光伏发电系统设计

毕业设计(论文)光伏发电系统设计二〇一三年五月二十四日第1章绪论1.1光伏发电的背景及意义 目前传统的化石能源正在不停的消耗，对地球环境造成的破坏日益严重，而且全球还有三分之一的人无法得到足够的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了新能源和可再生能源，希望新能源和可再生能源可以改变人类的能源消费结构，保障人类的可持续发展。而太阳能凭借其特有的优势得到人们的重视。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳辐射能每秒钟到达地球表面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转化效率为5%，每年发电量可达5.6*1012千瓦小时，相当于世界上每年能消耗量的40倍。

1.1.1世界能源结构和发展新能源的背景自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益凸现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据《BP世界能源统计2012》的统计数据，全球能源消费仍然侧重于化石燃料，而化石燃料在能源消费中的份额高达87%。可再生能源的份额继续有所提高，但目前仅占全球能源消费量的2%。截至2011年底，世界石油探明储量约为1.6526万亿桶，仅足以满足54.2年的全球生产需求；全球天然气探明储量足以保证63.6年的生产需求；世界煤炭探明储量足以满足112年的全球生产需求。而我国截至2011年底，石油剩余技术可采储量32.4亿吨，天然气4.02万亿立方米，煤炭查明资源储量1.38万亿吨。我国的能源资源储量情况危机逼人，探明可开发能源总储量约占世界总量的十分之一，却要保证世界五分之一人口能源需求。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30%以上。西班牙2003年风力发电装机占到全部装机总量的24%，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全部装机总量的3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。“大力调整能源结构是我国转变能源发展方式的主攻方向。”国家能源局局长张国宝说，我国已向国际社会承诺，到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。为此，到“十二五”末，我国非化石能源在一次能源消费中的比重要争取达到11.4%。按照国家能源局的思路，未来5年，我国将在保护生态和做好移民工作的前提下积极发展水电，在确保安全的基础上高效发展核电，积极发展风电，稳定发展太阳能，开发利用生物质能和地热能。未来5年，太阳能产业有望成为我国新兴能源支柱产业。下阶段，国家将通过继续推广利用太阳能热水器、稳步启动国内光伏发电市场、加强行业规划和准入管理等措施，努力将其培养成我国先进的装备制造产业和新兴能源支柱产业。到2015年，我国太阳能热利用面积将达到4亿平方米。1.1.2太阳能与光伏发电太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天消费的能源。在目前的几种新能源当中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无穷的潜力。目前太阳能利用的方式主要有：太阳能光伏发电、太阳能光热利用、太阳能光化利用和太阳能光生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各国均投入巨资竞相研究开发，积极推进其产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。太阳能光伏发电是利用太阳能光伏电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式。太阳能光伏电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能光伏电池单元进行串、并联可以做成太阳能光伏电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能光伏电池组件能作为电源使用的最小单元，可以将太阳能光伏电池组件进行进一步的串、并联，构成太阳能光伏电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。光伏发电系统之所以能够发展如此快速，是因为它具有一系列特有的优势，主要可归纳如下：发电原理具有先进性：即直接从光子到电子转换，没有中间过程(如热能-机械能、机械能-电磁能转换等)和机械运动，发电形式极为简洁。因此，从理论上分析，可得到极高的发电效率，最高可达80％以上。通过努力，光伏电池转换效率达到30％～50％是可以实现的。2.太阳能资源的无限和分布特性：太阳能辐射取之不尽、用之不竭，可再生并且无污染；阳光普照大地，无处不在，无需运输，最重要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能。

3.没有资源短缺和耗尽问题：光伏电池所用的主要硅材料储量丰富，硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素，达到26％之多。

