太阳能发电原理及应用-系统

2023/2/4太阳能光伏发电技术第四章太阳能光伏发电系统的结构和设计一、太阳能光伏发电系统概述光伏系统的类型1）、独立光伏系统（离网系统）完全依靠太阳电池供电的光伏系统，系统中太阳电池方阵是唯一的能量来源。

光伏系统光伏电池阵列，充放电控制器、逆变器等电子设备和储能蓄电池三部分组成。独立光伏系统是直联系统,

光伏系统发电原理：由光伏电池方阵将太阳的辐射能转化为直流电，通过控制器保护蓄电池充放电、再由逆变器将符合要求交流电提供给用户负载。方框图如下

独立(离网)光伏系统结构原理图光伏水泵太阳能水泵

太阳能风帽独立光伏系统应用领域(1)离网工商业(Off-GridIndustrial)应用光伏系统为无电场所供应电力,可根据需要专门设计.

可就地供电,不需延伸电网,节省了投资,也减少了线路损耗.

使用方便,安全可靠,维护简单.微波中继站太阳能电源光纤通讯太阳能电源天然气输送管道太阳能阴极保护电源太阳能航标灯太阳能灯塔太阳能分段断路器电源

(2)偏远地区供电(RuralElectrification)

全球还有将近20亿人口没有用上电，我国也还有大约3000万人口没有电力供应，其中相当大部分处在经济不发达的边远地区，很难依靠延伸常规电网来解决用电问题.而这些地区往往太阳能资源十分丰富,应用太阳能发电大有可为.牧民户用光伏电源户用光伏系统(3)消费产品(Consumer)

可以将太阳能电源系统与产品安装在一起,这样就不需要与电网相连,方便使用.如:交通工具照明电源日用产品等2）、系统联系系统（与交流电网联系系统）太阳能发电并网发电系统：由光伏电池把光能转化为电能，通过并网逆变器逆变为满足电网要求的电压，一部分用户自用，多余部分电能送上电网。电力公司将依据售电电能表记录的数值支付给用户相应的费用。在夜晚或阴雨天气发电量较少，用户消费电能不足时可购买电网的电补充。交流负载并网光伏发电系统结构原理图并网光伏发电系统由太阳能光伏阵列，控制器逆变器和交流配电设备组成。系统结构原理如下图所示1、光伏电池阵列光伏电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。光伏电池单体的工作电压约为0.5V,工作电流约为20－25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将光伏电池单体进行串并联封装后，就成为光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。光伏电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了光伏电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率(见图)。光伏电池板(图示)是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。1）、光伏电池标准模块普通硅光伏电池的基本结构光伏模块由多块电池（通常是36块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中，后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。光伏电池组件通过一定的工艺，将太阳电池片、钢化玻璃、背板等封装成一个整体，从而构成一个实用的太阳能发电器件，我们称为光伏电池组件。我们常说的钢化玻璃全称为超白低铁布纹钢化玻璃，其作用主要是利用自身的机械强度抵抗自然界的冰雹、积雪等意外撞击，减少外界的冲击从而保护组件内的电池片；另外一个主要作用是具有高透光率，减少太阳光照射到电池片的损耗。

EVA：柔软性，减少外界的冲击从而保护组件内的电池片；固化后性能比较稳定，使组件在任何恶劣的环境下使用都不容易出现黄斑、气泡等影响组件使用寿命的现象；固化后高透光率，减少太阳光线的损失。EVA橡塑发泡材料化学品中文名称：乙烯-醋酸乙烯共聚物化学品英文名称：Ethylene-VinylAcetatecopolymer英文简称：EVA背板主要有TPT和TPE两种，其具有能很好的与空气隔绝;极好的抗氧化和抗潮湿性;能长期防止粘合剂的水解;具有良好的电绝缘性能;和EVA的完美结合TPT、TPE复合膜是太阳电池的结构性封装材料，用于太阳电池的衬底，对太阳电池起到很好的保护作用。

