第2章太阳能光伏发电系统

第 2 章 太阳能光伏发电系统24 第 2 章 太阳能光伏发电系统2.1 光伏发电系统2.1.1 光伏发电系统的构成通过太阳电池将太阳辐射能直接转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统， 简称光伏发电系统。 尽管光伏发电系统应用形式多种多样， 应用规模跨度很大，从不足 1Wp 的太阳能草坪灯到上百 MWp 的特大型并网光伏电站，但光伏发电系统的组成和工作原理却基本相同。光伏发电系统主要由光伏组件或光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器、汇流箱、配电柜及一些监控、测试、防护设备等构成。1. 光伏组件光伏组件是光伏发电系统中可独立应用的最小发电单元。 它在光照下发出直流电，送往蓄电池存储起来，也可以直接用于负载。当发电容量较大时，就需要用多块光伏组件串、并联构成光伏方阵。目前应用得最多的是晶体硅光伏组件，分单晶硅和多晶硅两种，还有薄膜光伏组件等。2. 蓄电池蓄电池的作用主要是存储光伏组件发出的电能，并向负载供电。当需要存储大容量电能时， 就需要将多只蓄电池串、 并联起来构成蓄电池组。 目前光伏发电系统使用的主要是免维护铅酸蓄电池， 在微、 小型系统中也有用镍氢电池、 镍镉电池、锂电池或超级电容器等。3. 控制器控制器的作用是控制整个系统的工作状态，具有防止蓄电池过充电或过放电、系统短路或反接保护、夜间防反充保护、温度补偿、光控或时控开关、充电状态及蓄电池电量的显示功能等。4. 逆变器逆变器的作用是把光伏组件或者蓄电池输出的直流电变换成交流电， 供给电网或者交流负载，并具备多种控制功能和保护功能。5.其它设备光伏发电系统还包括直流汇流箱、直流配电柜、交流配电柜、升压变压器、运行监控和检测设备、防雷和接地设备等其它设备。第 2 章 太阳能光伏发电系统25 2.1.2 光伏发电系统的分类光伏发电系统按是否接入公共电网可分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统两大类。1.独立光伏发电系统独立光伏发电系统， 又称离网光伏发电系统， 是不与公共电网相连而独立运行的光伏发电系统， 其工作原理如图 2- 1 所示。 光伏组件或方阵发出的直流电通过控制器向蓄电池充电， 把电能存储在蓄电池中。 当直流负载用电时， 蓄电池放电并通过控制器直接向负载输电； 当交流负载用电时， 还需要用逆变器将直流电变换为交流电。控制器 逆变器 交流负载充电 放电蓄电池 直流负载光伏方阵图 2- 1 独立光伏发电系统框图独立光伏发电系统根据用电负载的特点， 可分为无蓄电池的直流光伏发电系统、有蓄电池的直流光伏发电系统、交流及交、直流混合光伏发电系统、市电互补和风光互补光伏发电系统等。无蓄电池的直流光伏发电系统的特点， 是用电负载为直流负载， 在白天使用，光伏组件或方阵与负载直接连接， 有阳光时就工作， 无阳光时就停止， 系统不需要控制器和蓄电池。 这种系统最典型的应用是光伏水泵， 除了有太阳时直接抽水灌溉外，还可以把水存储在蓄水池内，以供夜晚和阴雨天使用。有蓄电池的直流光伏发电系统， 是要有充放电控制器和蓄电池， 有阳光时光伏组件或方阵通过控制器向蓄电池充电， 并同时可通过控制器供负载使用， 夜晚或阴雨天时， 蓄电池通过控制器向负载供电。 这种系统应用广泛， 如太阳能路灯、交通指示灯、装饰灯、远离电网的移动通信基站、微波中继站、边远农林牧区的供电、需要移动携带的设备电源等。有交流负载的光伏发电系统与只有直流负载时的相比，它多了一个逆变器，用以把直流电变换为交流电， 为交流负载供电。 交、 直流混合光伏发电系统则既第 2 章 太阳能光伏发电系统26 能为直流负载供电，也能为交流负载供电。