太阳能电池培训手册1

第一部分光伏系统各部件介绍前言独立光伏系统的构成主要包括光伏组件（阵列）、蓄电池、逆变器、控制器。见下图。下而我们分别加以讨论。图光伏系统方框图光伏组件（阵列）一个光伏阵列包含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。光伏组件是由太阳能电池片群密封而成，是阵列的最小可换单元。目前大多数太阳能电池片是单晶或多晶硅电池。这些电池正面用退水玻璃背面用软的东西封装。它就是光伏系统中把辐射能转换成电能的部件。按照太阳电池的用途，目的、规模、太阳能电池的种类等有各种形状的太阳能电池组件，下面就几种典型的例子进行介绍。（一）用于电子产品的组件为驱动计算器手表，收音机、电视、充电器等电子产品，一般需15V至数十伏的电压。而单个太阳电池产生的电压小于1V，所以要驱动这些电子产品，必须使多个太阳电池元件串联连接才能达到要求电压。下图示出了民用晶体太阳组件的结构，是把太阳电池元件排列好，串联连接做成组件。可见，为驱动电子装置，需要一定的高压，而该组装方法存在问题是成本高，接线点太多；从可靠性的观点来看接线点太多是不利的。太阳电池板控制器逆变器负载蓄电池图民用晶体硅太阳电池组件的结构另一种是非晶硅太阳电池。因为非晶硅是靠气体反应形成的，很容易形成薄膜，在一块衬底上便于使多个单元电池串联连接而获得；较高的电压输出。（二）用于电力的组件电力用的太阳电池一般均安装在调用外，所以除太阳电池本身以外，还必须采用能经受雨、风、砂尘和温度变化甚至冰雹袭击等的框架、支撑板和密封树脂等进行完好的保护，现正研究各种电力用的太阳电池组件的结构。如图86中（A）所示的是衬片式结构，是在太阳电池的背后放一块衬片作为组件的支撑板，其上用透明树脂将整个太阳电池封住。支撑板采用纤维钢化塑料（FRP）等。图各种结构晶硅太阳电池电力用组件的结构目前最常用的是上图所示的超光面式结构，在太阳电池的受光面放一块透明基板作组件的支撑板，其下用填充材料和背面被覆盖材料将太阳电池密封。上面的透明板用玻璃，最好采用透明度和耐冲击强度均好的钢化白玻璃。填充材料主要采用在紫外光照射时透过率衰减较小的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和耐湿性良好的乙烯乙酸乙烯（EVA）。反面涂层多采用金属铝同聚氟乙烯（PVF）夹心状结构，使其具有耐湿性和高绝缘性。此外，对可靠性要求特别高的应用，开发了一种新的封装方式，如下图（C），即在两块玻璃板之间用树脂把太阳电池封入。随着非晶硅太阳电池的发展，也在研究采用同晶体硅太阳电池一样的超光面封装方式，如下图所示，把集成型太阳电池衬底玻璃直接用作受光面的保护板，各单元电池的连接也不用导线，所以能使组件的组装工艺变得特别简单。此外，图（B）所示的组件类型也在研究之中。今后如更大面积太阳电池的研制取得进展的话，一般估计图（C）所示的单块衬底型组件是更适合的，这样可以进一步使组件成本降低。图采用非晶硅太阳电池的各种电力用组件的结构下图分别给出一单晶硅太阳电池组件和非晶硅太阳电池组件与温度的关系和与光强的关系。与单个电池的温度系数不同，这是因为组件中包括了接线部分的因素。图太阳电池组件数输出特性与温度关系的实例单晶硅电池组件的大小302CM1217CM非单晶硅电池组件的大小378CM711CM图太阳电池组件输出特性与光强关系的实例组件大小同图非晶硅太阳电池组件与单晶硅太阳组件相比，其输出对温度的关系较小，转换效率随着光强的减小，在直线范围内比单晶硅的小。（三）聚光式组件聚光式太阳电池发电系统是在聚焦的太阳光下工作的，有关这方面的研究工作最近在美国取得了较大的进展。它分为透镜式和反光镜式两种。（1）透镜式聚光所必须的大面积凸透镜采用透镜，它是把分割的凸透镜曲面连接在一起。菲涅耳透镜的形状有圆型和线型之分。如图811（A）示出了线型菲涅耳透镜的实例，太阳光聚焦于配置为点状或线状的太阳电池上。图811两种聚光方式太阳电池除了采用单晶硅太阳电池以外，常采用转换效率较高的砷化镓太阳电池。在圆型菲涅耳透镜、聚光比为5001000倍的点聚焦情况下，单晶硅太阳电池的转换效率达1517而砷化镓太阳电池的达到1820。（2）反光镜式反光镜式又有两种形式，一种是采用抛物面镜，太阳电池则放在其焦点上，另一种是底面放置太阳电池，侧面配置反光镜，如图811（B）所示的槽形抛物面镜的形式较为常用。此外还有其它方式,如图812（A）所示为荧光聚光板型太阳电池，是把所吸收的太阳电池光通过荧光板变为荧光，荧光在荧光板内传播，最后被聚集于放置着太阳电池的端部。现在这种荧光聚光板型太阳电池已能做到面积为1M2的效率为1；面积为1600CM2的，效率为25。另外在该方式中，正在研究如图812（B）所示的波长为分割型的荧光聚光板型太阳电池，其关键问题是要降低荧光板的价格，提高发光效率，以及提高可靠性等。图812荧光聚光板型太阳电池四混合型组件光热混合型组件是为更有效地利用太阳能，让太阳光发电又发热的器件。这种混合型组件有聚光型光热混合型组件和聚热器型光热混合型组件。聚光型光热混合组件如图813所示，聚光型太阳电池背面通过导热媒介物进行聚热。新能源综合开发机构（NEDO）委托研究做系统能得到5KW的电输出，25KW的热输出。图813聚光型光热混合型组件聚热型光热混合型组件是将太阳电池连接到聚热板上而发电的。图814所示为在真空玻璃管型聚热板上形成非晶硅太阳电池的混合型组件。