太阳能光伏发电培训

1EU-China EEP 中国 -欧盟能源和环境项目王斯成2009年 1月 5日太阳能光伏发电中国农村可再生能源培训项目第三讲1、太阳电池的发展历史和应用分类2、太阳能资源和太阳辐射原理3、光伏发电系统的构成和工作原理3.1 光伏发电系统及构成3.2太阳电池3.3蓄电池3.4充放电控制器3.5直流 -交流逆变器3.6其它设备4、光伏发电系统的容量设计目 录21、太阳电池的发展历史和应用分类太阳能光伏发电的发展历史 1839年 19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了 “ 光生伏打效应 ” ； 1904年 爱因斯坦发表光电效应论文 ,为此在1921年获得诺贝尔奖； 1954年 5月美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松开发出效率为 6的硅太阳电池，这是世界上第一个实用的太阳电池。31954年美国贝尔实验室光伏发电系统分类4独立光伏发电系统配置控制器蓄电池组直流 / 交流逆变器 交流负载直流负载太阳能电池方阵直流光伏发电系统DC 9W X 2pcsenergy saving lamp12V-5Acharging controllerbattery12V/40Ah20Wp PV module5交流光伏发电系统100Wp PV module21 inchcolor TVcharging controllerbattery 12V/150AhAC energysaving lampDC/AC inverter光伏电站设备配置图太阳电池蓄电池组输入防雷隔离箱太阳能充电控制器直流 / 交流逆变器输出电子限荷器交流配电设备输出防雷隔离箱可选柴油发电机组可选整流充电设备6风光互补发电系统AC Loads与建筑结合的并网光伏发电系统（ BIPV ）特点1、并网点在配电侧；2、电流是双向的，可以从电网取电，也可以向电网送电；3、分 “ 上网电价 ”并网方式 ” （双价制）和 “ 净电表计量 ” 方式（平价制）。①太阳电池 ②开关 / 保护 / 防雷 ③电缆 ④并网逆变器 ⑤电度表（光伏电量）7发电侧大型并网荒漠光伏电站（ LS-PV ）技术特点 1、在发电侧并网； 2、电流是单方向的； 3、不能自发自用和 “ 净电表计量 ” ，只能给出 “ 上网电价 ” 。2、太阳能资源和太阳辐射原理8太阳能资源数据10 年平均值 kcal/cm 2 水平面上的太阳能资源 太阳电池方阵倾斜面上的太阳能资源 方阵倾斜面上的太阳辐射量由计算机辅助设计软件完成（ PVCAD ） . 优化设计太阳电池方阵的倾角有利于增加冬天的充电电流，适当减少 夏季的充电电流，从而有效避免蓄电池的过充电和过放电，也有利于减少蓄电池的冬季储备容量，减少初投资。9布格 -朗伯定律 SD’ S0Fm θS0 1350W/m 2余弦定律 ST’ SD’ COSθ Zm1/Sinα * P/P 0Sinα Sinφ Sinδ Cos φ Cos δ Cosω αN δ 23.5Sin360*284N/365DT’ Dp’ 1CosZ/2RT’ Qp’ 1-CosZ/2SQT ST D TRTSolar Resources of China颜色 辐射等级 年辐射量（ KWh/ m2 ） 日辐射量（ KWh/m2 ）红 最好 ≥ 1860 ≥ 5.1桔红 好 1500 – 1860 4.1 – 5.1黄 一般 1200 – 1500 3.3 – 4.1蓝 差 1200 3.310Sinα Sinφ Sinδ Cos φ Cos δ Cosω Sinβ Cos δ Sin ω /Cos α太阳高度角太阳方位角LL正南 冬至上午 9 00Zβ其它气象地理数据 经度 101 38’ 纬度 36 45’ 海拔 2295.2 m 地面反射率（地面状态）沙、硬土、水泥等 蓄电池的存储天数 3 － 6天 环境最高温度 30 C， July 环境最低温度 --32.5 C， JanuaryPVCAD Computer Added Design11水平面和太阳电池方阵倾斜面上太阳辐射量的比较Month Jan Feb Mar Apr May JunGlobal 8244.2 9498.6 12888.0 14533.6 16293.3 16537.1Diffuse 3124.6 4060.2 6304.8 7212.5 7610.8 6841.4Direct 5119.5 5438.4 6583.4 7321.1 8681.5 9695.7Month Jul Aug Sep Oct Nov DecGlobal 16029.0 15328.8 11381.3 10303.3 8403.9 7562.3Diffuse 6307.4 5397.8 4897.3 3858.7 