4.光伏发电无污染：没有燃烧过程，不排放温室气体和其他废气，不排放废水，环境友好，做到真正的绿色发电。

5.没有机械旋转部件：光伏发电系统不存在机械磨损，无噪声。

6.建造和拆卸特性：光伏发电系统采用模块化结构易于建造安装、拆卸迁移，规模大小随意，而且易于随时扩大发电容量。

7.使用性能和寿命问题：经数十年应用实践证明：光伏发电性能稳定、可靠，使用寿命长(25年以上)。

8.维护管理问题：光伏发电系统可实现无人值守，维护成本低。1.2光伏发电国内外研究现状与发展趋势近年来太阳能光伏发电发展十分迅速，从1998年至今，全球范围内光伏发电新装容量年增长率为43%，而最近5年，增速更进一步提高到56%。全球光伏发电累计安装总量2007年是8.1GW，2008年12GW，2009年18GW，而2011年全球光伏发电总装机量达67GW，较2010年底的40GW增长70%。从上述情况可以看出太阳能光伏发电的产业规模正在一步步的扩大，并且有很多组织企业还在源源不断的投身于光伏发电产业。美国非营利、非政府组织(Pew)的报告显示，全球绿色能源产业在2012年获得了总额达2690亿美元投资，其中太阳能以1260亿美元的总规模成为最受投资者欢迎的品种。在按国家、地区划分后可以发现，投资者对中国清洁能源市场的投资总额为651亿美元，约占据当年全球投资总额的四分之一。新能源发展规划出台后，未来十年我国新能源投资将达5万亿元。“十二五”期间，全国商品化可再生能源占全部能源消费总量的比重要达到9.5%以上。目前，各国都加大了对太阳能的投资，并且制订了相应目标。如下表1-1：表1-1各国光伏发展目标国家光伏发展目标美国2012年发电量中新能源占到10%，2025年达到25%，2020年光伏总装机300GW德国2011年光伏装机容量24.8GW,2015年光伏装机容量达到50GW西班牙到2010年可再生能源支持能源需求的12.1%和发电量的30.3%法国2010年可再生能源占到能源消费的10%，2020年至少达到20%；2020年光伏装机容量达到5.4GW日本2010年可再生能源提供发电量的1.35%；2010年光伏装机容量4.82GW，2020年达到28GW，2030年达到56GW韩国2012年光伏装机容量1.3GW，2030年达到81.3GW印度2020年前光伏装机容量达到20GW，2030年和2050年前光伏装机容量分别达到100GW和200GW光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要地位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，光伏发电将占到60%以上。这些数字足以显示出光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，理论储量达每年1.7万亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布如下图1-1所示，青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或较丰富的地区。图1-1全国太阳年辐射总量的分布图根据《可再生能源发展“十二五”规划》，“十二五”时期，可再生能源新增发电装机1.6亿千瓦，其中常规水电6100万千瓦，风电7000万千瓦，太阳能发电2100万千瓦，生物质发电750万千瓦，到2015年可再生能源发电量争取达到总发电量的20%以上。其中光伏电站装机1000万千瓦，太阳能热发电装机100万千瓦，并网和离网的分布式光伏发电系统安装容量达到1000万千瓦。太阳能热利用累计集热面积达到4亿平方米。到2020年，太阳能发电装机达到5000万千瓦，太阳能热利用累计集热面积达到8亿平方米。在快速增长的国际市场的带动下，我国已形成了具有国际竞争力的太阳能光伏发电制造产业，2007年中国光伏电池的产量己经超越了美国、日本和欧洲成为了世界第一,2010年光伏电池产量占到全球光伏电池市场的50%。在光伏电池制造技术方面，我国已达到世界先进水平。光伏电池效率不断提高，晶硅组件效率达到15%以上，非晶硅组件效率超过8%，多晶硅等上游材料的制约得到缓解，基本形成了完整的光伏发电制造产业链。在大型光伏电站特许权招标、“太阳能屋顶计划”和“金太阳示范工程”推动下，国内太阳能光伏发电市场开始启动，规模化应用的格局正在形成，2012年全国新增光伏装机量约为4.5GW，同比增长66%。目前中国的太阳能光伏发电市场正山生产型转向消费型。光伏市场产能过剩，供需失衡，多晶硅价格下滑，行业整体利润下降。近年我国光伏电池产业规模不断扩大。2008年我国光伏电池产量达2GW，占全球产量的36.7%；2009年突破4GW，占全球总产量的40%；2010年约8GW，占全球产量的50%，居世界首位；2011年达到20GW，约占全球产量的65%；2012年，光伏电池组件出货量约23GW，但产值同比将大幅下降。与快速增长的产能相比，市场需求增量则相形见绌。欧洲光伏产业协会(EPIA)秘书长透露，现在全球光伏产能是60GW，而整体需求只有30GW，中间的鸿沟非常大，产能过剩很严重。为了推动我国太阳能光伏产业健康良性的发展并缓解太阳能光伏电池企业因产能过剩产生的压力，国家能源局正在研究如何规模化、产业化发展国内的光伏发电市场。初期将在政策上给予优惠，致力于启动几十万千瓦的光伏电站项目作为加快我国新能源产业发展、提高我国太阳能光伏产业稳定发展的一项重要举措。1.3论文主要研究内容本课题项目名称为光伏发电系统设计。目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。降低光伏系统发电的成本，这是当今世界范围内研究的一个课题。增加光伏发电的经济吸引力必须选择以下一种或多种途径：1.提高光伏电池转换效率；2.降低制造电池、组件和辅助设备的成本，同时降低安装费用；3.设计高效、可靠的系统，以降低每单位功率输出的费用及提高使用寿命。本论文基于第三个途径，针对一种光伏发电系统，主要研究内容包括作如下几个方面：第1章绪论。主要介绍课题的来源、背景与意义以及国内外太阳能光伏发电系统的现状与发展，同时对论文主要研究内容进行说明。第2章光伏发电系统及相关概念。主要介绍和讨论光伏发电系统的组成和光伏发电系统的分类，包括离网、并网及混合型光伏发电系统。同时对光伏发电系统的结构进行探讨，包括光伏电池的工作原理，光伏阵列的构成及其特性，最大功率点跟踪，交直流逆变器。第3章离网光伏发电系统的设计及分析。本章将对10kW光伏离网发电系统进行设计、选型、安装，介绍和讨论离网光伏发电系统的组成和分类，包括光伏电池的选型、充放电控制器的设计选型和蓄电池设计选型，同时将对离网逆变部分的进行分析选型。第4章并网光伏发电系统的设计及分析。本章介绍和讨论离网光伏发电系统的组成和分类，将对并网逆变部分和孤岛检测技术进行分析，包括光伏并网逆变器的分类、输出电流的控制方式、并网逆变器的模型以及相关参数的选取。第5章结束语。对全文进行总结，同时对论文的后续研究进展做出展望，供后续研究者参考。

第2章光伏发电系统的结构及工作原理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。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。2.1光伏发电系统的组成光伏发电系统是利用光伏电池的光生伏特效应，将太阳的辐射能转换为电能直接供用户使用或将电能并入公共电网的发电系统。光伏发电系统的主要组成部件包括：光伏电池、蓄电池、逆变器、控制器等。图2-1光伏发电系统的组成光伏电池：光伏电池将辐射能转换成电能，是系统最有价值的组成部件。单块光伏电池的容量较小，可以通过适当的串、并联组成光伏电池阵列，提高光伏电池的输出电流和输出电压。目前技术相对成熟，应用也较广泛的光伏电池是以硅作为主要材料的单晶、多晶和非晶硅光伏电池，其中晶硅电池的生产技术和工艺最成熟，已实现大规模产业化生产。蓄电池：光伏发电受到光照条件的影响较大，只能在有光照的条件下发电，这与用户的用电要求是不符的，因此需要配置蓄电池。利用蓄电池将光伏电池在阳光充足时发出的多余的电能储存起来，供阴雨天或夜晚使用。具体过程为：在光照充足时，光伏发电系统除了给负载供电外，还对蓄电池进行充电，将电能转换为化学能储存起来；在光照不足或无光照时，将利用蓄电池中储存的能量来弥补光伏电池输出能量的不足，保证负载的正常工作。逆变器：逆变器是通过控制功率开关管的开通和关断，将直流电转换为交流电的一种电力电子变换装置。由于光伏电池输出的是直流电，因此如果要为交流负载供电，就需要配置逆变器。随着并网型光伏发电系统的推广和应用，并网型光伏逆变器的研制成为热点。并网型光伏逆变器不仅具有最大功率跟踪和将直流电转变为交流电的功能，还具有自动并网和孤岛检测等功能。控制器：控制器是对光伏发电系统进行管理和控制的设备，是整个系统的核心。根据系统的要求及重要程度的不同，控制器的功能多少及复杂程度相差很大。根据要求的不同，控制器可以具备以下功能：蓄电池充放电控制、设备保护、工作状态显示、最大功率跟踪、孤岛检测、低电压穿越等。控制器的功能并不是越多越好，否则会增加系统的研发费用，降低系统的可靠性，因此要根据实际情况合理配置系统的功能。2.1.2光伏发电系统的分类目前光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏发电系统，并网光伏发电系统及前两者混合系统。1.离网光伏发电系统。这是一种常见的太阳能应用方式，由光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载提供电能或通过逆变器给交流负载提供电能的一种新型电源。目前已经广泛应用于环境恶劣的高原、海岛、偏远山区及野外作业，也可作为通讯基站、广告灯箱、路灯等供电电源。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，一般为小型光伏系统。图2-2离网光伏发电系统结构并网光伏发电系统。并网光伏发电系统是由光伏电池阵列、控制器、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。并网光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。当用电负荷较大时，光伏电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。图2-3并网光伏发电系统结构混合型光伏发电系统。混合型光伏发电系统是在系统中增加一台备用发电机组，当光伏发电不足或者是蓄电池储存的能量不足时，就启用发电机。它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流后给蓄电池补充能量。在混合系统中还可以由其他可再生能源发电技术构成备用发电源，最常见的是风光互补发电系统。图2-4混合型光伏发电系统结构2.1.3光伏发电原理太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，光伏电池的工作原理。光伏发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。1.光-热-电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。2.光-电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是光伏电池。光伏电池是一种由于光生伏特效应而将太阳辐射能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的辐射能变成电能，产生电流。2.2光伏电池的工作原理2.2.1光伏电池原理及分类在光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是光伏电池单体。光伏电池单体实际上是一个P-N结，P-N结在光照下会产生电动势，这种效应称为光生伏特效应，如下图2-5所示。当PN结处于平衡状态时，P-N结处有一个耗尽层，耗尽层中存在着势垒电场，电场方向由N区指向P区。当P-N结受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下，空穴向P区移动，电子向N区移动，从而P区就有过剩的空穴，N区就有过剩的电子，这样便在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。若在光伏电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有光生电流流过，从而获得功率输出。由上可知，光伏电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程：