市电互补光伏发电系统则是将通常的独立光伏发电系统， 在遇到连续雨天时与市电连接， 经充电切换电路向蓄电池充电， 作为电力的补充。 风光互补光伏发电系统， 就是在通常的独立光伏发电系统中， 加入了风力发电系统， 同时利用太阳能和风能，可实现昼夜发电。2.并网光伏发电系统并网光伏发电系统是与公共电网连接在一起的光伏发电系统， 其工作原理如图 2- 2 所示。并网光伏发电系统由光伏方阵、配电柜和逆变器等组成，光伏方阵发出的直流电， 经逆变器变换成与电网相同电压和频率的交流电， 并入电网。 系统还配备有监控、 测试及显示设备， 以监控整个系统的工作状态。 并网光伏发电系统一般不需要蓄电池， 有些还配置了蓄电池是当电网停电或故障时可应急向负载和重要设备供电。 有些经逆变器输出的交流电直接供负载使用， 而将多余的电能通过变压器等设备接入公共电网，当系统电力不足时再切换由电网向负载供电。光伏方阵图 2- 2 并网光伏发电系统框图并网光伏发电系统分集中式和分布式两种。 集中式并网光伏发电系统一般容量较大，通常在 MWp 级以上，而分布式并网光伏发电系统一般容量较小，通常在 MWp 级及以下。并网光伏发电系统按容量大小还可分小型系统（＜ 1MWp） 、中型系统 （ 1～ 30MWp） 、 大型系统 （ 30～ 100MWp） 和特大型系统 ( ＞ 100MWp） 数种。集中式光伏发电系统的主要特点是 ,系统所发的电被直接输送到主干电网上，由电网统一调配向用户输电。大型并网光伏发电系统框图如图 2- 3 所示，由若干光伏发电单元组合构成。 每个光伏发电单元将光伏方阵发出的直流电经并网逆变器转换成 380V 交流电， 经升压变压系统变成 10kV 的交流高压电， 再经 35kV汇流箱直流配电柜并 网逆变器蓄电池组交流配电柜电度表出交流电网电度表入交流负载监测显示设备第 2 章 太阳能光伏发电系统27 升压变压系统，接入 35kV 的交流高压电网。这种大型光伏电站投资大，建设周期长，占地面积大，需要复杂的控制和配电设备。光伏发电单元 1# 光伏发电单元 N#. . . . . . . . 图 2- 3 大型并网光伏发电系统框图分布式并网光伏发电系统，特别是与建筑物相结合的光伏建筑一体化（ BIPV ）的光伏发电系统，主要特点是所发的电直接分配到就近住宅或厂房的用电负载上， 多余或不足的电力通过公共电网调节。 分布式并网光伏发电系统由于投资小，建设快，就地消纳电力，许多国家出台了激励政策，所以发展很快。分布式并网光伏发电系统根据系统所产生的电能是否反送到电力系统， 可以分为有逆流型、无逆流型、切换型和有蓄电池型数种。有逆流并网光伏发电系统是， 当系统产生的电多余时可向公共电网送电， 当系统提供的电力不足时再由电网向负载供电。 由于该系统向电网送电与由电网供电的方向相反， 所以称有逆流系统。 现在， 住宅和厂房用并网光伏发电系统几乎光伏方阵汇流箱直流配电柜并网逆变器0.38kV/10kV 升压变压器交流配电柜35kV 高压电网10kV/35kV 升压变压器 监控设备光伏方阵汇流箱直流配电柜并网逆变器交流配电柜0.38kV/10kV 升压变压器环境检测系统35kV/0.4kV 降压变压器发电站备用电源第 2 章 太阳能光伏发电系统28 都是采用有逆流系统。无逆流并网光伏发电系统是只给负载供电， 即便系统发电充裕也不向公共电网送电，但当系统供电不足时，则要由公共电网向负载供电。切换型并网光伏发电系统， 实际上是具有自动运行双向切换的功能， 一是当系统因阴雨天或有故障导致发电量不足时， 能自动切换到公共电网供电一侧， 由电网向负载供电； 二是当电网突然停电时， 可以自动切换使电网与系统分离， 成为独立光伏发电系统那样的工作状态。