浅谈太阳能光伏发电系统原理及设计与应用.pdf

江苏建筑 2011 年第 6 期 （ 总第 145 期 ）[收稿日期 ]2011-06-22[作者简介 ]谢同建 ， 男 ， 无锡市建筑设计研究院有限责任公司 ， 副总工程师 ， 高级工程师 。0 引言随着社会经济的飞速发展 ， 能源供需矛盾和环境问题压力将会进一步显现 ， 能源结构也将面临重大挑战 。 目前全球化石能源日渐紧缺 ， 核电的发展又受到核能安全的制约 ，能源问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈 ， 能源压力越来越大 ， 大力发展可再生能源已成为我国经济发展的当务之急 。“ 取之不尽 、 用之不竭 ” 的太阳能作为可再生 、 最原始 、最安全 、 最环保 、 最直接的新能源 ， 越来越受到人们的青睐 。我国蕴藏着丰富的太阳能资源 ， 据报道全国 2/3 的国土面积的日照在 2 200 h 以上 ， 陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于 49 000 亿 t 的标准煤 ， 若全部用于发电相当于上万个三峡工程发电量的总和 ， 太阳能利用的前景十分广阔 。随着新技术 、 新材料的发展 ， 人类对太阳能的利用水平越来越高 ， 太阳能光伏发电在我国已受到前所未有的重视 ， 正成为我国可再生能源的一支生力军 。 本文主要介绍太阳能光伏发电系统的基本工作原理 、 组成及特点 ， 并探讨太阳能光伏发电系统的设计与应用 。1 太阳能光伏发电系统的基本工作原理及组成1.1 太阳能光伏发电系统的基本工作原理太阳能光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统 。白天 ， 光伏电池组件接收太阳光后 ， 其半导体内产生电极性相反的电子 - 空穴对 （ 即光生载流子 ）， 这些载流子被半导体P-N 结所产生的静电场分离 ， 并分别被光伏电池的正 、 负极所收集 ， 同时在外电路中产生电流 ， 从而获得电能 。 这些电能一部分供给直流或交流负载工作 ， 另一部分多余的电量可通过防反充二极管给蓄电池组充电 。 在夜晚或阴雨天 ， 光伏电池组件无法工作时 ， 蓄电池组供给直流或交流负载工作 。1.2 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组件 ， 蓄电池组 ，太阳能控制器 ， 逆变器和 DC-DC 变换装置组成 。（ 1） 光伏电池组件 ： 是光伏发电系统的基本单元 。 当太阳光照在光伏电池组件上时 ， 电池吸收光能并产生光伏效应 ， 将太阳能转化为直流电能 。 太阳能电池一般为硅电池 ，分单晶硅 、 多晶硅及非晶硅电池 3 种 。（ 2） 蓄电池组 ： 将光伏电池组件产生的 电 能 储存 起 来 ，当太阳光照不足或负载需求大于光伏电池组件所发的电量时 ， 将储存的电能释放以满足负载的能量需求 。 蓄电池组是太阳能光伏发电系统的储能部件 ， 一般由一定数量的蓄电池经由串 、 并联组合而成 ， 其容量的选择需与光伏电池组件的容量相匹配 。（ 3） 太阳能控制器 ： 对蓄电池组的充 、 放 电 条 件加 以 规浅谈太阳能光伏发电系统原理及设计与应用谢同建（ 无锡市建筑设计研究院有限责任公司 ， 江苏无锡 214001）[摘 要 ] 太阳能作为可再生 、 最原始 、 最安全 、 最环保 、 最直接的新能源 ， 越来越受到人们的青睐 ， 太阳能光伏发电正成为我国可再生能源的一支生力军 。 文章主要介绍太阳能光伏发电系统的基本工作原理 、 组成及特点 ， 并探讨太阳能光伏发电系统的设计与应用 。[关键词 ] 太阳能 ； 光伏发电 ； 光伏电池组件 ； 设计与应用[中图分类号 ]TM615 [文献标识码 ]B [文章编号 ]1005-6270 （ 2011） 06-0072-03Brief Discussion on Design and Application of Solar Photovoltaic SystemXIE Tong-jian(Wuxi Architectural Design photovoltaic; photovoltaic module; design and application72江苏建筑 2011 年第 6 期 （ 总第 145 期 ）定和控制 ， 并按照负载电源需求控制光伏电池组件和蓄电池组对负载的电能输出 ， 保证光伏电池组件在任何日照和环境温度下都可以输出相应的最大功率 。