太阳能光伏发电超全资料.docx

1、太阳能光伏发电超全资料太阳能发电系统的设计与实践一、关于太阳辐射1地球绕太阳运动椭圆轨道称为黄道，在黄道平面内，长轴152106Km短轴147106Km.a）赤黄角，地轴与黄道平面的夹角称赤黄交角，数值为。b）角速度，地轴相对太阳的转动速度不一样，对北半球夏天快、冬季慢，对南半球、夏慢、冬快。c）南北回归线与夏至、冬至日：北半球夏至日（6月21日）时，南半球恰好为冬至日，太阳直射北纬的天顶。因此称北纬N纬度圈为北回归线。北半球冬至日即为南半球夏至日，太阳直射南纬 ，因此称南纬S为南回归线。d）春分与秋分日，春分（3月21日）与秋分（9月23日），太阳恰好直射地球的赤道平面。赤纬角的转变与赤道平

2、面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。太阳中心和地心的联线与赤道平面的夹角称为纬角。赤纬角的日转变能够用如下近似公式表达：式中n为天数。一年中从0与之间转变。2 中国太阳能资源散布情形我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达960万平方千米。南从北纬4o的曾母暗沙，北到北纬 的漠河，西自东经73o 的帕米耳高原，东至东经135o 的黑龙江与乌苏里江汇流处，距离都在5000千米以上。在我国广漠富裕的土地上，有着丰硕的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为928 2333kWh/ m2，中值为1626kWh/ m2。依照各地同意太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地域。一类地域为我国太

3、阳能资源最丰硕的地域，年太阳辐射总量6680-8400 MJ/m2，相当于日辐射量。这些地域包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰硕，最高达2333kWh/ m2 （日辐射量 m2 ），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。二类地域为我国太阳能资源较丰硕地域，年太阳辐射总量为5850-6680 MJ/m2，相当于日辐射量。这些地域包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。三类地域为我国太阳能资源中等类型地域，年太阳辐射总量为5000-5850 MJ/m2，相当于日辐射量。要紧包括山东、河南、河北东南部、山西南

4、部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。四类地域是我国太阳能资源较差地域，年太阳辐射总量4200-5000 MJ/m2，相当于日辐射量。这些地域包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南和黑龙江、台湾东北部等地。五类地域要紧包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地域，年太阳辐射总量3350-4200 MJ/m2，相当于日辐射量只有。太阳能辐射数据能够从县级气象台站取得，也能够从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。 从全国来看，我国是

5、太阳能资源相当丰硕的国家，绝大多数地域年平均日辐射量在4 kWh/m2.天 以上，西藏最高达7 kWh/m2.天。与同纬度的其它国家相较，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。上述一、二、三类地域约占全国总面积的2/3以上，年太阳辐射总量高于5000 MJ/m2，年日照时数大于2000h，具有利用太阳能的良好条件。专门是一、二类地域，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地域，经济进展较为掉队。可充分利用本地丰硕的太阳能资源，采纳太阳光发电技术，进展经济，提高人民生活水平。二、关于太阳电池及组件 1太阳电池的输出特性2 太阳电池组件3 失配对太阳电池的阻碍 当太阳电池之间或组件

6、之间的性能不一致时，将它们连接在一路会显现失配。在很多条件下，失配是光伏组件和光伏方阵中一个很严峻的问题，因为现在组件或方阵的输出是系统中最差的组件或方阵的输出。例如，当组件中的某一个太阳电池被阴影遮挡而其他的电池都正常接收太阳光，那么“好”电池的能量输出就会加到“差”电池上而不是外加到负载。如此将致使局部发烧最后给组件带来难以弥补的损伤，即热斑效应发生。图 PV组件中某一部份被遮挡是最多见的失配形式。光伏组件和光伏方阵显现失配致使的能量损失的因素要紧有：PV组件的工作点情形；电流的匹配情形；与其他电池电性能参数的匹配情形；下面咱们进一步讨论电池串串联和并联时失配的阻碍。串联失配 由于大部份的

