太阳能电池发电简介

太阳能发电技术保定天威英利新能源有限公司孙仲刚

2/5/20231保定天威英利新能源有限公司

主要内容

太阳能发电系统系统设计需要的资料

下一页

系统设计

主要工程简介2/5/20232保定天威英利新能源有限公司1.1.1原理

太阳能光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。太阳能光伏发电的原理是光生伏达效应。当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏达效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而将光能变成了电能。

1.1太阳能发电系统原理及构成2/5/20233保定天威英利新能源有限公司

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）2/5/20234保定天威英利新能源有限公司

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)

2/5/20235保定天威英利新能源有限公司

控制器直流负载DC太阳能电池方阵蓄电池交流负载AC逆变器1.1.2太阳能发电系统的构成2/5/20236保定天威英利新能源有限公司单体太阳能电池是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm×2cm至15cm×15cm不等。单体太阳能电池的工作电压约为0.45~0.5V，工作电流约为20mA/cm^2,一般不能作为单独电源使用。将单体太阳能电池进行串并联，并进行封装后，就成为太阳电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能组件再经过串并联并封装在支架上，就构成了太阳能电池方阵。1.1.2.1太阳能电池方阵2/5/20237保定天威英利新能源有限公司1.1.2.2太阳能电池组件

1）简介

一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些电池通过导线连接。一个组件上太阳能电池的标准数量是36片或40片，也就是说一个太阳能电池组件约能产生18V的电压，正好能为一只额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元成为太阳能组件，组件具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统，有时为了满足负载的电压需要还可将组件进行串联。

2/5/20238保定天威英利新能源有限公司

2)封装类型

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨的能力。太阳能电池的封装方式主要有以下几种：

●玻璃-背板密封，这种组件的前面是玻璃，背面是一层由高分子材组成的聚合物。该背板的主要作用是防潮、防污，太阳能电池被密封在EVA当中。

●双面玻璃密封，太阳能电池组件的正反面均是玻璃板，太阳能电池被密封在EVA当中。●

树脂封装，太阳能电池表面的透光材料为树脂，背面为无纺纤维。

●

其它封装类型。下面就是典型电池组件的结构图2/5/20239保定天威英利新能源有限公司2/5/202310保定天威英利新能源有限公司

3)

性能测试。

由于太阳能组件的输出功率取决于太阳辐照度和太阳能电池温度等因素，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，标准条件定义为：光照强度1000W/m^2；温度25℃；光谱分量AM1.5。

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率称为峰值功率，单位为Wp.在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳能模拟仪测定。

2/5/202311保定天威英利新能源有限公司4)电气特性。组件的电气特性主要是指电流-电压特性，也称为I-V特性曲线，如下图所示：太阳能电池组件I-V特性曲线Isc:短路电流Im:最大工作电流Uoc:开路电压Um:最大工作电压Pm:最大功率2/5/202312保定天威英利新能源有限公司5）影响太阳能电池组件输出性能的主要因素1）负载阻抗2）日照强度3）温度4）阴影2/5/202313保定天威英利新能源有限公司负载阻抗对太阳能电池组件输出的影响2/5/202314保定天威英利新能源有限公司日照强度对太阳能电池组件输出的影响2/5/202315保定天威英利新能源有限公司温度对太阳能电池组件输出的影响

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减小，大约每升1℃每片电池的电压减小2~3mV，电流增加0.04%,相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃.也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减小0.4%。2/5/202316保定天威英利新能源有限公司阴影对太阳能电池组件输出的影响太阳电池被遮挡情况组件功率损失比例（%）单个光电池被遮挡比例（%）00252550507566100753个光电池被遮挡

932/5/202317保定天威英利新能源有限公司

为了达到负载所需要的供电要求，通常可将组件通过串联和并联的方法来实现，串联后的结果是组件的电压等于所串组件的电压之和，并联的结果是组件的输出电流等于各路并联电流之和，但是前提是组件的电性能完全一样，如果组件性能不一致，串、并联后就不一定是上述结果了。下面是不同组件串并联的特性曲线。6)