有蓄电池的并网光伏发电系统， 就是在系统中再配置蓄电池， 以提高系统的主动性， 当电网停电时， 便可独立运行并正常向负载供电， 因此它可以作为重要场合或应急负载的供电。2.2 光伏组件2.2.1 光伏组件结构光伏组件是 太阳电池组件的简称， 是将多个太阳电池片经电气连接并封装形成的在光照下具有一定电压、 电流输出的单元模块。 它在光照下发出直流电， 是光伏发电系统发电之源泉，是光伏发电系统的核心设备。太阳电池片是一种半导体 P-N 结器件。它利用太阳光激发少数载流子通过P-N 结而发电，是用于光电转换的最小单元。在发电过程中，它既不发生任何化学变化，也没有机械磨损，无气味，无噪声，无污染。常用的单晶硅和多晶硅光伏组件结构如图 2-4 所示。 它是由太阳电池片经串联或并联并封装在铝合金边框内而构成。 钢化玻璃覆盖在光伏组件的正面， 要求透光率高， 坚固耐用， 起到长期保护太阳电池的作用。 两层 EVA胶膜夹在钢化玻璃、电池片和 TPT背板之间，通过熔融和凝固过程，将钢化玻璃与电池片及 TPT背板凝结成一体。 TPT背板具有良好的耐气候性能，并能与 EVA胶膜牢固结合。镶嵌在光伏组件四周的铝合金边框对组件起保护作用，又便于组件的安装固定。接线盒用粘结硅胶固定在 TPT背板上， 作为光伏组件引出线与外界引线之间的连接部件。图 2-4 常用光伏组件结构第 2 章 太阳能光伏发电系统29 目前常用的单晶硅和多晶硅太阳电池片规格尺寸有 125mm× 125mm、 150mm×150mm和 156mm× 156mm， 也可以根据用途再把它切割成较小尺寸的。 电池片的面积大小与其输出的最大功率电流和最大功率成正比， 其单位面积输出的最大功率电流一般在 25～ 33mA/cm2 之间，但其输出的最大功率电压与电池片的面积大小无关， 都在 0.45 ～ 0.52V 之间。 根据这个关系， 将多个电池片进行串联或者并联，可以做成各种不同规格参数的光伏组件。2.2.2 光伏组件性能参数光伏组件的性能主要是其电流 - 电压特性，反映在光伏组件 UI 特性曲线中，如图 2-5 所示。图 2-5 光伏组件的 UI 特性曲线该特性曲线反映了太阳光照射到光伏组件上时， 光伏组件的输出电流、 输出电压和输出功率的关系， 所以又称为光伏组件的输出特性， 图中标志的 MPP是最大功率点。由该特性曲线可知，在实际运行中，光伏组件既非恒压源，又非恒流源， 而是一种非线性直流电源， 输出电流在大部分工作电压范围内相当稳定， 当组件电压达到最大功率电压后，电流便迅速下降。为了统一表征光伏组件的性能，国际上提出了统一的标准测试条件（ STC）（ standard test conditions ） 。国际电工委员会颁布的 IEC 标准规定，光伏组件的标准测试条件是， 太阳辐照度 1kW/m2， 光谱 AM1.5， 电池温度 25℃。 要注意，这里指的是电池工作温度， 而非环境温度。 考虑到光伏发电系统还要在较弱的光照条件下工作， 且光伏组件在低辐照度下的输出特性对整个系统的发电能力也有很大影响， IEC 标准又增加了在低辐照度下性能的测试，规定的测试条件为，太阳辐照度 200W/m2，光谱 AM1.5，电池温度 25℃。光伏组件的性能参数主要有：1. 短路电流（ scI ）第 2 章 太阳能光伏发电系统30 光伏组件在 STC下正负极短路时流过的电流。 如果要计算与系统连接导线的最小容量，就需要利用该值。测量短路电流的一般方法是， 将内阻很小的电流表接到光伏组件输出电缆的两端进行的。2. 开路电压（ ocU ）光伏组件在 STC下正负极开路即不接负载时极间的电压。 它随太阳电池片串联数量的多少而增减，但与电池片面积的大小无关。3. 最大功率电流（ mI ）光伏组件在 STC下输出最大功率时的工作电流。