太阳能电池系统及其光伏模块

大比特资讯 www.big-bit.com/第 1 页 / 共 16 页作为供电电源的太阳能电池系统及其光伏模块摘要： 由于传统能源的日益枯竭，太阳能成为一种十分具有潜力的新能源，光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一。太阳能电池系统可确保从太阳获得电能，运用这一系统，导致了真正的资金节约， 并在此基础上， 通过资源的有效利用和劳务上的合理分配与最佳消费，促进了大型和小型企业的经济发展。关键词： 太阳能电池 光伏（ PV）发电系统 转换效率 光伏模块 逆变器1、影响太阳电池工作有效性的因素太阳的活力——太阳辐照量，通常是以 W/M2（瓦 / 米 2）为测量单位的。应提供一种明确的相对值来表示太阳的活力；比如说，在赤道，该值可达到 1020 W/M2，在昼夜的不同时间和不同的气候条件下，这些数值是明显不同的。在这一领域的解决方法之一就是：建立一稳定、强制性的可自动操作转动的太阳受光盘，按 2 个坐标监视（跟踪）太阳的自动操控受光盘，可收集到的太阳能只不过 40%多点。在此装置中一天期间（日出—日落）能实现对太阳运动的跟踪，并按一年四季跟踪太阳的高度和角度（按南—北坐标） 。但面临的问题是太阳光伏（ PV）板的遮挡及降低 PV发电效果的其它因素。太阳 PV板的可能被遮挡或以下原因，导致发出的功率减小。1). 太阳 PV板的配置不当。例如，在离大山、高的森林不远的地方配置 PV板；大比特资讯 www.big-bit.com/第 2 页 / 共 16 页2). 云层、雾、强降雨、雪、灰尘、落叶、甚至鸟粪等的出现。所有这些因素都影响到太阳电池所接受的 PV发电功率。2、太阳能的转换效率及 PV模块的不同规格太阳电池中采用了不同方案的光伏组件（模块） ，最通用的 PV 模块有单晶硅的和多晶硅的两款。基于单晶硅结构的 PV 模块，给出的太阳能转换为电能电流的最高效率为14～ 20%。单晶硅模块的外形示于图 1。这一模块具有的最大功率为 36W（输出直流电压 12V） ，但它可确保小型电子设备的供电电源。（ 图 1 ）应特别注意的是这些模块的服务期限（使用寿命）和可靠性。对于输出功率（ DC-额定功率） PN=240W、输出电压（ DC-开路电压） VOC=37.7V、 DC-最大功率电流 IMP=7.9A的 REC Solar REC 240 PE模块，其平均的使用期限为 25 年（损耗达 80%） 。模块的外形尺寸为 1665× 99.1 × 38mm时，按 2015 年 3 月的行情，其零售价格约 3000 美元（折合 RMB约 87.5 元 /W） 。基于多晶硅的 PV模块如图 2 所示，它比单晶硅的加工工艺花费较少，因而大比特资讯 www.big-bit.com/第 3 页 / 共 16 页能使模块的造价较低。 材料的质量要差一些， 表现在边界效应和颗粒性的不均，故这种 PV模块的效率为 13～ 15%。( 图 2 ) 除单晶硅和多晶硅以外，第三种形态为基于薄膜微形硅的 PV模块，其配置形式较少见到，如图 3 所示。当外形尺寸为 1300× 1100× 6.8mm时，它具有最大输出功率 130W，重量 26kg，其工作表面积为 1.4 M 2。（ 图 3 ）模 块 的 结 构 包 括 以 下 成 分 ， 如 薄 膜 微 形 硅 ， 则 为 CdTe(碲 化 镉 ) ，Cu(In,Ga)Se 2[ 铜（铟，镓）硒 2] 等组成成分。它的特点是相当低的价格，材料可自由保持形状，重量轻。与单晶硅 / 多晶硅的比较，这一 PV 模块在发出相同大比特资讯 www.big-bit.com/第 4 页 / 共 16 页功率下要求的面积大。