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太阳能光伏发电系统组建专业 11 级光电信息工程学号 111202010123 姓名彭建成绩引言太阳能是资源最丰富的可再生能源。具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐及能源与环境的协调发展。人类对太阳能的早期利用主要是光和热。光伏发电技术的出现为太阳能利用开辟了广阔的领域。上世纪 90年代以来，太阳能光伏发电的发展很快，已广泛用于航天、通讯、交通，以及偏远地区居民生活等领域。太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将光能转换成的电能贮存起来，以便夜晚和阴雨天使用；或者通过逆变器将直流电转换成交流电后与电网相连，向电网供电。1 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电技术主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换逆变器、充电器、控制系统、储能系统、并网技术等领域，本文主要就太阳能并网电站涉及的主要技术进行综述。1.1 太阳能电池方阵太阳光照在半导体 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。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。1.1.1 光热电转换方式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。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。1.1.2 光电直接转换方式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太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光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光能变成电能，产生电流。简单的说就是在有光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生 “光生电压” ，这就是“光生伏打效应” 。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，如同一个能量转换器。1.1.3 太阳能电池技术发展太阳能电池技术是太阳能发电技术的主要组成部分。太阳能电池主要有以下几种类型单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。各类型电池主要性能如表 1。表 1.各类电池主要性能表种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点晶硅电池单晶硅 14-17 23 效率高，技术成熟原料成本高多晶硅 13-15 20.3 效率高，技术成熟原料成本较高非晶硅 5-8 13 弱光效应好，成本相对较低转化率较低薄膜电池碲化镉 5-8 15.8 弱光效应好，成本相对较低有毒污染环境铜铟硒 5-8 15.3 弱光效应好，成本相对较低稀有金属晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点。1.2 控制器太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能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。太阳能控制器采用高速 CPU微处理器和高精度 A/D 模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得 PV站的工作信息，又可详细积累 PV站的历史数据，为评估 PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。控制器对整个系统实施过程控制，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，控制器还应具备温度补偿的功能。1.3 逆变器由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是将直流电转换成交流电的必不可少的设备。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电；并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统；正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器是一种电源转换装置，太阳能逆变器的作用是将太阳能电池产生的DC电压转换成为电网兼容的 AC输出。太阳能发电系统对逆变器的主要要求是可靠、效率高、波形畸变小、功率因数高。在可靠性和可恢复性方面，要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能。1.3.1 太阳能逆变方式现在世界上比较通行的太阳能逆变方式为集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变，现将几种逆变器运用的场合加以分析。1.集中逆变集中逆变一般用与大型光伏发电站（ 10kW）的系统中，很多并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的 IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用 DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。最大特点是系统的功率高，成本低。但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率和电产能。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。2.组串逆变组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器。组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（ 1kW-5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网。许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点。与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。3.多组串逆变多组串逆变是取了集中逆变和组串逆变的优点，避免了其缺点，可应用于几千瓦的光伏发电站。在多组串逆变器中，包含了不同的单独的功率峰值跟踪和直流到直流的转换器，这些直流通过一个普通的直流到交流的逆变器转换成交流电，并网到电网上。光伏组串的不同额定值、不同的尺寸或不同技术的光伏组件、不同方向的组串（如东、南和西）、不同的倾角或遮影，都可以被连在一个共同的逆变器上，同时每一组串都工作在它们各自的最大功率峰值上。4.组件逆变器组件逆变器是将每个光伏组件与一个逆变器相连，同时每个组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样组件与逆变器的配合更好。通常用于 50W到 400W的光伏发电站，总效率低于组串逆变器。由于是在交流处并联，这就增加了交流侧的连线的复杂性，维护困难。另一需要解决的是怎样更有效的与电网并网，简单的办法是直接通过普通的交流电插座进行并网，这样就可以减少成本和设备的安装，但往往各地的电网的安全标准也许不允许这样做，电力公司有可能反对发电装置直接和普通家庭用户的普通插座相连。1.3.2 逆变器性能分析太阳能逆变器的效率指的是逆变器把直流电转换为交流电的效率，在逆变器输出效率方面，由于现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率小于 15，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，则十分可惜，这样势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加太阳能发电设备的投资和土建费用。所以，要求逆变器效率要大于 90％。大功率逆变器在满载时，效率必须在 90％或 95％以上，中小功率的逆变器在满载时，效率必须在 85％或 90％以上。对于逆变器输出波形，为使光伏阵列所产生的直流电源逆变后向公共电网并网供电，就必须对逆变器的输出电压波形、幅值及相位等与公共电网一致，实现向电网无扰动平滑供电，输出电流波形良好，波形畸变以及频率波动低于门槛值。2 太阳能光伏发电系统的分类目前，太阳能光伏发电系统大致可分为两类离网光伏蓄电系统与光伏并网发电系统。2.1 离网光伏蓄电系统太阳能离网发电系统包括1、太阳能控制器光伏控制器和风光互补控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。太阳能离网发电系统主要产品分类 A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆变器 F、风力 /光伏发电控制与逆变器一体化电源。离网光伏蓄电系统是一种常见的太阳能应用方式，系统简单，适应性广，但因其蓄电池的体积偏大和维护困难，限制了使用范围，其系统结构示意图如图 1。图 1.离网光伏蓄电系统示意图2.2 光伏并网发电系统可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。太阳能并网发电系统主要产品分类 A、光伏并网逆变器 B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器（双馈变流器，全功率变流器）。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。在背靠电网的前提下，光伏并网发电系统省掉了蓄电池，从而扩展了使用的范围，提高了灵活性，并降低了造价，其系统结构示意图如图 2。交流负载逆变器蓄电池组控制器直流负载光伏组件图 2.光伏并网发电系统示意图总结太阳能发电有着广泛的发展前景。太阳辐射地球表面的能量约为 17万亿千瓦，相当于目前全世界一年能源总消耗量的 3.5 万倍。太阳能光伏发电在不久的将来会占据世界能源消费的重要席位，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。根据预测 2030 年太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到 10％以上； 2040 年太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上； 21 世纪末太阳能发电将占 60％以上，显示出重要战略地位。世界各国都纷纷把阳光能源作为重要的战略能源之一，光伏发电将逐渐发展为一种替代能源。光伏发电的并网开发应用是目前世界上大规模利用光伏发电的必然选择。同时，智能电网的建设和发展，将有效地促进分布式可再生能源发电的发展，为太阳能光伏发电并网带来美好前景。光伏组件控制及逆变W2 负载W1 电网