光伏工程教材Word文档格式.docx

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随着能源危机的紧迫感加剧和能源立法的实施还有成本的不断降低，光伏系统在几年后必然具有大规模市场，首先在西部地区，引入市电工程难度大，柴油发电成本又太高，光伏离网系统（大规模光伏电站、小的户用电源），是最合适的能源供应，西部无电区还很多，再加上政府西部大开发的号召，市场潜力巨大。

东部沿海地区，经济比较发达，用电量巨大，虽然国家不断兴建发电设施，但就杭州一个城市一年仍有100多万千瓦时的电力缺口，在此类地区户用并网发电是最合适和最可靠的解决办法，唯一的缺憾是现在国家还没有光伏并网法规和入网规范。

三、光伏系统组成

光伏系统主要有如下几个部分组成：

太阳电池组件、蓄电池组、控制器、逆变器等

1、太阳电池发电原理

　　太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

　　当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可　　以参照下图：

而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成N型半导体。

（如左上图）

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成P型半导体。

（如左下图）黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。

N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

（如下图）

　　当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。

然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

（如下面的两个图所示）

2、蓄电池

●阀控式密封铅酸蓄电池在充放电过程中的化学反应如下：

放电

PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4

　　　　充电

（二氧化铅）（硫酸）（海绵状铅）（硫酸铅）（水）（硫酸铅）

正极活物质电解液负极活物质正极活物质电解液负极活物质

●现在光伏系统一般应用阀控式免维护铅酸蓄电池，该类蓄电池主要特点如下：

☞长寿命：

整个寿命期间无须补加蒸馏水；

☞安全性高：

安全阀自动调节蓄电池内压，滤酸片具有阻液和防爆功能；

☞品质可靠：

安全阀、滤酸片、密封圈、密封套、隔板及封装材料等关键零部件与材料全部采用优质进口件，充分保证蓄电池使用的可靠性；

☞内阻低：

自放电少，大电流放电特性优良；

☞安装方便：

蓄电池可自由安装，工作环境只需提供一般的通风条件；

☞放电性能：

容量充足，10小时率容量第一次放电即可达到

3、控制器

●控制器主要作用：

控制电池板给蓄电池的充放电，具有蓄电池极性反接保护，太阳电池极性反接保护，负载过流及短路保护、电池开路保护、防反充保护、防雷击保护、过充过放保护等

●主要控制方式有：

简单的开关控置、恒压控制、PWM脉宽调制控制

●几种控制方式比较如下

PWM控制

简单的开关控制

恒压控制

恒压控制与PWN控制要比简单的开关控制每天给蓄电池多充30%的电

四、光伏系统发电原理图

光伏系统有两类：

独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统

独立光伏发电系统：

带有蓄电系统，太阳电池阵列发的电储存在蓄电池里，蓄电池再通过逆变器供给交流负载使用，或经过DC-DC变换器供给直流负载使用。

并网发电系统：

白天太阳电池方阵发电，经并网逆变器给当时工作的负载供电，不够时由市网补充，富裕时传给电网。

独立光伏发电系统原理图

并网光伏发电系统　

五、简单光伏系统设计

光伏工程是个据用户用途、要求、使用环境、地理条件等的不同，而专门设计的系统，可以说每个工程都是不同的，但在一定程度上是存在共性的，不同之处主要在于根据环境、要求不同，各个参数取值不同，所留余量不同，光伏系统成本很高，余量大，不但浪费还会造成巨大的投入；

余量小，可靠性却不能得到保证，无非归结为一点：

可靠性和经济性的平衡点，我们要做的是如何更好的把握那个平衡点，把握的好也就赢得了市场主动性。

一般面对市场用户，对方一般要求当场迅速根据耗电量计算大体配置以供参考，作为一名光伏工程设计人员掌握一种可心算的快速计算方法是非常必要的，下面为我个人在实际中摸索总结并常用的一种光伏系统快速估算方法

●首先了解用户预用光伏系统提供电量的负载平均每天的耗电量，负载功率用w表示，工作时间用h表示；

大体了解当地天气情况，预设一个峰值日照时数，用H表示一般为四、五，又已知一个带交流负载的光伏系统总体效率大约在40～50%,一般为42%左右，用A表示，则太阳电池方阵峰值功率W和负载功率和耗电量也就有了联系。

ｗ*h=W*H*A

例：

用户负载功率为５００W,平均每天工作四、五个小时，

其中ｗ取５００W,为了方便口算可先取A为0.5，ｈ和H抵消，则可得W为１０００W,因A取0.5比实际0.42大了一些，可在脑中对其修正，最后估算其值为1100～1200W之间。