3047.9 2789.8Direct 9721.5 9931.1 6484.0 6444.5 5356.0 4772.5Month Jan Feb Mar Apr May Jun26.75 11853.0 12035.6 14612.0 15159.7 16271.2 15914.036.75 12708.0 12529.7 14710.0 14862.9 15641.0 15135.846.75 13263.0 12748.0 14515.0 14290.4 14726.5 14080.6Month Jul Aug Sep Oct Nov Dec26.75 11853.0 12035.6 14612.0 15159.7 16271.2 15914.036.75 12708.0 12529.7 14710.0 14862.9 15641.0 15135.846.75 13263.0 12748.0 14515.0 14290.4 14726.5 14080.6Tilted Angle 0 26.75 36.75 46.75Annual Radiation 147004 166485 167248 164540水平面太阳辐射量020004000600080001000012000140001600018000JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDecGlobalDifuceDirect12倾斜太阳电池方阵面上的太阳辐射量05000100001500020000系列1系列2系列3系列4系列1 8244.2 12888 16293 16029 11381 8403.9系列2 11853 14612 16271 16047 13143 11729系列3 12708 14710 15641 15318 13136 12514系列4 13263 14515 14727 14296 12857 13004Jan Mar May Jul Sep Nov中国西北地区太阳能辐射资源1554.8355597.40 285182.78 4848.38 6156.72 云南1511.1345440.08 404730.51 4730.51 4730.51 陕西1761.3656340.91 405513.84 5513.84 5868.30 山西1849.4926658.17 425944.80 5944.80 5944.80 宁夏1738.6656259.19 405442.78 5442.78 6458.52 甘肃1962.3247064.37 406142.93 6142.93 6951.76 青海1929.8776947.56 456041.35 5658.47 6195.18 内蒙古2453.4188832.31 307885.99 6088.59 7910.65 西藏1694.6016100.56 455304.84 5304.84 6342.31 新疆省会年利用小时数（小时）省会倾斜面年总辐射量（ MJ/m 2方阵倾角（度）省会水平面年总辐射量（ MJ/m 2全省年最低总辐射量（ MJ/m 2全省年最高总辐射量（ MJ/m 2省平均年利用小时数 1828.4 hrs/Year平均日峰值日照小时数 5 hrs/Day13中国东南沿海地区太阳能辐射资源1445.0495202.18354729.25 4729.25 4729.25 上海1636.4795891.33 425260.11 5260.11 5260.11 天津1748.4486294.41 425620.01 5620.01 5620.01 北京1494.825381.35 255125.10 5125.10 5125.10 海南1318.3494746.06 354314.60 4314.60 4751.82 浙江1323.2214763.59 304410.74 4410.74 4410.74 福建1483.6215341.04 354855.49 4855.49 4855.49 江苏1449.6245218.65 304832.08 4630.60 5045.26 江西1618.7575827.53 455067.41 4903.14 5068.67 辽宁1521.955479.02 404764.36 4764.36 5095.00 河南1636.5165891.46 405123.01 4761.44 5123.01 山东1377.744959.86 354312.92 4047.91 4312.92 湖北1343.414836.28 254478.03 4478.03 5161.46 广东1608.2095789.55 455034.39 4640.64 5034.39 吉林1378.7734963.58 