1.光伏电池单体吸收光子，在P-N结两侧产生称为“光生载流子”的电子空穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电；

2.在光伏电池单体P-N结光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区；

3.到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到N区，空穴被分离到P区；

4.被势垒电场分离的电子和空穴分别被光伏电池单体的正、负极收集，若在光伏电池单体正、负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能。图2-5光生伏特效应原理光伏电池多为半导体材料制造，种类繁多，形式各样，下面按照光伏电池的材料进行分类介绍：

1.硅光伏电池：指以硅为基体材料的光伏电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为18%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为20.4%，工业规模生产的转换效率为16%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。2.化合物半导体光伏电池：指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的光伏电池，如碲化镉光伏电池、砷化镓光伏电池、硒铟铜光伏电池、磷化铟光伏电池等。化合物半导体光伏电池具有转换效率高，抗辐射性好，可在聚光条件下使用等特点，但碲化镉光伏电池带有毒性，易对环境造成污染，一般用于特定场合，如空间飞行器和航空系统。

3.有机半导体光伏电池：指用含有一定数量的碳-碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的光伏电池。该种电池虽然转换率低，但价格便宜、轻便、易于大规模制造。

4.薄膜光伏电池：指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的光伏电池。目前主要有非晶硅薄膜光伏电池、多晶硅薄膜光伏电池、化合物半导体薄膜光伏电池、纳米薄膜光伏电池和微晶硅薄膜光伏电池等。其特点是转换效率相对较高、成本降低(尤其是大大降低了晶体硅类光伏电池的硅材料用量)、且适合规模生产，因此薄膜光伏电池是未来光伏电池的一个重要发展方向。2.2.2光伏电池输出特性1.标准测试条件下光伏电池的输出特性光伏电池的输出特性是指光伏电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，常简称为I-F特性。由于日照强度、电池温度等都会影响光伏电池的输出特性，因此需要定义标准测试条件用于地面测试光伏电池性能。我国应用的准测试条件定义为日照强度为1000W/㎡，光伏电池温度为25℃，太阳辐射光谱为AMI.5。一般的光伏电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数。当光伏电池输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，光伏电池近似为一恒流源，当光伏电池输出电压超过一定的临界值时，光伏电池输出电流急剧下降，光伏电池可近似为一恒压源。光伏电池的输出特性是非线性的，既非恒流源也非恒压源(在最大功率点左侧为近似恒流源段，在最大功率点右侧为近似恒压源段)，且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。