图814采用非晶硅太阳电池的光热混合型组件非晶硅太阳电池因为在可见光范围吸收系数很大，而在红外线范围反射系数大，所以也起着良好的选择吸收膜的作用，如图815所示。图815非晶硅太阳电池作为选择吸收膜的特性非晶硅太阳电池被密封真空玻璃管内，所以不要包封，太阳能的总转换效率达58其中电能转换5，热能转换53。这对降低成本很有好处。目前，上海交通大学，就用物理系，太阳能研究所采用结晶硅太阳电池电力用组件的封装方式，整个组件效率达15，达到全国先进水平。有四个因素决定了光伏组件的输出功率负载电阻、太阳辐照度，电池温度和光伏电池的效率。对于给定的组件的输出可由其电流电压（IV）曲线来估算。如图816所示,在某一温度（T）下太阳的照度也为一定的情况下，通过测定得了的数据绘出了些图，从图815中可知有开路电压（VOC），短路电流（ISC），最大功率点M处的电流（IMP）和电压（VMP）可得组件的功率WMIMPVMP。IVISCIMPMVMPVOC图816光伏组件的IV特性图对于一个给定的电池面积，电流与太阳辐照度成正比且几乎与温度无关，而电压（功率）随温度升高而下降。一般来说，晶体硅电池的电压降为05/C。由此可以看到组件的温度对其功率的输出影响较大，所以阵列要安装在通风的地方，以保持凉爽；不能在一个屋顶或同一个支撑结构上安装过多的组件。光伏阵列的任何部分不能被遮荫，它不像太阳能集热器，如果遮住了光伏组件必须有相同的电流。如果有几个电池被遮荫，则它们便不会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热，久而久之，形成故障。但是有些偶然的遮挡是不可避免的，所以需要用旁路二极管来起保护作用。如果所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，即如果要求阵列输出电压为12V，而每个组件的输出恰为12V，则不需要对每个组件加旁路二极管，如果要求24V阵列（或者更高），那么必须有2个（或者更多的）组件串联，这时就需要加上旁路二极管，如图817所示,图817带旁路二极管的串联电池图818对于24V阵列阻塞二极管的接法阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的。任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。如果控制器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管，如图818阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与控制器之间的干路上，但是当多条支路并联接成一个大系统，则应在每条支路上用阻塞二极管（如图818）以防止由于支路故障或遮蔽引起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，不要两种都用，因为每个二极管会降压0407V是一个12V系统的6，这也是不小的一个比例。蓄电池组件组件组件组件DC24V组件组件组件组件DC24V阻塞二极管蓄电池是用来将光伏阵列产生的电能（直流）存储起来供后级负载（逆变器和交流负载）使用的部件，在独立光伏系统中，一般都需要控制器来控制其充电状态和放电深度，以保护蓄电池延长其使用寿命。深度循环电池是用较大的电极板制成，可承受标定的充放电次数。循环次数取决于放电深度，放电速度，充电前的时间，充电速率等等。浅循环电池使用较轻的电极板。浅循环电池不能象深度循环电池那样多次地循环使用。完全放电一两次常常就会损坏，因此它们不能在某些光伏系统中。有些蓄电池电解质是胶体，这种胶体电解质电池易于维护，因为它通常是密封的，当电池翻转也不会泄露。大多数密封电池有放气口可放出氢气，但是却不允许添加电解液，它们可能被标定为深度循环电池，但它们通常比工业级湿性蓄电池的循环次数要少。有电解液的电池可能是密封的，或者有一个小帽，这样就可以向其中添加蒸馏水了。通常当电池容易大于100AH时，电池是开放的，对于湿性蓄电池应按时添加电解液（蒸馏水）。镍镉电池在有些国家使用，它们通常比铅酸电池贵，但镍镉电池寿命长，维修率低，耐用，可承受极热极冷的温度，而且可以完全放电。由于可以完全放电，在某些系统中控制器就可以省下来不用了。请注意如果要为镍镉电池配置控制器，则必须提出要求，由供应商提供，而不能用一般的控制器,因为一般提供的控制器是为铅酸电池设计的，其所控的充电程度不同于镉电池。由此可知，控制器并不能通用。用在独立光伏系统的电池应是深度循环大负载类型的。由于极板材料铅较软，所以要加一些如锑或钙之类的元素以加强铅板的硬度，这样可改善电池的性能。铅锑电池可承受深度放电，但因为水耗散大，需要定期维护。铅钙电池可以有几次深度级放电，它们首期投入成本低，但寿命却低于铅酸电池。大多数电池有酸性或腐蚀性物质，如果操作不当就比较危险甚至危及生命。对于开放式电池在充电时会产生具有爆炸性的氢气。这些电池需摆放在通风良好的地方。系统电器元件不能安装在电池附近，因为其所产生的火花可能会点燃氢气。同时铅酸电池的酸性气体会腐蚀和损坏电子元件。可用复合剂或催化剂的电池盖以用氧将氢气化合成液态水流回电解液。这些盖子有35年寿命，但还要定期检查和清洗以保证其动行良好。