（ 4） 逆变器 ： 将光伏电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电 。（ 5） DC-DC 变换 装 置 ： 通过 控 制 回 路 中 功 率 器 件 的 导通与关断 ， 将光伏电池组件输出的低压直流电升压成高压直流电 ， 保证在直流输入电压大范围变化的情况下输出稳定的高压直流电 。2 太阳能光伏发电系统的分类及特点2.1 太阳能光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统一般分为 ： 独立系统 ， 并网系统和混合系统 。 根据太阳能光伏发电系统的应用形式 、 应用规模和负载的类型 ， 可细分为 ： 小型太阳能供电系统 ， 简单直流系 统 ， 大 型 太 阳 能 供 电 系 统 ， 交 流 、 直 流 供 电 系 统 ， 并 网 系统 ， 混合供电系统和并网混合系统 。（ 1） 小型太阳能供电系统 ： 系统中只有直流负载且负载功率比较小 ， 适用于偏远地区 ， 解决偏远无电地区家庭的基本照明问题 。（ 2） 简单直流系统 ： 系统中负载为直流负载且对负载的使用时间没有特别的要求 ， 负载主要是白天使用 ， 直接利用太阳能光伏电池组件给负载供电 ， 常用于光伏水泵系统及一些白天临时设备用电设施中 。（ 3） 大型太阳能供电系统 ： 系统的负载功 率 较大 ， 需 要配备较大的太阳能光伏电池组件和较大的蓄电池组 ， 常用于通信 、 遥测 、 监测设备电源 ， 农村的集中供电站等领域 。（ 4） 交流 、 直流供电系统 ： 系统能同时为 直 流 和交 流 负载提供电力 ， 系统结构上增加逆变器 ， 用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求 。（ 5） 并网系统 ： 系统将太阳能光伏电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后直接接入公共电网 ， 并网系统中光伏电池组件产生的电力除供给交流负载外 ， 多余的电力反馈给电网 。（ 6） 混合供电系统 ： 该系统中除使用太阳能光伏电池组件外 ， 还使用了燃油发电机作为备用电源 ， 综合利用各种发电技术的优点 ， 避免各自的缺点 。（ 7） 并 网 混 合 供 电 系 统 ： 该 系 统 是 太 阳 能 光 伏 电 池 组件 、 市电及备用燃油发电机的综合利用 ， 其工作方式是将市电和光伏电池组件电源并行工作 。 对本地负载而言 ， 如果太阳能光伏电池组件产生的电能足够负载使用 ， 它将直接使用太阳能光伏电池组件产生的电能供给负载的需求 ， 并将多余的电能反馈给电网 ； 若太阳能光伏电池组件产生的电能不够负载使用 ， 则启动市电以满足要求 ； 若市电发生故障且光伏电池组件产生的电能不够负载使用 ， 系统则自动断开市电并启动燃油发电机组 ， 以满足负载的使用 。2.2 太阳能光伏发电系统的特点2.2.1 太阳能光伏发电系统的优点① 无枯竭危险 ； ② 安全可靠 ， 绝对干净 ； ③ 不受 资 源 分布地域的限制 ； ④ 可在用电处就近发电 ； ⑤ 建设周期快 ， 获取能源花费的时间短 ； ⑥ 能源质量高 ， 供电系统工作可靠 。2.2.2 太阳能光伏发电系统的不足之处① 太阳光照射的能量分布密度小 ； ② 获取的能源与四季 、 昼夜等气象条件有关 ； ③ 造价比较高 。3 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计包括 2 个方面 ： 容量设计和硬件设计 。太阳能光伏发电系统的容量设计包括 ： 负载用电量的计算 ， 太阳能光伏电池组件的计算 ， 蓄电池组容量的计算以及太阳能光伏电池组件安装最佳倾角的计算等 。