太阳能光伏技术与工程应用

太阳能光伏技术与工程应用（一）文章来源中国幕墙工程网 作者沈志春 日期2009-05-13 170209文章概括 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 提 要 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 关键词 太阳能 太阳能电池方阵 蓄电池 控制器 逆变器1 太阳能资源特点 1.1 储量的“无限性” 太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.61023kW，其中到达地球的能量高达 81013kW，相当于 6109t 标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约 1.8921013 千亿 t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍〔2〕。太阳的寿命至少尚有 40 亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。 1.2 存在的普遍性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。1.3 利用的清洁性 太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。1.4 利用的经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 如果说 20 世纪是石油世纪的话，那么 21 世纪则是可再生能源的世纪，太阳能的世纪。2 二十一世纪世纪太阳能利用发展趋势近 30 年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到下世纪中叶，可在生能源在世界能源结构中将占到 50以上。2002 年全世界并没有因为美国太阳能行业的收缩而放慢发展速度，相反象日本、欧洲等国家却是加快发展的一年；中国太阳电池项目在这一年一下子增加了许多，如上海航天科技、武汉、深圳等，中国太阳能产业的生产能力也在这一年得到了发展壮大。以现有的基础来看，单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池仍是我国目前产业化发展的主要产品。在过去的 100 年间，人们对各种太阳能利用方式进行了广泛的探索，逐步明确了发展方向，初步得到一些利用。70 年代以后，世界各国加大了对太阳能研究开发的投入，太阳能热水、太阳能建筑、太阳能光伏发电等利用项目发展速度加快，规模逐渐扩大。但从总体而言，目前太阳能利用的规模还不大，技术尚不完善，商品化程度较低，需要继续努力。21 世纪是人类大规模利用太阳能的世纪，这是不以任何人的意志为转移的历史发展必然结果。 3 太阳能电池发电原理与特性3.1 太阳能电池发电原理太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象.能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅，形成 P-N 结。如下图所示。用文字图描述如下当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是光子能量转换成电能的过程。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。光伏电源系统的组成a） 直流负载系统b） 交流负载系统.3.2 太阳电池基本性质a） 光电转换效率 η％评估太阳电池好坏的重要因素。 目前实验室 η≈24％，产业化η≈15％。 b）单体电池电压 V0.4V---0.6V 由材料物理特性决定。 c）填充因子 FF％评估太阳电池负载能力的重要因素。几何意义用 I-V 曲线图来表示阴影部分为负载面积，填充因子的数学表达形式FFIm*Vm/Isc*Voc其中Isc--短路电流, Voc--开路电压, Im--最佳工作电流, Vm--最佳工作电压; d）标准光强与环境温度 地面AM1.5 光谱,1000W/m2,t25℃; e）温度对电池性质的影响 。 例如在标准状况下，AM1.5 光强， t25℃ 某电池板输出功率测得为 100Wp，如果电池温度升高至 45℃时，则电池板输出功率就不到 100Wp.3.3 太阳光强度与波长的关系太阳能热利用时一般与波长关系不大，但作为太阳能电池，属于量子领域的能量变换技术，即光子的获能就与波长有很大关系。例如，太阳能电池是由硅材料（或其它材料）制成，受光后产生的能量与电子的最小振动值有关，即决定于振动值的波长大小。过分大的波长将不能进行能量交换；太短的波长只能转换为热能，因此太阳能的光伏变换与波长之间存在一个感度特性，我们称之为光感度特性。不同材料有不同的感度特性，例如，单晶硅太阳能电池就优于多晶硅，但要取得理想光感度特性是不太容易的。有关资料显示，紫外线所占比例只有 8，但波长短，电子振动值高，产生能量大；而红外线占全部能量的46，可转化热能，故又称热线。4 太阳能电池的种类与特点4.1 太阳能电池电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。4.2 太阳能电池的分类太阳能电池主要包括块（片）状、薄膜状。块（片）状分单晶硅、多晶硅、其它。薄膜状分非晶硅、化合物、其它。4.3 多晶硅及其他光电转换材料以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池效率在 11 一 15％之间；多晶硅电池效率在 10 一 14％之间；非晶体电池效率在 4 一 6％之间。单晶硅材料制造要经过如下过程石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。硅主要以 siO2 形式存在于石英和砂子中。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉CdTe和铜铟硒CuInSe2被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。 