太阳能发电系统分析与简易设计(编辑修改稿)

太阳能发电系统分析与简易设计(编辑修改稿)内容摘要：

个十分重要的课题。 目前，国内的光伏发电站建设情况主要有：甘肃敦煌 8MW 太阳能光伏发电站； 166MW 云南石林太阳能发电站；位于宁夏回族自治区石嘴山市的中节能尚德石嘴山 50MW 一期 10MW 发电项目于 2020 年国庆前夕正式并网投产，是国内第一个 10 兆瓦级太阳能光伏发电项目，后续项目分两期实施，于 2020 年全部建成；青海柴达木预计 2020 年将建成世界首座 GW 级 (100 万千瓦 )太阳能电站。 开发利用太阳能资源建设 光伏并网发电系统，对减轻我国能源供应压力、抑制二氧化碳排放、减少城市污染起到积极作用。 发展太阳能技术和产业已经成为了国家的发展战略，涉及到国家的能源政策、环保政策和气候变化政策。 太阳能光伏发电的前景 为了适应世界能源趋势的发展潮流，中国通过了一系列政策和法案来鼓励和发展新能源。 2020 年 6 月 30 日，温家宝总理主持召开的国务院常务会议，讨论并原则通过了 “大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略 ”。 2020 年 2 月 28 日，十届人大常委会第十四次会议通过了《可再生 能源法》，国家主席胡锦涛以第 33 号主席令公布，自 2020 年1 月 1 日起实行。 前者为将发展新能源和可再生能源列入国家的能源发展战略立了 “户口 ”，后者通过立法对新能源和可再生能源的发展给予了法律上的支持和保证。 中国也因此成为继德国后，世界上第二个颁布《可再生能源法》的国家。 我国《可再生能源法》的颂布，将有力促进我国太阳能工业发展，特别是光伏行业，可以预见，从现在起，我国光伏产业的发展将进入一个新的高潮，在 3～5 年内我国在太阳电池研发、生产和应用产品开发将在东部沿海地区形成一个世界级的产业基地，将在国际光伏产业中 占有重要的地位。 课题的研究内容与目标 ⒈ 清楚从太阳能到电能的转换过程。 ⒉ 了解太阳能发电系统的几个组成部分，以及各部分的特点和工作原理。 ⒊ 太阳能发电系统典型硬件电路的分析。 ⒋ 设计一简易电路来完成太阳能发电功能。 10 第 2 章 光伏并网发电系统及基本原理 太阳能光伏电池的发电原理 如图 21 所示，太阳能光伏电池理论上相当于一个半导体二极管，其 PN 结是将一些特殊的杂质掺入到半导体晶体中形成的。 当太阳光照射到光伏电池板上时产生了光生伏特效应，从而直接将太阳光的光能转变成电能。 其工作原 理概述如下 ： 由于太阳光光照的作用，将有光子冲击光伏电池内部的价电子，导致部分价电子因为得到了超过禁带宽带的能量而脱离共价键的束缚，从价带跃升到导带，在半导体的内部产生了电子 空穴对。 这些新形成的电子 空穴对处于不平衡状态，因此为了达到新的平衡状态必须在半导体内部进行大量的复合和碰撞。 这个复合过程对外并不能表现出导电的能力，而是以太阳能光伏电池能量的自损耗形式表现。 而光伏电池表现导电能力的是光生电场，光生电场只有运动到 PN结区域的少数载流子才能产生。 接通外电路后，光生电场就会有电流输出提供给负载。 图 21 太阳能光伏电池原理图 ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ + ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ + ○ ○ + ○ ○ + P 型 PN 结 负载电阻 11 太阳能光伏电池的特性 .1 太阳能光伏电池的等效电路 基于单二极管模型的太阳能光伏电池等效的等效电路如图 22 所示： 图 22 光伏电池的等效电路 图 22 中各个量的具体涵义如下 ： OCU —电池板的开路电压 ； LR —电池的外负载电阻 ； SR —串联电阻，串联电阻的值比较小，阻值大约为 1 欧姆 ； LI —输出电流 ； shR —电池板的旁路电阻，一般比较大，阻值最大可达儿千欧姆 ； jC —结电容，其值很小，通常情况下 可 以忽略不计 ； DI —暗 电流 ； phI —光生电流。 根据电路理论的相关知识，对 上面 的等效电路图进行计算，有如下所示的关系式 ： 0 (ex p 1)DD qUII AkT (21) 0 ()[ e x p ( 1 ) ]O C L S DL p h shq U I R UI I I A k T R    (22) 0 [e x p 1]OCSC qUII AkT (23) 0ln ( 1)SCOC IAkTU qI (24) 12 上面的 4 个式子中， 0I 表示光伏电池等效二极管的 PN 结的反向饱和电流；SCI 表示电池的短路电流； DU 表示等效二极管两端的电压； q 表示电子电荷量，值为 10 C ； k 为波尔兹曼常数，大小为 10 /eV K ； T 表示绝对温度；A 为 PN 结的曲线常数。 在强光条件下， phI 远远大于 0I ，则有： 0ln( )phOC IAkTU qI (25) 在弱光条件下， phI 远远小于 0I ， 此时 有： 0()phOC IAkTU qI (26) 为了计算和分析的更加方便，在弱光条件下，我们认为光照强度与太阳能光伏电池的开路电压可近似为线性关系。 因此，此时我们可以得到在理想状况下等效电路方程如下所示： L ph DI I I (27) .2 太阳能光伏电池的外特性曲线 由上述的 公式 (21)和 (25)可以绘制出光伏电池的电压 电流曲线 —伏安特性曲线，然后得到光伏电池的功率曲线。 其输出特性如图 23 所示，当负载电阻较小时，工作电流较大，工作电压较大，随着负载电阻的逐渐增大，工作电流慢慢减小，而工作电压则在增大。 当到达图示的 M 点时输出的功率最大，我们称之为最大功率点，设 M 点的电压和电流分别为 mU 和 mI ，功率为 mP ，根据电路的知识可以计 算得到： m m mP I U (28) 影响光伏电池的输出功率还有一个比较重要的因素 —填充因数 (FF)，填充因数是指最大功率点功率与 ( OC SCVI )之比。 13 图 23 光伏电池的输出特性 由式 (27)可知，在外部条件相同的情况下， FF 越大，太阳能光伏电池的输出功率也越大。 因此，从上述可以看出填充因数也是影响太阳能光伏电池输出特性的因素之一。 根据式 (22)和 (24)可知，对光伏电池的输出特性影响最 大的还是温度和光强。 图 24(a)和图 24(b)为光伏电池的输出特性与温度之间的关系，图 25(a)和图 25(b)所示的则是光伏电池的输出特性与光强之间的关系。 