2.温度和日照强度对光伏电池输出特性的影响光伏电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关，图2-6分别为不同日照光强和不同电池温度时，光伏电池的输出特性曲线。当温度一定时，光伏电池短路电流Isc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比，光伏电池开路电压U0随日照强度的增加稍有增加；当日照强度一定时，电池温度升高，光伏电池开路电压U0降低，而光伏电池的短路电流Isc几乎没有变化。图2-6光伏电池的I-V特性曲线2.3光伏阵列的构成及其特性单体光伏电池又称为光伏电池片，是光伏电池的最基本单元。在使用光伏电池供电时，光伏电池片容量较小，输出电压较小、输出功率也只有1W左右，不能满足负载用电的需要，通常不直接使用。因此需要将几十或几百片的单体电池根据负载需要，经过串并联构成组合体，再将组合体通过一定的工艺流程封装在盒子里，引出正负引线，方可使用。封装前的组合体称之为光伏电池模块组件，封装后的薄膜盒子称之为光伏电池组合板。若干个光伏电池板根据负载容量大小要求，再串并联组合成较大的实际供电装置，称之为光伏阵列。光伏发电系统则根据实际需要，将若干个光伏组件排列组成光伏方阵，排列形式主要有串联和并联两种形式。在将光伏电池组件进行串并联组装方阵时，应参考光伏电池串并联所需注意的原则：1.串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；2.并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路串接阻塞二极管（防反冲二极管）；3.尽量考虑组件互连接线最短的原则；4.要严格防止个别性能坏的光伏电池组件混入光伏电池方阵。2.3.1.容量设计光伏电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求，设计的主要原则就是满足平均天气条件下负载的每日用电需求。考虑到天气条件可能会有低于或高于平均值的情况对光伏系统输出的影响，所以要保证光伏阵列的设计和蓄电池的设计在各种天气条件下可以协调工作。光伏电池组件设计的基本方法是用负载平均每天所需要的能量除以一块电池组件在一天中可以产生的能量，这样就可以算出系统需要并联的光伏电池组件数量，使这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以光伏电池组件的标称电压，就可以得到光伏电池组件所需要串联的光伏电池件数，使用这些光伏电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。然而在实际情况中，光伏电池组件的输出会受到环境的影响而降低，光伏系统的运行还依赖天气状况，因此设计上应留有一定的余量将使得系统可以长期正常使用。另外，在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说光伏电池组件产生的电流中将有一部分不能转化而是耗散掉。因此在保守设计中有必要根据实际应用情况将光伏电池组件的功率增加，以抵消蓄电池的耗散损失。2.3.2方阵最佳倾角设计光伏阵列的安装形式通常有两种：固定形式和非固定形式。非固定形式可改变光伏阵列的方位角和倾角以跟踪太阳，但它在获得最大辐射能的同时也增加了系统运行的耗能，因此经济效益不能一概而论。本文主要讨论固定式光伏阵列，并解决其倾角的设计问题。地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角αs为太阳高度角。太阳高度角的计算公式为：（2.1）式中，δ为太阳赤纬角；Ф为地理纬度；ω为太阳时角。光伏阵列倾角的大小将直接影响光伏阵列接受到的太阳辐射量的多少，倾角不同，各个月份方阵面上接收到的太阳辐射量差别很大，同时也影响光伏系统与蓄电池的总体成本及系统效率。因此，确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。一些文献中指出方阵倾角等于当地纬度为最佳。然而这样做却造成夏天发电量过剩而浪费，冬天发电量不足而使蓄电池欠充。为使光伏方阵最大限度的获得太阳辐射能量，其安装的最佳倾角β应满足在正午时的太阳光垂直射入光伏阵列面上。此时可以得到：（2.2）可以利用式（2.1）计算任意时刻的太阳高度角αs。对于正午12点的时候，太阳时角ω=0,则式（2.1）可简化为：（2.3）对于北回归线以北的地区，即Ф>δ有（2.4）代入式（2.2）有（2.5）由上式中可知，要想获得理想状况的光伏方阵倾角，就必须使方阵随着太阳赤纬（±23o27’之间）的变化而变化。但是依照这种方式安装支架对材料和技术的要求都非常高。因此，我们在没有条件的情况下选择固定安装形式。对于系统均匀或近似均匀的光伏系统，可以采用光伏阵列使用时段的平均值来计算合理安装倾角。在北半球，主要在冬季使用的光伏阵列通常在12月获得最大辐射量，安装倾角为地理纬度减11o；主要在夏季使用的光伏阵列通常在6月获得最大辐射量，安装倾角为地理纬度加11o；对于在全年使用的系统，由于北半球地区随着太阳直射点的北移，日照时间也随之增大，所以采用地理纬度作为安装倾角的方法势必会造成光伏系统使用的不平衡。因此，对其量化处理，引入一个量化参数，即辐射累积偏差δ是很有必要的。其数学表达式为：（2.6）为倾角为β的倾斜面上各月平均太阳辐射量；为该斜面上年平均太阳辐射量；M(i)为第i月的天数。δ的大小反映了全年辐射的均匀性，由此可见，δ越小辐射均匀性越好。对于非均匀负载的光伏系统，由于各月用电量有较大变化，必须比较各月辐射量与负载需求的关系。如果各月光伏电池的发电量刚好满足该月的负载需求，这种情况比较理想。倘若两者不相吻合，为得到最佳倾角，可取两者差别最小的倾角为最佳倾角。对于并网光伏电池系统，应该使光伏电池方阵全年接收到的太阳辐射最大为最佳。按照这种方法计算得出南宁地区的最佳安装倾角为27o。2.4最大功率点跟踪控制2.4.1最大功率点跟踪控制的原理光伏发电存在的问题是光伏阵列的输出特性受外界环境影响大，电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。并且，由于目前光伏阵列的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大。并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受日照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(maximumpowerpoint，MPP)。因此，在光伏发电系统中，为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求，在现在的光伏发电系统中，通常要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。这一过程就称之为最大功率点跟踪控制（maximumpowerpointtracking，MPPT）。因此，要解决此问题可在光伏阵列与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏阵列始终能够输出其最大功率，以提高太阳能的利用率。在最大功率点跟踪系统中，确定一个好的算法是其中的关键。2.4.2最大功率点跟踪方法及分类现有的几种最大功率点跟踪控制方法人们最早对MPPT技术的研究是将多个光伏电池按不同的并联和串联的排列方式组合起来，在特定的外界环境和负载的情况下，通过改变光伏电池的排列方式，可以达到较大功率的输出。随后出现定电最大功率点跟踪的算法有很多种，常用的有：恒压跟踪法、功率回授法、扰动观察法、电导增量法、直线近似法、实际测量法等；另外还有近年来新兴的模糊逻辑控制方法等等。下面主要针对恒压跟踪法、扰动观察法和电导增量法进行简单的介绍和比较。恒电压跟踪方法虽然光伏阵列的最大功率点功率随着光照强度的增强而增大。但最大功率点电压基本变化不大。因此，只要通过光伏阵列生产商提供的光伏阵列的特性数据或者通过实际测量就可以得到近似最大功率点电压U0。系统只需将光伏阵列的输出电压固定在U0上。就可以使光伏阵列以近似最大功率输出。这样就将最大功率点跟踪控制简化成稳压控制，光伏阵列的工作点比较稳定，实现方法简单，系统稳定可靠。但是这种方法忽略了温度对光伏阵列工作特性的形响。当温度上升时，光伏阵列的最大功率点电压下降，并且变化较大。如果仍然采用固定电压法控制。光伏阵列的输出功率将损失较大。无法充分发挥作用，效率下降。因此，在冬夏、早晚等温度变化较大时。采用固定电压控制并不合适，此时，可以通过以下方法根据实际情况改变Um：（1）根据冬夏、早晚的实际情况，手工调整Um。由于需要人工维护，费时费力，因此较少采用。（2）将光伏阵列在不同温度下对应的Um。存储在系统的存储器内。根据温度传感器测量得到的温度相应的将光伏阵列输出电压固定在此温度下对应的Um。（3）根据光伏阵列的最大功率点电压与开路电压之间存在近似的比例关系这一特性改变Um。2.电导增量法电导增量法是根据光伏电池P-U曲线为一条一阶连续可导的单峰值曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对P=UI求全导数，可得，(2.7)两边同除以dU，可得，(2.8)令=0，得，(2.9)式(2.9)即为获得光伏电池最大功率点所需满足的条件。该法是通过输出电导的变化量和瞬时负电导值的大小相比较来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析：(1)设当前的光伏电池的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有>0，即>-，说明参考电压应向着增大的方向变化。(2)同理，假设当前的光伏电池工作点位于最大功率点的右侧时，此时有<0，<-，说明参考电压应向着减小的方向变化。(3)假设当前光伏电池的工作点位于最大功率点处(附近)，此时有=O，则参考电压将保持不变，即光伏电池己工作在最大功率点上。因此，电导的增量可以判断是否己经达到最大功率点，然后在该点处停止对工作点的扰动，从而避免了在最大功率点左右振荡，且能做到快速跟踪。如果条件(3)不成立，MPPT工作点扰动方向可以通过和-的关系来计算。实现该方法的软件算法可用图2-7所示流程图描述。其中，U(K)和I(K)分别为第K个采样点的光伏输出电压和电流，光伏电池输出改变时存在两种情况：(1)光伏输出电压和电流关系在同一条特性曲线上变动，此时电压和电流均发生变化；(2)光伏输出电压和电流关系变到另一条特性曲线上，光伏输出电压(或电流)有可能不变而只是电流(或电压)发生变化。独立运行光伏发电系统的研究因此首先用U(K)-U(K-1)来判断，若其值等于零，则表示输出特性不变或者己转到另一条特性曲线上，此时由于电压保持不变，故只需检测电流变化即可判断功率变化方向。电流不变表示系统输出特性不变，此时维持占空比不变；电流增加表示系统工作点朝最大功率点方向移动，此时应增加占空比以使得电流进一步增加；否则若电流降低则减小占空比。当U(K)-U(K-1)不等于零时，则可以利用上面的三个条件来判断工作点落在最大功率点的右侧还是左侧，然后对占空比的值做相应调整。理论上这种方法比扰动观察法好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的比值大小，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高，但是由于其中I和U的值很小，这样就要求传感器的精度要求很高，实现起来相对比较困难。图2-7增量电导法流程图增量电导法的优点是当环境条件发生变化时，能够快速跟踪其变化，且电压摆动较扰动观察法小；缺点是算法较复杂，且在用数字方法实现时，对最大功率点的判断容易出现误差。扰动观察法的最大优点在于其原理清晰，实现简单，被测参数少，且不需要知道光伏电池的特性曲线。其缺点是如果搜索步长V太小，则搜索速度过慢，反之，则容易引起振荡；并且当外界条件发生变化时，不能快速跟踪。需要改进之处：（1）提高跟踪精度及速度，减小功率损失。这与初始值及跟踪步长的设定有很大关系；（2）防止误判。所谓的误判，即当日照强度增加时，导致扰动后的功率值大于扰动前的功率值，从而也使扰动方向继续朝同一方向扰动。3.扰动观察法扰动观察法，由于实现简单，且需要测量的参数较少，所以它被普遍地应用在光伏电池的最大功率点跟踪上。其工作原理为测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较当前的功率与改变前的功率即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续原扰动方向，如果减小则改变原扰动方向。图2-8说明了这个动态过程，假设工作点在U1处，光伏电池输出功率为P1，如果使工作点移到U2=U1+ΔU，光伏电池输出功率为P2，然后比较当前功率P2与记忆功率P1。因为P2>P1，说明输入信号差ΔU使输出功率变大，工作点位于最大功率值Pm的左边，继续增大电压，使工作点继续朝右边即Pm的方向变化。如果工作点已越过Pm到达认此时若再增加ΔU，则工作点到达U5，比较结果：P5>P4，说明工作点在Pm右边，需要改变输入信号的变化方向，即输入信号每次减去ΔU，再比较现时功率与记忆功率，就这样周而复始地寻找最大功率点Pm。图2-8扰动观察法跟踪情况示意图扰动法存在以下优点：1.模块化控制回路；2.跟踪方法简单，实现容易；3.对传感器精度要求不高。但也有缺点：1.只能在光伏电池阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；2.跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾；3.在特定情况下会出现判断错误情况。图2-9为扰动法实现最大功率跟踪的软件流程图。图2-9扰动观察法流程图扰动观察法结构简单、被测参数少，而电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好。但是这两种方法都存在着一个共同的缺点，即步长固定，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区；如果步长过大，就会导致系统振荡加剧。总结上述三种MPPT控制方法的优缺点如下表2-1：表2-1三种MPPT控制方法的优缺点MPPT控制方法优点缺点恒电压跟踪方法控制最简单忽略了环境条件的影响，不是真正的最大功率点跟踪增量电导法通过判断式减小了振荡步长和阀值的选择有一定的难度，对器件要求高扰动观察法结构简单、被测参数少，容易实现，研究广，改进优化方法多系统在最大功率点附近会产生振荡，步长选择影响跟踪速度，环境变化可能造成误判2.5DC/DC变换器DC/DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压。通过对开关管导通或关断时间长短的控制，控制从电源端到负载端传送的能量。其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC/DC转换电路可以分多种，从工作方式的角度可分为：升压式(Boost)、降压式(Buck)、升降压式(Buck-Boost)、库克式(Cuk)。以Buck变换器为例，如图2-9所示，通过在功率开关管的控制端施加周期一定，占空比可调的驱动信号，使其工作在开关状态。对于Buck变换电路，其输出电压平均值V0总是小于输入电压Vin。图2-10为在开关T关断时给负载中的电感电流提供通道，图中设置了续流二极管D。图2-10Buck变换器结构当开关T导通时，如图2-11所示，电源Vin，向负载供电，电流流经电感L一部分向电容充电，另一部分流向负载，此时电路输出电压为VO。图2-11T导通，D截止等效电路当开关T关断时，如图2-12所示，电感释放能量使续流二极管D导通，在此阶段，电感L把前一段的能量向负载释放，使输出电压极性不变且比较平直。滤波电容C使输出电压的纹波进一步减小。显然，功率管在一个周期内导通时间越长，传递的能量越多，输出电压越高。图2-12D导通，T截止等效电路Buck变换器有两种可能的运行工况：电感电流连续模式和电感电流断流模式。电感电流连续是指输出电流在整个开关周期中都存在。电感电流断流是指在开关T阻断后的一段时间内输出电感的电流已经降为零。Buck变换器适合用于光伏阵列输出端电压高而蓄电池电压低的情况，当电路工作于稳态时，输出电压平均值为（2-9）式中，D为占空比，可表示为可见，0<D<1。对于Buck变换器，有可得即(2-10)由式(2-10)可知，Buck变换器具有变换阻抗的作用，通过调节占空比D，可以达到光伏电池与负载之间的阻抗匹配，使光伏电池工作在最大功率点上或附近。2.6控制器控制器在运行系统中是一个非常重要的部件，它不但控制、协调整个系统的正常运行，而且实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。总的来说，控制器的主要作用有如下几个方面：1.调节光伏电池的功率输出特性，保证光伏电池、蓄电池向负载可靠供电及光伏电能的充分利用；2.让蓄电池在允许的限制范围内按照系统设计者规定的模式工作，特别是要防止过度充电和深度放电；3.当蓄电池出现故障时，可以自动切换，启动备用蓄电池（若有），以保证负载正常用电；4.当负载发生短路时，可以自动断开负载；5.保证系统中各种参数必要的计算、检测和显示。2.7逆变器逆变器的概念：通常，把直流电能变换成交流电能的过程称为为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变器。