254595.91 4294.11 4595.91 广西1558.3235609.96 425008.89 5008.89 5008.89 河北1496.1795386.24 504683.69 4442.92 4683.69 黑龙江省会年利用小时数（小时）省会倾斜面年总辐射量（ MJ/m 2方阵 倾角（度）省会水平面年总辐射量（ MJ/m2 全省年最低总辐射量（ MJ/m 2全省年最高总辐射量（ MJ/m2省平均年利用小时数 1496.4 hrs/Year平均日峰值日照小时数 4.1 hrs/Day中国最差 4省的太阳能辐射资源1139.3844101.78 303797.95 3471.07 4672.40 贵州1179.8934247.62 353792.51 3486.96 4229.74 四川1211.4984361.39 353792.51 3792.51 3792.51 安徽1287.1854633.86 304212.60 4212.60 4212.60 湖南省会年利用小时数（小时）省会倾斜面年总辐射量（ MJ/m 2方阵倾角（度）省会水平面年总辐射量（ MJ/m 2全省年最低总辐射量（ MJ/m 2全省年最高总辐射量（ MJ/m 2省平均年利用小时数 1204.5 hrs/Year平均日峰值日照小时数 3.3 hrs/Day14全国平均不同发电系统的年利用小时数独立光伏电站效率 60-65 ；城市并网光伏系统效率 70-75 ；大型并网电站效率 75-80 。1350125011001665.23 1487.73 平均1250120010001502.041364.65 东南 13省1540145012501828.411610.80 西北 9省大型电站城市并网独立电站倾斜纬度角（ kWh/m 2水平面（ kWh/m 2地区3、光伏发电系统构成和工作原理15光伏电站的系统构成和设备选型系统配置太阳电池组件 品种和安装 蓄电池 品种、质量和运行维护 充电控制器 功能和品种 直流 /交流逆变器 品种、质量、效率和容量选择 充电控制器 功能和品种 输出电子限荷器 功能和品种 备用电源的考虑整流充电设备 功能和品种 照明灯具 的选择 可靠性和寿命 其他部件 端子、导线、包装、说明书）光伏电站的系统配置太阳电池蓄电池组输入防雷隔离箱太阳能充电控制器直流 / 交流逆变器输出电子限荷器交流配电设备输出防雷隔离箱可选柴油发电机组可选整流充电设备163.1、太阳电池太阳电池、组件和方阵单体 组件 方阵17单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池18非晶硅太阳电池其它薄膜太阳电池CIGS 薄膜太阳电池晶体硅薄膜 电池CdTe太阳电池染料敏化电池CIS 薄膜太阳电池有机太阳电池19导体 绝缘体 半导体N PFGPNN PN- PI太阳电池的结构20太阳电池的 I-V 特性及功率曲线I 电流 Isc 短路电流 Im 最大工作电流V 电压 Voc 开路电压 Vm 最大工作电压标准条件 AM1.5 Q’ 1000W/m2 T25 C光强 ∝ I 温度 V -2.5mV/ C温度的影响随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在 20-100 C范围，大约每升高1 C每片电池的电压减少 2mV ；而光电流随温度的增加略有上升。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型功率温度系数为－ 0.35/ C。也就是说，如果太阳电池温度每升高 1 C，则功率减少 0.35 。21光强的影响光强与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由 100W/m2 - 1000W/m2 范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光强对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光强在 400W/m2 - 1000W/m2 范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。串联回路太阳电池的热斑现象1. d点，此时工作电流为零，组开路电压 VGd 等于电池 1和电池 2的开路电压之和；2. c点，电池 1和电池 2都有正的功率输出；3. b点，此时电池 1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池 2已经工作在短路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池 1的负载；4. a点，此时电池 1仍然有正的功率输出，而电池 2上的电压已经反向，电池 2成为电池 1的负载；5. 