TPT是聚氟乙烯复合膜：

Tedlar/PET/Tedlar的缩写，Tedlar是杜邦公司生产的一种聚氟乙烯商品名。TPT膜两边是聚氟乙烯膜（PVF），中间是聚对苯二甲酸乙二醇酯膜（PET）。小结：光伏电池模组结构及其对背板的性能要求一般按玻璃-胶膜-电池板-胶膜-TPT叠合于铝合金框内。由于光伏电池模组是放置在室外的电气产品，因此背板除了具有保护功能以外，还必须具备25年之久的可靠的绝缘、阻水、耐老化性能。光伏电池背板性能好坏的重要指标是水蒸气渗透率。若太阳能背板阻隔水蒸气渗透的性能不良，则空气中的湿气（尤其是阴雨湿气更大）会透过太阳能背板进入到内侧，水蒸气的渗透会影响到EVA（乙烯一醋酸乙烯共聚物）的粘结性能，导致背板与EVA脱离，进而使更多湿气直接接触电池片而使电池片被氧化。2）、AC模块光伏电池组件内蔵逆变器，可以输出交流电，有的甚至还含有控制器，这可能是今后光伏电池组件的发展方向。3）、光伏电池的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。3）、光伏电池的阵列光伏阵列的任何部分不能被遮荫，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。组件组件组件组件+-DC24V……3）、光伏电池的阵列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。组件组件组件组件+-DC24V……阻塞二极管2、系统设计原则光伏发电系统是利用光伏电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。它的主要部件是光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和系统联系型（并网）太阳能光伏发电系统。1）独立太阳能光伏发电系统指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储夜晚用电的能量。光伏控制器：太阳能发电系统中，控制多路光伏电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。2、系统设计原则2）系统联系型（并网）太阳能光伏发电系统并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。二、功率控制器1、功率控制器的组成二、功率控制器1、功率控制器的组成二、功率控制器1、功率控制器的组成二、功率控制器2、功率控制器电路举例二、功率控制器2、功率控制器电路举例二、功率控制器2、功率控制器电路举例三、蓄电池‘蓄电池’在太阳能光伏发电中应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。什么是阀控式铅酸蓄电池？阀控式铅酸蓄电池是广泛使用的一种铅酸蓄电池，主要特点是：电解质吸附于AGM隔板中或者变成胶体状态，内部无游离酸每个单体有一个安全阀，大部分时间处于密封状态，内压过大时开阀排气降压1938年Dassler提出的气体复合原理是VRLA的理论基础1957年德国阳光公司的胶体(GEL)技术和1971年美国Gates公司的AGM技术是VRLA的实践基础目前主要有AGM技术和GEL技术两种。三、蓄电池阀控式铅酸蓄电池的结构阀控式铅酸蓄电池：通过安全阀排出内部生成的多余气体的铅酸蓄电池外壳：一般是塑料外壳，也有外部再加钢壳的。正极：主要是红棕色氧化铅(PbO2)负极：主要是海绵状的金属铅(Pb)端子：铅或铜质，铜端子更常见隔膜：AGM或胶体，吸附硫酸水溶液安全阀：内部气体溢出通道，一般加防爆石和滤酸器，高端电池有时配备排气孔和导气管，保证电池柜内氢气的零积累三、蓄电池铅酸电池的相关概念：额定电压最常见的是12V系列，2V的主要应用在工业上额定容量在一定标准下，由生产厂商定义的电池的容量通信用铅酸电池的额定标准标准是25℃时以10HR放电至1.80VPC实际容量因温度、放电率和终止电压的不同而不同终止电压为了保护电池，放电至F.V.时应停止放电终止电压与放电电流大小有关：电流越小，终止电压越高。三、蓄电池铅酸电池的相关概念：充电电压分均充(Boost)和浮充(Float)，充电电压值主要跟电解液浓度有关均充电压：25℃时约为2.35VPC，充电速度快，根据电流不同，可在5~10小时内充满电浮充电压：25℃时一般为2.23~2.27VPC，在该电压下充电速度和自放电速度相当放电深度是指放出电量占电池额定容量的百分比(DepthofDischarge,DOD)；不同放电深度下，电池的循环寿命差异较大，放电深度越深，寿命越短三、蓄电池铅酸电池的相关概念：重量可以用来衡量电池的含铅量VRLA含铅的质量分数约60%12V100Ah电池质量约33千克内阻内阻反映了电池用料的纯度内阻小的电池寿命长12V100Ah电池的内阻约3.5~6mΩ2V系列的、容量大的电池内阻更小作业：调查报告:铅酸电池的性能指标、正确使用与维护方法超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。四、超级电容器四、超级电容器由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：①.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3~4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F以上。

②.充放电寿命很长，可达500000次，或50000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过2000次，

③.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

四、超级电容器由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：④.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。