逆变器的分类：目前常用的逆变器，按频率可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为50～60Hz的逆变器；中频逆变器的频率一般为400Hz到十几kHz；高频逆变器的频率一般为十几kHz到MHz。按输出的相数可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。按照逆变器输出电能的去向可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。按逆变器输出电压或电流的波形可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。按供电源分可分为在线式和非在线式。一般把具有市电输入的称为UPS，即uninterruptiblepowersupply。它在有市电输入时负载使用市电作为供电电源，并对电池充电；在没有市时UPS马上切换到逆变状态由蓄电池提供电源向负载供电。光伏发电系统对逆变器的要求：1.要求具有较高的效率。由于目前光伏电池的价格偏高，为了最大限度地利用光伏电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。目前国外的无变压器式逆变器效率能做到95%以上，但那要求直流端的电路足够高，即直流高的电压至少不低于输出的交流电整流以后的电压，而且价格昂贵。而目前国内带变压器的工频逆变器效率一般在80%左右，高频的则可达到90%左右。而且功率较大时逆变器输出效率容易提高，当功率小时相对同一类型的逆变器则效率会低一点。2.要求具有较高的可靠性。在边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。3.要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于光伏电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对光伏电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4.在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12V、24V，就必须设计升压电路。中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵。随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20kHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在300V以上）再通过工频逆变电路实现逆变。采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性相对低一点。

