　　5.2光伏发电系统中逆变电源的原理

　　逆变电源将直流电转化为交流电，功率晶体管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替开通得到交流电力，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变电源，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到２２０Ｖ，在中、小容量的逆变电源中，由于直流电压较低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必须设计升压电路。

　　5.3光伏发电系统对逆变电源的要求

　　采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变电源四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高：（１）要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。（２）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。（３）要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大， 如１２Ｖ蓄电池，其端电压可在１０Ｖ～１６Ｖ之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。（４）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。（5）具有一定的过载能力，一般能过载125%~150%。当过载150%时，应能持续30秒；当过载125%时，应能持续60秒及以上。

　　5.4光伏发电系统联网逆变器的功能

　　联网逆变器是联网光伏发电系统的核心部件和技术关键。联网逆变器与独立逆变器不同之处是，它不仅可将太阳能电池方阵发出的直流电转化为交流电，并且还可对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制。它需具有如下功能。（1）自动开关  根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。（2）最大功率点跟踪（MPPT）控制  对跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生的输出电压与电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。（3）防止单独运行  系统所在地发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地供电的可能，这种情况叫做单独运转。在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于保安检查人员是危险的，因此要设置防止单独运行功能。（4）自动电压调整  在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，有可能超过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，运转过程中要能够自动防止电压上升。（5）异常情况排解与停止运行。  当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时查出异常，安全加以排解，并控制逆变器停止运转。

　　5.5逆变电源主电路功率器件的选择

　　逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（ＢＪＴ），功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ），绝缘栅晶体管（ＩＧＢＴ）和可关断晶闸管（ＧＴＯ）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为ＭＯＳＦＥＴ，因为ＭＯＳＦＥＴ具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用ＩＧＢＴ模块，这是因为ＭＯＳＦＥＴ随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系统中，一般均采用ＧＴＯ作为功率元件。逆变电源有许多技术指标：额定容量；额定功率；输出功率因数；逆变效率；额定输入电压、电流；额定输出电压、电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；总谐波畸变率；畸变因数；峰值子数。

　　光伏并网逆变器产品选型指南：

单相户用型交流额定输出：1500W               SEE-152
                        3000W               SEE-302
                        5000W               SEE-502
三相商用型交流额定输出： 10kW               SEE-103
                         20kW               SEE-203
                         30kW               SEE-303
工业发电用交流额定输出：50-150kW            SEE-GEN

　　5.6独立光伏电源系统设计方法

　　独立光伏电源系统的设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间 隔天数）。这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视，因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立光伏电源系统，由于没有应急的其他电源保护 备用，所以应该将此问题纳入设计中一起考虑。

　　5.6.1计算公式及相关设计方法

　　在独立光伏电源系统的设计中应引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。

　　5.6.2影响设计的诸多因素

　　太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。

　　太阳能电池方阵的光电转换效率，受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。

　　蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。

　　太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能，

　　5.6.3蓄电池组容量设计

　　太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变 化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。

　　（1）蓄电池的选用

　　能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免 维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要 经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。一般情况下，外并联的只最好不超过3只。

　　（2）蓄电池组容量的计算

　　蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以 补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载 用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

　　因此，蓄电池的容量BC计算公式为：BC=A×QL×NL×TO／CC(Ah) (1)式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。

 

　　5.6.4太阳能电池方阵设计

　　（1）太阳能电池组件串联数Ns

　　太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电 压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的 浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。

　　计算方法如下：Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取0.7V；UC为其它因数引起的压降。

　　表1我国主要城市的辐射参数表

　　城市      纬度Φ  日辐射量Ht   最佳倾角Φop  斜面日辐射量  修正系数Kop 中华太阳能
　　哈尔滨    45.68     12703       Φ＋3            15838         1.1400 21
　　长春      43.90     13572       Φ＋1            17127         1.1548 wm
　　沈阳      41.77     13793       Φ＋1            16563         1.0671 21
　　北京      39.80     15261       Φ＋4            18035         1.0976 2 n
　　天津      39.10     14356       Φ＋5            16722         1.0692 ww
　　呼和浩特  40.78     16574       Φ＋3            20075         1.1468 2 
　　太原      37.78     15061       Φ＋5            17394         1.1005 2 m
　　乌鲁木齐  43.78     14464       Φ＋12           16594         1.0092   
　　西宁      36.75     16777       Φ＋1            19617         1.1360   
　　兰州      36.05     14966       Φ＋8            15842         0.9489 2 
　　银川      38.48     16553       Φ＋2            19615         1.1559   
　　西安      34.30     12781       Φ＋14           12952         0.9275   
　　上海      31.17     12760       Φ＋3            13691         0.9900 2 
　　南京      32.00     13099       Φ＋5            14207         1.0249 m 
　　合肥      31.85     12525       Φ＋9            13299         0.9988 2 n
　　杭州      30.23     11668       Φ＋3            12372         0.9362   
　　南昌      28.67     13094       Φ＋2            13714         0.8640 能
　　福州      26.08     12001       Φ＋4            12451         0.8978 wm
　　济南      36.68     14043       Φ＋6            15994         1.0630 2 
　　郑州      34.72     13332       Φ＋7            14558         1.0476 2n
　　武汉      30.63     13201       Φ＋7            13707         0.9036 21c
　　长沙      28.20     11377       Φ＋6            11589         0.8028 21t
　　广州      23.13     12110       Φ－7            12702         0.8850 21t
　　海口      20.03     13835       Φ＋12           13510         0.8761 wwt
　　南宁      22.82     12515       Φ＋5            12734         0.8231 www
　　成都      30.67     10392       Φ＋2            10304         0.7553 21n
　　贵阳      26.58     10327       Φ＋8            10235         0.8135 www
　　昆明      25.02     14194       Φ－8            15333         0.9216 21t
　　拉萨      29.70     21301       Φ－8            24151         1.0964    

　　电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。

　　（2）太阳能电池组件并联数Np

　　在确定NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。

　　①将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表 1）：H=Ht×2.778／10000h（3）式中：2.778／10000（h?m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平 均日辐射时数的系数。

　　②太阳能电池组件日发电量QpQp=Ioc×H×Kop×Cz(Ah) (4)式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数（参照表1）；Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。

　　③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=A×QL×NL(Ah) (5)

　　④太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

　　(3)太阳能电池方阵的功率计算

　　根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=Po×Ns×NpW（7）式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。

　　5.6.5太阳能电池阵列

　　太阳能光伏发电系统的第一个入口点是太阳能电池。由一片单晶硅构成的太阳能电池称为单体（电池片）；多个太阳能电池单体组成的构件称为太阳能模块（光伏组件）；多个太阳能电池模块即模块群构成的大型装置称为太阳能电池阵列（光伏方阵）。阵列有公共的输出端，可直接接向负荷。如图1。

　　（1） 太阳能电池标准模块

　　太阳能电池以模块形式出现是一种最基本的形式，单个模块可以是数瓦到200瓦，多种规格可供选用。

　　（2） AC模块

　　最近又出现了一种新型的太阳能电池AC模块，其特点是内藏逆变器，可以输出交流电功率，有的甚至还含有控制器功能，能随着日照强度的变化保持较高的变换效率。这样虽然增加了逆变器的成本，但对提高年发电量更有利。据说这是今后模块发展的方向。

　　（3） 太阳能电池标准模块

　　太阳能电池阵列是根据负荷需要将若干个模块通过串联或并联进行连接，得到规定的输出电压和电流，从而使用户获取电力。

前一篇：太阳能光伏技术与工程应用（一）

后一篇：太阳能光伏技术与工程应用（三）