光伏发电系统(20180724123913)

**************** 学院毕业生综合实践报告（论文）太阳能光伏发电系统学 校 *********** 系 别 ******* 班 级 ****** 姓 名 ****** 学 号 ********* 指导教师 ********** 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 1 页太阳能光伏发电系统摘要太阳能是一种大有前途的新型能源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；光伏发电系统可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，而且还缓解了目前能源危机与环境危机，这是其它电源无法比拟的。关键词太阳能，光伏发电，能源，环境。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 2 页Solar photovoltaic power generation system AbstractSolar energy is a promising new type of energy, with a permanent, clean and flexible three major advantages. Solar battery life, as long as there is sun, solar cells can be an investment and long-term use , compared with thermal power, nuclear power, solar cells will not cause environmental pollution . Photovoltaic power generation system can be both medium and small, medium large million-kilowatt power plant, only a small battery pack with solar, but also ease the current energy crisis and environmental crisis, which is unmatched by other power. Key word Solar energy , photovoltaic power generation , energy , environment. 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 3 页正文我国能源总储量在世界上只是中等水平，这也决定了自我生产的力度很可能会造成个别关键的传统能源的迅速枯竭，石油、天然气人均可采储量仅有世界平均水平的 7.7和 7.1， 储量比较丰富的煤炭只有世界平局水平的 58.5。给我们的资源安全问题造成了巨大的隐患。而且我国的能源利用率只有 33，比国际先进水平低 10左右，这种能源浪费在成都市是相当惊人的。能源利用率低下的主要原因是粗放型经济增长方式、产业结构不合理、工艺技术装备落后、能源管理水平低等。我国还面临着严峻的环境问题。结果显示在全球 144 个国家和地区当中，中国的环境可持续发展指数位居世界的 129位。我法国环境的承受上线确已经达到了极值，能源和环境的承载能力对工业发展的束缚， 造成了我国的工业化几乎成为了对能源的掠夺性利用，对环境的破坏性开发恶性局面。生态环境在一手建设一手破坏中已经脆弱不堪。正是由于现在的能源和环境问题，我国及世界都继续寻找一种清洁型的新能源，太阳能就成为人们关注的一个焦点。太阳能发电也因此迅速发展起来。1 光伏发电简介光伏发电系统 见图 1 是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、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。交流负载光伏逆变器汇流箱 光伏控制器太阳能电池板蓄电池 电网直流负载四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 4 页光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立太阳能光伏发电是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。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵， 在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电 / 太阳能发电互补系统等。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。民用太阳能光伏发电多以家庭为单位，商业用途主要为企业、政府大楼、公共设施、安全设施、夜景美化景观照明系统等的供电，工业用途如太阳能农场。太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和控制系统组成。如输出电源为交流 220V或 110V，还需要配置逆变器。以下简单介绍各部分的作用2 太阳能电池板2.1 太阳能电池板太阳能电池板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。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能光伏电池用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池， 可分为单晶硅、多晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。 多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。2.2 太阳能电池材料1、单晶硅四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 5 页单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。2、多晶硅多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。