第3章离网光伏发电系统离网型光伏发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。系统一般由光伏电池组件组成的光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载和交流负载等构成。光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。3.1离网光伏发电系统的结构根据应用场合不同，光伏发电系统一般可分为离网光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统。如下图3-1所示，离网光伏发电系统主要包括光伏电池板、充电器、蓄电池、控制器、直流升压电路、逆变器和太阳自动跟踪器等。图3-1离网光伏发电系统结构1.光伏电池组件是光伏发电系统中的主要部分，也是光伏发电系统中价值最高的部件，其作用是将太阳的辐射能量转换为直流电能。2.光伏充放电控制器其作用是对光伏电池组件所发的电能进行调节和控制，最大限度地对蓄电池进行充电，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，光伏控制器应具备温度补偿的功能。3.蓄电池组其主要任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。并网光伏电站，可以利用电网作为储能系统，而独立运行的离网光伏电站主要是依靠蓄电池来储存多余的电能。铅酸蓄电池是目前光伏发电系统中最常用的储能单元。4.离网型逆变器离网发电系统的核心部件，负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。为了提高光伏发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，逆变器的性能指标非常重要。光照强时，光伏电池的低压直流电直接提供给直流升压电路，并通过充电器给蓄电池充电储能。光照弱时，光伏电池输出功率达不到光伏发电的要求，这时，作为储能装置的蓄电池就为直流升压电路提供低压直流电，保证了独立光伏发电系统的连续性和稳定性。直流升压电路把低压直流电升高到330V高压直流电，然后通过逆变器就可以得到SOH成20V交流电。输出交流电压和电流通过检测电路反馈给控制器，控制器可以实现闭环控制。太阳自动跟踪系统使光伏电池板跟随太阳运动而转动，充分利用了太阳能，提高光伏发电系统的发电量。3.2蓄电池工作原理及充放电控制储能是光伏发电系统中的重要部分，尤其当光伏系统作为离网系统运行时，储能环节更是不可缺少的组成部分。地面可获得的太阳光辐射量是不断变化的，一天中从早到晚都在不断的变化之中，而且一年四季中不同月份的太阳光辐射量也是不同的，天气的变化更是对它有直接影响。太阳光辐射量强度的变化必然引起直流发电系统输出电能的变化，而且这种变化同负载的用电需要没有必然联系，使得光伏电站的发电和用电无法匹配。并网光伏电站，可以利用电网作为储能系统，而独立运行的离网光伏电站主要是依靠蓄电池来储存多余的电能。铅酸蓄电池是目前光伏发电系统中最常用的储能单元。重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。在早期光伏发电系统中，一般使用开口式铅酸蓄电池作为储能装置，但开口式铅酸蓄电池有需要加酸加水维护，酸液易污染环境等缺点，不利于无人值守使用及环保。近些年来，阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蚀设备污染环境，备受欢迎，在我国电信、电力、铁路等行业得到广泛使用。现在的光伏系统用蓄电池，几乎全部为VRLA蓄电池。VRLA蓄电池的主要作用有两点：（1）在晚上或多云及光伏阵列产能和负载用电不一致等情况下，蓄电池能够存储多余能量或给负载提供能量；（2）由于太阳能电池组件的工作特性受太阳辐照度、温度等影响很大，负载常常不能处在最理想工作点附近。蓄电池对光伏电池的工作电压具有钳位作用，能够保证负载处在最理想工作点附近。在独立运行离网光伏发电系统中，白天日照量大，方阵除了供给负载用电外，还要给蓄电池充电；晚上无日照时，这部分储存的电能逐步放出，负载用电全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。3.3离网光伏发电系统的利用离网光伏电站为发展偏远地区基础设施和改善人们生活质量发挥着积极有效的作用。主要用于偏远山区包括边远地区的村庄供电系统，光伏户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。鉴于我国边远山区多、海岛多的特点，独立运行的离网光伏发电系统仍然有着广大的市场。因此，研制高密度、低成本、长寿命、无污染的储能系统，减少发电系统对自然条件的依赖性，提高光伏发电系统供电的稳定性，是深入普及光伏发电技术，进一步开拓市场的重大课题。1.户用光伏发电系统户用系统主要指为住户自身供电的小型光伏发电系统。白天，发电系统对蓄电池进行充电；晚间，发电系统对蓄电池所存的电能进行逆变放电，实现对住户负载的供电。户用光伏系统的选用容量一般在几十到几百瓦，主要用于照明和小型家电。户用系统也有用在对外无人设备的供电方面，如通信塔、广播差转台、灯塔等。如对供电能力和稳定性要求较高，同时对供电要求较大的独立户用系统，一般需要在直流母线上挂有蓄电池来稳定供电电压，同时兼作晚间和阴雨天气间的供电。一般来说，户用光伏系统容量相对较小，其应用技术也相对简单，用途多为单一的简单目的，其供电可靠性、稳定性要求相对不高。户用光伏发电系统不仅解决了部分无电人口的供电问题，又解决了边远地区的通讯问题，促进了贫困地区脱贫致富，促进当地经济和生态环境的协调发展。2.离网光伏电站离网光伏电站也称为独立光伏电站。在负载需求量相对较大的无电村镇、海岛，并且在几十公里范围内用户相对集中的无电区域适宜建立离网光伏电站。目前光伏电站容量规模在几千瓦到几百千瓦。电站由光伏电池板、蓄电池、变换器、配电和输电系统构成。设计离网电站时，考虑蓄电池的合理使用是很重要的一个环节，尤其对于夜间用电或白天存在用电高比率的电动机类负荷。由于离网电站需要同时供给多个负荷的用电，各负荷用电与蓄电池间的能量分配需要合理规划与管理。3.风光互补发电风力发电和光伏发电都受自然条件、天气限制，带有一定的局限性，但它们之间存在一定的互补性。一般来说，白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行，夜间光伏系统停止发电。而我国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，因此两者发电正好构成一定的互补关系。另一方面，风力由于其能量密度相对较高，发电功率可以做得大，现在风力发电机组的容量可达兆瓦级。风力发电单位装机容量的建设成本比光伏发电低许多，但其发电稳定性比光伏发电要差。从稳定性考虑，风能是不稳定的能源，如果没有储能或与其他发电装置互补运行，风力发电本身很难提供稳定的电能输出。为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的作法是采用风光一体化发电。按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最佳的经济目标，同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。当风光互补系统的资源、设备、运行模式、供电能量调度与管理、负载等进行合理设计与匹配后，发电系统得以优化，基本上可以依赖风力和光伏发电，而不需要其他发电机进行补偿。3.410kW户用光伏发电系统设计安装户用离网光伏发电系统主要由光伏电池方阵、充放电控制器、蓄电池、逆变器等部分，连接示意图如下图3-2所示。图3-2离网型光伏发电系统3.4.1光伏电池1.光伏电池选择光伏电池是直接将太阳能转换为电能的关键部位。国际国内主要商品化生产的光伏电池分别为单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池。其性能比较如下表3-1所示：表3-1常用光伏电池比较表种类电池类型实验效率商业效率优点缺点晶硅电池单晶硅24.7%18.5%~19.5%效率高,技术成熟成本高多晶硅20.4%17%~18%效率较高,技术成熟成本较高薄膜电池非晶硅12.8%8%~11%弱光效应好,成本相对较低转化率相对较低碲化镉18.7%8%~10%弱光效应好,成本相对较低有毒,污染环境硒铟铜20.3%8%~10%弱光效应好,成本相对较低稀有金属综合光伏电池组件转换效率、技术水平、生产工艺成熟度、市场占有率等因素,对于小型光伏电站,在目前条件下优先选用规格为240Wp单晶硅光伏电池组件是合理的,将有助于提高工程经济效益,利于工程安全、可靠运行。本设计选用HSM-240W单晶光伏电池板，组件测试条件：辐射度1000W/㎡,组件温度25℃，AMI.5，性能参数如下表3-2所示：表3-2HSM-240W单晶光伏电池板性能参数功率240Wp电池片单晶125mm*125mm开路电压58.40V电池片数量96pcs工作电压47.05V产品尺寸1602*1061*50mm短路电流5.56A重量20kg工作电流5.10A光伏电池标称工作温度45℃±2℃系统耐压1000V工作温度-40℃~+90℃2.光伏电池板的连接方式设计共选取45块光伏电池板，分5组，每组9块。接一个逆变器，逆变器容量为2KW，具体连接方式如下表3-3所示:表3-3光伏电池板的连接方式光伏板型号逆变器型号每路串接电池板数量逆变器输入路数总功率（W）HSM-240WSN48V-2000W95108003.光伏阵列的倾角因光伏电池方阵的发电量与其接收的太阳辐射能成正比，所以方阵的安装方位和光伏阵列的倾角非常重要，将光伏电池板放在能直面太阳，不受建筑物的阴影遮挡的地方。本设计的方位为正南方设计。根据计算和南宁地区的纬度，设计倾角27o。光伏电池支架采用混凝土标桩、槽钢底框、角钢支架，支架倾角30o，采用钢架支撑，底部采用镀锌槽钢固定。4.光伏阵列设计需要考虑的问题光伏阵列的寿命几乎不取决于光伏电池板本身，而是与组件的封装包括连接引线及接插件的质量等有极大关系。所以设计中对以下各方面的情况都要加以考虑：(1).各阵列的导线均由PVC导线管保护。(2).方阵的支架和基础设计牢固，能经受邯郸地区最大风力的考验。(3).考虑到季节和日夜温差变化，在电池组件安装时，要精心安装调整。不让玻璃受过大的应力(例如安装时紧固螺钉，要加橡胶垫且松紧适度等)，避免玻璃的损坏。(4).为便于分路控制，光伏电池方阵分为多个支路接入直流控制部分，同时各个支路分别接有断路器。(5).为防止人身误接触光伏电池板方阵产生的高电压大电流。整个光伏电池板方阵进行可靠的接地。(6).光伏电池板设在屋顶，应做防雷措施，设计选用避雷针作为防直击雷装置。5.接地系统接地装置的材料一般为抗腐蚀能力较强的扁钢或圆钢，其冲击接地电阻一般不大于10Ω。如果安装光伏发电系统建筑物有接地装置，光伏发电系统的各类设备的金属组件可以按合适的方式(S或M型方式)连接到建筑物的接地装置上；如果该建筑物无接地装置，应增设独立接地装置，使以上各类金属组件都连接到此接地装置上。3.4.2逆变器逆变器按照输出波形可分为方波逆变器、修正正弦波逆变器、正弦波逆变器、组合式三相逆变器。本设计采用正弦波逆变器，正弦波逆变器的优点是纯正弦波输出，带负载能力强，应用范围广；使用单片机智能控制，具有高可靠性、低故障率的特点；工作噪音小，效率高；此外具有完善的保护功能（过负载保护、内部过温保护、输出短路保护、输入欠压保护、输入过压保护等），大大提高产品的可靠性等优点。缺点是线路相对复杂、对维修技术要求高、价格比较昂贵。根据需要选用48V/2000W的正弦波逆变器KD-2000S1台。其性能参数如下表3-4所示：表3-4正弦波逆变器KD-2000S性能参数型号KD-2000S输入直流电压48V直流电压范围42-60VDC空载电流<0.5效率>85%输出输出电压100/110/120VACor220/230/240VAC额定功率2000W瞬间功率4000W输出波形正弦波输出频率50Hzor60Hz波形失真3%保护低压报警44VDC±1V低压关断42VDC±1V过载输出关闭过压61.2V过热输出自动关闭环境工作温度10℃~+50℃之间包装机器尺寸416*165*85（mm)净重4.3kg其他启动软启动冷却方式风扇冷却3.4.3蓄电池光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：自放电率低；使用寿命长；深放电能力强：充电效率高；少维护或免维护；工作温度范围宽：价格低廉。目前我国与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是免维护铅酸蓄电池。最重要的原因就是维护简单。蓄电池的容量选择与很多因素有关，主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。本设计选用HB12V-100AhT铅酸蓄电池。假设该光伏系统交流负载的耗电量为10kWh/天，如果在该光伏系统中，我们选择使用的逆变器的效率为85%，输入电压为48V，那么可得所需的直流负载需求为462.96Ah/天。(10000Wh/0.85/48V=245.1Ah)。我们假设这是一个负载对电源要求并不是很严格的系统，使用者可以比较灵活的根据天气情况调整用电。我们选择5天的自给天数，并使用深循环电池，放电深度为80%。那么：

