太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统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。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 .一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 20～ 25 亿美元，平均 1kW 的投资为 2000～ 2500 美元。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 (无论是太阳光还是其它发光体产生的光照 )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。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电3 池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，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；太阳能电池可以大中小并举，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，这是其它电源无法比拟的。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。非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池较低的优点。而碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制。我国从上世纪 50 年代起就开始对太阳能电池进行研究， 上世纪 80 至 90 年代先后从国外引进多条太阳能电池生产线。近几年， 太阳能电池的研究开发和生产飞跃发展。 整体上看， 我国不但在太阳能电池生产能力上进入国际先进行列，而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平，同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先成果。目前，薄膜电池的转换效率达到 6％～ 8％，近两年内可达到 10％～ 12％，五年内有望达到 18%，其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分高，即使在 5 月天照样能够发电。其技术正在成为太阳能电池主流技术，与晶体硅太阳能电池技术并驾齐驱。 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。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。太阳能控制器通常有 6 个标称电压等级： 12V、 24V、 48V、 110V、 220V、 500V . 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 太阳能逆变方式由于建筑的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观，这就要求我们的逆变器的多样化，来实现最佳方式的太阳能转换。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。在 SolarMax（索瑞·麦克）集中逆变器上，可以附加一个光伏阵列的接口箱，对每一串的光伏帆板串进行监控，如其中有一组串工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一串停止工作，从而不会因为一串光伏串的故障而降低和影响整个光伏系统的工作和能量产出。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。同时，在组串间引入“主 -从”的概念，使得在系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起， 让其中一个或几个工作， 从而产出更多的电能。 最新的概念为几个逆变器相互组成一个 “团队” 来代替 “主-从”的概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。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（如：不同的额定功率、每组串不同的组件数、组件的不同的生产厂家等等） 、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。同时，直流电缆的长度减少、将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。