7、光伏组件都是串联的，串联失配是最多见的失配形式。对咱们所考虑的两种最简单的失配（短路电流失配和开路电压失配），由于日常应用中部份组件受遮挡的情形较多，短路电流失配的现象更常见也更严峻。图 两个串联电池。它们的电流是相同的，电压等于两单电池电压之和。电流失配意味着产生电流为两单电池电流最小值。关于串联电池的开路电压失配，阻碍相对较小。串联失配时输出的短路电流的计算在串联失配时，输出的短路电流可利用图求得。将其中一个电池的I-V曲线对I轴做对称，而另一个维持不变，那么核心的电流表示串联输出的短路电流（现在v1+v2=0）。并联失配并联放置的太阳电池如下图。 并联连接的太阳电池。通常两单电池电压相同

8、，而输出电流是两单电池电流之和。并联失配后输出的开路电压可利用图计算。现在两曲线的交点表示并联输出的开路电压（现在I1+I2=0）。I并联失配时输出的开路电压的计算三、太阳能光伏发电系统部件介绍独立光伏系统的组成要紧包括：光伏组件（阵列）、蓄电池、逆变器、操纵器。 光伏发电系统方框图太阳电池组件：把太阳能转换成电能的装置。接线箱：汇总太阳电池组件的配线。内装有防雷器、回流避免器和开关等。充电操纵器：蓄电池的过充电爱惜装置。逆变器：将直流电转换成220V50Hz的交流电。内装输入电压操纵、过载爱惜装置等。蓄电池：电能储藏装置。最好利用免保护型，一样采纳铅蓄电池。柴油发电机：作为后备电源1 光伏组

9、件（阵列）一个光伏阵列包括两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关。 光伏阵列的任何部份不能被遮荫，它不像太阳能集热器，一小部份的光伏组件被遮挡对整个阵列的输出阻碍超级大。因为串联的PV组件电流相同。若是有几个电池被遮荫，那么它们便可不能产生电流且会成为反向偏压，这就意味着被遮电池消耗功率发烧，久而久之，形成故障，如图4-9所示显现热斑效应。可是有些偶然的遮挡是不可幸免的，因此需要用旁路二极管来起爱惜作用。若是所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，即若是要求阵列输出电压为12V，而每一个组件的输出恰为12V，那么不需要对每一个组件加旁路

10、二极管，若是要求24V阵列（或更高），那么必需有2个（或更多的）组件串联，这时就需要加上旁路二极管，如下图。电池串中的一个电池被遮挡，形成了热斑效应。带旁路二极管的串联电池串阻塞二极管是用来操纵光伏系统中电流的,任何一个独立光伏系统都必需有避免从蓄电池流向阵列的反向电流的方式或有爱惜电流较低或失效的单元的方式。若是操纵器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管。阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与操纵器之间的骨干路上。可是当多条支路并联接成一个大系统，那么应在每条支路上用阻塞二极管以避免由于支路故障或遮挡引发的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。在小系统中，在干路上用一个阻塞二极管就够了，

11、不需要用两个。因为每一个二极管会降压，关于一个12V系统表示电压会衰减6%，这也是不小的一个比例。而关于48V的系统，二极管带来的电压下降相对阻碍不大。带阻塞二极管的48V组件2 蓄电池太阳电池发电系统的储能装置主若是蓄电池，常经常使用的是铅酸蓄电池，硅胶蓄电池，碱胶蓄电池，碱性镉镍蓄电池和铁镍蓄电池。A）、正电极和负电极以铅锑合金为骨架的板棚，上面紧密地涂上铅膏，通过化成后，正、负极板上形成各自的火性物质，正极的活性物质是PbO2，负极的活性物质是海绵铅，在成流进程中，负极被氧化，正极被还原，负极板一样为深灰色，正极板为暗棕色。B）、电解质C）、隔板隔板有水隔板、玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板、