基于薄膜硅的 PV模块在上述 3 种形式中， 具有最低的转换效率， 效率仅 6～10%，但同时它却具有吸收太阳辐射更宽的光谱。模块的特点是其柔软性，可安装在不均匀平整的表面上。3、光伏（ PV）模块与电路连接的实例为了增加 PV 模块的输出电压和输出功率，我们采用了串联和并联的电路，由于这一连接可使输出电压（串电压 UMPP达到 180～ 354 V 的范围） ，其负荷电流达 5A。图 4 为 PV模块在串联电路中的连接结构图（串 =PV模块的串联）（ 图 4 ）对于 1 个 PV模块，当周围介质温度为 25 ℃，太阳的辐照量 1000 W/M2的情况下，这些参数得以确保。图 5 给出了光伏的《栅栏》 （通称光伏阵列） ，该阵列由并联的 PV串组成。大比特资讯 www.big-bit.com/第 5 页 / 共 16 页（ 图 5 ）4、组建混联供电系统的光伏模块（标准单元）PV 模块本身，甚至由它们组成的太阳电池组，要保证终端用户的供电仍然是不足的。这关系到太阳辐照的不稳定性、不均匀性以及很多其它因素。正因为如此， PV模块必须安装在确保自动供电的连接系统中。该系统（除 PV模块以外） ， 是由设计大量充电 / 放电周期的 AKБ （自动控制蓄电池） 、 DC/DC变换器 （最大功率点跟踪， MPPT） 、电源控制系统（充电 / 放电 AKБ ） 、逆变器（ DC/AC） 、稳压器、保护装置以及其它设备组成的。这一供电系统的每一元件，必须按终端用户的具体任务来选择。4.1 直流电压变换器（ Converter ）直流电压变换器的具体例子—变换器 DC/DC FPZ 48V 1500W HE Solar MPPT,其中，研讨了 PV 模块与变换器的相互关系。变换器输入和输出的直流电绝缘，允许适用任何一种 PV板：多晶硅 / 单晶硅的和薄膜型的（后者要求接地） ，对于DC/DC FPZ 48V 1500W HE Solar 型变换器（及其类似型） ，必须接通 6 块以上的、输出额定直流电压 30V± 30%的 PV板。重要的是最大功率点跟踪（ MPPT）的操作- +- +- +1 串 = 4.95APV太阳栅栏，由 3串组成，每 1串为 10个模块串联串电压U MPP = 354V1 串 = 4.95A1 串 = 4.95A大比特资讯 www.big-bit.com/第 6 页 / 共 16 页算法，应使 PV板输出功率的优化函数，在不同的光辐照状态下，能从 PV板获得其输出功率的 100%。这样，当 PV电池直接输出电压范围在 48～ 58V时，仅 1组 PV电池的输出功率则达到 1500W左右，模块效率为 96%以上。为了确保混联供电系统的控制，来用了专门的装置—控制器。当蓄电池串接在太阳 PV板（模块，由若干模块组成的 PV阵列）进行充电时，电路中必须接入控制器，旨在防止 AKБ 的过充电，以确保其使用寿命。在电流 / 电压的关系曲线上，无论在什么位置，除获得最大功率点以外， PV电池的工作均会导致工作效益的下降。 因此， 最大功率点的控制是必须的功能，因为可提高 PV电池的效率 30%以上。直流接头 （接合处） 、 安全器、 自动装置和压敏变阻器等的安装和启动简单，不更换已接通太阳板的 PV阵列而更换逆变器的可能性，所有这些，可记上该系统的加号“ +”，如果是减号“ - ”，例如薄膜工艺（ TFT）的显示器，在寒冷情况下（气温低于 -15 ℃）不能显示信息，故应将控制器安装在可使模块升温或有人居住的场所。为建造大型太阳能发电站或工业化实体，我们来用了大型逆变器，以便将直流电转换成交流电。逆变器有三相输出，并将其接入 380V的工业电网。作为例子， 对于独立客体的线路逆变器， 其输出功率达到 22KW（ 效率 97.3%） 。借助逆变器，可确保各个住户（房间）或小型乡村农庄的照明网络供电。