任何电池对于人类尤其是儿童，还有动物都是具有危险性的，所以应有经验的人操作，同时，要保持输出端有盖子，因为一个典型的光伏系统在输出端短路时能产生6000A的电流，尽管这个电流仅持续几毫秒，但是以将工具弧焊在输出端上，而且电压越高，危害越大。当电压高于24V时电击可以引起生命危险；在12V电压下，如果电池偶然短路，大电流能引起火灾。所以在电池周围工作时应使用防护工具如手套，胶鞋，护目镜。电池一般很重，所以在搬动时须注意，不要闪了腰。下面介绍一下蓄电池的特性，了解这些特性可以使我们更好地使用它们。一、放电深度，它以电池容量的百分数表示，标定容量可以从电池外壳上或说明书上获得。电池所能承受的放电容量与其结构有关。绝大多数普通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。电极可用不同的厚度，不同的合金（如铅钙，铅锑合金）以用于不同类型的电池。一般来说，电极板越大则蓄电池所能承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，较便宜，但是如果经常过规定的放电的深度则寿命会大大降低。许多密封式电池（即所谓的免维护电池）就是浅循环电池，一般的浅循环电池的放电量不应超过电池容量的25。深度循环电池中独立光伏系统中经常使用的电池，其极板厚度大，可承受的放电量为其容量的80，绝大多数此类电池是湿性电池，其极板是由电解液浸泡的。电解液的液面需要经常检查，并定期加入蒸馏水以保证电极是被淹没的。对于镍镉电池，我们前面已经提到过了。我们知道虽然其价格昂贵但能在恶劣的环境下工作，且可完全放电而不会损坏，电解液不会冻住，也可以省去系统中的控制器这一部分。、二、温度校正电池对温度较为敏感，一个温度较低的电池比一个温度较高的电池提供的电能要少。如图819所示，一个处于25的电池如果以C/20的放电流进行放电（C为电池标定容量）则可以提供100的能量（电池的标定能量）。而在20时凡例C/20速率放电只能提供75的能量，如果放电速率升高到如图所示的C/5，则其只能输出50的能量。从图中还可看到在同一温度下，放电速率升高则输出能量降低。尽管如图所示,温度高就可以得到甚至高于额定容量的能量，但是发热温度会减少电池的寿命，所以还是应该避免的，应使蓄电池的工作温度处于室温附近。图819铅酸电池容量与温度的关系图三、电池额定容量即电池在某一特定温度和放电速率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，然而额定容量设置了一个基线用以比较电池的性能。须注意的是，如果比较不同电池的额定容量时，须在同一温度下使用相同的放电速度。四、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。五、电池寿命电池寿命由许多因素决定如放电速率，放电深度，循环次数和工作温度等，所以电池寿命很难预测。对于光伏系统来说很少有铅酸电池的寿命超过15年的，一般是510年。镍镉电池在相同的条件下可工作更长时间，在最优化条件下，可稳定地工作15年以上。最后我们再讲点电池的维护和在寒冷的环境中使用的一些问题。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，在零下几度电解液就冻住了，而当电池充满电时（此时重量大约为标称重量的124倍）电解液能耐住零下50的低温。在寒冷的天气中，通常是将电池置于电池盒中，并将电池盒埋入地下以保持恒定的温度。镍镉电池在寒冷的天气中不会损坏。我们知道任何电池均需要定期维护，即使是密封的“免维护”的电池我们也应定期检查其接头是否牢固，清洁和无损伤。对于电解液电池电解液应始终保持守全浸没极板的状态，同时电压和标定重量也需要合乎要求。逆变器逆变器是一种功率调查装置，对于使用交流负载的独立光伏系统来说，逆变器是必要的。逆变器的选择的一个重要因素就是您所设定的直流电压的大小。逆变器的输出可分为直流输出和交流输出两类。对于直流输出我们称之为变换器，是直流电压到直流电压的转换，这样可以提供不同的电压的直流负载工作所需的电压。对交流输出，我们需要考虑的除了输出功率和电压外，还应考虑其波形和频率。在输入端须注意逆变器所要求的直流电压和所能承受的浪涌能力的电压的变化。逆变器的选择会影响到光伏系统的性能可靠性和成本。通常除了阵列和蓄电池，逆变器是最贵的了。所以下面介绍一下逆变器有关特性。总的说来其特性参数有输出波形，功率转换效率，标称功率，输入电压，电压调整，电压保护，频率，调制性功率因子，无功电流，大小及重量，音频和RF噪音，表头和开关，有些逆变器还具有电池充电遥控操作，负载转换开关，并联运行的功能。独立逆变器一般在直流12V，24V，48V或120V电压输入时可产生120V或240V频率为50HZ或60HZ的交流电。选择逆变器输入电压非常重要，这在后面的设计中介绍。输出波形是一个重要参数，逆变器通常根据其输出波形来分类1）方波2）类正弦波3）正弦波。方形波逆变器相对较便宜，效率可达90以上，高谐波，小的输出电压调整，它们的适用于阻抗型负载和白炽灯。类正弦波逆变器在输出可用脉宽提高电压调整，效率可90，它们可用来带动灯，电子设备和大多数电机等各种负载。然而它们在带动电机时由于谐波能量损失而比正弦波逆变器带动效率低。正弦波逆变器产生的交流波形与大我数电子设备产生的波形一样好。它们可以驱动任何交流负载（在功率范围内）。通常，逆变器的规格可在计算值的基础上增加25，这一裕度可以增加该部件工作的可靠性，也可以满足负载的适量增加。