太阳能电池组件的串联和并联不同性能组件串联不同性能组件并联2/5/202318保定天威英利新能源有限公司二极管的类型防反充二极管（阻塞二极管）旁路二极管隔离二极管7)方阵中的二极管2/5/202319保定天威英利新能源有限公司1.2.1

蓄电池的作用：

1）解决电能存储问题

2）起功率调节和能量调节作用

3）向负载提供瞬时大电流1.2.2太阳能发电系统中常用蓄电池类型及选择：

1）固定式铅酸蓄电池

2）密封式铅酸蓄电池

3）碱性蓄电池1.2蓄电池2/5/202320保定天威英利新能源有限公司固定型铅酸蓄电池

优点：

1）

容量大

2）

单位容量价格便宜

3）

使用寿命长缺点：

1）

需维护，需要经常添加蒸馏水

2）

定期检查和调整电解液比重

3）

运输时电解液有溢出的危险2/5/202321保定天威英利新能源有限公司密封式铅酸蓄电池

优点：

1）

不需要专门维护

2）

即便倾倒，电解液也不会溢出

3）

不会向空气中排放氢气和酸雾

4）

安全性能更好缺点：

1）对过充电敏感，对充电控制器性能要求高

2）当长时间反复过充后，容易发生电解液干涸及活性物质脱落的现象。

3）较普通开口式铅酸蓄电池价格高2/5/202322保定天威英利新能源有限公司碱性电池目前常见的有镉镍电池和铁镍电池。优点：

1）

对过充电、过放电的耐受能力强

2）

反复深放电对蓄电池寿命无大的影响

3）

在大电流和高温条件下，仍具较高的效率

4）

维护简单

5）

循环寿命长缺点：

1）

内阻大

2）

电动势小，输出电压较低。

3）价格高（约为铅酸蓄电池的3~4倍）

2/5/202323保定天威英利新能源有限公司串联型并联型分段充电型脉冲控制器1.3太阳能电源控制器1.3.1控制器类型2/5/202324保定天威英利新能源有限公司串联型控制器优点：调试方便反接保护电路容易实现缺点：开关功率管无共地回路，驱动困难由于开关管内部寄生二极管的存在，必须另设防反二极管，串联损耗大应用：高压大功率2/5/202325保定天威英利新能源有限公司并联型控制器优点：控制方便损耗极小缺点：调试困难、容易振荡蓄电池反接保护困难应用：500W以下功率2/5/202326保定天威英利新能源有限公司分段控制器

分段控制器原理图单路控制的缺点：a.若采用单路通、断控制，系统容易振荡，充电不容易充满b.可靠性问题，一旦功率管故障，将停止充电多路控制可避免上述问题2/5/202327保定天威英利新能源有限公司脉冲充电控制器0~t1：

恒流充电0~t2：

恒压充电

t2~∝：浮充充电

2/5/202328保定天威英利新能源有限公司

1）负载断路器

2）低压报警器

3）低压断开器

4）电压指示器

5）电流指示器

6）安培小时器

7）后备充电控制器

8）日照监测器

9）充电指示器

10)自动均衡充电

11）监控系统是否完善1.3.2控制器的其他功能特点2/5/202329保定天威英利新能源有限公司1.4.1逆变器的类型

1)方波逆变器

2)阶梯波逆变器

3)正弦波逆变器

1.4

逆变器2/5/202330保定天威英利新能源有限公司技术指标10K15K20K30K45K直流输入输入额定电压(VDC)220输入额定电流（A）45.568.290.9136.3205输入直流电压允许范围(VDC)180~280交流输出额定容量(KVA)1015203045输出额定功率(KW)812162436输出额定电压及频率220VAC，50HZ输出额定电流（A）36.454.672.7109164输出电压精度（V）220±3%输出频率精度(HZ)50±0.05波形失真率(THD)（线性负载）≤5%动态响应(负载0←→100%）5%功率因数（PF）0.8过载能力120%，10秒峰值系数(CF)3:1逆变效率(80%阻性负载)92%93%技术指标10K15K20K30K45K工作环境绝缘强度（VAC）(输入和输出)1500，一分钟噪音（1米）≤50dB使用环境温度-10℃~+50℃湿度0~90%，不结露使用海拔(m)≤2000机械尺寸立式深、宽、高(mm)558×436×640600×550×980600×800×2200重量（Kg）150200250360420保护功能输入接反保护、输入欠压保护、输入过压保护、输出过载保护、输出短路保护、过热保护。1.4.2逆变器常见技术指标2/5/202331保定天威英利新能源有限公司●独立太阳能发电系统－PV组件－蓄电池－充放电控制器