太阳能光伏发电系统的硬件设计包括 ： 太阳能光伏电池组件的选型 ， 支架设计 ， 逆变器的选择 ， 电缆的选择 ， 控制测量系统的设计 ， 防雷设计及配电系统的设计等 。 硬件设计相对比较简单 ， 本文不作详细介绍 。太阳能光伏电池组件 、 蓄电池组容量及太阳能光伏电池组件安装最佳倾角的计算是太阳能光伏发电系统设计的关键 ， 下面以独立式太阳能光伏发电系统为例作着重介绍 。3.1 设计的基本步骤3.1.1 收集基本数据太阳能光伏发电系统设计时应详细了解该系统现场的地理位置 ， 包括地点 、 纬度 、 经度和海拔 ； 了解该地区的气象资料 ， 包括逐月的太阳能总辐射量 、 直接辐射量以及散射辐射量 ， 年平均气温和最高 、 最低气温 ， 最长连续阴雨天数 ， 最大风速以及冰雹 、 降雪等特殊气象情况等 。3.1.2 太阳能光伏电池组件的设计太阳能光伏电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求 。（ 1） 太阳能光伏电池组件的并联数量计算公式为 ：并联组件数量 =日平均负载 （ AH ） /{库仑效率 × [组 件日输出 （ AH ） × 衰减因子 ]}（ 2） 太阳能光伏电池组件的串联数量计算公式为 ： 串联组件数量 =系统电压 （ V ） /组件电压 （ V ）3.1.3 蓄电池组的设计蓄电池组设计的基本思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作 。（ 1） 蓄电池组容量的计算公式为 ：蓄电池组容量 =[自给天数 × 日平均负载 （ AH ） ]/[最大允许放电深度 × 温度修正因子 ]（ 2） 蓄电池组的并联设计根据计算出的蓄电池组容量 ， 就可以决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池组容量 。 为了尽量减少蓄电池之间的不平衡 ， 建议并联的数目不要超过 4 组 。太阳能光伏发电系统中常用 2 组并联模式 ， 这样如果 1 组蓄电池出现故障 ， 就可以断开该组蓄电池进行维修 ， 而使用另 1 组正常的蓄电池 ， 此时虽然电流有所下降 ， 但系统还能73江苏建筑 2011 年第 6 期 （ 总第 145 期 ）保持在标称电压下正常工作 。3.1.4 太阳能光伏电池组件安装最佳倾角的设计确定太阳能光伏电池组件的最佳安装倾角是太阳能光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节 。 组件最佳倾角的计算很复杂 ， 因此有的观点认为组件倾角取当地纬度为最佳 ， 也有的观点认为组件倾角在当地纬度的基础上再增加15° 至 20° 为好 。 以上观点都不一定妥当 ， 也不一定是最好的选择 。 目前相关专家已采用计算机计算出我国部分城市对于负载负荷均匀或近似均衡的太阳能光伏发电系统的电池组件的最佳安装倾角 ， 设计时只需了解系统所在城市就能查出对应的最佳安装倾角 ， 表 1 为几个主要城市电池组件的最佳安装倾角 。3.2 光伏电池组件及蓄电池组容量设计示例一个偏远地区建设的独立式太阳能光伏发 电 系 统 ， 该系统使用直流负载 ， 负载为 24 V， 140 AH/d ， 该地区最低光照辐射是一月份 ， 采用 30° 倾角 ， 斜面上的平均日太阳辐射为 3 kWh/m2 （ 相当于 3 个标准峰值小时 ）， 选择典型的 75W 太阳能光伏电池组件 （ 其峰值电流 I mp 为 4.4 Amps）， 自给天数为 2 d， 蓄电池允许的最大放电深度为 50%， 库仑效率为 90%， 温度修正系数为 0.7， 太阳能光伏电池组件的 输出衰减为 10% ， 计算太阳能光伏电池组件数及蓄电池组容量 。3.2.1 太阳能光伏电池组件计算（ 1） 组件日输出 =3 峰值小时 × 4.4 安培 =13.2 AH/d（ 2） 并联组件数量 =日平均负 载 /{库 仑效 率 × [组 件日 输出 × 衰减因子 ]}=140/{0.9× [13.2× （ 1-10% ） ]}=13.09 ； 选择并联组件数量为 13。