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。 另一和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器 （高频或低频） ，或者允许使用无变压器式的逆变器。这一逆变器在玻璃幕墙中使用最为广泛。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。在逆变器额定功率 10％的情况下，也要保证 90％以上的转换效率 (大功率逆变器 )。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。并网逆变器需要在不降低功率等级的前提下，紧密匹配电网的相位和频率。并网时，逆变器能够把负载用不了的电能回送至电网且无须借助体积庞大、成本高昂的能量存睹器件。基于安全考虑，并网的逆变器将在掉电时自动切断且一般没有存储能量的电池组。同时，离网太阳能逆变器工作在独立模式，无需与外部 AC电网同步。所以，它不需要任何反孤岛保护措施。大型太阳光伏并网电站的控制逆变技术是太阳能光伏并网发电领域的最核心技术之一。光伏发电系统必须对电网和太阳能电池的输出情况进行实时监测，对周围环境做出准确判断，完成相应动作，如对电网的投、切控制，系统的启动、运行、休眠、停止、故障等状态检测，以确保系统安全、可靠的工作。由于太阳能电池的输出曲线是非线性的，受环境影响很大，为确保系统能最大输出电能，需采用最大功率跟踪控制技术，通过白寻优方法使系统跟踪并稳定运行在太阳能光伏系统的最大输出功率点，从而提高太阳能输出电能利用率；同时光伏发电系统作为分散供电电源，当电网由于电气故障、误操作或自然因素等外部原因引起中断供电时，为防止损坏用电设备以及确保电网维修人员的安全，系统必须具有孤岛保护的能力。随着现代电力电子技术、微电子技术和控制技术的进步，特别是电力电子器件和高性能微控制器技术的提高，使高性能、高可靠性的能量变换装置成为可能。目前许多新能源领域的国外公司都在致力于这方面的研发工作，而且已经取得卓著的成效，形成了比较完善的针对并网逆变器的标准。例如： 德国 SMA 公司已经研制成功大型并网逆变器， 并开始系列化生产， 其单台最大功率达到 l000kW ， 由两台 500kW逆变单元通过采用群控技术并联而成，具有完善的运行保护功能，而且可以通过网络通信实现在中央控制室对逆变器的监控。相比较而言，太阳能光伏发电用控制并网型逆变器的研究起步比较晚，研究难度和研究范围大大增加，须涉及光伏阵列最大功率跟踪、逆变、并网和防止孤岛效应（指供电电网断电时由于负载匹配等原因造成发电装置未停机，仍然给局部电网供电的不安全情况） 等技术难题。 我国对小型的与低压用户电网直接并网的光伏逆变器做过一些研究，但还没有成熟产品；对直接和高压网并网的逆变器的研究还刚刚起步。由于我国并网型太阳能发电设备还未形成规模生产，如何正确选定并网型太阳能发电设备用逆变器将是近期必须面对的一个重要课题。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。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。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。11 年总辐射量 (kj) 大于 580/ 平方厘米 500-580/ 平方厘米 420-500/ 平方厘米 小于 420/ 平方厘米 全年日照小时数 大于 3000h 240h0-3000h 1600h-2400h 小于 1600h 内蒙西部、 新疆北部、 东北北段、 重庆、四川、甘肃西部、 东北、内蒙东部、 内蒙呼盟、 贵州、广西、地域 新疆南部、 华北、陕北、宁夏、 长江下游、 江西部分地区青藏高原 甘肃部分、 两广、福建、 青藏高原东侧、 贵州部分地区、海南、台湾 云南、河南、陕西年日照百分率 大于 75% 60%-75% 40%-60% 小于 40%（建议不使用太阳能地区）连续阴雨天 (d/a) 2 3 7 15 由表 2 可以看出：a． 地区特点。北京位于东经 115 度 20 分至 117 度 32 分，北纬 39 度 23 分至 41 度 05 分，根据统计数据北京市年日照时间为 2700 h 左右，比较适合太阳能发电。b． 屋面结构。北京火车站等地房屋顶采用椭圆形，面积很大．有条件使用太阳能板。北京南站房附近没有高大建筑物，不存在遮挡物。c． 节能政策。响应国家关于节约型城市建设的号召，使用太阳能发电系统，可支持可再生能源发展，产生明显的环保效益和社会效益。d． 设备的国产化。目前国内主要设备生产充分引进国外先进技术，完全符合国内及国际相关的标准和规范。 5.2 系统构成在北京屋顶安装太阳能光伏电池与建筑一体化组件， 系统输出交流 220/380V 电压， 在二个点与站房低压配电系统并网。白天将太阳能电池组件产生的电能经处理后直接汇流给低压配电母线，供给负荷使用。夜间，太阳能电池组件无法工作，完全由电网供电。 