对于小负载需求，所有逆变器的效率都是比较低的；当负载需求超过标称负载的50以上，逆变器的效率即可达标称效率（大约90左右）。下面是对有些参数的说明（1）功率转换效率其值等于逆变器输出功率除以输入功率，逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。（2）输入电压由交（直）流负载所需的功率和电压决定。一般负载越大，所需的逆变器的输入电压就越高。（3）抗浪涌能力大多数逆变器可超过它的额定功率有限的时间（几秒钟），有些变压器和交流电机需要比正常工作高几倍的起动电流（一般也仅持续几秒钟）对这些特殊负载的浪涌要求应测量出来。（4）静态电流这是在逆变器不带负载（无功耗）时，其本身所用的电流（功率），这个参数对于长期带小负载的情况下是很重要的，当负载不大时，逆变器的效率是极低的。（5）电压调整这意味着输出电压的多样性。较多的系统在一个大的负载范围内，均方根输出电压接近常数。（6）电压保护逆变器在直流电压过高时就会损坏。而逆变器的前级蓄电池在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值，如，一个12V的蓄电池在过充电以后可能会达到16V或者更高，这时就有可能破坏后级所连的逆变器。所以作控制器来控制蓄电池的充电状态是十分必要的。在无控制器时逆变器须有检查测试保护电路，当电池电压高于设定值时，保护电路会将逆变器断开。（7）频率我国的交流负载是在50HZ的频率下进行工作的。而高质量的设备需要精确的频率调整，因为频率偏差会引起表和电子计时器性能的下降。（8）调制性在有些系统中用多个逆变器非常有利，这些逆变器可并联起来带动不同的负载。有时为了防止出现故障，用手动负载开关使一个逆变器可满足电路的特定负载要求。增加此开关提高了系统的可靠性。（9）功率因子逆变器产生的电流与电压间的相位差的余弦值即为功率因子，对于阻抗型负载，功率因子为1，但对感抗型负载（户用系统中常用负载）功率因子会下降，有时可能低于05。功率因子由负载确定而不是由逆变器确定。下面介绍几种典型的、常用的逆变器的原理图及原理介绍。按振荡方式可分为他激式和自激式两大类。一他激式逆变器他激逆变器电路工作框图如下图820他激式逆变器电路框图图821他激式逆变器电路原理图如图821所示,我们可以用NE555集成电路作为振荡源，NE555提供稳定的方波，经晶体管T1、T2放大后经变压器输出，以驱动负载，T3管可改善启动特性和提高效率。他激式电路的优点是频率稳定，抗干扰能力强；缺点是逆变器效率不高，工作点调整困难。二自激式逆变器自激工逆变器电路工作框图如下直流源振荡源信号放大输出变压器直流源逆变放大输出变压器正反馈图822自激工逆变器电路工作框图图823自激式逆变器电路原理图自激式逆变器电路如图823所示，图中左半部分是蓄电池过充、放电保护电路，右半部是最简单的单管自激式逆变器电路。L1、L2是输出变压器，L3是反馈线圈。电源接通时，面过R1使T1导通，使I1增加，则I1I3I1，正反馈使T1进入饱和。电容C1电位不断降低。当I1达到饱和值时，电感电流I30，T1管的VBE被钳位到某一负电位，晶体管T1迅速截止，I10电源又通过R1给C1充电，当电容端电压达到一定值时T1管重新导通，这样T1管周期性地从饱和区进入截止区，在线圈L2上产生了交流电输出。（二）单相逆变器如图824所示，在50或60HZ频率下同步交替地接通T1/T4或T2/T3，因负载可能为电抗性的，负载电流和电压也可能反相，所以电路中必须要有二极管。当V0为正时（T1，T4导通），I0可能为负（电流通过与T1和T4平行的两个二极管）。图824单向逆变器虽然180脉冲波形比较容易得到，但它却包括大量的三次谐波和五次谐波。120脉冲波形包括含较少的谐波，特别是它不含三次谐波。脉冲宽度调制技术进一步减少低次谐波。如图825所示。T1T4T2T3T1T4T1T4T2T3T1T4T1T3T2T4TTTV01800脉冲1200脉冲脉冲宽度调制图825输出波形如果用上晶体管的第三条腿和二极管，这个电路还能产生三相交流电。这种单相逆变器是商业上不间断电源（UPS）的基础，它能作为计算机等电器设备提供应急的交流电。控制器在大多数光伏系统中都用到了控制器以保护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，而电池过放会引起电池过早失效。过充过放均有可能损害负载。所以控制器是您光伏系统中重要的部件，如果它不能正常工作，那么造成的后果就是您可能一下损失几万元。控制器效率为用1减去控制器在系统中引起损耗的百分数。控制器的功能是依靠电池的充电状态（SOC）来控制系统。当电池快要充满时控制器就会断开部分或全部的阵列电流；当电池放电低于预设水平时，全部或部分负载就会被断开（此时控制器包含有低压断路功能）。大多数控制器测量电池电压以估计充电状态，然而这并不准确，如图826可知，在接近过充时电压变化不大。SOCV826典型的电池充电状态曲线电池的温度，使用年限、类型和充/放电速率也影响这个曲线。测量电池温度可提高SOC状态的估计，许多控制器就带有测温探头。如果电池与环境温度相差5C时，就应该使用带温度补偿的控制器。控制器有两个动作设定点，使控制器动作以保护电池。每个控制点有一个动作补偿设置点。