太阳电池发电系统.docx
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太阳电池发电系统
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。
第一节独立光伏系统系统概述
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，其方框图如下：
１．１．１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。
１．１．２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，而且充电效率要高，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。
１．１．３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。
１．１．４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0.60.8；肖特基或锗管0.3V左右。
第二节太阳电池组件
太阳电池是将太阳光直接转换为电能的最基本元件。
但单体太阳电池是不能直接做为电源使用的。
因为单体电池薄而脆，容易碎裂，其电极的耐湿，耐腐蚀性能也还不能满足长期裸露使用的要求，而且单体太阳电池的工作电压太低，远不能满足一般用电设备的电压要求。
因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的最小单元即组件。
１．２．１组件电气性能的设计
在设计中主要是确定组件工作电压和功率这两个参数。
同时还要根据目前材料、工艺水平和长寿命的要求，让组件面积比较合适，并让单体电池之间的连接可靠，且组合损失较小。
通过对单体太阳电池进行适当的串、并联，以满足不同的需要。
电池串联时，两端电压为各单体电池中电压之和，电流等于各电池中最小的电流；并联时，总电流为各单体电池电流之和，电压取平均值。
组件设计举列：
用40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%）设计一工作电压为1.5伏，峰值功率为1.2瓦的组件。
单晶硅电池的工作电压为：
V=0.41v
则串联电池数：
Ns=1.5/0.41=3.66片，取Ns=4片
单体电池面积：
s=/4d2=42/4=12.57cm2
单体电池封装后功率：
Pm=100mv/cm212.578.5%95%=100mw=0.1w
式中95%是考虑封装时的失配损失
需太阳电池总的片数：
N=1.2/0.1=12片
太阳电池并联数：
NP=N/Ns=12/4=3组
故用12片40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。
联接的方法如图7.1但这种联接方法有缺点，一旦其中一片电池损坏、开路或被阴影遮住，损失的不是一片电池的功率，而是整串电池都将失去作用，这在串联电池数目较多时影响尤为严重。
为了避免这种情况，可以用混联（或称网状连接）的对应的电池之间连片连接起来，如图7.2，这样，即使有少数电池失效（如有阴影线的），也不致于对整个输出造成严重损失。
图串并联
图混联
１．２．２组件的结构
单体电池联接后，即可进行封装，以前组件的结构多数是：
正面用透光率高的玻璃覆盖，太阳电池的前后面都用透明的硅橡胶粘接，背面用铝板式玻璃作依托，四周用铝质或不锈钢作边框，引出正负极即成组件。
这种组件质量不易保证，封装劳动强度大。
近些年来，国内外组件大多已采用新型结构；正面采用高透光率的钢化玻璃，背面是一层聚乙烯氟化物膜，电池两边用EVA或PVB胶热压封装，四周是轻质铝型材边框，有接线盒引出电极。
组件封装后，由于盖板玻璃，密封胶对透光的影响及各单体电池之间性能失配等原因，组件效率一般要比电池效率低510%，但他也有些玻璃胶的厚度及折射率等匹配较好，封装后反而使效率有所提高。
太阳电池组件经常暴露在阳光下直接经受当地自然环境的的影响，这种影响包括环境、气象和机械因素。
为了保证使用的可靠性，工厂生产的太阳组件在正式投产之前一般要经过一系列的性能和环境试验，湿、温度循环、热冲击、高温高湿度老化、盐水喷雾、低湿老化、耐气候性、室外曝晒、冲击、振动等试验，如应用在特殊场合还要进行一些专门试验。