该值经常与 mU 值一起用来确定光伏发电系统导线的容量，使光伏组件或者方阵产生的功率最大化。4. 最大功率电压（ mU ）光伏组件在 STC下输出最大功率时的工作电压。与 ocU 相似，它随太阳电池片串联数量的增减而变化。5. 最大功率（ mP ）又称额定功率， 是光伏组件在 STC下的最大输出功率， 就是最大功率电流与最大功率电压的乘积，即 mmm UIP 。它在预计光伏发电系统的发电量和确定配套设备（如逆变器等）时，需要利用该值。6. 电压温度系数（ V ）光伏组件的输出电压随电池温度的变化呈反比关系， 这一变化量被称为电压温度系数。该值为负值，单位是 %/℃，表示电池温度每变化 1℃对应的光伏组件电压反向变化的百分数，基准温度即是 STC的温度 25℃。7. 填充因子（ FF ）光伏组件在 STC 下的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值，即)/( ocscm UIPFF 。它一般在 0.5 ～ 0.8 之间，取决于入射光强、电池材料的禁带宽度、串联和并联电阻等。该值越高，反映光伏组件的特性曲线越趋于矩形，光电转换效率就越高。第 2 章 太阳能光伏发电系统31 8. 光电转换效率（ ）光伏组件在 STC下的最大功率与照射到光伏组件上的太阳能功率的比值， 即)( stcm HAP ， 其中 A 为光伏组件的有效面积， stcH 为 STC下光伏组件上的辐照度，即 stcH =1kW/m2。光伏组件的性能参数， 应该是指在 STC下得到的数值。 但是， 通常所说的短路电流、开路电压、最大功率电流、最大功率电压和最大功率，也可以指在特定的太阳辐照度、太阳光谱和工作温度下测试的数值。2.2.3 影响光伏组件输出特性的主要因素1. 太阳辐照度的影响光伏组件的短路电流与入射的太阳辐照度成正比， 而开路电压与入射的太阳辐照度的自然对数成正比。太阳辐照度对光伏组件特性曲线的影响如图 2-6 所示。当电池温度相同时，随着太阳辐照度的增大， 光伏组件电路中的电流线性增大， 最大功率点则上升得更快， 但开路电压变化不太大。 可见， 增大光伏组件表面的太阳辐照度是提高输出功率的有效途径。另外， 在接近开路电压附近的曲线， 近似为一直线区段， 该段直线对应横轴的斜率，可以近似表征为光伏组件的串联电阻。太阳辐照度越高，该线段越陡，串联电阻就越小；太阳辐照度变低，该线段斜率变小，串联电阻就变大。图 2-6 太阳辐照度对光伏组件特性曲线的影响2. 太阳电池温度的影响随着太阳电池温度的升高， 光伏组件的开路电压将线性下降， 最大功率也随着下降， 但短路电流变化不太大。 图 2-7 表示了太阳电池温度对光伏组件特性曲线的影响。第 2 章 太阳能光伏发电系统32 图 2-7 太阳电池温度对光伏组件特性曲线的影响光伏组件的开路电压对太阳电池温度很敏感，在考虑光伏组件的串联数量时，在高温天气，必须保证光伏组件或者方阵有足够高的电压来推动电流流动，否则电气设备就会停运； 在低温天气， 则必须保证光伏组件或者方阵的输出电压低于配套设备 （如逆变器） 所允许的最大直流输入电压， 否则就会损坏配套设备。测试太阳电池的温度比较困难。 对于常规的玻璃封装的光伏组件， 长时间工作的电池温度 oT 可以通过测试环境温度 eT 并通过下面的经验公式估算出来：oT 1000/30 HTe (2-1) 式中， H 为光伏组件接收到的太阳辐照度（ W/m2） 。3. 阴影遮挡的影响光伏组件会由于阴影遮挡 （如树叶、 鸟粪、 高楼、 树木等） 造成不均匀辐照，进而影响整个组件的输出功率。 如果组件被遮挡的是并联的电池片， 问题还比较简单， 只是该部分贡献的电流将减小。 