太阳能光伏发电系统组成和安装

太阳能光伏发电系统组成和安装一、系统简介光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N 结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度 J，短路电流 Isc，开路电压 Uoc。 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由 P-N 结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率 P 输出。光伏发电系统按安装容量可分为下列三种系统：1. 小型光伏发电系统：安装容量小于或等于 1MWp；2. 中型光伏发电系统：安装容量大于 1MWp 和小于或等于 30MWp；3. 大型光伏发电系统：安装容量大于 30MWp。二、系统分类太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式并网光伏发电系统。1. 独立光伏发电系统独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。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，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的光伏发电系统能量。离网型光伏发电系统是由光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载提供电能或通过逆变器给交流负载提供电能的一种新型电源。广泛应用于环境恶劣的高原、海岛、偏远山区及野外作业，也可作为通讯基站、广告 灯箱、路灯等供电电源。 光伏发电系统利用取之不尽、用之不竭的自然能源，可有效缓解电力短缺地区的需求矛盾，解决偏远地区的生活 及通讯问题。改善全球生态环境，促进人类可持续发展。离网发电系统组成部分功能简介： a.光伏电池板：为发电部件。 b.光伏控制器： 光伏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通过蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，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，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。蓄电池的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。 c. 逆变器： 逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。 独立光伏发电系统主要组成部分a. 光伏阵列b. 充放电控制器c. 蓄电池组d. 逆变器e. 监控系统f. 负载白天，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。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能→电能→化学能→电能→光能。2. 并网光伏发电系统并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。并网光伏发电系统主要组成部分a. 光伏阵列b. 并网逆变器c. 公共电网d. 监控系统并网光伏发电系统就是太阳能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之后直接接入公共电网。并网光伏发电系统由集中式大型并网光伏电站组成，一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。 一般用于集中设置、大中型地面光伏发电系统。3. 分布式并网光伏发电系统分布式发电通常是指利用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的小型并网光伏发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。它一般接入 10~35 千伏或 0.4 千伏电压等级的电网。实际上是并网光伏发电系统的具体应用。目前应用最为广泛的分布式并网光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。如果没有公共电网支撑，布式系统就无法保证用户的用电可靠性和用电质量。分布式光伏发电有以下特点：一是输出功率相对较小。光伏发电的模块化设计，决定了其规模可大可小，可根据场地的要求调整光伏系统的容量。一般而言，一个分布式光伏发电项目的容量在数兆瓦以内。与集中式电站动辄几十兆瓦，甚至几百兆瓦不同，分布式光伏电站的大小对发电效率的影响很小，因此对其经济性的影响也很小，小型光伏发电系统的投资收益率并不会比大型的低。二是污染小，环保效益突出。分布式光伏发电项目在发电过程中，没有噪声，也不会对空气和水产生污染。但是，需要重视分布式光伏与周边城市环境的协调发展，在利用清洁能源的时候，考虑民众对城市环境美感的关切。三是能够在一定程度上缓解局部地区的用电紧张状况。分布式光伏发电在白天出力，正好在这个时段人们对电力的需求最大。但是，分布式光伏发电的能量密度相对较低，每平方米分布式光伏发电系统的功率仅约100 瓦左右，再加上适合安装光伏组件的建筑屋顶面积的限制，因此分布式光伏发电不能从根本上解决用电紧张问题。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。分布式光伏发电系统主要组成部分a. 光伏阵列b. 直流汇流箱c. 直流配电柜d. 并网逆变器e. 交流配电柜f. 负载g. 公共电网h. 监控系统三、系统组成光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组，充放电控制器，交直流汇流箱、逆变器，交直流配电柜、自动太阳能跟踪系统、升压变压器、并网柜等设备组成。其各部分设备的作用是：1. 光伏组件（又称太阳能光伏电池） 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“光生伏特效应” 。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。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。 原材料特点（以单晶硅为例）：电池片：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。 太阳能电池图 玻璃： 采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)， 厚度 3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达 91%以上，对于大于 1200 nm 的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm 的优质 EVA 膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT 之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT(聚氟乙烯复合膜)：太阳电池的背面覆盖物—层塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是家用太阳能发电中价值最高的部分。 多晶硅 光伏组件的分类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 缺点单晶硅 14%-17% 23% 效率高，技术成熟 原料成本高晶硅电池多晶硅 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 转化率较低碲化镉 5%-8% 15.8% 弱光效应好，成本相对较低 有毒污染环境薄膜电池铜铟硒 5%-8% 15.3% 弱光效应好，成本相对较低 稀有金属 单晶硅光伏组件 多晶硅光伏组件 非晶硅光伏组件 非 晶 硅 太 阳 电 池太阳能电池分类图多晶硅电池组件的技术参数及性能测试条件 大气质量 AM1.5，辐照度 1000W/m²，电池温度 25°C峰值功率 Wp 255开路电压（Voc） V 38.4短路电流（Isc） A 8.79工作电压（Vmp） V 30.4工作电流（Imp） A 8.24峰值功率温度系数 %/K -0.450开路电压温度系数 %/K -0.330短路电流温度系数 %/K +0.06安装尺寸 mm 1650×992×40重量 kg 19.3单块光伏组件输出电压、电流都很小，必须相互串联、并联后才能使用；为保证光伏发电的稳定性，光伏方阵中不同倾角、不同方位角的光伏组件不能相互串并联、也不能接入同一台逆变器。2. 充放电控制器它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。3. 蓄电池组将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳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，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏发电系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。4. 逆变器在太阳能光伏发电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电，它是将直流电转换成交流电的设备。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，见下图。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。并网逆变器保护功能:a、 过载保护;b、短路保护;c、接反保护;d、欠压保护;e、过压保护;f、过热保护。除边远不通电地区采用独立运行逆变器外，一般均采用并网逆变器。1）. 集中型并网逆变器集中型逆变器一般功率在数百千瓦及上千千瓦，用于地势平坦、光伏组件布局环境好能集中布置的场合。集中型逆变器最大特点是系统的功率高，成本低；缺点是不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配(特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时) ，采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低。集中并网逆变器一般自带 8 路直流输入、不需另配直流配电柜，用于直流汇流箱和逆变器之间的连接，内设直流断路器、II 级电涌保护器及断路器状态检测等装置。集中式逆变器参数序号 名称 500kW 逆变器1 额定输出功率 500kW2 输出电压范围 315±10%V3 最大直流输入电压 1000V4 最大直流输入功率 560kW5 额定输出电流 1007A6 低电压穿越功能 有7 断电后最短重启时间 180s8 欧洲效率 98.2%9 最大效率 98.6%10 MPPT 调节范围 420V-850V11 功率因数调节范围 ≥0.99， ±0.9 可调12 总谐波电流 <3%（额定功率）13 最大运行自耗电 <1500W