●因太阳电池组件每１１０W约为１ｍ２，由此可估算出太阳电池方阵约占用的面积。

●蓄电池配置可由下式估算，Q=Q1*（N+1）/A

Q为需蓄电池的容量

Q1为负载平均每天耗电量

N为连续阴雨天数

A蓄电池放电深度

这样一个光伏系统大体配置就可快速的估算出来了

全国各主要城市峰值日照时数如下

　城市　　　　　斜面日均辐射量　　　峰值日照时数　　

哈尔滨　　　　　15838　　　　　　　4.3997964　　　　　

长春　　　　　　17127　　　　　　　4.7578806

沈阳　　　　　　16563　　　　　　　4.6012014

北京　　　　　　18035　　　　　　　5.010123　　　

天津　　　　　　16722　　　　　　　4.6453716

呼和浩特　　　　20075　　　　　　　5.576835

太原　　　　　　17394　　　　　　　4.8320532

乌鲁木齐　　　　16594　　　　　　　4.6098132　　　

西宁　　　　　　19617　　　　　　　5.4496026

兰州　　　　　　15842　　　　　　　4.4009076

银川　　　　　　19615　　　　　　　5.449047

西安　　　　　　12952　　　　　　　3.5980656

上海　　　　　　13691　　　　　　　3.8033598　　　

南京　　　　　　14207　　　　　　　3.9467046　　　

合肥　　　　　　13299　　　　　　　3.6944622

杭州　　　　　　12372　　　　　　　3.4369416

南昌　　　　　　13714　　　　　　　3.8097492　　

福州　　　　　　12451　　　　　　　3.4588878

济南　　　　　　15994　　　　　　　4.4431332

郑州　　　　　　14558　　　　　　　4.0442124

武汉　　　　　　13707　　　　　　　3.8078046

长沙　　　　　　11589　　　　　　　3.2194242

广州　　　　　　12702　　　　　　　3.5286156

海口　　　　　　13510　　　　　　　3.753078

南宁　　　　　　12734　　　　　　　3.5375052

成都　　　　　　10304　　　　　　　2.8624512

贵阳　　　　　　10235　　　　　　　2.843283

昆明　　　　　　15333　　　　　　　4.2595074

拉萨　　　　　　24151　　　　　　　6.7091478

六、太阳能建筑一体化

1997年12月11日在日本京都召开了气候变化框架公约第3次缔约方大会（简称COP-3），通过了“京都议定书”，列出了各缔约方削减温室气体的目标值。

美国和欧盟都曾提出了要在2010年实现总功率为300万kW的屋顶太阳能发电计划；

德国发布了一项10万屋顶计划（1999～2004年），即到2004年太阳能屋顶发电普及10万家，总发电功率为30万kW；

意大利发布了一项1万屋顶计划（1999～2003年），到2003年普及太阳能总发电功率为5万kW。

瑞士、荷兰也发布了利用屋顶进行太阳能发电的大型计划；

日本政府也制定了新能源法，到2010年要普及总功率为500万kW的屋顶发电系统。

这些国家还采取了相应的财政补贴和优惠政策，鼓励人们购买太阳光发电系统和使用太阳能电力。

从上述计划可以看出，各国政府都把太阳能应用同建筑的一部分——屋顶联系了起来，

国外推广家用太阳能发电技术都考虑了使环境优美、居住舒适的太阳能建筑一体化技术，并大力研究既不消耗矿物燃料、不污染环境又能使生态良性

循环的独立能源建筑。

在推行建筑一体化太阳能发电技术时一般采用两种太阳电池组件。

一种是普

通太阳电池组件，施工时通过装配件把太阳电池组件同周围建筑材料结合起来，组件之间和组件与建材之间的间隙需要另行处理，其特点是这种太阳电池组件可以在普通流水线上大批量生产，成本低，价格便宜，既可以同建筑结合起来使用，又可以安装在大型支架上形成大规模太阳能发电站。

其缺点是无法直接代替建筑材料使用，太阳电池组件与建材重叠使用造成浪费，施工成本高。

另一种是建材型太阳电池组件，这是一种在生产厂把太阳电池芯片直接封装在特殊建材上的组件，设计有防雨结构，施工时按模块方式拼装，集发电功能与建材功能集于一体，施工成本低。