图 6 表示将逆变器接入自主供电系统的方框图。这一套装备的价格估计为1500～ 2000 美元以上。很感兴趣的是，在芬兰，基于太阳能和风能转换的自主能量保障系统普遍受到欢迎，农场主和农民对此并不考虑省钱，因为这些设备若干年以后（计及芬兰当地电能的价格） ，完全能 回收补偿。在俄罗斯和乌克大比特资讯 www.big-bit.com/第 7 页 / 共 16 页兰，尚未见到 PV装置的大量应用，特别在农村地区。( 图 6 ) 4.2 自主光伏（ PV）系统的成本下面，引入一个日常生活必需的 3Kw功率自主 PV系统价格的实例。这些数据，对于大量潜在用户在这套设备上的花费，有助于提供能获得多少纯利，价格是按 2015 年 7 月的行情给出的。No 主要元件 参考行情 ( 美元）①PV模块Solar module REC 225 PE48 $700 ②变换器 FP2 48V 8KW + 12KW Solar Power Syst $2,000 FP2 48V 1500 HE Solar Converter $720 FP2 48V 2KW HE Rectifier $500 ③ 控制器 EXIDE 太阳蓄电池 70PZV600-24 $725 联网逆变器太阳电池板风力发电机网 络大比特资讯 www.big-bit.com/第 8 页 / 共 16 页④ 具有大量充电 / 放电周期的特种 AKБ ( 蓄电池立式） $800 ⑤ 成套电源电缆（连接电缆） $250 ⑥ PV模块的安装框架 $500 从上述所列的价格可见，建立这样一个系统是很昂贵的，相应于中国同类产品的价格几乎是 7～ 8 倍。当然，中国与欧盟国家相比，劳动力的价格较低，换句话说，如果将我们的 PV系列产品推向欧洲，其利润空间是相当可观的（编译者附注） 。在这一太阳能电站中，用于太阳能蓄电池的逆变器（带内置式变压器） ，基本的技术特性参数如下：输入功率 4.4KW(DC)；输入电压 230～ 480V(DC)；MPPT 600V(max)；输出电压 185 ～ 276V(AC)；在电网频率 50～ 60HZ下；非并列接入的效率达 97.3%；防护等级 IP65 室外；确保的温度范围 -25 ～ +55℃；《在夜间状况》的耗能 <1W； 当 PV模块输入功率时，逆变器接通 7W。线路逆变器用于单个有价值的、拟接入交流电网的负载（居住建筑物、商务与工业用负载） 。用户的功率范围 2.2 ～ 22KW，按单相或三相接线图连接。作为例子，线路逆变器为无变压器的，计划输入的直流电压范围为 350～ 710V，峰值高达 880V，也即，考虑到有所储备。当频率在 47.5 ～ 50.2Hz 时，输出电压范围为 230V 左右（交流） 。这对大多数有液化石油气地方的日常生活用户来说，大比特资讯 www.big-bit.com/第 9 页 / 共 16 页是完全可以接受的，它们的特点是效率很高（ 96.7%） ，具有 IP66 的防护等级——适用于街道上应用。在周围气温 -20 °～ +60°的变动条件下，可供其全年有效的工作。图 7 所示为接入若干自主能源— PV发电、风力发电机和备用的柴油发电机，并具有供电可能性的逆变器系统的方框图。（ 图 7 ）4.3 配备三相系统的《街道配电柜》在以下例子中，我们对功率 39.6 （ 3× 13.2 ） KW的联合电源系统的街道配电柜（室外 3 型）进行了研究。图 8 表明室外三相供电系统的开敞式配电柜外型，用于从 PV板对 AKБ （蓄电池）的充电。型号为 T?FF-1.8m，带功率 6KW的FP? Solar HE 变换器。线路逆变器负 荷太阳能电池板风力发电机蓄电池组柴油发电机燃料箱大比特资讯 www.big-bit.com/第 10 页 / 共 16 页（ 图 8 ）从太阳 PV板的输入功率通过电缆接入配电盘， 配电盘设置在配电柜的内部。