⑤.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40~+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。⑥.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。

⑦.可以任意并联使用增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。并联时总容量增倍电压不变，串联时总容量减倍电压增倍。

1）超级电容器的分类根据使用电极材料的不同可分为两大类：（1）以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，本质是静电型能量储存方式，通常被称作双电层电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g，电容量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟等优点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。（2）以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大10～100倍，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。四、超级电容器1、超级电容器的储能原理四、超级电容器1、超级电容器的储能原理2）超级电容器的结构和工作原理超级电容器内部结构

超级电容器结构上包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。四、超级电容器1、超级电容器的储能原理2）超级电容器的结构和工作原理超级电容器工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图。当外加电压到两个极板时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。四、超级电容器1、超级电容器的储能原理

三种储能元件的比较超级电容器普通电容器二次电池能量密度

(w/kg)0.2～

20.0＜

0.220～

200功率密度（

wh/kg）102～104104～106＜500充电时间0.3～

30s10-3

～

10-6s1～

5h放电时间0.3～

30s10-3

～

10-6s0.3～

3h循环寿命＞

105＞

105＜

103充放电效率85%～

98%＞

95%70%～

85%四、超级电容器2、超级电容器国内外发展动态超级电容器作为一种新型储能装置，具有显著的特点和优势，可以在某些领域取代传统蓄电池，在节能环保日益成为主题的今天，它的应用越来越引起世界各国的重视。美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。国产超级电容器约已占有中国市场60%-70%的份额。四、超级电容器3、超级电容器的应用超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型，三者在容量上大致归类为5F以下、5～200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产品中做后备电源，适用于带CPU的智能家电、工控和通信领域中的存储备份部件。超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。五、光伏发电装置工程设计举例1、蓄电池组容量设计蓄电池是太阳能光伏系统的储能部件。1)蓄电池的选用：目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

五、光伏发电装置工程设计举例1、蓄电池组容量设计2)蓄电池组容量的计算

K——安全系数，一般取1.1-1.4。如130%，为安全起见蓄电池具有30%的备用容量，即意味着电池在完全放电后具有30%的剩余容量。

蓄电池组是独立光伏系统中的电能储存单元，其容量的选择受负载功率和连续无日照时间等决定。蓄电池组容量的计算公式：QL——负载日均耗电量。

NL——最长连续阴雨天数。

To——温度修正系数。

Cc——蓄电池放电深度。

(Ah)五、光伏发电装置工程设计举例2、光伏电池阵列设计（1）太阳能组件串联数Ns

光伏电池阵列——由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。

串联组件数量＝直观理解：Ns=UR/UOCUR——光伏电池方阵输出最小电压UOC——光伏电池组件的最佳工作电压计算公式：=(Uf+UD+UC)/UOC

Uf——蓄电池浮充电压;UD——二极管压降,一般取0.7V;UC——其它因数引起的压降。电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关,应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数

五、光伏发电装置工程设计举例2、光伏电池阵列设计（2）太阳能组件并联数NP

直观理解：并联的组件数量＝先了解几个相关量的计算方法①将光伏电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H（日辐射量参见表4-5）：

H=Ht×2.778／10000h式中：2.778／10000（h·m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。五、光伏发电装置工程设计举例2、光伏电池阵列设计（2）太阳能组件并联数NP

先了解几个相关量的计算方法②光伏电池组件日发电量Qp：

Qp=Ioc×H×Kop×Cz(Ah)式中：Ioc为光伏电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数（参照表4-5）；

Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。五、光伏发电装置工程设计举例2、光伏电池阵列设计（2）太阳能组件并联数NP

先了解几个相关量的计算方法③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw（一般取30天），此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：

Bcb=K×QL×NL(Ah)K——安全系数，一般取1.1-1.4。QL——负载日均耗电量。

NL——最长连续阴雨天数。

五、光伏发电装置工程设计举例2、光伏电池阵列设计（2）太阳能组件并联数NP

直观理解：并联的组件数量＝④光伏电池组件并联数Np的计算方法为：

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）含义：并联的光伏电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。(3)光伏电池方阵的功率计算根据光伏电池组件的串并联数，即可得出所需光伏电池方阵的功率P：P=Po×Ns×Np（W）Po——光伏电池组件的额定功率五、光伏发电装置工程设计举例3、太阳能发电系统（例题）广州某地面卫星接收站为例，负载电压为