工厂生产的通用组件一般都已考虑了蓄电池所需充电电压，阻塞二极管和线路压降，以及温度变化等因素而进行了专门的设计，如用3640片晶体硅太阳电池串联而成的组件即可充分满足对12V蓄电池的充电需要。
各种组件功率大小从数瓦到数十瓦不等，用户选用非常方便。
１．２．３太阳电池方阵
在实际使用中，往往一块组件并不满足使用现场的要求，可将若干组件按一定方式组装，在固定的机械结构上，形成直流发电的单元，即为太阳电池方阵。
太阳电池方阵在安装的时候，应固定牢靠，能够经受当地最大风力。
且离地面要有一定的高度，以免冬天积雪掩埋。
方阵与地面之间要有一定的倾角。
有些方阵的组件两端并联有旁路二极管，有的方阵带有跟踪系统成聚光装置，下面分别加以讨论：
1．２。
３。
１方阵的倾角
太阳电池方阵通常是面向赤道放置，相对地平面有一定倾角。
倾角不同，各个月份方阵面接收的太阳辐射量差别很大。
对于全年负载均匀的固定式光伏方阵，如果设计斜面的辐射量小，意味着需要更多的太阳电池来保证向用户供电；如果倾面各月太阳辐射量起伏很大，意味着需要大量的蓄电池来保证太阳辐射量低的月份的用电供应。
这些都会提高整个系统的耗费。
因此，确定方阵的最优倾角是光伏发电系统中不可缺少的一个重要环节。
对于方阵倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑：
连续性。
一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的，多数是单调升降，个别也有少量起伏，但一般不会大起大落。
均匀性。
选择倾角，最好使方阵表面上全年接收到的日平均辐射量比较均匀，以免夏天接收辐射量过大，造成浪费；而冬天接受到的辐射量太小，造成蓄电池过放以至损坏，降低系统寿命，影响系统供电稳定性。
极大性。
选择倾角时，不但要使方阵表面上辐射量最弱的月份获得最大的辐射量，同时还要兼顾全年日平均辐射量不能太小。
同时，对特定的情况要作具体分析。
如，有些特殊的负载（灌溉用水泵、制冷机等，）夏天消耗功率多，方阵倾角的取值当然应使得方阵夏日接收辐射量相对冬天要多才合适。
１．２．３．２旁路二极管
为了保证系统的可靠运行，有些系统还在组件两端并联旁路二极管，其作用是在组件开路或遮荫时，提供电流通路，不致于使整串组件失效（见下图）。
使用时要注意极性，旁路二极管的正极与太阳电池组件的负极相连，负极与组件的正极相连，不可接错。
平时旁路二极管处于反向偏置状态，基本不消耗电能。
显然，旁路二极管的耐压和允许通过正向电流应大于组件的工作电压及电流。
图旁路二极管的连接
１．２．３．３跟踪系统
由于太阳的方位角和高度角每日每时都在作周期性的变化。
固定方阵接收的太阳辐射能只有在中午时分才最强，如能使方阵面始终与太阳光线保持垂直，显然可以接收更多的辐射能量，因此要利用跟踪装置。
跟踪方式根据要求不同，可以单独跟踪太阳方位角（称一维跟踪），也可以同时跟踪太阳高度角（称二维跟踪），后者效果较好，但结构也相对复杂。
跟踪的方法有机械方法，物理方法，电子方法及计算机控制的高精密度跟踪系统等。
使用跟踪装置能提高太阳电池方阵的输出功率，但要增加部分投资，同时也带来了方阵结构的复杂性和不可靠因素，转动也要消耗一定的能量，所以采用跟踪系统是否合算，要进行综合考虑。
一般小型方阵都不推荐采用跟踪装置。
１．２．３．４聚光
太阳电池方阵按接收的光线的方式的不同可以分为聚光式方阵和非聚光（平板式）方阵，前者是将太阳光聚到太阳电池上，以提高输出功率。
经过聚光后，照在太阳电池上的光强可增加数倍到几百甚至上千倍，电池效率虽有提高，但并不与光强成正比，主要是由于聚光后电池的工作温度的升高而导致对效率影响的增加，因而要采用适当的冷却方法，如风冷或水冷等。
一般来说，聚光方阵都要采用跟踪方式，否则很可能会对发电量产生负面影响。
聚光方阵需要一套聚光、跟踪、冷却等装置，增加了系统的成本和复杂程度，但由于效率有所提高，尤其是在同时需供热的大型系统中，聚光方阵具有突出的优越性，因而聚光组件及方阵的研究还是有一定的价值的。
１．２．４太阳电池发电系统的设计
一个完善的太阳电池发电系统需要考虑很多因素，进行各种设计，如电气性能设计、热力设计、静电屏蔽设计、机械结构设计等等，对地面应用的独立电源系统来说，最主要的是根据使用要求，决定太阳电池方阵和蓄电池规模，以满足正常工作的需求。