3、非晶硅单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。2.3 原理光生伏打效应。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。3 光伏汇流箱3.1 汇流箱简介在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连线，而设计出汇流箱，用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱，在光伏汇流箱内汇成一路后，通过直流断路器输出。在光伏发电系统中汇流箱的应用减少了电池阵列与逆变器之间的连线，同时具有防雷、防反接等功能。3.2 汇流箱的发展最初的汇流箱只有汇流，防雷的功能。第二代从之前只有汇流防雷到现在的可以监控。第二代的汇流箱可以监控每一路的电流电压。还可以检测到汇流箱的温度和湿度。现在汇流箱已经发展到第三代。第三代的汇流箱除了具备前面 2 代产品的有点外，还可以汇流箱失效告警，数据采集，无线数据传输。4 光伏控制器4.1 光伏控制器光伏控制器是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 6 页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。光伏控制器采用高速 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。通过使用创新性的最大功率追踪技术，光伏控制器能保证太阳能阵列全天时、全天候的最大效率的工作。可以将光伏组件工作效率提高 30（平均可提高效率为10-25） 。 带温度补偿的三级 I-U 曲线充电控制可以显著地延长蓄电池的寿命。4.2 光伏控制器的功能1、高压（ HVD）断开和恢复功能控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。2、欠压（ LVG）告警和恢复功能当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。3、低压（ LVD）断开和恢复功能这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。4、保护功能① 防止任何负载短路的电路保护。② 防止充电控制器内部短路的电路保护。③ 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。④ 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护⑤ 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。5、温度补偿功能当蓄电池温度低于２５℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。5 蓄电池5.1 蓄电池的基本特性1、放电深度它以电池容量的百分数表示，标定容量可以从电池外壳上或说明书上获得，电池所能承受的放电容量与其结构有关。绝大多数普通电池有电活性的铅合金板，浸没于稀的电解液中，板可分为普兰四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 7 页特式 纯铅 、涂浆极板式和管式。对于不同的应用，可用不同的合金 如铅钙、铅锑合金 和不一样的厚度来制作板，一般来说，电极板越大，则蓄电池所能承受的充放电程度等的性能就越好。电池工作有浅循环和深循环之分。浅循环电池较轻，较便宜，但是如果经常超过规定的放电深度则寿命会大大降低。许多密封式电池 即所谓的免维护电池 就是浅循环电池，一般的浅循环电池的放电量不应超过电池容量的 25％。独立光伏系统中经常使用的电池是深度循环电池，其极板厚度大，可承受的放电量为其标定容量的80％，绝大多数此类电池是电解液电池，也就是说其极板被电解液所覆盖。电解液的液量需要经常检查，并定期加入蒸馏水以保证电极被电解液完全覆盖。对于镉镍电池，虽然其价格昂贵但能在恶劣的环境下工作，且可完全放电而不会损坏，电解液不会冻住，也可以省去系统中的控制器。2、温度校正蓄电池对温度极为敏感，低温的电池比高温的电池提供的电能要少。 一个处于 25℃的电池如果以 C／ 20 的放电速率进行放电 C 为电池标定容量 则可以提供 1OO％的能量 电池的标定能量 。而在-20 ℃时以 C／ 20 速率放电只能提供 75％的能量，如果放电速率升高到 C／ 5，则其只能输出 50％的能量。在同一温度下，放电速率升高则输出能量降低。尽管温度高就可以得到甚至高于额定容量的能量，但是发热温度会减少电池的寿命，所以还是应使蓄电池的工作温度处于室温附近。3、电池额定容量即电池在某一特定温度和放电速率下所能产生的最大能量。当电池用于光伏系统中时，不可能反复达到额定容量，然而额定容量设置了一个基线用以比较电池的性能。需注意的是，如果比较不同电池的额定容量时，需在同一温度下使用相同的放电速度。4、电池寿命电池寿命由许多因素决定，如放电速率、放电深度、循环次数和工作温度等，所以电池寿命很难预测。对于光伏系统来说，很少有铅酸电池的寿命超过 15 年的， 一般是 5～ 10 年。 镍镉电池在相同的条件下可工作更长时间， 在最优化条件下， 可稳定地工作 15 年以四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 8 页上。5.2 蓄电池的选用原则1、按需选择的原则根据自己的需要 , 计算出需要的电池容量与数量。2、安全的选择原则出于安全的原则 , 应该选择有一定品牌的蓄电池厂家 , 选择有技术力量以及服务好的经销代理商。3、性价比选择的原则根据产品的质量 , 有的蓄电池寿命只有 2 年 , 有的蓄电池寿命长达 10 年 , 进行比较选择最适合用户的蓄电池。6 光伏逆变器逆变器又称电源调整器，根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。6.1 光伏逆变器的结构与工作原理逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开 - 关，使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制（ SPWM） ，使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波） 。