（ 3） 串联组件数量 =系统电压 /组件电压 =24/12=2； 选择串联组件数量为 2。（ 4） 所需的太阳能光伏电池组件总数为 ： 13（ 并 ） × 2（ 串 ）=26 块3.2.2 蓄电池组容量计算① 蓄 电 池 组容 量 =[自 给 天 数 × 日 平 均 负 载 ]/[ 最 大 允 许放电深度 × 温度修正系数 ]=[2× 140]/[50%× 0.7]=800AH② 选用 12V/400AH 的蓄电池 ， 则需要该蓄电池 2（ 串 ）× 2（ 并 ） =4 个4 太阳能光伏发电系统应用案例太阳能光伏发电系统的应用非常广泛 ， 北京奥运会 、 上海世博会 、 加油站 、 公园等处处都有应用 ， 太阳能光伏发电系统的推广应用使得我们的生活方式更绿色 、 更环保 。 下面介绍几项案例 ：（ 1） 北京奥运会国家体育场 ， 设有总装机容量为 130 kW的太阳能光伏发电系统 。 该系统产生的电力直接并入国家体育场的电力供应系统 ， 对奥运场馆的电力供应起到良好的补充作用 ， 同时对提倡使用绿色能源 、 有效控制和减轻大气污染 、 倡导绿色环保的生活方式起到积极的推动作用和良好的示范效应 。（ 2） 上海世博会上 ， 中国馆 、 主题馆 、 世博 中 心 、 演艺 中心 等安 装 有 总装 机 容 量超 过 4.68 兆 瓦 的 太 阳 能 光 伏 发 电系统 ， 年均发电量可达 408 万 kWh， 标准输出条件下 ， 1 d的发电量相当于 150 户人家 1 个月的用电量 。 “ 阳光世博 ”充分展示了我国太阳能利用的技术水平 ， 推动了我国 “ 太阳能经济 ” 的发展 。（ 3） 太阳能加油站 。 该加油站临近上海世博园区 ， 采用专用的防爆型太阳能光伏发电系统 ， 太阳能光伏电池组件采用目前世界上防爆安全等级最高的 C1D2， 系统根据加油站用电负载的特点实现太阳能供电系统的全自动控制及与普通市电的无接缝自动切换 。 该加油站使用太阳能光伏发电系统后 ， 每年可节约 30 430 kWh ， 相当于植树 216 棵 ， 减少 CO2 排放 24 t， 节约标准 煤 11 t， 年 综合 经 济 效益 可 达 4万元 。（ 4） 北京市对全市 106 个公园 、 风 景 区 采用 新 型 “ 并网独 立 ” 太阳 能 光 伏发 电 系 统 ， 推 广 使 用太 阳 能 路 灯 共 8843盏 ， 按照目前常用的 500 W 1 盏的路灯每晚照明 8 h 计算 ，每盏太阳能路灯每天至少节约 4 kW· h， 全 市 公园 使 用 的8 843 盏太阳能路灯一年节约用电量超过 1 200 万 kW· h。太阳能光伏发电系统的应用案例还有很多 ， 本文就不作一一列举 。5 结束语太阳能是最大的绿色能源 ， 太阳能利用将是我国能源变革最可行的解决方案 。 目前我国是全球前十大光伏市场唯一位于 “ 阳光地带 ” 的地区 ， 经过多年的发展 ， 我国已拥有世界上最大规模的光伏发电能力 。 随着太阳能光伏发电技术的日益成熟 ， 光伏发电的成本将进一步降低 ， 太阳能光伏发电无论从技术还是应用角度都具备了走入寻常百姓生活的基础 。 相信在不久的将来 ， 绿色 、 节能 、 低碳的新生活必将走进千家万户 。参考文献[1] 日本 太 阳 光发 电 协 会 .太 阳 能 光伏 发 电 系统 的 设 计 与施工 [M].北京 ： 科学出版社 ， 2006.[2] 杨 金 焕 .太 阳 能 光 伏 发 电 应 用 技 术 [M]. 电 子 工 业 出 版社 ， 2009.[3] 李 钟 实 .太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 设 计 施 工 与 维 护 [M].北京 ： 人民邮电出版社 ， 2010.城市 北京 长春 上海 南京 广州 兰州 拉萨 乌鲁木齐纬度 (Ф )最佳倾角39.80Ф +443.90Ф +131.17Ф +332.0Ф +523.13Ф -736.05Ф +829.7Ф -843.78Ф +12表 1 几个主要城市电池组件的最佳安装倾角74