4.4 非晶硅太阳电池非晶硅薄膜太阳能电池是指用非晶硅材料及其合金制造的太阳能电池，也称为无定形硅（简称 a 一 Si）薄膜太阳电池，非晶硅薄膜太阳能电池已成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。无定形材料第一次在光电子器件领域崭露头角是在 1950 年。除无定形硅外，还有无定形硒（a 一 Se）和无定形三硫化锑（a 一 SbS3）。在 80 年代中期，世界上太阳电他的总销售量中非晶硅占有 40％，出现非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。4.5 多晶薄膜与薄膜太阳电池最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电池的工艺路线，即发展薄膜太阳电他的技术。作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳电池，其中包括非晶硅薄膜太阳电池，硒铟铜和碲化镉薄膜电池，多晶硅薄膜太阳电池。在这几种薄膜电池中，最成熟的产品当数非晶硅薄膜太阳电池，其主要优点是成本低，制备方便，但也存在严重的缺点，即非晶硅电池的不稳定性，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，另外非晶硅薄膜太阳电池的效率也较低。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳电池。多晶硅薄膜太阳电池的研究概况多晶硅薄膜太阳电池的研究重点有两个方面，其一是电池衬底的选择，其二是制备电池的工艺和方法，但无论是哪一方面的研究都应满足制备多晶硅薄膜电池的一些基本要求（１）低成本 （材料和工艺）（２）高效率（３）易于产业化对于衬底的选择必须满足以下一些条件（１）低成本（２）导电（或绝缘，依结构设计而定）（３）热膨胀系数与硅匹配（４）非毒性（５）有一定机械强度比较合适的衬底材料为一些硅或铝的的化合物，如SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3，SiAlON，Al 等，从目前的文献看有以下一些衬底（１）单晶硅（２）多晶硅（３）石墨包 SiC（４）SiSiC（５）玻璃碳（６）SiO2 膜目前，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种（１）化学气相沉积法（ＣＶＤ法）（２）等离子体增强化学气相沉积法（ＰＥＣＶＤ法）（３）液相外延法（ＬＰＥ）（４）等离子体溅射沉积法总之，多晶硅薄膜太阳电池已成为目前世界上光伏领域中最活跃的研究方向，人们期待研究工作获得突破，以大大降低太阳电池的成本，为解决能源和环境问题作出贡献。5 太阳能发电系统的结构与设计5.1 地面太阳电池发电系统 太阳电池发电系统（又称光伏发电系统），按其使用场所不同，可分为空间应用和地面应用两大类。在地面可以作为独立的电源使用，也可以与风力发电机或柴油机等组成混合发电系统，还可以与电网联接，向电网输送电力。目前应用比较广泛的光伏发电系统主要是作为地面独立电源使用。 通常的独立光伏发电系统主要由太阳电池方阵、蓄电池、控制器以及阻塞二极管组成，其作用分别如下 太阳电池方阵 方阵的作用是将太阳辐射能直接转换成电能，供给负载使用。一般由若干太阳电池组件按一定方式连接，再配上适当的支架及接线盒组成。 蓄电池组 蓄电池组是太阳电池方阵的贮能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能贮存起来，在晚间或阴雨天供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环，白天方阵给蓄电池充电，（同时方阵还要给负载用电），晚上则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、使用寿命要长、深放电能力要强、充电效率要高、少维护或免维护、工作温度范围要宽，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。控制器 在不同类型的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能多少及复杂程度差别很大，需根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在简单的太阳电池，蓄电池系统中，控制器的作用是保护蓄电池，避免过充，过放。若光伏电站并网供电，控制器则需要有自动监测、控制、调节、转换、保护设备、故障诊断定位等多种功能。如果负载用的是交流电，则在负载和蓄电池间还应配备逆变器，逆变器的作用就是将方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220 伏交流电，供给负载使用。阻塞二极管 也称作为反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为 0.60.8；肖特基或锗管 0.3V 左右。最大功率点跟踪器（MPPT）太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，太阳能电池的端电压将发生变化，使输出功率也发生很大变化，即最大功率点位置也将变化，也就是说，太阳能电池（光伏阵列）在不同日照强度下输出最大功率点位置并不固定，故太阳能电池本身是一种极不稳定的电源。为了能在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，就必须要解决太阳能电池阵列的最大功率点跟踪问题。MPPT控制通常有七种不同形式，（1）功率扰动观察法（2）增量电导法（3）滞环比较法（4）最佳工作电压法（5）最大功率跟踪的模糊控制（6）应用人工神经网络法（7）基于 dP/de的最大功率控制。由于光伏阵列的开路电压 Uoc、最大功率点电压 U，受温度的影响较大，Um 一旦设定，冬、夏会有较大偏离，这将会无谓地损失相当一部分能量，因此人们采用了自动寻优的概念，实时地测量光伏阵列的输出功率，进行比较后，自动地寻找到最大功率点。不断地寻找，不断地调整，不断地再寻找，如此周而复始，系统一直处于微机的调整之中。这种“MPPT”可以自动适应冬、夏较大的温差而毋需人工干预，十分有利于提高系统的全年效率。