如果被遮挡的是串联的电池片， 问题则严重得多， 一方面会使整个组件的输出电流减小为该遮挡部分的电流； 另一方面被遮挡部分的电池片将作为耗能器件， 以发热方式将其它未遮挡部分产生的多余的能量消耗掉。 长时间的阴影遮挡会造成组件局部高温， 产生热斑， 形成所谓的 “热斑效应” 。产生热斑效应的原因除了以上情况外，还有个别的坏电池片混入、焊片虚焊等。 在高电压大电流的回路中， 热斑效应能够造成电池片碎裂， 焊带脱落，封装材料烧坏，甚至引起火灾。图 2-8 表示了在 36 片电池片串联的光伏组件中，其中一个电池片被不同比例遮挡时对整个组件性能的影响。可见回路的输出功率与遮挡面积不是线性关系， 一个组件即便只有一片电池被遮挡， 整个组件的输出功率也将大幅度地降低。第 2 章 太阳能光伏发电系统33 （ a）无旁路二极管保护 （ b）每 18 片并联一个旁路二极管图 2-8 一片电池片被不同比例遮挡时对整个组件性能的影响4. 负载阻抗的影响图 2-9 展现了纯电阻负载时光伏组件的工作曲线。当负载电阻 mR 与光伏组件的输出特性匹配得较好时，光伏组件可以在最大功率点（ MPP）附近运行，此时组件工作效率最高。当负载电阻增大到 HR 时，组件运行在高于最大功率电压的水平上， 这时输出电压增加少许， 但电流下降明显， 使得组件的输出功率下降，效率降低。当负载电阻减小到 LR 时，组件运行在低于最大功率电压的水平，这时输出电流有所上升， 但电压却下降了不少， 同样是组件的输出功率减小， 效率降低。图 2-9 不同负载对光伏组件工作点的影响当是一个感性负载时， 如电机的启动直接由光伏组件或方阵提供电力时， 由于负载工作点不断变化， 负载阻抗与组件或方阵的匹配就更为重要， 通常需要选用专门的功率跟踪控制器。5. 入射光谱的影响在单色光照射下， 光伏组件的输出功率与入射光的波长或频率相关。 在非单色的太阳光照射下，即便辐照度相同，也因为不同季节、不同时间、不同环境的第 2 章 太阳能光伏发电系统34 光谱变化范围较大， 光伏组件或方阵产生的电量也有所不同。 通常薄膜太阳电池受光谱的影响要比晶体硅太阳电池更大一些。图 2-10 表示了几种太阳电池的光谱响应曲线。图 2-10 几种太阳电池的光谱响应曲线6. 太阳电池材料的影响目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为 16%～ 20%， 最高的达到 25%， 用它制成的光伏组件转换效率为 14%～ 18%,最高的达到 20%左右。单晶硅太阳电池的性能稳定，衰减率较低，使用寿命一般可达 25 年以上。多晶硅太阳电池的平均转换效率要比单晶硅约低 1%，但是由于单晶硅电池片只能做成 4 个角是圆弧的准正方形，当组成光伏组件时就有一部分面积填不满， 而多晶硅电池片可以是正方形， 不存在这个问题， 因此同样尺寸规格的光伏组件， 其效率几乎是一样的。 多晶硅太阳电池的制造成本要比单晶硅低， 所以便宜一些， 使用寿命也稍微短一些， 但其性价比优于单晶硅太阳电池。 单晶硅和多晶硅光伏组件适宜在太阳辐照度较高、直接辐射份额较大的地区使用。薄膜太阳电池的光电转换效率目前较低，用它制成的光伏组件转换效率为6%～ 12%,相同输出功率所需的光伏组件面积，要比晶体硅光伏组件约增加一倍，而且一般稳定性较差， 衰减率较高。 薄膜光伏组件的优势在于它的材料和制造成本较低， 输出电压和功率的温度系数较低， 输出特性受环境温度的影响较小， 而且如果其中部分被阴影遮挡， 也不会像晶体硅光伏组件那样产生热斑效应。 薄膜光伏组件适宜在太阳辐照度较低、散射分量较大、环境温度较高的地区使用。2.2.4 光伏组件串在光伏发电系统中， 将若干光伏组件串联后， 形成具有一定直流输出电压的电路单元， 称为光伏组件串， 可简称为组串。 