图 24(a) 不同温度下的 IV 曲线 图 24 (b) 不同温度下的 PV 曲线 当光照强度不变，温度升高时，光伏电池的开路电压下降，短路电流仅仅只有略微的上升，几乎没有改变，具体如图 24(a)所示；光伏电池具有负的温度特性，即随着温度的升高，阵列的输出功率会下降，关系如图 24(b)所示。 14 图 25(a) 不同光强下的 IV 曲线 图 25(b) 不同光强下的 PV 曲线 光强也是影响光伏电池输出的决定因素之一，如图 25 所示，当温度一定，光照强度发生变化时，光伏电池的开路电压变化并不大，但是短路电流随着光照强度的增大而增大。 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。 一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池 (组 )构成。 太阳能电池板： 太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电 能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。 太阳能控制器： 太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。 如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电 (由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定 )。 逆变器： 逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220 伏交流电，供给交流负载使用。 蓄电池 (组 )： 蓄电池 (组 )的作 用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。 在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负裁用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步 15 放出。 太阳能光伏发电系统的分类 根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。 (1)独立供电的光伏发电系统 独立供电的太阳能光伏发电系统如图 26 所示。 整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。 太阳能电池板作为系统中 的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。 根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电 ； 当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。 控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。 逆变器的作用是将直流电转换为 .与交流负载同相的交流电。 图 26 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图 (2)并网光伏发电系统 图 27 并网光伏发电系统结构框图 16 并网光伏发电系统如图 27 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。 带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。 此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。 不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发 电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。 当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网 ； 夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。 (3)混合光伏发电系统 图 28 为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充 电，所以称为混合型光伏发电系统。 图 28 混合型光伏发电系统结构框图 太阳能光伏发电系统的特点 长期以来，太阳能光伏发电系统以其自身具有独特的特点备受人们青睐，人类从正从利用 “昨日阳光 ”逐步过渡到利用 “今日阳光 ”。 其优点如下 ： (1)无枯竭危险 ； (2)绝对千净 (无污染，除蓄电池外 )； 17 (3)不受资源分布地域的限制 ； (4)可在用电处就近发电 ； (5)能源质量高 ； (6)获取能源花费的时间短 ； (7)供电系统工作可靠 ； 不足 之处是 ： (1)照射的能量分布密度小 ； (2)获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关 ； 18 第 3 章 太阳能光伏系统设计 太阳能光伏电站是太阳能光电应用的主要形式之一。 在我国西部的无电地区，很大程度依赖光伏电站提供电能。 光伏电站的大小一般在几千瓦到超过一兆瓦，可根据实际的用电需求和安装地点的实际情况确定。 光伏电站安装灵活、快速、运行可靠。 虽然光伏发电站的初期投资相对较大，但其运行和维护费用很低，其价格和环保优势在使用的过程中会逐渐得以体现。 太阳能光伏系统总体设计原则 太阳能光伏发电系统的设 计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。 软件设计主要包括 ： 负载用电量的计算，太阳能电池方阵辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算以及两者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。 硬件设计主要包括 ： 负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。 对于大型太阳能光伏发电系统，还有光伏。