5.2 光伏发电系统中逆变电源的原理逆变电源将直流电转化为交流电，功率晶体管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替开通得到交流电力，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。对大容量的逆变电源，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、小容量的逆变电源中，由于直流电压较低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必须设计升压电路。5.3 光伏发电系统对逆变电源的要求采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变电源四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高（１）要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。（２）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，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，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，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， 如１２Ｖ蓄电池，其端电压可在１０Ｖ～１６Ｖ之间变化，这就要求逆变电源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外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。（5）具有一定的过载能力，一般能过载 125150。当过载 150时，应能持续 30 秒；当过载 125时，应能持续60 秒及以上。5.4 光伏发电系统联网逆变器的功能联网逆变器是联网光伏发电系统的核心部件和技术关键。联网逆变器与独立逆变器不同之处是，它不仅可将太阳能电池方阵发出的直流电转化为交流电，并且还可对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制。它需具有如下功能。（1）自动开关 根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。（2）最大功率点跟踪（MPPT）控制 对跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生的输出电压与电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。（3）防止单独运行 系统所在地发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地供电的可能，这种情况叫做单独运转。在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于保安检查人员是危险的，因此要设置防止单独运行功能。（4）自动电压调整 在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，有可能超过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，运转过程中要能够自动防止电压上升。（5）异常情况排解与停止运行。当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时查出异常，安全加以排解，并控制逆变器停止运转。5.5 逆变电源主电路功率器件的选择逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（ＢＪＴ），功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ），绝缘栅晶体管（ＩＧＢＴ）和可关断晶闸管（ＧＴＯ）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为ＭＯＳＦＥＴ，因为ＭＯＳＦＥＴ具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用ＩＧＢＴ模块，这是因为ＭＯＳＦＥＴ随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系统中，一般均采用ＧＴＯ作为功率元件。逆变电源有许多技术指标额定容量；额定功率；输出功率因数；逆变效率；额定输入电压、电流；额定输出电压、电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；总谐波畸变率；畸变因数；峰值子数。光伏并网逆变器产品选型指南单相户用型交流额定输出1500W SEE-1523000W SEE-3025000W SEE-502三相商用型交流额定输出 10kW SEE-10320kW SEE-20330kW SEE-303工业发电用交流额定输出50-150kW SEE-GEN5.6 独立光伏电源系统设计方法独立光伏电源系统的设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间 隔天数）。这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视，因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立光伏电源系统，由于没有应急的其他电源保护 备用，所以应该将此问题纳入设计中一起考虑。5.6.1 计算公式及相关设计方法在独立光伏电源系统的设计中应引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。5.6.2 影响设计的诸多因素太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。太阳能电池方阵的光电转换效率，受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能，5.6.3 蓄电池组容量设计太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变 化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。