如，一个12V的电池，控制器的阵列断路电压通常设定在14V，这样当电池电压达到这个值时，控制器就会把阵列断开，一般此时电池电压会迅速降到13V；控制器的阵列再接通电压通常设在128V，这样当电池电压降到128V时，控制器动作，把阵列接到电池上继续对电池充电。同样地，当电压达到115V时，负载被断开，直到电压达到124V以后才能再接通。有些控制器的这些接通/断电压在一定范围内是可调的，这一性能非常有用，可监控电池的使用。在使用时控制器电压必须与系统的标称电压相一致，且必须能控制光伏阵列产生的最大电流，用125V乘以阵列的短路电流ISC，这样的控制器可承受由于云聚焦而产生的短暂的大电流。（根据独立光伏系统和国家电气标准提供的这个因子较为保守为156）这个最大电流和系统电压是购买控制器所必要考虑的两个参数，而控制器的其它特性参数有效率,温度补偿，反向电流保护，显示表或状态灯，可调设置点（高压断路，高压接通，低压断路，低压按通），低压报警，最大功率跟踪等。其中，反向电流保护是防止电流在夜间由电池倒流回光伏阵列。大多数控制器用阻塞二极管来阻止这个电流，如图818。大部分小的控制器包括有低压断路（LVD）功能可以切断负载。用促发灯，蜂鸣器可以警示用户采取措施或者打开另一电力供应装置。我们知道，随着所需电流的增加，控制器的成本迅速增加。对于用在12V（24V）电流达到30A的系统中的控制器价格还可以接受，而当所需电流达到100A时控制器的价格就要贵5倍左右。开关100A以上电流的控制器就需要定做了。为此，一种用以控制超过100A的方法是把控制器并联起来，用5个20A的控制器，比用一个100A的控制器要便宜得多。只是阵列必须分开与各个控制器连接，每一个控制器分别接线，在接电池前再合并。各个控制器的促动水平会有所差异，但影响不大。所有的阵列电流都用来给电池充电直到达到了最低的促动电压，这时一个控制器将会把相应的阵列切断，而其它的控制器仍继续允许电流流过，直到电压达到了它们各自的值。在光伏系统中有两种基本的控制器类型一是分路控制器，用以更改或分路电池充电电流。这些控制器带有一个大的散热器以散发由多余电流产生的热量。大多数的分路控制器是为30A以下电流的系统设计的。另一类是串联控制器，通过断开光伏阵列来断开充电电流。分路控制器和串联控制器也可分许多类，但总的说来这两类控制器都可设计成单阶段或多阶段工作方式。单阶段控制器是在电压达到最高水平时才断开阵列；而多阶段控制器在电池接近满充电时允许以不同的电流充电，这是一种有效的充电方法。当电池接近满充电状态时，其内阻增加，用小电流充电，这样减少了能量损失。第三部分独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）的设计，安装及维修。独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。它的主要特点就是集中供电，如在一个十几户的村庄就可建立光伏电站来利用太阳能，当然这是在该村庄地理位置较偏远，无法直接利用电力公司电能的情况下，所能用到的方法。用这种方式供电便于统一管理和维护。而户用系统是采用分散供电的方式提供电能，如果要在该村庄安装户用光伏系统，这样每一户都得需这么一套光伏系统，它比起独立光伏电站来，所需的元器件规格要小，控制器、逆变器和蓄电池及负载都比较小，但是独立光伏电站和户用光伏系统基本结构是完全一致的，我们将它们统称为独立光伏系统，下面我们就介绍这种独立光伏系统的设计，安装和维修。独立光伏系统的设计如图827，所示，系统设计工作从收集太阳能数据和计算负载大小开始，然后确定系统各部分规格，（蓄电池、控制器、逆变器），然后选择适当的导线进行安装，这才是整个的设计过程，当然一个完整的系统设计还应包括操作和维修的计划。图827系统设计框图在系统设计正式开始之前，设计者应尽量做到（1）设计尽量简单化，这样可以提高系统的可靠性。（2）了解系统的效率，适当设计系统效率，若不合实际地把效率定在99以上，其成本是昂贵的。（3）在估算负载时要考虑周到，并要有一定的裕度。（4）反复计算核查当地的天气资源，获得该地区的太阳辐射能资源，对太阳辐射的错误估计将会大大影响系统的作用。（5）在设计系统前了解安装地点，去当地考察一下，这样对设备安置走线，保护和地带特性都有所了解。此外还要做到仔细安装系统，安全第一，定期维修。系统设计者知道在设计光伏系统中，每一个决定都将影响到它的成本。如果由于不现实的要求而使系统过大，将使系统首期成本有不必要的增长。若使用不耐用的部分，则维修和替换成本将增加。如果在系统设计过程中选择不正确则很容易使整个系统寿命周期成本翻一番。在设计您的光伏系统时要符合实际、灵活的原则。对太阳辐照前面已经讲过这里就不再重复了。任何一个光伏系统设计者的第一项工作是确定系统的负载。这些负载估算是设计及独立光伏系统成本的重要因素之一。一个电器所需的功率可以测量出操作和维修计划系统设计系统规格负载计算太阳能数据来或由制造商提供。然后把电器每日，每周，每月所用的时间估算出来。对户用系统（和其它许多系统）负载所用的时间是可以控制的。实际上，每个电器所估算使用时间须再加裕量（如10等），不过这将增加光伏系统的规格和成本。对于经常使用的物品的替代（或考虑大的或可变负载决定他们是否可省去由其它来源的能量供电），如用荧光灯替代白炽灯，它们在提供同样的光强时荧光灯与白炽灯相比耗电很少。由于使用了逆变器，增加了系统复杂性，在直流变交流过程中产生1015的损失，这样在估算负载时需考虑这一项。