12、塑料隔板等，隔板的作用是使正、负极极间的距离缩到最小而互不短路；隔板能够避免极板的弯曲和变形，避免活性物质的脱落，要起到这些作用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易变形，要求它的电阻低而绝缘性能要好；而且有良好的亲水性机械强度。D）、电池槽即蓄电池外壳，它为整体结构，壳内由隔壁分成三格或六格互不相通的单格；其底部有突起的肋条，用来搁置极板组。肋条间的间隙用来堆放从极板上脱落下来的活性物质，以避免极板短路，外壳材料一样是用橡胶或工程塑料。铅酸蓄电池的工作原理先看放电进程，负极板Pb在电解液中受到两方面的作用，一方面它有溶于电解液的偏向，因此有少量铅进入溶液生成Pb+（被氧化）而在极板带负电；

13、另一方面由于Pb+是带正电荷，极板带负电荷。正、负电荷又要彼此吸引。这时离子Pb+又有沉附于极板的偏向，这二者达到动平稳时，负极板相关于电解液具有负电位，其电极电位约为。Pb+和电解液中解离出来的SO发生反映，生成PbSO4，而且PbSO4的溶解度很小，因此生成后从溶液中析出，附着在电极上，反映式为： （1） （2） （3）正极的反映情形，PbO2在一样情形下，在H2SO4中的溶解量很小，可是在通过电流的条件下，溶解量回略有增加，因此放电时有少量PbO2进入电解液与H2O发生作用，生成Pb（OH）4；而它不稳固，又专门快离电解成为Pb+和OH-，Pb+沉附在正极板上，使正极板具有正电位，达到动

14、平稳时，其电极电位约为+。当Pb+沉附到正极板上时，这时通过外线路来的2个电子被Pb+俘获，生成Pb+又与电解液中的SO发生反映，变成PbSO4，这些PbSO4以固体形式被吸附在正极板上，因此正极上的反映为， （4） Pb （5） （6） （7）因此放电进程总的反映为（1）+（2）+（3）+（4）+（5）+（6）+（7）得，放电进程是化学能变成电能的进程。这时正极的活性物质PbO2变成PbSO4，负极的活性物质海绵铅变成PbSO4，电解液中H2SO4分子不断减少，慢慢消耗生成H2O，H2O分子相应增加，电解液的比重降低。典型的蓄电池放电曲线如以下图所示。 蓄电池的放电特性曲线 充电进程是将电能

15、变成化学能。充电时，负极板上的PbSO4进入溶液，解离成Pb+与。电解液中的H2O解离成H+与OH-。在负极上，充电时负极板上的Pb+这时取得两个电子，被还原成Pb（以海绵状固态析出），这时电解液中的H+移向负极，在负极周围与结合成H2SO4。负极反映为， （8） （9） （10）在正极上，正极板上的Pb+在外电源作用下被氧化，失去两个电子变成Pb+，它又与OH-结合生成Pb（OH）4，然后又分解为Pb02和H2O，而离子移向正极与H+结合生成H2SO4，反映式为 （11） + （12） （13） （14） （15）因此，充电进程总的反映式为，（8）+（9）+（10）+（11）+（12）+（1

16、3）+（14）+（15）得，从上式看出，充电进程中，正、负极板上的有效物质慢慢恢复，电解液H2SO4比重慢慢增加，因此从比重升高的数值也能够判定它充电的程度，到充电终期，PbSO4绝大部份更为PbO2和海绵状Pb。如继续充电，就要引发水的分解，正极放出O2，负极放出H2，即，蓄电池的充电曲线如图4-14所示。蓄电池的充电特性曲线蓄电池的特性放电深度。它以电池容量的百分数表示，标定容量能够从电池外壳上或说明书上取得。电池所能经受的放电容量与其结构有关。绝大多数一般电池有电活性的铅合金板，浸没于稀的电解液中，板可分为普兰特式（纯铅），涂浆极板式和管式。关于不同的应用，可用不同的合金（如铅钙，铅锑合