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。6.2 光伏逆变器的功能逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用） 、自动电压调整功能（并网系统用） 、直流检测功能（并网系统用） 、直四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 9 页流接地检测功能（并网系统用）等。以下简单介绍简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。1、自动运行和停机功能早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行，直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近 0 时，逆变器便形成待机状态。2、最大功率跟踪控制功能太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出， 这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（ MPPT）这一功能。7 光伏发电系统的并网应用并网太阳能光伏系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网并联，共同承担供电任务。太阳能光伏发电进入大规模商业化应用的必由之路，即光伏发电系统与常规发电系统并联发电。7.1 并网运行对光伏发电系统的要求1 负载与日照辩护幅度较大时系统仍可正常运行。2 逆变器具有最大功率跟踪控制，使光伏电池工作在最大功率点。3 电网断电时可以单独供电。4 输出电压与电网电压的偏差旨在允许范围内（三相 7；单相 -107） 。5 光伏系统与电网同步运行时频率偏差值≤ 0.5Hz 6 光伏系统输出电信号的谐波分量小于功率调节器输出的 5 7 并网运行时逆变器向电网馈送的直流分量≤交流额定值的 1 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 10 页7.2 并网应注意的问题1、谐波（ 1）含义从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量；从广义的角度来讲，频率不等于工频频率的成分统统都是谐波。（ 2）谐波处理常用的谐波治理的方法无外乎有三种，无源滤波、有源滤波、无功补偿。下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。2、孤岛效应（ 1）含义孤岛状态的含义可解释为当逆变器并网工作时，因为各种原因导致市电不能给本地负载供电，此时如果没有任何孤岛判断技术，逆变器会持续给本地负载和局部电网负载供电。（ 2）孤岛效应的危害一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括a 危害电力维修人员的生命安全；b 影响配电系统上的保护开关动作程序；c 孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏；d 当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏；e 光伏并网发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。孤岛效应有着诸多危害，为消除孤岛效应已经研制出了一些相关的设备，当检测到孤岛效应时，就会在安全的时间内自动断开与电网的链接，从而有效地避免了孤岛效应带来的诸多危害。7.3 保护要求1、光伏系统与电网接口处电压（ U）波动范围控制，见（表 1）电压（接口处） 最大分闸时间 电压（接口处） 最大分闸时间四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 11 页U＜ 50 0.1s 110＜ U＜ 135 2.0 s 50＜ U＜ 85 0.2 s U＞ 135 0.05 s 85＜ U＜ 110 持续运行表 1 2、接口处频率差超过限定值，频率保护装置应于 0.2s 内断开与电网的连接。3、电网断电或者失压时，为了防止孤岛效应应于 2s 内断开与电网的连接4、 光伏系统与电网之间应设短路保护装置，当电网短路时，逆变器向电网输送的电流应该≤ 1.5 倍的额定值，并于 0.1s 内断开连接。8 结束语光伏产业涵盖了太阳光能转化为电能的一系列过程，而装备是贯穿整个产业链的基础，光伏产业链的每一个环节都离不开相应的生产设备。目前，中国光伏装备产业已具有一定的规模和水平，可为产业的发展提供强有力的支撑。随着国家对新型可再生能源发展的重视，作为产业基础支撑和中国光伏产业竞争利器之一的光伏装备将随着产业的发展而不断发展壮大。依靠中国半导体设备行业数十年来的技术积累，通过和一流光伏电池企业的深度合作，经过连续多年的不懈努力，中国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造设备的整线装备能力。在目前国产设备及进口设备混搭的主流建线方案中，国产设备在数量上已占多数。目前，我国光伏设备企业从硅材料生产、硅片加工到太阳能电池芯片的生产以及相应的纯水制备、环保处理、净化工程的建设，已经初步具备成套供应能力，部分产品如扩散炉、等离子刻蚀机、单晶炉、 多晶铸锭炉等开始少量出口， 可提供 10 种太阳能电池大生产线设备中的 8 种，其中有 6 种（扩散炉、等离子刻蚀机、清洗 /制绒机、石英管清洗机、低温烘干炉）已在国内生产线上占据主导地位， 2 种（管式 PECVD、快速烧结炉）与进口设备并存但份额正逐步增大。此外，全自动丝网印刷机、自动分拣机、平板式 PECVD则完全依赖进口。组件生产用的层压机、太阳能模拟器等在行业获得四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 综 合 实 践 报 告 （ 论 文 ）第 12 页广泛应用。硅材料加工设备中单晶炉以优良的性价比占据了国内市场的绝对统治地位并批量出口亚洲，多线切割机已取得突破，多晶硅铸锭炉已经开始大量在国内企业中使用。随着科学技术的不断发展和人们能源意识环境意识的不断变化，光伏发电技术及应用必将会有更加广阔的天地在此，我还要感谢我的指导老师和我的同学，在他们的帮助下我才能顺利地完成我的毕业设计，谢谢