如果使用直流负载如直流节能灯等，就可以避免直流变交流的这部分损失，直流灯和电器通常较贵，但效率高，使用寿命长，而交流电器种类繁多，但效率通常较低。对独立光做系统的工作电压的选择决定于负载所需的电压和总的电流。如果系统电压设置成为与最大负载电压相等，则这些负载可直接到系统的输出端。然而，对于限制电流为100A的系统的任何部分，在任何电源电路中电流应在20A以下，使电流低于推荐值就可使用标准的、普通的电气设备和导线。当负载需要交流电源时，直流系统电压应根据逆变器的特性而定。一些基本的规则有（1）直流负载电压通常是12V或12V的倍数，如24V、36V，48V等，对直流系统，系统电压应为最大负载所需的电压。大多数直流光伏系统在12V下小于1千瓦。此时最大电流应为1000/1283。3A。、（2）如果负载需不同的直流电压，选择具有最大电流的电压作为系统电压，对于负载所需电压与系统电压不一致时可用直流直流转换器来提供所需的电压。（3）独立光伏系统的绝大多数交流负载在120V下工作。研究逆变器的有关说明，会得到关于总的或瞬时所需交流功率的说明。选择一个能满足负载和保持直流电流小于100A的逆变器。在忽略功率因子和损耗的情况下，下列等式成立交流功率（交流电压）（交流电流）直流功率（直流电压）（直流电流）例如如果交流负载是2400瓦，交流电压是120V，则交流电流需20A。（不包括逆变器损耗）直流功率也为2400瓦，如果是12V逆变器则应为200A，这是不可行的。用24V或48V逆变器使电流输入为100A或50A。切记，当电流值升高时，导线和开关的成本亦会升高。选择逆变器是相当重要的，它影响系统的特性和成本。通常，效率和功率调整能力在较高直流电压下更好，如一个48V的系统通常比一个12V的系统更有效。在确定系统电压时，应从各方面收集关于逆变器，可用性，成本和容量信息等。另一个需要考虑的因素是当电压增加时，在阵列和存储子系统中基本结构单元也变大了。例如，一个48V系统有4块光伏组件串联而形成了基本的结构单元。给系统增加一点电流意味着要买4块附加的光伏组件。然而高的电压具有只需小的电流就可以达到同样功率的优点。因为大的电流意味着大的导线尺寸，昂贵和较难找到保险、开关和接触器等。成本，元件效率和开关对于一个好的系统设计是至关重要的。独立光伏系统的安装在主要部件都已选择好，那就应该把各个部件连起来成为一个工作系统。选择正确的导线，连接器和保护元件（如开关，保险等）是非常重要的，它们可以保证一个系统工作20年以上。用合适的工具工作以维持长久连接，记住，整个系统的性能及可靠性依赖于每一个连接。如果能正确地使用、良好地设计和认真地安装，那么独立光伏系统将会成为20年以上的可靠的能量来源。阵列的安装独立光伏系统的阵列的安装有许多独特和创新的方法。但在安装中总有一些共同的问题，如阵列是固定式的还是跟踪式的是安装在地上，杆上或是建筑物上在阵列小系统中必须安装一个开关或断路器，这样在维修阵列时能断开阵列。阵列回路中的保险和电缆应可承受最大电流，即由短期“云聚焦”形成的在1000W/M2照度下短路电流的15倍。为了使光伏阵列安装的牢固，并且可长年承受各种天气的考验。无论是买还是自己安装框架都要保证它的稳定和组件的牢靠。如果阵列是跟踪式的，建议使用单轴跟踪系统，它只需要很少的控制和能量。跟踪系统可使阵列准确地跟踪太阳。在有大风的地区，应该使用电力驱动的跟踪。如果需要在屋顶安装，那么要保证阵列下面允许新鲜的空气通过，如果阵列离开屋顶至少3英寸时，阵列上组件的温度就不会升高。蓄电池的安装。电池是必须保护的部件。如果会出现结冰温度，那么电池必须安装在水密性的盒子内并埋于地下霜冻线以下或者是将电池置于能保持温度高于0度的建筑物中。如果要埋电池，应选择一个排水性良好的地点，且为电池挖一个排水孔。电池不应直接放在水泥面上，因为这样会增加自放电，这种情况在表面潮湿的水泥面上更为严重。如果用开放式电池则必须提供放气，以免引起爆炸。任何电池均应放在那些非专业人员接触不到的地方，尤其是不要让小孩靠近电池。控制器和逆变器通常会与开关、保险等安装在控制中心内。控制器必须安装在接线盒中，且能把其他元件如二极管等固定在其上。过热会缩短电池寿命，故接线盒应安置在荫凉通风的地方。控制器不要与电池安装在一起，因为电池产生的腐蚀气体可能引起电子元件失效。逆变器应安装在可控制环境中，因为过高的温度和大量的灰尘会减少逆变器的寿命且可能引起故障。逆变器也不应同电池安装在同一盒内，因为腐蚀性气体破坏电子元件而逆变器开关动作时产生的火花可能会引起爆炸。但是为了减少导线的阻抗损失，逆变器应安装在尽可能靠近电池的地方。在逆变为交流电时，因为交流电压通常比直流电压高，所以逆变器的输出端的导线尺寸可以缩小一些。逆变器的输入输出回路应有保险或断路器。这些保险器件应安装在醒目的位置上，且其上标注清晰。在大多数地区建议在逆变器的输入端使用浪涌保护器以防止闪电引起的冲击电流。用像促动器这类部件可把浪涌电流旁路入地，这样，闪电可能会损坏促动器，却保护了昂贵的逆变器。最后还要强调的一点是在安装时不要忽视接地的工作它是关系到人和设备的安全问题，应认真对待。维修预防性维修是最好的维修，所以应该定期对独立光伏系统定期检查。这样，可以在小问题变成大问题之前就发现并处理之。即使系统是刚安装不久,感觉系统工作正常也应该开始检修了。大部分的检查用电压表，电流表和某些常识就能进行。定期检查可使系统故障前其隐患就能得以清除，应该作以下检查（1）检查系统中所有连接的紧密度、牢固性。