17、金）和不一样的厚度来制作板。一样来讲，电极板越大那么蓄电池所能经受的充放电程度等的性能就越好。电池工作有浅循环和深循环之分。浅循环电池较轻，较廉价，可是若是常常超过规定的放电深度那么寿命会大大降低。许多密封式电池（即所谓的免保护电池）确实是浅循环电池，一样的浅循环电池的放电量不该超过电池容量的25%。独立光伏系统中常常利用的电池是深度循环电池，其极板厚度大，可经受的放电量为其标定容量的80%，绝大多数此类电池是电解液电池，也确实是说其极板被电解液所覆盖。电解液的液量需要常常检查，并按期加入蒸馏水以保证电极被电解液完全覆盖。温度校正。畜电池对温度极为灵敏，低温的电池比高温的电池提供的电能要少。如

18、图所示，一个处于25的电池若是以C/20的放电流进行放电（C为电池标定容量）那么能够提供100%的能量（电池的标定能量）。而在-20时凡例C/20速度放电只能提供75%的能量，若是放电速度升高到如下图的C/5，那么其只能输出50%的能量。从图中还可看到在同一温度下，放电速度升高那么输出能量降低。尽管如下图,温度高就能够够取得乃至高于额定容量的能量，可是发烧温度会减少电池的寿命，因此仍是应该幸免的，应使蓄电池的工作温度处于室温周围。铅酸电池容量与温度的关系图电池额定容量。即电池在某一特定温度和放电速度下所能产生的最大能量。当电池用于光伏系统中，您不可能反复用到额定容量，但是额定容量设置了一个基线

19、用以比较电池的性能。须注意的是，若是比较不同电池的额定容量时，须在同一温度下利用相同的放电速度。充电状态（SOC）。为某一时刻电池所剩容量的百分数。它等于用1减去放电深度的百分数。电池寿命。电池寿命由许多因素决定如放电速度，放电深度，循环次数和工作温度等，因此电池寿命很难预测。关于光伏系统来讲很少有铅酸电池的寿命超过15年的，一样是510年。镍镉电池在相同的条件下可工作更长时刻，在最优化条件下，可稳固地工作15年以上。 蓄电池的保护所有的畜电池都需要周期性的保护。即便是密封的“免保护”电池也需要常常检查来确信接线是不是结实及电池是不是清洁和无损伤。关于电解液电池，电解液的水面应维持高于电极板。

20、同时，电池的电压和确信的重量应维持在固定值。电池电压每的转变及标称重量5%的转变都表示电池显现了问题。电池的标称重量应该在充电状态为75%左右用液体比重计进行测量。在较冷的环境中，铅酸电池的电解液可能会冻住。结冰温度是电池充电状态的函数。当电池完全放电时，电解液接近于水，在零下几度电解液就会冻住；而当电池充满电时（现在重量大约为标称重量的倍）电解液能耐住零下50的低温。在严寒的天气中，一般是将电池置于电池盒中，并将电池盒埋入地下以维持恒定的温度。镉镍电池那么不受气候转变阻碍。3 操纵器在大多数光伏系统中都用到了操纵器以爱惜蓄电池免于过充或过放。过充可能使电池中的电解液汽化，造成故障，而电池过放

21、会引发电池过早失效。过充过放均有可能损害负载。因此操纵器是光伏发电系统的核心部件之一，也是平稳系统BOS（Balance of System）的要紧部份。在小型光伏系统中，操纵器也称为充放电操纵器，要紧起避免蓄电池过充电和过放电的作用。在大中型光伏系统中，操纵器担负着光伏系统能量的平稳治理，爱惜蓄电池及整个光伏系统正常工作，显示系统工作状态等重要作用。操纵器能够是单独利用的设备，也能够和逆变器制做成一体化。操纵器应具有以下功能：a）避免蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命。b）避免太阳电池方阵、蓄电池极性反接。c）避免负载、操纵器、逆变器和其他设备内部短路。d）雷击引发的击穿爱惜。e）光伏系统