蓄电池容量＝5天*245.1Ah/0.8＝1531.86Ah如果选用12V/100Ah的单体蓄电池，那么需要串连的电池数：串联蓄电池数＝48V/12V=4（个）需要并联的蓄电池数：并联蓄电池数＝1531.86/100＝15.31我们取整数为16，所以该系统需要使用12V/100Ah的蓄电池个数为：4串联*16并联=64（个）。3.4.4充放电控制器光伏发电系统的充放电控制器一般应具备如下功能：信号检测、蓄电池最优充电控制、蓄电池放电管理、设备保护、故障诊断定位、运行状态指示等。根据系统要求预选用型号为CMP45-45A的充放电控制器。本控制器特点在于智能调节太阳能发电板的工作电压，使太阳能板始终工作在V-A特性曲线的最大功率点。本控制器除具备以功能外，同时具备完善的控制和保护功能：1、防止蓄电池过度充电。2、防止蓄电池过度放电。3、防止夜间蓄电池向太阳能板反向放电。4、过载保护。5、短路保护。6、电池防反。性能参数如下表3-5所示：表3-5CMP45-45A的充放电控制器性能参数规格CMP45额定电压12V、24V电压自动识别或48V最大负载电流≦45A满电断开13.7V/12V；×2/24V；×4/48V默认值、可设置欠压断开10.5V/12V；×2/24V；×4/48V默认值、可设置开机恢复电压12.6V/12V；×2/24V；×4/48V温度补偿-3mV/cell.空载损耗≦45mA最小接线面积6mm2回路压降＜270mV3.4.5系统经济分析光伏系统发电量计算，光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、蓄电池效率等三部分组成。1.光伏阵列效率η1：光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。逆变器转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取逆变器效率85%计算。3.蓄电池效率η3：即蓄电池放电深度，从光伏阵列输出功率与蓄电池输出功率之比，取蓄电池效率85%计算。4.系统总效率为η总=η1*η2*η3=85%*85%*85%=61%本项目总装机容量为10kWp，南宁地区年平均满功率发电1558小时，则该电站一年可发电1.558万kWh。若考虑光伏发电系统效率为61%，则本系统第一年发电量为1.558*61%=0.9504万kWh。光伏组件产品平均25年寿命，25年总的衰减率为20%，经过计算，该光伏发电系统25年的总发电量为21.384万度。而本系统的成本如下表3-6所示：表3-6小型光伏系统设备成本设备名称光伏电池板逆变器充放电控制器蓄电池型号HSM-240WKD-2000SCMP45-45AHB12V-100AhT数量（个）451164单价（元）190020005001100总计（元）85500200050070400以上设备共计158400元，另外考虑其他辅助设备的添加和系统设计、安装、维护，预计共需17万元左右。据环保专家测算：每节约1度电，就相应节约0.35kg标准煤、4升纯净水，同时减少0.272kg碳粉尘、0.997kgCO2、0.03kgSO2。10kW光伏发电系统使用寿命为25年，可发213840度电，可达到以下环保指标：1、节约标准煤：0.35kg*213840/1000=74.84吨。2、减少碳粉尘：0.272kg*213840/1000=58.16吨。3、减少CO2排放：0.997kg*213840/1000=213.2吨。4、减少SO2排放：0.03kg*213840/1000=6.42吨。5、节约水：4升*213840/1000=855.4吨纯净水。由此可见，光伏电站的推广，将充分推进了可再生能源的开发和利用，体现了节能减排政策的优越性，而且可以彰显我们环保节能新理念，这对我们建设资源节约型、环境友好型城市，实现绿色转型，将有着极为重要的意义。