利用铅酸蓄电池的 AKБ 可取代镍镉（ NiCd）蓄电池的 AKБ 。 T?FF-1.8m 的户外型街道配电柜，与强制通风机 +空气过滤器的冷却系统，相互之间是隔热的（由冷凝系统和自由冷却系统结合的方案也是可能的） 。接入了变换器、整流器、控制器以及加大燃料箱的后备发电机，这一能源系统可对足够大的城郊住房面积确保不间断的供电。前后交替建立的 PV供电系统方案，估计都要组合像逆变器和整流器这类装置的。4.4 蓄电池的利用整个系统的可靠性问题—能量的储存尤为重要，更准确的说是，延长蓄电池的使用寿命是关键。对光伏电站来说，有三种 AKБ 的制备工艺：1） OP?V（带条形管状薄片的胶凝化 AKБ ） ；2） OP?S（带液态电解液和条形薄片的传统 AKБ ） ；3） NiCd（要求周期的灌满酸和经常的维护） 。为了从太阳电池板或风力发电装置（ BГУ ）的发电进行储能，不要利用标准大比特资讯 www.big-bit.com/第 11 页 / 共 16 页远程通讯的备用 AKБ ， 因该 AKБ 按 PV模块工况的充放电周期数经常是不够的。AKБ 可靠性方面最重要的是：在其装置具体条件下能保持舒适的温度。5. 为延长使用寿命而保持 AKБ 舒适温度的技术解决方法保持 AKБ 舒适温度的系统，关系到电能用户的具体任务而可能有所不用。但最常见到的是：1）在设备的容器中保证空气的温湿调节；2）保证强制的空气冷却系统；3）对于带内置系统的街道（室外）配电柜，要确保人造气候（微气候）的支持；4）确保 AKБ 的容器置于地下。优点是：地下的温度稳定，延长了 AKБ 的使用寿命，以及节约了地面空间。随着 AKБ 运行温度的升高，存在着充、放电周期减少的关系。铅酸 AKБ 和镍镉（ NiCd） AKБ 的使用期限缩短的百分比（ %）如图 9 所示。与 25℃比较，使用期限的缩短（ %）温度 ℃NiCd电池铅酸电池大比特资讯 www.big-bit.com/第 12 页 / 共 16 页（ 图 9 ）NiCd AK Б 充 / 放电周期数的最大值，与装置地点的放电深度和运行温度的关系曲线如图 10。（ 图 10 ）6. 基于 PV模块的自主能量保障系统的应用前景从本质上说， 《太阳能的发电》是将能量储存于蓄电池组，然后再将能量输送到负荷。通常，这些过程都是独立发生的。太阳电池具备工作能力的条件如下：温度范围 -50 ～ +75 ℃；大气压力 84～ 106.7KPa；相对湿度≤ 100%；降雨强度 5mm/分钟。为确保利用太阳能的供电，最简单的配置由以下部分组成：1）太阳电池（光伏板，连接到蓄电池的太阳能元件） ；周 期 数放电程度（ %）适用性准则：容量 = 最初容量的 70% 大比特资讯 www.big-bit.com/第 13 页 / 共 16 页2）储能装置；3）电流变换器（逆变器，由直流变换成交流的器件） 。这样一来，在市郊住宅中，现在完全可能拥有输出电压 220V/50Hz 的交流发电输出的供电电源。值得用户高兴的是，太阳能元件将逐年的降低成本，而其有效功率则逐年的提高。今天的太阳电池将大量应用于小功率—手机电源及其它众多日用电器的充电装置。晴朗天气下， 1M2地表面平均将得到 1000W的太阳光能。 太阳每一年有 320～350 天照耀发光， 而同一地方又因乌云密布却很少见到太阳， 故太阳降落的能量是不均匀的， 关系到地区、 地段的地形。 据此， 必须考虑到在每种具体情况下，保证供电系统应用的有效性。按照 2015 年美国全国航空和宇航局（ NASA）的指导数据，表 1 列出了进入俄罗斯若干城市的太阳辐照量信息。在莫斯科的纬线地区，晴朗的太阳日每1M2进入的太阳能约 3Kwh。