电池的连接应清洁，用抗腐蚀剂密封。（2）检查电解液水平，如果需要就加入纯净（蒸馏）水，但不要加得太满。应每年检测一次每个电池的标称比重。标称比重是电池充电状态（SOC）的反映，但如果电解液分层了，测量就有会误差。应检查电池中不同层的标称重量确定电解液是否分层。如果电解液分层了，就要对电池充分充电以混合电解液。如果电解液的标称比重比别的电池差005，就意味着这个电池不行了。需要进一步监测这个电池的性能看是否需要更换。（3）在有负载的情况下，检查每一个电池电压，把这些电压与所有电池电压的平均值相对比。如果一个电池与其它和差005V，可能就会有问题了。监测该电池的性能看是否需要替换。（4）检查系统走线。如果有导线露出来，就查找裂处，检查绝缘性，检查所有接线盒的接入和接出点，检查绝缘处有否破裂。如果需要就更换导线而不能依靠用黑胶布来起长期绝缘的作用。（5）检查所有导线盒是否关上（封上），看看有无水的破坏和腐蚀。如果电子元件是安装在接线盒中，检查盒中通风状况,更换或清理空气过滤器。（6）检查阵列安装框架或跟踪机械，保养各种系紧的支架。（7）检查开关的工作，确定开关的动作是否正确。查看接点附近有无腐蚀和炭化。用电压表检查保险，若电压为0则保险正常。按照这些维护方面去做可以增加系统的利用率，延长系统的寿命。故障检修。如果知道已经出了问题，通过测试和分析结果就可确定其位置的一些基本的测试，用电压表电流表，比重计，钳子、螺丝刀和可调板手来完成。在检修时建议带上手套，防护镜和胶鞋。在检测电路前要保证两个人都知道电源开关在何处，怎样操作。记住，安全第一，只要有太阳，阵列就会产生电力，而且两个以上的组件在最坏的天气状况下所产生的电能就能死一个人。应经常测量将要触摸的导线的和接触器的电压，在知道导线电压、电流之前不要断开连接。第三部分太阳能电池系统应用介绍对于系统的分类，我们按其规模可以分为大中小三类，其中大型是指独立光伏电站；中型是指应用系统；小型是指比户用系统规模还要小的类型如太阳能路灯等。这里主要介绍一些小型的应用系统，其他应用系统只做简短介绍。一、航标灯，无人灯塔的电源航标灯是河流、湖泊、运河、水库等航道的导航设施，主要作用是反映符合航运需要的航道条件，指出经济安全的航道方向和界限，以引导船舶安全迅速地航行。我国土地辽阔，江河湖泊星罗棋布，航运的自然条件十分优越。解放前，我国只有河段设有标志，航标灯也多使用煤油灯、乙炔灯等。解放后，党和国家十分重视航运事业的发展，加强了航标灯的建设工作。使我国的航运事业不断发展，航道通航能力不断提高。航行条件迅速改善，保障了运输的畅通和航行的安全。航标灯按能源供给的方式的不同，可分为（1）气体灯用气体为燃料而发光的灯具，所用气体有乙炔、丙烷等。（2）煤油灯以煤油为燃料的灯具。（3）电气灯是利用电力为能源发光的灯。目前所用电源有蓄电池、干电池、交流电、浮标水力发电以及硅太阳电池等几种。我国解放前采用的是煤油灯，后来改用乙炔、丙烷灯，也试用过锌空气电池灯。但由于使用条件的特殊，这些方法都存在着不同的缺陷，效果不理想，如用煤油，航标工人要每天早上吹灯，晚上再点灯，每天还要擦透镜，而用乙炔要和易燃、易爆气体打交道，且灯光不亮，发光不稳定。而应用太阳电池作为航标灯源，技术上可行，经济上合算，得到了较广泛的应用。应用太阳电池作为航标灯的电源，国外已很普遍，如日本海上保安厅于1959年11月正式启用了山口县周防筏濑航标灯，我国于1973年首次在天津港进行灯浮标以硅太阳电池供电的试验。到1976年国庆节前，天津港当时所有的13具浮标灯已采用硅太阳电池作为电源。应用的太阳电池板为147W，匹配功率为9瓦03秒明，27秒灭的闪光灯，配用100安时的镉镍蓄电池。使用效果良好，稳定可靠。截至1981年底，全国航标灯应用硅太阳电池电源的总功率已达5000瓦左右，主要用于天津、上海、广州、长江等航道局，安装在南到北纬9的西沙群岛，北到北纬34的大钦岛这样漫长的海岸线上。从几年的使用情况中可以看出太阳电池航标灯有如下优点（1）使用可靠，维修简单。天津港从1973年开始，每年2月到12月将太阳电池板安装在灯柱上使用，没有进行过补给，并经受住了多次八级、九级以至更大的强风的考验。（2）灯光亮度稳定，射程得到了保证。与硅太阳电池配套的镉镍蓄电池放电平稳，而以前用的锌空电池灯，在刚换新电池时，电压很高，不久电压就大幅度下降，使灯光亮度不稳，灯光射程得不到保证。（4）减轻了航标工人的劳动强度。（5）使航标管理水平提高，灯光正常率提高，为我国远海孤岛地区的航标灯找到了一种较理想的新电源。（6）综合计算，要比乙炔、丙烷、锌空干电池灯节省费用。锌空干电池灯每年需电池费约500元左右。丙烷灯每座航标灯每年进行检查补给要多用3个台班的船，按中型船年平均计算，共需1200元左右。而一套太阳电池电源虽一次投资稍大，约需1500元左右，但若使用10年每年平均开支才150元左右。二、在铁路信号上的应用铁路是国民经济的大动脉，铁路信号灯是保证安全正点运行的不可缺少的重要设备之一。我国铁路现有车站5000余个，其中无交流电源或无可靠的交流电源的车站有1500余个。这些车站的灯光信号、设备或是点油灯，或是以空气电池，干电池供电，技术性能差，工作不稳定，油及电池消耗量大，劳动强度高，异常陈旧落后，为了改变这种落后的状态，使没有可靠交流电源的车站的信号设备获得较理想的电源，1975年2月广州铁路局首次在广州铁路局娄底电务段普奄堂车站的一架预告信号机上试用以硅太阳电池电源为铁路局信号供电。