光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳电池组件和蓄电池容量，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。
１．２．４．１决定方阵发电量的因素
光照条件：
太阳照在地面太阳电池方阵上的辐射光的光谱，光强受到大气质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响，其能量在一日、一月和一年间都有很大的变化。
太阳电池方阵的光电转换效率：
由于转换效率受到电池本身的温度和太阳光强、蓄电池电压浮动等因素的影响，因而方阵的输出功率也随着这些因素的改变而出现一些波动。
负载用电情况：
由于用途不同，耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等各不相同。
有的用电设备有固定的耗电规律，如中继站、航标灯等；有些负载用电则没有规律，如水泵。
这些因素相当复杂，原则上需要对每个发电系统单独进行计算，对一些无法确定数量的影响因素，只能采用一些系数来进行估量。
由于考虑的因素及其复杂程度不同，采取的方法也不一样。
在这里介绍一种比较简单而又实用的设计方法，这种方法不仅能说明所涉及的概念，而且对一般使用来说足够精确。
１．２．４．２太阳电池发电系统的设计步骤
1、列出基本数据
A、所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无特殊要求等。
B、当地的地理位置：
包括地名、经度、纬度、海拔等。
C、当地的气象资料：
主要有逐月平均太阳总辐射量，直接辐射及散射量，年平均气温及极端气温，最长连续阴雨天数、最大风速及冰雹等特殊气候情况。
这些气象数据需取积累几年或几十年的平均值。
2、确定负荷大小：
算出所有负载工作电流与平均每天工作小时数相乘积之和。
Q=ΣI*H
3、选择蓄电池容量：
蓄电池储备容量的大小主要取决于负载的耗电情况，此外还要考虑现场的气候条件，环境温度，系统控制的规律性及系统失效的后果等因素，通常储备1020天容量比较适宜。
蓄电池在太阳电池系统中处于浮充电状态，充电电流远小于蓄电池要求的正常充电电流。
尤其在冬天，太阳辐射量小，蓄电池常处于欠充状态，长期深放电会影响蓄电池的寿命，故必须考虑留有一定余量，常以放电深度来表示：
（7.2）
式中：
d---放电深度C---蓄电池标称容量CR---蓄电池储备容量
过大的放电深度会缩短蓄电池的寿命；过小的放电深度又会增加太阳电池方阵的规模，加大总的投资成本，放电深度最大到80%较为合适。
当然，随着太阳电池组件价格的下降，可以允许设计较浅的放电深度。
这样，确定蓄电池的储备容量CR和放电深度后，即可初步选定蓄电池的标称容量：
（7.3）
式中：
Q――负载每天平均总耗电量
4．决定方阵倾角：
在这里，我们来用一种较近似的方法来确定方阵倾角。
一般地，在我国南方地区，方阵倾角可取比当地纬度增加1015；在北方地区倾角可比当地纬度增加510，纬度较大时，增加的角度可小一些。
在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。
同时，为方阵支架的设计，安装方便，方阵倾角常取成整数。
5、计算日辐射量
从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量H，直接辐射量HB及散射辐射量Hd
且有：
H～HB＋Hd
需换算成倾斜面上的太阳辐射量。
（１）．直接辐射分量HBT
HBT=HBRB
其中RB为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值。
对于朝向赤道的倾斜面来说：
（7.6）
式中：
φ——当地纬度
——方阵倾角
太阳赤纬：
水平面上日落时角：
倾斜面上日落时角：
（2）、天空散射辐射分量HdT
在各向同性时：
（3）、地面反射辐射分量HrT：
通常可将地面的反射辐射看成是各向同性的，其大小为：
其中为地面反射率，其数值取决于地面状态，各种地面的反射率如下表所示：
地面状态
反射率
地面状态
反射率
地面状态
反射率
沙漠
0.240.28
干湿土
0.14
湿草地
1.140.26
干燥裸地
0.10.2
湿黑土
0.08
新雪
1.81
湿裸地
0.080.09
干草地
0.150.25
冰面
1.69
一般计算时，可取=0.2
故斜面上太阳辐射量即为：
通常计算时用上式即可满足要求。