表 1 莫斯科 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 年 +K沃龙涅什克拉斯诺达尔马哈奇加拉梁赞月平均总的太阳辐照量的参考数据+K 与莫斯科比较，总的太阳辐照量的系数大比特资讯 www.big-bit.com/第 14 页 / 共 16 页表 2 列出了应用于纬线地区有关总的太阳辐照量信息。表 2 太阳电池系统应用的不寻常方案之一可能是： （在保证一系列安装和发热装置功率的条件下） ，在宅院旁地段进行强制的预热、加热土壤和水。7. 对太阳电池的元件和模块（标准单元）运行的建议购买元件时，要对完整性进行检验（目测元件上的裂缝，通常从远处是看不出来的） 。 在明朗的晴天， 完善无缺的元件应确保说明书资料标示的短路电流。为检查元件的完整性，应避免元件的瞬间短路。还好，这些元件尚未出现意外情况。假如由若干太阳能元件组成的电池系统中，只要其中有一个显示有毛病，则整个电池系统的性能特性将变坏。由很多串联接通的元件组成的电池系统能允许的最大电流，将与其电路中最坏元件的电流相等。对蓄电池系统供电的输出端，利用鸟巢形状的接头是最佳的。光伏（ PV）蓄电池的密封不仅防护其受潮，而且也保护元件免受灰尘充塞其内。元件的严重堵塞可能明显降低整个电池系统的效率。太阳能元件很脆（非常易碎） ！在电池板单独生产和安装时，应格外小心。要利用低压焊接将元件安装在支架上，焊头要求尖细，功率不超过 25W。应跟踪考察，在阳光照射期间 PV模块的正面不要被树木林荫或一些直立物0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Kwh/M2 5.9 5.8 5.4 4.9 3.9 3.3 2.6 1.9 1.4 1.3参数纬度地区，度数大比特资讯 www.big-bit.com/第 15 页 / 共 16 页体所遮挡。模块本身的工作表面整个面积应照射均匀。在光照期间，尽管一个或几个模块元件被遮挡，都会明显降低其输出能量的效益。遮挡虽不影响到 PV模块的正常工作能力，也不会导致其损坏，但必须考虑到，在平均纬度地区太阳辐照时，蓄电池系统的完全充电时间，是与全年的时间和蓄电系统的容量相关的。必须保持 PV模块板的正面清洁， 建议每周用浸湿的抹布擦拭一次板的正面，虽模块是在密封场合下使用，必须要防止其机械的损伤，以及潮气进入连接的盒子内。过热不允许高于 85℃，模块不能与有害的化学物蒸气（酸、碱、限制的溶剂）接触。为了确保发电量最大和充分发挥 PV模块的工作能力，利用固定好的专门模块，计及对地平线的计算角度（该角度与纬度地区地形有关） ，力求其模块正面朝向南方。在这种情况下，昼夜期间， PV模块将输出最大数量的电能。8、结束语有意思的是，太阳电池运行的头一年期间，由于硅的老化，电池的损耗达到了本身最初功率的 1.5%。如果在太阳电池生产制造时允许有次品，则它可能甚至在最初检验以后，历经若干几年也会《突然显露》 。正因为如此，建议不必去购买便宜的太阳电池。同样，购买其贮存的备品也没有意义。因最终结果可能显示价格更贵。今天，利用太阳电池系统输出的电能仍然很贵，但设想经过 15～ 20 年，从太阳得到的电能，一定会比用煤炭、天然气、甚至核燃料得到的电能价格便宜50%。太阳电池的反对者和拥护者，见解和相法各种各样，但唯一的结论是：像大比特资讯 www.big-bit.com/第 16 页 / 共 16 页交流发电机一样，由各种装置组合的太阳电池系统，愈益被证实其正确性。相应的太阳电池（ PV 板）的生产、服务、安装、维护和运行市场，必然具有宽阔的发展前景。原文出处： ，《 》 2016.No4 P48 ～ 53 江西森阳科技股份有限公司 邓隐北 黄仁珠 杨清云 编译