22、工作状态显示： 蓄电池荷电状态SOC显示和蓄电池端电压显示；负载状态显示（耗量等）； 光伏方阵工作状态(显示充电电压、充电电流、充电量等)；辅助电源工作状态显示；环境状态显示（太阳辐射能、温度、风速等）。f）光伏系统信息贮存（系统发电量、失电量、失电记录、故障记录等）。g）最优化的系统能量治理（光伏方阵最正确工作点跟踪MPPT，Maximan Power Point Tracking，温度补偿、择优补偿、择优启动特殊负载及后备电源自动切换等）h）光伏系统故障报警i）光伏系统遥测、遥控、遥信功能等。操纵器的功能是依托电池的充电状态（SOC）来操纵系统。当电池快要充满时操纵器就会断开部份或全数的阵

23、列电流；当电池放电低于预设水平常，全数或部份负载就会被断开（现在操纵器包括有低压断路功能）。大多数操纵器测量电池电压以估量充电状态，但是这并非准确，如图可知，在接近过充过放时电压转变不大。稳妥的方式是在蓄电池供给商提供的最大放电深度加上20定为操纵器的下限。图4-17 典型的电池放电状态曲线操纵器分类光伏系统操纵器可分为两大类，即逻辑操纵和运算机操纵。逻辑操纵用光伏方阵对一组12V铅酸蓄电池充电，已知这种铅酸蓄电池充满时SOC=100%，其端电压VB0=，已放电60%后SOC=40%，其短电压VBA=，充电回路中防反充二极管的电压降Vf=，充电回线路损VC=015V，要确保蓄电池充满SOC=1

24、00%，必需要知足VmVB0+Vf+VC，Vm+=式中Vm为光伏方阵的最正确工作电压。考虑光伏方阵最正确工作电压的温度系数和辐照转变系数后就可依照本地的气象条件确信光伏方阵的电压。以模拟电路和数字电路为主组成的操纵器，通过测量系统有关电气参数，按预定逻辑进行运算比较、判定、实现指定功能。大体的模拟操纵电路有：（1）并联操纵器，（2）串联操纵器，（3）串并联混合操纵器，（4）支路操纵器，（5）自动断路器，（6）DC/DC直流变换器，（7）最大功率跟踪器（MPPT）等，这些电路工作原理和特点简介如下：并联操纵器操纵器并联于光伏方阵是为了耗散额外的电流经电阻器和功率器件的能量。当光伏阵列连接到蓄电池

25、时是作为电流的产生者，该电流I是太阳光强的准比例函数。关于一给定的光照水平，I是常量。尚未开始操纵的情形蓄电池的电压VB低于限制电压Vlim，相应于充电的最大状态。在这种情形下VVlim，在此情形下，V+Vref，VS0，。三极管T导通；Ir0，IPIrIB。Ir的产生限制蓄电池的充电电流IB，进而阻碍蓄电池的电压VB，VB的转变量由光伏方阵I-V曲线决定。平稳的情形当电流IB正好足够维持蓄电池在限制电压Vlim时取得平稳。在这种情形下，VBVlim，和V+Vref。优势：（）操纵器是比例类型（）在充电回路没有电压降（）在无操纵期间操纵器的电能消耗能够忽略（）操纵器的损坏可不能中断蓄电池的充电

26、并联操纵器的特点：（）并联型操纵器能够在没有蓄电池下运行。假设Ir；光伏方阵有高阻抗的负荷R1+R2；因此VP=VOCVlim。因此V+Vref，0,Ir0,当IrIP时，给定VB= Vlim,能够达到平稳。（）忽略光照，光伏方阵的输出电压可维持在限制电压范围内。（）并联操纵器在该情形下是作为一可变负荷，随着光照而改变。这些特点能够许诺并联操纵器在太阳能光伏发电系统中的正确运行。半导体串联操纵器串联操纵器是利用三极管和光伏系统串联起来。三极管作为一可变电阻器，其阻值是蓄电池充电状态的函数。优势：（）操纵器是比例类型；（）三极管终端的能量消耗与光伏模块的峰值能量相较低得多：PTmaxVECIP（