应当注意到，并不是仅在电池组处于短路状态才会发生 “ 热斑效应 ” ，从 b点到 a点的工作区间，电池 2都处于接收功率的状态，如旁路型控制器在蓄电池充满时将通过旁路开关将太阳电池短路，此时就很容易形成热斑。22并联回路太阳电池的热斑现象1. a点，此时电池组的工作电压为零，短路电流 Isc等于电池 1和电池 2的短路电流之和；2. b点，电池 1和电池 2都有正的功率输出；3. c点，此时电池 1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池 2已经工作在开路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池 1的负载；4. d点，此时电池 1仍然有正的功率输出，而电池 2上的电流已经反向，电池 2成为电池 1的负载，此时电池 1的功率全部加到了电池 2上，如果这种状态持续时间很长或电池 1的功率很大，也会在被遮挡的电池 2上造成热斑损伤。5. 应当注意到，从 c点到 d点的工作区间，电池 2都处于接收功率的状态。防止热斑现象发生-负载23蓄电池蓄 电 池蓄电池种类固定式防酸蓄电池、工业型密封电池、小型密封电池、汽车 / 摩托车启动电瓶24蓄电池常用型号字母定义固定型阀控式密封胶体动力型内燃机车用铁路客车用电力机车用固阀密胶动内铁电GuFaMiJiaoDongNeiTieDianGFMJDNTD全 称汉 字拼 音代 号蓄电池充放电基本原理4b 2 b 4 2P O 3H HSO 2e P SO 2H O- →← 放电充电4 b 4Pb HSO P SO H 2e- →← 放电充电4b 4 2 b 2P SO 2H O 2e P O HSO 3H-- → 2 21H O 2e 2H O2- → ↑b 4 b 4P SO H 2e P HSO- → 22H 2e H → ↑正极负极铅酸蓄电池充电后期，电极上发生的电化学反应如下正极负极b b 2 4 b 4 2P P O 2HSO 2P SO 2H O →← 放电充电电池反应25吸液式密封电池（ AGM ）和胶体密封电池（ GEL ）的比较有电解液分层现象，高型电池只能水平放置。无硫酸浓度分层现象，电池可以竖直和水平安装。电解液分层现象气体复合效率高达 99％。初期复合效率较低，但循环数次后可以达到 95％以上。气体复合效率自放电率为 2％～ 5％／月，存放期超过 6个月需补充充电。自放电率为 2％／月，电池在常温下可贮存 2年。自放电100％ DOD循环寿命150次左右。100％ DOD循环寿命 600次以上。循环性能散热性差，热失控现象时有发生。由于电解质的量富余，其散热性好，没有热失控事故发生，浮充寿命长。浮充性能AGM 电池GEL 电池性能特点铅酸蓄电池的充电曲线实测充电曲线1112131415160 5.97 12.77 19.57 26.37 33.16充电电量 Ah端电压V充电率 1/20OACD当充电到相当于 D点的电压出现时就标志着该蓄电池已充满。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过对 D点电压值的监测，即可判断蓄电池是否应结束充电。蓄电池的充满点一般设定在 2.45 － 2.5V （固定开口式铅酸电池）和 2.3-2.35V （阀控密封电池）。26铅酸蓄电池的放电曲线由放电曲线可以看出，蓄电池放电过程有三个阶段，开始（ OE）阶段电压下降较快，中期（ EG ）电压缓慢下降，延续较长时间， G点后放电电压急剧下降。图 上 G点电压标志着蓄电池电池已接近放电终了，应立即停止放电，否则将给铅酸蓄电池带来不可逆转的损坏。891011121314100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0蓄电池剩余容量 SOC 蓄电池端电压V系列1OEG蓄电池的生产27蓄电池的化成28控制器和微机监控系统29充电控制器的功能和品种防止蓄电池被过充电和过放电电参数监测（电压、充 /放电电流）过流 /短路保护（自动恢复）串联型、旁路型、二点式、多路控制、 PWM 、 MPPT 型、常规 /智能型等蓄电池温度补偿蓄电池荷电状态（ SOC ）显示数据采集、存储和传输优点z 简单z 价格低z 易实现旁路型充电控制器缺点z 二极管 d1消耗热量z 需要通风散热z 对电压源来说，需要串联电阻太阳电池方阵负载蓄电池＋－开关器件开关器件检测控制电路D1D2BXT1T230优点z 开关 S1消耗热量少z 只需要少量的通风散热z 能够控制电流源（光伏）和电压源（风机）串联型控制器缺点z 开关经常工作z 结构较复杂太阳电池方阵负载蓄电池＋－开关器件检测控制电路D1D2BXT1T2开关器件脉宽调制控制器原理