每个光伏组件串在组合时应满足下第 2 章 太阳能光伏发电系统35 列要求：1. 光伏组件串在当地极端最低气温下的最大开路电压， 不应大于光伏组件或系统的最大耐受电压。2. 光伏组件串的工作电压变化范围，应在逆变器的最大功率点跟踪（ MPPT）电压范围内。3. 光伏组件串在当地极端最低气温下的最大开路电压， 不应大于逆变器允许的最大直流输入电压。4. 同一光伏组件串中光伏组件的电性能参数宜一致，其中最大功率 mP 、最大功率电流 mI 的离散性应小于± 3%。通常， 根据光伏组件串组合要求第 1 条和第 3 条的规定， 由下式来确定光伏组件串中光伏组件的最大串联数量：])25(1[maxVeocdcTUUN （ 2-2 ）式中， N 为光伏组件的串联数量（向下取整数） ， maxdcU 为逆变器允许的最大直流输入电压及光伏组件或系统的最大耐受电压。然后， 根据光伏组件串配置要求的第 2 条规定， 由下式来复核光伏组件串在最高环境温度下的工作电压，是否落在逆变器的最大功率点跟踪电压范围内：])25(1[ Vomo TUNUN （ 2-3 ）例如，光伏组件串采用 mP =250Wp、 mI =8.35A、 mU =30.0V、 scI =8.57A、ocU =38.6V、 V = -0.35%/ ℃的光伏组件，配置的逆变器最大直流输入功率为500kWp，允许最大直流输入电压为 1,000V，最大功率点跟踪电压范围为 450～900V，光伏组件和系统的最大耐受电压也为 1,000V，当地冬季极端最低气温为-40 ℃， 夏季极端最高气温为 40℃， 光伏组件上的最高太阳辐照度有 1000 2mW 。这样，根据式（ 2-2 ）可得 N=1000/38.6× [1+(-40-25) × (-0.0035)]=21.1 ，实际可取 20 块 （或 21 块） 光伏组件组成一个光伏组件串， 再根据式 （ 2-3 ） 和 （ 2-1 ）可得 oNU =20× 30× {1+[(40+30 × 1000/1000)-25] × (-0.0035)}=505 ，即该光伏组件串在最高气温条件下的工作电压为 505V，落在逆变器最大功率点跟踪电压第 2 章 太阳能光伏发电系统36 的范围之内。2.2.5 光伏发电单元以一定数量的光伏组件串， 通过直流汇流箱多串汇集， 再经逆变器逆变和升压变压器升压成符合电网频率和电压要求的电源。 这种一定数量光伏组件串的集合称为光伏发电单元。在每个光伏发电单元中，并联接入的光伏组件串的输出电压、安装支架的朝向及倾角宜一致， 并联的最大直流输出功率不应大于逆变器允许的最大直流输入功率。如上一节中的例子，每个光伏组件串的最大输出功率为 5kWp，一个光伏发电单元配置一台 500kWp的逆变器，则该光伏发电单元需要由 100 个这样的光伏组件串并联而成。对于小功率光伏发电系统， 有时可以直接将若干光伏组件并联连接成为一个光伏发电单元，如 2.3.1 节图 2-11 上方所示的电路那样。2.2.6 使用光伏组件需要注意的一些细节使用光伏组件时， 还需要注意常被忽视或者被误解的一些细节。 有时候， 细节决定成败。1. 光伏组件是高电阻的电流源，将一个组件正负极短路一般不会受到损伤，但是试图同时短路不止一个光伏组件， 就可能对人身或者设备产生伤害。 蓄电池是低电阻的电压源，是千万不能短路的。2. 有人问为什么用万用表测试组件的电流达不到标称的短路电流？因为短路电流只有用光伏组件专用测试仪来测试才行， 而有些用来测试电流的万用表内阻较大，本身就成了一种负载，所测试的实际是其工作电流。3. 把组件刚从包装箱中取出来， 或者尽管在系统中使用了隔离开关， 切断了来自光伏组件或方阵和逆变器的电流， 但组件或方阵仍然有电压， 这部分电路仍然带电。