●

并网太阳能发电系统－PV组件－并网逆变器－双向计量装置－公用电网●风-光-柴-蓄互补发电系统

－PV组件－风力发电机－柴油机－综合管理控制器－蓄电池组－逆变器DC负载逆变器+AC负载1.5太阳能发电系统的分类2/5/202332保定天威英利新能源有限公司1PV-generatorwindturbinerectifierchargecontrollerAC-loadinverterbatteryrectifierdieselgenerator光伏发电阵列风力发电机整流充电器充电控制器交流负载蓄电池逆变器整流充电器柴油发电机风-光-柴-蓄互补发电系统2/5/202333保定天威英利新能源有限公司1.6太阳能发电系统的优缺点优点：1）可靠2）耐用

3）维护费用低4）无需燃料费用5）无噪声污染6）安装组件积木化7）安全8）自主供电9）高海拔性能缺点：1）初期投资高2）日照不稳定3）需要储能装置4）系统效率低5）需要技术培训2/5/202334保定天威英利新能源有限公司二、系统设计需要获取的资料2/5/202335保定天威英利新能源有限公司

2.1.1基本概念：

1)辐射功率：在单位时间内以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率或辐射通量，单位是（W）。2)辐射度：太阳投射到单位面积上的辐射功率称为辐射度或辐照度，单位是瓦/平方米（W/m2）3)辐射量：在一段规定时间内（如每小时、每日、每周、每月、每年等）太阳照到单位面积上的辐射能量称为辐射量或辐照量，单位是kWh/m2日（月、年）2.1基本概念与一些换算关系2/5/202336保定天威英利新能源有限公司3)平均峰值日照小时

为便于进行不同地点日照条件的比较和设计，将太阳辐照度等于1000W/m2的每天日照小时数称为“峰值太阳小时”。例如5峰值太阳小时等于1kWh/m2的辐照度照射了5小时。“峰值太阳小时”是设计太阳能系统时必不可少的数据，该数据的可靠性及合理性直接关系到系统设计的可靠性及合理性。2/5/202337保定天威英利新能源有限公司2.1.2系统设计中有关换算1)1MJ/m^2=1x10^6焦耳/m^2=1x10^6瓦秒/m^2=0.278kWh/m^22)1langley=1卡/cm^2=4.2焦耳/cm^2=4.2瓦秒/cm^2=0.016kWh/m^22/5/202338保定天威英利新能源有限公司2.2系统设计所需要获取的资料2.2.1负载情况名称负载静态功耗负载动态功耗负载静态工作时间负载动态工作时间负载总功耗负载类型备注1234合计2/5/202339保定天威英利新能源有限公司站地地名

经度

纬度

海拔高度

地质地貌道路交通水资源情况

2.2.2地理环境与交通信息2/5/202340保定天威英利新能源有限公司

项目

数据

年平均气温℃

年最高气温℃

年最低气温℃

平均风速（米/秒）最大风速（米/秒）年平均太阳总辐射量MJ/m2最长连续阴雨天数2.2.310年平均气象统计数据

2/5/202341保定天威英利新能源有限公司2.2.4太阳总辐射的各月数据2/5/202342保定天威英利新能源有限公司3、系统设计

3.1概述

设计一个独立运行的光伏发电系统并不十分复杂，但却是一项十分细致的工作。欲搞好光伏系统设计，最根本的是处理好太阳能资源、系统接入负载、蓄电池容量和方阵功率之间的关系，其中获取翔实的太阳能辐射数据和准确地测算各月发电量是搞好系统设计的前提。此外，在设计中还要正确地运用有关太阳能电池组件的若干物理量，如开路电压、峰值电压、短路电流、峰值电流及峰值功率等。