第4章并网光伏发电系统光伏发电系统目前主要用于无电或者缺电的边远地区，作为独立的电源给家用电器及照明设备供电。随着电力紧张、环境污染等问题的日益严重，与公共电网并网运行的光伏光伏发电系统己显示出越来越强的竞争力。光伏发电的并网运行，将省去离网光伏系统中的储能环节，从而减少了电站的维护。由于蓄电池的寿命较短，而且其冲放电效率非常低。因此，省去蓄电池后，发电系统寿命可与光伏电池的寿命相当，并且系统整体效率可以达到大幅度地提高。而且省去蓄电池后，对于家庭住宅而言，配备光伏发电系统，可以缓和白天电力紧张的局面，提高电网功率因素和降低线路损耗。展望未来，并网运行的光伏光伏发电必将发展成为重要的发电方式之一。4.1并网光伏发电系统的组成并网光伏发电系统组成如图4-1所示，该系统一般由光伏阵列、MPPT控制、DC/DC变换器、逆变器以及控制器组成，其中变换器可将光伏阵列发出的直流电逆变成正弦交流电并入公共电网。控制器主要控制逆变器并网电流的波形、功率以及光伏电池最大功率点的跟踪，以便向电网传送的功率与光伏电池阵列所发的最大功率电能相匹配。图4-1并网光伏发电系统组成并网光伏发电系统是将光伏阵列发出的直流电转化为与公共电网电压同频同相的交流电，因此该系统是既能满足本地负载用电又能向公共电网送电。一般情况下，公共电网系统可看作是容量为无穷大的交流电压源。当并网光伏发电系统中光伏阵列的发电量小于本地负载用电量时，本地负载电力不足部分由公共电网输送供给；当光伏电池阵列的发电量大于本地负载用电量时，光伏系统将多余的电能输送给公共电网，实现并网发电。4.2并网光伏发电系统分类并网光伏发电系统可以按照系统功能分为两类：一种为不含蓄电池环节的不可调度式并网光伏发电系统；另一种为含有蓄电池组的可调度式并网光伏发电系统。系统结构图如4-2所示：1.不可调度式并网光伏发电系统2.可调度式并网光伏发电系统图4-2并网光伏发电系统系统结构可调度式并网光伏发电系统增加了储能环节，系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。可调度式并网系统虽然在表面上看来比不可调度式系统功能齐全，但由于增加了储能环节，带来了很多问题，这是因为：1.由于采用蓄电池作为储能设备，系统必须增加蓄电池的充电装置，这就增加了成本并且降低了系统的可靠性。2.蓄电池组的寿命较短。目前免维修蓄电池在良好环境下的工作寿命通常为5年，而