为避免被电击，操作时一定要戴上绝缘手套。要知道， 0.1A 的电流就有可能损害心脏的机能。4. 在太阳辐照度很低时， 如在阴雨天， 光伏组件虽然输出功率很小了， 但开路电压依然很高， 若此时去维修配电箱、 逆变器等设备， 如操作不当仍然会引起触电。第 2 章 太阳能光伏发电系统37 5. 并联的光伏组件串数量为 1 个或 2 个时，一般不需要使用熔断器来保护；当并联光伏组件串有 3 个及 3 个以上时， 就一定要在每一个光伏组件串中都安装过流熔断器加以保护。这是由组件串回路包括光伏组件、 电气设备及输电导线等设定的最大串联熔断器额定电流值所决定的， 目的是为了保护这些设备。 如果 3 个并联组件串中有1 个发生故障，意味着该组件串将成为一个负载，另外 2 个组件串的短路电流将超过导线或组件串的额定电流容量。 按规定， 熔断器的最大额定电流值， 应是短路电流值的 1.25 倍。 大多数光伏组件串回路的失火， 是因为没有这样做引起的。6. 当光伏组件或方阵还带有负载（如蓄电池、逆变器或其它电器）时，绝对不要在组件回路上把接头断开， 或者将汇流箱、 配电柜中的熔断器从支座上拔出来，否则可能会产生强烈的电弧放电，引发火灾（塑料盒也可能会着火） ，甚至危及人身。要记住，永远不要在带负载的情况下断开组件接头或拔出熔断器！7. 在利用温度系数推算光伏组件的电压时， 基准温度是在 STC下测试性能所标志的 25℃，它是电池的工作温度，而非环境温度。你在计算工作温度对工作电压的影响时，要环境温度额外加上式（ 2-1 ）中的 30× H /1000 这个值。但是在计算电池温度对开路电压的影响时， 是不可以加上这个值的， 因为它此时并没有通电。8. 光伏组件接线盒、 汇流箱、 配电柜和逆变器的电缆连接方式， 大多采用压接方式， 这种方式会产生较大的接触电阻， 长期反复地经历大电流的通断， 将引起接线柱热胀冷缩， 压接部位的镀层可能会出现氧化、 锈蚀或脱落， 加上接线柱可能没有拧紧，接触电阻便不断增加，进而造成局部发热，输出功率降低，严重的将产生电弧放电或引起火灾。 许多光伏电站屡屡发生这样的事故， 所以最好选用焊接方式连接的产品。9. 人们常常会忽视接线盒对光伏组件的影响。 其实， 接线盒内接线柱接触电阻和旁路二极管不仅要消耗组件的一部分功率， 而且所产生的热量有部分传递到了背靠的电池片上， 使得温度升高， 转换效率降低。 由于光伏组件的电池片一般都是串联的， 一两片电池转换效率降低势必造成整个组件输出功率的减少。 所以光伏组件还应选择散热性好的接线盒。10. 是否可以使用反射镜来提高常规光伏组件上的辐照度呢？回答是否定第 2 章 太阳能光伏发电系统38 的。 常规光伏组件的运行条件是没有这些增强措施的， 这些增强措施实际上会使组件老化加速， 最终效果将是寿命缩短和发电量减少。 早期美国曾经做过不少试验，证实了这个结果。2.3 光伏方阵又称光伏阵列， 或太阳电池方阵。 它是将光伏组件安装在支架上， 通过对光伏组件适当的串联、 并联， 形成含 1 个或若干个光伏发电单元的阵列， 一般以对应的逆变器为划分范围。 除光伏组件的串联、 并联组合并需要机械固定在支架上外， 光伏方阵还需要采用防反充二极管、 旁路二极管、 电缆等对组件进行电气连接。2.3.1 光伏组件的连接及失配光伏方阵中光伏组件的连接有串联、 并联和串、 并联混合几种方式， 基本电路如图 2-11 所示。图 2-11 光伏方阵基本电路示意图光伏组件在串、 并联使用时， 由于每个组件电性能不可能完全一致， 这就使得组合后的输出功率往往小于各个组件输出功率之和，称为光伏组件的失配。光伏组件并联连接时， 并联输出电压保持一致而输出电流为各并联组件的电流之和。 