2/5/202343保定天威英利新能源有限公司1）倾斜面太阳辐射量的计算2）太阳能电池方阵的设计3）蓄电池的设计4）控制器的设计选型5）逆变器的设计选型6）方阵支架设计7）防雷接地设计8）土建设计（机房、变电站面积和布局、场内道路、光伏组件基础、防雷接地基础、围栏、接线）等。3.2系统设计内容2/5/202344保定天威英利新能源有限公司3.2.1

倾斜面光伏阵列表面的太阳辐射量:

从气象站得到的资料,一般为水平面上的太阳辐射量,须换算成光伏阵列倾斜面的辐射量,才能进行光伏系统发的设计.

计算日辐射量的公式:

Rβ=S×[sin(α-β)/sinα]+D式中;

Rβ—倾斜方阵面上的太阳总辐射量

D—散射辐射量,假定D与斜面倾角无关;

S—水平面上的太阳直接辐射量

β—方阵倾角

α—中午时分的太阳高度角.对于北半球地理纬度=Φ的地区,

α与太阳赤纬角δ的关系如下:

α=900-φ+δ其中,δ=23.45*sin[360*(284+N)/365](度),

N为一年中某日的日期序号，如1月1日的N=1,2月1日的N=32,12月31日的N=365等。

总结：

对于纬度较高的地区（一般纬度大于20度）倾斜面上的辐射量比水平面上的辐射量大10%~15%左右，纬度较低的地区影响不是很大。2/5/202345保定天威英利新能源有限公司备注：

P1：单个组件的峰值功率

P：电池组件的峰值功率

P0：负载功率

T1：负载工作时间

T2：平均峰值日照时间

η1：逆变器效率

η2：蓄电池充电效率0.9

η3：太阳能实际发电效率0.7

S1：方阵串联数

U：

系统额定直流电压

U2：单个组件的标称电压

U1：负载工作电

N1：方阵并联路数

3.2.2太阳电池方阵设计方阵总功率：

P=P0*T1/(T2*η1*η2*η3)方阵串联数：

S1=U/U2方阵并联路数：

N1=P/S1/P1备注：蓄电池充电效率0.9太阳能实际发电效率0.72/5/202346保定天威英利新能源有限公司备注：

C:蓄电池容量

P0：负载功率T1：负载工作时间T3：连续阴雨天数U：

系统额定直流电压η1：逆变器效率DOD：蓄电池放电深度0.7

3.2.3蓄电池的设计蓄电池总容量：

C=（P0*T1*T3）/（DOD*η1*U）

备注：较大的发电系统当中，计算太阳能电池容量及蓄电池容量效率中还应除以线路损耗0.9~0.952/5/202347保定天威英利新能源有限公司3.2.4控制器的设计选型

1）确定控制器应匹配的系统电压：控制器应耐受1.5~2倍的系统额定直流电压。2）选择控制器的最大电流通过能力。通常以方阵短路电流作为方阵的最大电流值，为提高安全系数，在此短路电流的基础上再加10%~20%的裕量。3)确定控制器的其它功能.比如蓄电池接反保护、夜间防反充保护、输出端路保护、输出接反保护、远程监测功能等。2/5/202348保定天威英利新能源有限公司3.2.5逆变器的设计选型

1）逆变效率有多高2）留有一定功率余量3）保护功能是否健全4）绝缘强度是否满足要求5）选择单相输出型，三相输出型（15KW以下）（20KW以上）6）可靠性指标2/5/202349保定天威英利新能源有限公司3.2.6

太阳能电池方阵支架结构设计

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安装方式设计:固定式.结构简单,安全可靠,安装调试及管理维护都很方便.★

固定式支架倾角设计:根据地理条件及经验公式，倾角等于纬度。

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方阵支架方位角的设计:一般情况下,太阳能电池方阵应面向正南安装.

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太阳能电池阵列间距的设计计算:光伏方阵阵列间距应不小于D.

计算公式：

计算得:D=6087mm.取间距为6.5米。(Φ纬度等于倾角40度)