如考虑天空散射的各向不同性，则可用下式计算：
式中：
HO为大气层外水平面上辐射量。
6、估算方阵电流：
将历年逐月平均水平面上太阳直接辐射及散射辐射量，代入以上各公式即可算出逐月辐射总量，然后求出全年平均日太阳辐射总量
，单位化成mwh/cm2，除以标准日光强即求出平均日照时数：
则方阵应输出的最小电流为：
式中：
Q—负载每天总耗电量
η1—蓄电池充电效率
η2—方阵表面灰尘遮蔽损失
同时，由于倾斜面上各月中最小的太阳总辐射量可算出各月中最少的峰值日照数Tmin。
方阵应输出的最大电流为：
7、确定最佳电流：
方阵的最佳额定电流介于Imin和Imax这两个极限值之间，具体数值可用尝试法确定。
先选定一电流值I，然后对蓄电池全年荷电状态进行检验，方法是按月求出方阵输出的发电量：
式中：
N――当月天数
而各月负载耗电量为：
两者相减，ΔQ=Qout-Qload为止，表示该月方阵发电量大于耗电量，能给蓄电池充电。
若ΔQ为负，表示该月方阵发电量小于耗电量，要用蓄电池储存的能量来补足。
如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度，就应增加方阵输出电流；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许的值，则可减少方阵电流。
当然也可相应地增加或减少蓄电池容量。
若有必要，还可修改方阵倾角，以求得最佳的方阵输出电流Im。
8、决定方阵电压：
方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。
方阵在任何季节的工作电压应满足：
V=Vf+Vd
式中:
Vf---蓄电池浮充电压
Vd---因线路（包括阻塞二极管）损耗引起的电压降
9、最后确定功率：
由于温度升高时，太阳电池的输出功率将下降，因此要求系统即使在最高温度下也能确保正常运行，所以在标准测试温度下（25C）方阵的输出功率应为：
式中：
—太阳电池功率的温度系数。
对一般的硅太阳电池，
=0.5%
tmax—太阳最高工作温度。
这样，只要根据算出的蓄电池容量，太阳电池方阵的电压及功率，参照生产厂家提供的蓄电池和太阳电池组件的性能参数，选取合适的型号即可。
第三节太阳电池发电系统设计实例
为西安地区设计一座全自动无人指导3瓦彩色电视差转站所用的太阳能电源，其工作条件如下：
电压为24V，每天发射时间15小时，功耗20瓦，其余9小时为接收等候时间，功耗为5瓦。
1、列出基本数据：
A、负载耗电情况：
工作条件
功耗
电压
每天工作时间
发射期间
5w
24v
15小时
等候期间
20w
24v
9小时
B、西安纬度：
北纬3418东经10856海拔396.9米。
C、有关气象资料见后列表格。
2、确定负载大小：
每天耗电量：
=h=2015/24+95/24=14.4Ah
3：
选择蓄电池容量：
选蓄电池容量为10天，放电深度=75%
C=10Q/d=1014.4/75%=205.7Ah
根据蓄电池的规格。
取C=200Ah
4、决定方倾角：
因当地纬度=3418，取=+10=45
5、计算倾斜面上各月太阳辐射总量
由气象资料查得水平面上20年各月平均太阳辐射量H，HB及H，计算出倾斜面上各月太阳辐射击总量，结果见下表：
月份
H
HB
H
N
RB
HBT
HdT
HrT
HT
1
219.0
91.6
127.4
16
-21.10
2.033
186.2
108.7
6.4
301.3
2
264.2
106.2
158.0
46
-18.29
1.899
201.7
134.9
7.7
344.3
3
327.6
123.7
203.9
75
-2.42
1.261
156.0
174.0
9.6
339.6
4
398.9
156.0
242.9
105
9.41
0.956
149.1
207.3
11.7
368.1
5
465.4
215.1
250.3
136
19.03
0.766
164.8
213.7
13.6
392.1
6
537.9
279.1
258.8
167
23.35
0.690
192.6
220.9
15.8
429.3
7
506.5
268.3
238.2
197
21.35
0.726
194.8
203.3
14.8
412.9
8
505.9
294.2
211.7
228
13.45
0.871
256.2
180.7
14.7
451.7
9
328.2
157.9