（1）蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免 维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要 经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。一般情况下，外并联的只最好不超过 3 只。（2）蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以 补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载 用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此，蓄电池的容量 BC 计算公式为BCAQLNLTO／CCAh 1式中A 为安全系数，取 1.1～1.4 之间；QL 为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL 为最长连续阴雨天数；TO 为温度修正系数，一般在 0℃以上取 1，－10℃以上取 1.1，－10℃以下取 1.2；CC 为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取 0.75，碱性镍镉蓄电池取 0.85。5.6.4 太阳能电池方阵设计（1）太阳能电池组件串联数 Ns太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电 压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的 浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。计算方法如下NsUR/Uoc（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）式中UR 为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc 为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf 为蓄电池浮充电压；UD 为二极管压降，一般取 0.7V；UC 为其它因数引起的压降。表 1 我国主要城市的辐射参数表 城市 纬度 Φ 日辐射量 Ht 最佳倾角 Φop 斜面日辐射量 修正系数 Kop 中华太阳能哈尔滨 45.68 12703 Φ＋3 15838 1.1400 21 长春 43.90 13572 Φ＋1 17127 1.1548 wm 沈阳 41.77 13793 Φ＋1 16563 1.0671 21 北京 39.80 15261 Φ＋4 18035 1.0976 2 n天津 39.10 14356 Φ＋5 16722 1.0692 ww 呼和浩特 40.78 16574 Φ＋3 20075 1.1468 2 太原 37.78 15061 Φ＋5 17394 1.1005 2 m乌鲁木齐 43.78 14464 Φ＋12 16594 1.0092 西宁 36.75 16777 Φ＋1 19617 1.1360 兰州 36.05 14966 Φ＋8 15842 0.9489 2 银川 38.48 16553 Φ＋2 19615 1.1559 西安 34.30 12781 Φ＋14 12952 0.9275 上海 31.17 12760 Φ＋3 13691 0.9900 2 南京 32.00 13099 Φ＋5 14207 1.0249 m 合肥 31.85 12525 Φ＋9 13299 0.9988 2 n杭州 30.23 11668 Φ＋3 12372 0.9362 南昌 28.67 13094 Φ＋2 13714 0.8640 能 福州 26.08 12001 Φ＋4 12451 0.8978 wm 济南 36.68 14043 Φ＋6 15994 1.0630 2 郑州 34.72 13332 Φ＋7 14558 1.0476 2n 武汉 30.63 13201 Φ＋7 13707 0.9036 21c长沙 28.20 11377 Φ＋6 11589 0.8028 21t广州 23.13 12110 Φ－7 12702 0.8850 21t海口 20.03 13835 Φ＋12 13510 0.8761 wwt南宁 22.82 12515 Φ＋5 12734 0.8231 www成都 30.67 10392 Φ＋2 10304 0.7553 21n贵阳 26.58 10327 Φ＋8 10235 0.8135 www昆明 25.02 14194 Φ－8 15333 0.9216 21t拉萨 29.70 21301 Φ－8 24151 1.0964 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。（2）太阳能电池组件并联数 Np在确定 NP 之前，我们先确定其相关量的计算方法。①将太阳能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 1）HHt2.778／10000h（3）式中2.778／10000（hm2/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。②太阳能电池组件日发电量 QpQpIocHKopCzAh 4式中Ioc 为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop 为斜面修正系数（参照表 1）；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。③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 Nw，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BcbAQLNLAh 5④太阳能电池组件并联数 Np 的计算方法为Np（Bcb＋NwQL）/（QpNw）6式（6）的表达意为并联的太阳能电池组组数，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太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率PPPoNsNpW（7）式中Po 为太阳能电池组件的额定功率。