之后，铁道部于1979年6月在青藏铁路的克土车站安装了我国最大的一座硅太阳电池电源，在电气集中信号设备上试用。它的峰值功率为720瓦。与此同时，铁道部还在分布于华南、西北、华北、东北地区的广州、柳州、兰州、西安、呼和浩特、齐齐哈尔、哈尔滨等铁路局选择了一些车站的信号机进行扩大实验，截至1981年底，全国已有15个铁路局在100余个车站安装了硅太阳电池铁路信号灯电源，总功率达5000余瓦（见下图）图铁路信号灯太阳电池电源硅太阳电池铁路信号灯系统，由如下部分组成（1）硅太阳电池方阵（2）蓄电池（3）电源控制器（4）信号灯具（5）输电线路（6）硅太阳电池方阵托盘，支架及跟踪装置。实践证明，这些铁路信号灯的硅太阳电池电源，工作可靠，性能稳定，使用良好，比较满意的解决了无可靠交流电源的车站铁路信号灯的供电问题。对确保铁路运输的安全正点和逐渐实现铁路运输的现代化具有很大的意义，它的主要优点是（1）提高和稳定了信号的显示距离，有利于行车安全。这些应用太阳电池电源的车站一般来说，地形和气象条件都很恶劣，哈尔滨铁路局的高岭子车站。地处高山峰顶，上下行都是在斜度为13的大坡上，气候恶劣，温差很大，每逢冬季大风雪之夜，由于油灯显示距离近，看不清，甚至被风吹灭，每年平均要造成3次机外停车和50次引导进站。出站信号也由于显示距离近。不但两端搬道员相对方向看不见，连机车乘务员也要运行到站中心才能看清出发信号，经常造成列车晚点，严重影响行车安全。采用干电池的车站，干电池用到最后，供电电压降低，灯光暗淡，而且还可能出现灯光突然不亮影响行车的现象，采用硅太阳电池电源后，供电电压稳定，灯光可靠性强，连续性好，消灭了灭灯现象，并且提高显示距离一倍左右。（2）减轻了搬道员的劳动强度。过去，在夜间用油灯显示信号的车站，搬道员要白天从信号机柱上取回灯擦洗加油，晚上再挂回点亮，有些信号灯距离又较远（有些距站中心12KM），每逢大风雪和暴风雨之夜，要顶着风雨，冒着严寒，不仅劳动强度大，且已有人身伤亡之事故发生。而用干电池供电的电站，电池更换频繁，并且需经常检测，不但维护工作量不少，且稍有疏忽，就可能出错，影响行车。现在以硅太阳电池作电源，几乎无需什么维护工作，劳动强度大大减轻。（3）管理方便，使用寿命长，节省了经常的消耗。例如高岭子车站的8个信号灯，过去每年要耗煤油600斤，豆油260斤，折合人民币400余元，现在可全部省掉，五年可省下的这笔费用，大体上与购买太阳电池和镉镍蓄电池的费用相当，而用干电池供电的车站，通常一个月要更换一组点灯用干电池，两个月更换一供臂板电动机动作的电池，换用太阳电池后，电池的消耗量减少了。对位于青藏铁路西宁至格尔木间的克土车站的铁路信号系统，过去用电全部领依靠柴油机发电，要消耗大量柴油，特别是由于这里海拔高，空气稀薄，使柴油机功率下降30以上，并且使用维修的工作量相当大，现在以硅太阳电池作电源，操作简单，不耗柴油，而且几乎不需任何维修十分方便经济，（见下图）图132克土车站太阳电池铁路信号设备电源（4）减少了列车通过时的撂闸次数，节约煤炭。减少一次撂闸，可省煤100公斤左右。附车站信号电源系统简图图试点站信号电源系统蓄电池组可灵活地通过各自的双投刀闸并关与硅太阳电池方阵浮充对负载供电，必要时将双投开关投向另一端，则可由柴油发电机组发电，具有稳压、稳流性能的充电电屏对这组蓄电池补充充电。三农牧业设备电源缺少交流电源的广大农牧业地区，是推广应用太阳电池的广阔天地。采用太阳电池为农牧业的小型设备解决电源供应问题。对促进我国农牧业的发展，具有重要意义。1、电围栏电源畜牧业是农业的重要组成部分。我国草原面积达43亿亩，其中可以利用的有33亿亩，此外南方还有10多亿亩草山草坡，具有发展畜牧业的良好条件。为了发展畜牧业，防止草原退化，许多畜牧业发达的国家，早已用科学的划区轮牧制，代替落后的游牧方式，所谓划区轮牧制就是将大片的草场划分为若干个区，以一定数量的畜群和相等的时间，按区轮流放牧，这样，放牧强度不致过大，因而有利于草场的更新复壮，我国也在推广这种放牧方式。要“轮牧”就要“划区”，并要用围栏将各轮牧区围起来，围栏内设有饮水点，畜群在栏内平时不用人管，只在转栏时才由牧民将畜群赶到计划中的另一个围栏里去。由于建设围栏是搞好草场建设、发展畜牧业的基础，所以各畜牧业发达的国家，尽管围栏工程浩大，也都异常重视，如新西兰花了四亿元在全国建成了总长达805万公里围栏，澳大利亚已在60亿亩的草原上建立起了围栏。目前世界各国的围栏按结构材料分，主要有石土矮围栏，刺铁丝及铁丝围栏，生物围栏电围栏等，围栏是最近几年发展起来的一种新兴型的围栏，有很多优点，前途广泛。它通过一个高压脉冲发生器把普通电源的电流变成高压主脉冲电流然后送到围栏的铁丝上，当牲畜角及围栏上的铁丝时，就会受到高压电流的电击，迅速避开，这样受击多次后牲畜就建立起了条件反射，以后就不敢再碰触围栏上的铁丝了。要发展电围栏，就要解决电源问题，我国大多数牧区处于边远地带，人烟稀少，远离电网，无交流电源可利用。因此风能和太阳能便成了电围栏的基本电源。特别是太阳电池，技术上成熟，寿命较长，使用方便，维护简单，再加上电围栏耗电少，所需太阳电池的功率小，我国牧区多在北方，太阳能源丰富，因此是发展电围栏的理想电源。基本原理示意图134如下原理图利用太阳电池制成的电围栏，经济效果好，使用管理简单，深受广大牧区欢迎，很有推广价值。2、黑光灯电源害虫是农林业生产的大敌，消灭害虫，保护农作