170.3
258
2.22
1.129
178.3
145.4
9.6
333.3
10
272.8
129.0
143.8
289
-9.97
1.514
195.3
122.7
8.0
326.0
11
224.3
98.6
125.7
319
-19.15
1.922
189.5
107.3
6.6
303.4
12
200.4
83.9
116.5
350
-23.37
2.173
182.3
99.4
5.9
287.6
其中：
n为从一年开头算起的天数。
Ｈ为水平面上的幅射量，ＨＴ为倾斜４５度平面上的幅射量，单位为mwh/cm2。
６．估算方阵电流：
由上表可知，倾斜面上全年平均日辐射量为357.5mwh/cm2d，故全年平均峰值日照时数为：
取蓄电池充电效率为：
1=09；方阵表面的灰法尘遮损失为2=0.9，算出方阵应输出的最小电流为：
由上表查出在12月份倾斜面上的平均日辐射量最小，为2876mwh/cm2d相应的峰值日照数最少，只有2.88h/d。
则方阵输出的最大电流为：
7、确定最佳电流：
根据Imin=4.97A和Imin=6.17A选取I=5.4A，将方阵各月输出电量及负载耗电量以及蓄电池的荷电状态计算列表7.3。
由表7.3可见，即使从10月份开始，连续7个月蓄电池未充满，但最少时容量仍有371%，即放电深度最大只有629%，未起过75%，所以取I=54A是合适的。
如果计算结果放电深度远小于规定的75%，则可减少方阵输出电流或蓄电池容量，重新进行计算。
8、决定方阵电压：
单只铅酸蓄电池工作电压为2V，故需12只单体电池串联才可满足系统的工作电压24V。
每只单体铅酸电池的工作电压为：
20235V，取线路压降：
V=08V，则方阵工作电压为：
V=Vf+Vd=12235+08=29V
月
份
月安时数
蓄电池状态
方阵输出
负载消耗
差值
开始
终了
%全充
1
408.6
446.4
-37.8
200
162.2
81.1
2
421.7
403.2
18.5
162.2
187.7
90.4
3
460.5
446.4
14.1
180.7
194.8
97.4
4
482.9
432.0
50.9
194.8
200
100
5
531.7
446.4
85.3
200
200
100
6
563.2
432.0
131.2
200
200
100
7
559.9
446.4
113.5
200
200
100
8
612.5
446.4
166.1
200
200
100
9
437.3
432.0
5.3
200
200
100
10
442.1
446.4
-4.3
200
195.7
97.9
11
398.1
432.0
-33.9
195.7
161.8
80.9
12
390.0
446.4
-49.2
161.8
112.6
56.3
1
408.6
446.4
-37.8
112.6
74.2
37.1
2
421.7
403.2
18.5
74.2
92.7
46.4
3
460.5
446.4
14.1
92.7
106.8
53.4
4
482.9
432.0
50.9
106.8
157.7
78.9
5
531.7
446.4
85.3
157.7
200
100
9、确定最后功率:
设太阳电池的最高温度为60C,则由（71--20）式中可算出需的方阵的输出功率为
P＝Im*V/[1-α（tmax-25）]=5.4*29/[1-0.5%（60-25）]=189.8W
取P＝192W
所以，最后取太阳电池方阵的输出功率为192W，可用6块32瓦的组件（每块电压约为16伏）2串3并而成。
蓄电池容量为24V，200AH，只要用4只6Q—100铅酸电池以2串2并的方式连接起来的，即可满足需要。
第四节光伏系统的安装及维护
光伏发电系统在设计制造完成后,要运到现场进行安装.使用现场往往是在偏远的地区,道路崎岖,交通不便,在运输中,所有部件都要妥善包装.如组件等易碎物品要用木箱装运，以免损坏，蓄电池不能倾倒，防止电解液溢出。
１．４．１安装注意事项
在建造光伏发电系统过程中，安装是个很重要的环节。
1、安装时最好用指南针确定方位，并应注意在方阵前全天不能有高大建筑物或树木等遮阳光。
2、仔细检查地脚螺钉及方阵支架等是否结实可靠，所有螺钉接线柱等均应拧紧，不能有松动。
3、
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