5.3 系统说明太阳能光伏电池方阵应用在屋面中央采光天窗上，按照整个采光天窗约 30%比例布置光伏电池板，光伏方阵分布在最大长度约为 400m ，最大宽度约为 50m 的屋面上两侧及两端，光伏方阵朝向为北偏西 45 度，光伏方阵的倾角为 7度，采用了 2 块 75 W 的 CIGS太阳能电池组件加封装玻璃构成一块光伏全玻组件和 3 块12 75W 的 CIGS太阳能电池组件加封装玻璃构成一块光伏全玻。 组件， 单块光伏全玻组件的功率分别为 150W 和 225W。其中由 2 块太阳能电池板组成一块光伏全玻组件的光伏全玻组件数量为 720 块，太阳能电池板共 1440 块，功率为108kW； 由 3 块太阳能电池板组成一块光伏全玻组件的光伏全玻组件数量为 604 块， 太阳能电池板共 1812 块， 功率为 135.9kW。整个光伏屋顶系统由 30 个子系统构成。系统总安装额定峰值容量为 240kW，由于屋面的安装角度为北偏西，故考虑 0.92 的安装角度损耗系数。系统实际峰值容量计算后大约为 220 kW。由此构成 BIPV 光伏建筑一体化屋面。1. 逆变器采用由德国 SMA 公司生产的 30 台 SMC 8000 TL太阳能光伏并网逆变器， 即每个光伏子系统配置 1 台 SMC 8000 TL光伏并网逆变器。2. 汇线盒汇线盒的功能就是将每个光伏子系统中的 20 个组件串接汇聚到一起。使得输出电压达到 420～ 534 V、电流达到 8～12 A。本系统使用光伏方阵汇线盒共 30 个，即每个光伏子系统配置 1 个。3. 防雷a． 防直击雷设计。本系统太阳能光伏屋面的金属支架及其它金属构件均与屋面避雷带或防雷引下线可靠连接。b． 防感应雷设计。为防止感应雷对系统设备造成损坏，在交、直流配电柜内均安装了防雷保护装电缆太阳能电池组汇线盒 直流柜防雷箱通讯线13 图 2.并网与运行示意图c． 防雷箱。根据光伏与建筑一体化系统的实际要求进行屋面部分的防浪涌保护，其主要作用为：提供防雷保护及防止过电压对系统的冲击。4. 直流配电柜直流配电柜主要由断路器和防雷器组成，在 2 号配电室和 3 号配电室内各配置 1 个直流配电柜。5. 交流配电柜交流配电柜主要由断路器、测量计量表及防雷器等附件组成。 6. 电力电缆采用低烟无卤交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套耐火电力电缆。 7. 接地系统光伏屋面太阳能电站中直流系统采用不接地系统，交流系统采用 TN— S 系统 (与本建筑交流系统一致 )。 5.4 并网与运行太阳能光伏发电每个光伏子系统均由太阳能光伏方阵、汇线盒、直流配电柜、逆变器、交流配电柜及若干动力电缆构成：其中 1～ 6 和 2230 子系统的并网设备安装在 3 号配电室内。 7～ 21 子系统的并网设备安装在 2 号配电室内。逆变系统自动检测电网状态与参数。实施投切、联锁、同期、保护等功能。太阳能光伏发电系统接入建筑设备自动化系统 (BAS)，通过该系统在公共区域设置的广告牌，动态显示发电量及某区域用电取自太阳能，以表达铁路行业贯彻国家政策、推动节能型社会发展的决心，彰显绿色、节能、环保新概念。引导与影响公众爱护环境、节约资源。放大示范效应。显示模块交流柜逆变器 接入并网点14 6 发展前景与面临的问题6.1 发展前景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，也是未来最大的光伏发电市来讲，风电上网电价采取特许权招标电价和核定电价 (基本上分为 0.51 元、 0.56 元和 0.61 元三个档次 )两种形式； 太阳能发电只对屋顶光伏项目进行补贴， 2009 年的补贴标准为 20 元 / 瓦，以后逐年递减，开阔地光伏电站目前刚刚开始启动试点项目，主要通过招标确定上网电价 (敦煌项目， 1.09 元 / 度 )； 生物质能发电则是在当地火电标杆电价的基础上补贴 0.25 元 / 度。 在我国发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。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。 6.2 面临的问题(1)投资成本问题与其它新能源项目相比，单位造价非常高，高达 6.2 万元 /kW ，因此回收期比较长。造成这种情况的主要原因是目前国内太阳能电池板的原材料硅的涨价非常快，目前的价格要比本世纪初翻了数倍，而太阳能电池板又是整个工程中耗费最大的部分，因此，要解决成本高的根本途径在于降低原材料的成本。(2)对电网的冲击由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全，稳定，经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。(3)缺乏政策的支持在国外，政府将给予太阳能光伏发电的用户一定的优惠政策及补贴。在国内，15 由于太阳能光伏发电刚刚兴起，政府在这方面给予的支持力度相对不够，加上生产成本较高，从而造成了投资者对光伏发电项目的兴趣减少，要解决该问题，政府必须加大政策的支持。