27、在B点）缺点：（）在无操纵器期间，操纵器在回路中产生一电压降VECsat和电流消耗（基极电流IB=IB10）。串联操纵器电路的特点是：能量的损失能够应用低通电阻场效应管（电压操纵）来减小。另一种机电切断式串联操纵器是将充电操纵器和太阳能面板串联在一路。当充电电压达到它的最大阈值时，它就通过机电切断停止蓄电池的充电。当达到低的阈值时就自动重置到充电，继电器的延迟电子操纵回路是一双值比较器。当V+Vref时，比较器的输出就为“高”，而且一致维持该状态直到V+低于Vref-H。滞后值H代表了比较器的两个阈值电压的不同（阈值和V+增加仍是减小有关）。未开始操纵的情形蓄电池电压VB比限制的电压Vlim低

28、。在该情形下，V+Vlim，VS0；继电器状态改变，接触点打开，这引发蓄电池充电的中断。充电的中断引发蓄电池电压的下降（内阻的阻碍）。这必需有足够大的电压降VlimH来触发继电器互换从头使蓄电池充电。在操纵期间，蓄电池电压维持在两个事前调整的阈值内（大约单个铅酸电池为和）。若是比较器只有一个比较阈值，这将会致使继电器快速振动，这将减弱它的寿命。在操纵期间，继电器的切换频率取决于充电电流，蓄电池的容量，放电电流，周围环境的温度等等。机电切断式操纵器的优势：（）充电操纵器可不能引发能量的损失（电能在开路可不能从光伏模块以热能散失）。（）可能方便地的操纵大功率光伏方阵（具有几个触点的继电器能够操纵光

29、伏方阵的几个分支）。缺点：（）操纵器要么开、断无益于充电（）不断地机电切换会阻碍靠得住性（继电器的寿命与接点电流和切换频率有关）4 逆变器将交流电AC变换成直流电DC称为整流，完成整流的电路称为整流电路；而将直流电DC变换成交流电AC称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。实现逆变进程的装置称为逆变器。由于大部份用电器是按交流电路设计的，因此各类DC/AC逆变器已是光伏发电系统中的常见部件。初期的AC/DC逆变是由交流电动机带直流发电机来实现的。而现代的逆变技术已是成立在电力电子技术、半导体材料与器件技术、现代操纵技术、脉宽调制（PWM）技术、工业电子技术等学科之上的综合技术。DC/AC转换

30、效率对太阳能光伏发电系统而言，逆变器的DC/AC转换效率十分重要。通常逆变器的效率在70%-90%，优质逆变器能够达90%-96%。应当注意的是逆变的效率往往随负载率而变。往往在负载率低于20%和高于80%时，DC/AC转换效率要低一点。也有的逆变器在低负载时效率不高，而在负荷率超过30%以后，DC/AC效率一直维持在较高水平上。逆变器DC/AC变换效率与负载率关系专门值得注意的是，测定非正弦波和非50Hz逆变器效率时，不能简单地用测50Hz正弦波的通用仪表来测量，必需用专用的方式和其他标定过的专用仪表来测定。工作温度逆变器功率器件的工作温度直接阻碍到逆变器的输出电压、波形、频率、相位等许多重要特性。而工作温度又与环境温度、工作所在地的海拔、潮湿度和工作状态有关。逆变器要知足极热和极冷地域的利历时，其工作温度要预先设计。工作环境关于高频高压型逆变器，其工作特性与工作环境，工作状态有关。在高海拔地域，空气稀薄，容易显现电路极间放电或有局部能量，阻碍工作。在高湿度地域那么易结露，造成局部短路。因此对每一种逆变器，都要规定其适用的工作环境。电磁干扰和噪声逆变器中的开关电路既容易产生电磁干扰，容易在劣质的铁心变压器上因振动而产生噪音。因此在设计和制造中都必需操纵电磁