但是由于必须适应不同的建筑尺寸，很难在同一条流水线上大规模生产，有时甚至需要投入大量的人力进行手工操作生产，以至于生产成本高。

当然生产成本高是相对于劳动力昂贵的国家而言，对于劳动力价格较低的我国而言，这种太阳电池组件更有利于国际竞争。

下面为一些工程图片

七、工程案例

１、4#别墅光伏系统

（1）工作原理

白天通过太阳电池方阵发电，通过控制器对蓄电池充电，有两个逆变器提供两路交流输出，一路为整楼照明、家用电器、水路循环设备等供电，另一路专门给空调供电，这样既避免了大功率的空调工作时对生活用电的冲击，而且当冬季不用空调时，关闭此逆变器，提高整体逆变效率。

（2）组成

主要由如下几部分组成：

太阳电池组件，蓄电池组，控制设备（控制器、充电机、逆变器），接线箱，线缆，相关配件

蓄电池组

控制设备

（3）主要系统参数

太阳电池组件功率为19.8KW

蓄电池组为五组210V/1000AH并联

照明、家电、小型设备等共约为10KW

空调功率为13KW

楼内所有用电设备均为交流220V供电

（４）功能

●有各种保护功能（过充、过放、反接、过载、短路、等保护功能）

●能够显示即时电流、电压，耗电量、发电量、累计发电量等必要参数

●带有数据接口（485接口）可用转换器转换成RS232与电脑相连，对系统运行数据及时进行采集，并可进行远程监控

●留有市电接口，当蓄电池电量不足时能够自动切换到市电，平时不用市电（在无电地区没必要留此接口）

●带有充电模块，当蓄电池电压小于某值时，充电模块自动启动给蓄电池充电，当蓄电池电压高于某值时充电器被自动切断。

（无市电地区可用柴油发电机或风力发电机作为辅助电源）。

（5）达到效果

清洁环保，不耗费外来能源，绿色节能建筑的典型示例，一次投入，长期受益，需要的维修等的费用少，

（6）适用范围

该系统为独立光伏发电系统，无需接入市电，适于无电地区或用电紧张地区，提供220V/50HZ交流电，可为各种常规用电设备供电，节能环保，免维护，使用寿命长

２、２＃/3#别墅光伏喷泉水幕系统

（１）工作原理

白天太阳能电池板发电，储存到阀控免维护铅酸蓄电池中，当喷泉水幕工作时，由蓄电池为其提供电源，不需接入市电，白天晚上均可工作，晚上有七彩灯作为陪衬

主要由如下几部分组成：

太阳电池组件，蓄电池组，控制设备，喷泉、水幕管路系统

太阳电池组件功率为1320W

蓄电池组为两组24V/600AH并联

喷泉、水幕功率均为交流220V/750W

装饰灯采用LED灯，每个1.5W共20个，总功率为30W

（4）功能

该系统一个光伏独立系统，无需接入市电，不耗费外来能源；

系统有过充、过放、反接、过载、短路、等保护功能；

系统采用直流24V，输出为两路，一路为交流220V供给喷泉水幕，另一路为直流12V供给LED装饰灯；

控制系统控制喷泉、水幕交替运行，有自动和手动两种控制方式，交替时间可以设定；

电池板既是喷泉水幕的动力来源，也可以起到遮阳板的作用；

水幕既可遮阳降低室内温度，又可作为风景，给别墅增添动感

八、光伏市场前景

　　专家分析预测，未来PV发展的年增长率在20-30%之间.。

按照指数增长规律，PV将很快发展成巨大的市场。

以整机容量计，需要30－50年就可超过核能（图7）。

第二届世界太阳能光伏会议主席JurgenSchmidt说:

“作为全球一种能源,光伏发电在下世纪前半期将超过核电,是2030年还是2050年的最后几年超过,只是个时间问题。

”

1997世界发电总装机容量约2000GW，其中核能约370GW，占17％。

世界核电发展是呈收缩或维持趋势，我国和许多发展中国家由于工业化速度加快，能源短缺，还会适当地发展核能。

到本世纪30－50年代，核能将发展到500－600GW左右。

1998年世界光伏发电总装机容量0。

8GW，以2040年计算，这要求从现在开始，光伏发电每年增长速度为16.5％。

专家预计本世纪前半期的30－50年代光伏发电将超过核电，是一个有根据的预测，前提是光伏系统安装成本能和核能相比。

石油对能源的贡献整整花了100年,PV从今天对能源的微小贡献到未来的重大贡献所需时间比石油要短得多。

由此可以看出太阳能光伏发电未来具有重大的应用背景，前景是十分光明的。

降低太阳能光伏发电成本是发展太阳能光伏发电关键问题。

王润波

于1月30日晚