5.6.5 太阳能电池阵列太阳能光伏发电系统的第一个入口点是太阳能电池。由一片单晶硅构成的太阳能电池称为单体（电池片）；多个太阳能电池单体组成的构件称为太阳能模块（光伏组件）；多个太阳能电池模块即模块群构成的大型装置称为太阳能电池阵列（光伏方阵）。阵列有公共的输出端，可直接接向负荷。如图 1。（1） 太阳能电池标准模块太阳能电池以模块形式出现是一种最基本的形式，单个模块可以是数瓦到 200 瓦，多种规格可供选用。（2） AC 模块最近又出现了一种新型的太阳能电池 AC 模块，其特点是内藏逆变器，可以输出交流电功率，有的甚至还含有控制器功能，能随着日照强度的变化保持较高的变换效率。这样虽然增加了逆变器的成本，但对提高年发电量更有利。据说这是今后模块发展的方向。（3） 太阳能电池标准模块太阳能电池阵列是根据负荷需要将若干个模块通过串联或并联进行连接，得到规定的输出电压和电流，从而使用户获取电力。5.7 光伏建筑一体化 BIPV 的设计5.7.1 设计原则光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此，BIPV 设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的 BIPV 设计都是不合格的设计。5.7.2 建筑设计BIPV 的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用 BIPV 的先决条件；其次是考虑建筑物的周边环境条 件，即选用 BIPV 的建筑部分接受太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮档，也不必考虑选用BIPV；第三是与建筑物的外装饰的协调，光伏组件给建筑设计带 来了新的挑战与机遇，画龙点睛的 BIPV 设计会使建筑更富生机，环保绿色的设计理念更能体现建筑与自然的结合。第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。5.7.3 发电系统设计BIPV 的发电系统设计与光伏电站的系统设计不同，光伏电站一般是根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统，BIPV 则是根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率并配套系统。BIPV 光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果，如颜色与板块大小；另一方面要考虑其受光条件，如朝向与倾角。光伏组件设计，涉入电 池片的选型（综合考虑外观色彩与发电量）与布置（结合板块大小、功率要求、电池片大小进行）；组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。光伏发电系统的设 计，即系统类型（并网系统或独立系统）确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。5.7.4 结构安全性与构造设计光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受风压变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定不是安装空调式的简单固定，而是需对连接件固定点进行相应的结构计 算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在 50 年以上，光伏组件的使用寿命也在 20 年以上，BIPV 的结构安全性问题不可小视。构造设计是关系到光伏组件工作状况与使用寿命的因素，普通组件的边框构造与固定方式相对单一。与建筑结合时，其工作环境与条件有变化，其构造也需要与建筑相结合。5.8 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统的组成，根据联网光伏系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为可逆流与不可逆流联网光伏发电系统。可逆流系统，是指光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于是同电网的供电方向相反，所以称为逆流；当光伏系统产生电力不够时，则由电网供电。这种系统，一般是为光伏系统的发电能力大于负载或发电时间同负荷用电时间不相匹配而设计的。不可逆流系统，是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量，电量不够时由电网供电，即光伏发电系统与电网形成并联向负荷供电。这种系统，即使当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能，也只能通过某种手段加以处理或放弃。由于不会出现光伏系统向电网输电的情况，所以称为不可逆流系统。根据联网光伏系统是否配贮能装置，分为有贮能装置和无贮能装置联网光伏发电系统。配置少量蓄电池的系统，称为有贮能系统。不配置蓄电池的系统，称为无贮能系统。有贮能系统主动性强，当出现电网限电、掉电、停电等情况时仍可正常供电。5.9 光伏电站设计实例（一）光伏子系统设计光伏子系统包括光伏组件、基础、支撑结构、内部电气化连接、防护设施、接地等。1． 负载日功耗 QL（W.h）计算1 主要依据某工程合同要求建设 1 座光伏电池组件装机容量为 25KW 的独立光伏电站；已知当地年总辐射量为 6782.3MJ/m2.2 计算公式为 QLPKOPHL/ 5618A365 P25KW HL6782.3MJ/m2式中 A安全系数,取 1.2；KOP最佳辐射系数，取 1.1；HL水平面上太阳总辐射量，KJ/m2；P光伏电池功率，KW。于是有 QL25KW1.16782.3MJ/m2/ 56181.236575.8 KW.h2. 光伏电池组件设计1光伏电池组件总功率为 25KW。选用德国西门子公司生产的 140W 单晶硅太阳能电池组件。其主要技术参数为额定峰值