光伏组件并联使用时失配损失要比串联使用时小， 只要最差组件的开路第 2 章 太阳能光伏发电系统39 电压高于该方阵组件的工作电压， 其输出电流仍为各组件电流之和。 失配损失仅来自于一些没有工作在最大功率点的组件。 如果其中有组件的开路电压低于工作电压，该组件就将成为负载而消耗能量。光伏组件串联成为光伏组件串时， 该组件串的输出电流为最小输出电流组件的这个电流值， 而其输出电压为各组件的电压之和。 光伏组件串联使用时的失配损失要严重得多， 一旦有一个组件的输出电流减小了， 整个串联回路中的电流也将减小，从而大大降低整个光伏组件串回路的输出功率。因此，光伏方阵中光伏组件的组合，要遵循下列几条原则：（ 1）串联时需要选用最大功率电流相同的光伏组件，并为每个组件并接旁路二极管。（ 2）并联时需要选用最大功率电压相同的光伏组件，并在每一条并联线路中串联防反充二极管。（ 3）光伏组件连接线路应尽可能短，导线的额定电流应是组件回路最大连续电流的 1.56 倍。（ 4）严格防止性能不符合要求的光伏组件混入光伏方阵。2.3.2 防反充二极管在光伏方阵中， 二极管是很重要的器件， 通常采用的是硅整流二极管， 小功率场合也可以采用肖特基二极管。在蓄电池或逆变器与光伏方阵之间要串联防反充二极管， 在夜间光伏方阵不发电或白天光伏方阵所发电压低于其供电直流母线电压时， 防止蓄电池或逆变器向光伏方阵倒送电流，额外消耗功率，使得光伏组件发热甚至损坏。当光伏方阵由若干光伏组件串并联时， 在每个组件串中也要串联防反充二极管， 然后再并联， 以防止某组件串出现阴影遮挡或故障使其输出电压降低时， 其它高电压组件串的电流， 向该组件串支路倒流， 并消耗功率， 影响其它正常组件串的工作。防反充二极管存在正向导通压降，一般硅整流二极管管压降为 0.7 ～ 0.9V，大功率二极管可达 1～ 2V，肖特基二极管管压降为 0.2 ～ 0.3V，但其耐压和功率都较小。 二极管选用时应留足余量， 反向峰值击穿电压和最大工作电流一般应为回路运行最大工作电压和电流的 2 倍以上。第 2 章 太阳能光伏发电系统40 2.3.3 旁路二极管当有多块光伏组件串联组成光伏组件串时， 需要在每块组件接线盒的正负端反向并联 1～ 3 个旁路二极管。当光伏组件串中某个组件被阴影遮挡或出现故障时， 在旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通， 该组件串工作电流便绕过故障组件， 经二极管旁路流过， 不影响其它组件正常发电， 同时也保护被旁路的组件避免受到较高正向偏压的作用，或由于热斑效应而发热、损坏。旁路二极管一般都直接安装在组件接线盒内， 其数量根据组件功率的大小和电池片串联的多少来确定，如图 2-12 所示。图 2-12 旁路二极管连接示意图也不是所有场合都需要采用旁路二极管。在光伏组件单独使用或并联使用时， 是不需要接旁路二极管的。 对于组件串联数量不多， 且工作环境较好的场合，也可以考虑不用旁路二极管。2.4 光伏方阵的排布2.4.1 太阳直接辐射的余弦定律众所周知， 到达光伏组件表面的太阳辐照度等于直接辐射辐照度与散射辐射辐照度（包括天空散射辐射和地面反射）之和。散射辐射是各向同性的，表面上的散射辐射辐照度与太阳光线对表面的入射角无关， 而表面上的直接辐射辐照度（ xG ） ，与太阳入射角（ ）的余弦值成正比，即遵循余弦定律：c o sG bx G （ 2-4 ）如果是地面，则与太阳高度角（ sh ）的正弦值相关：s i nbx GG sh （ 2-5 ）第 2 章 太阳能光伏发电系统41 式中， bG 为太阳入射的直接辐射辐照度。图 2- 13 表示了地面和斜面上直接辐射辐照度之间的关系。图 2- 13 地面和斜面上直接辐射辐照度之间的关系太阳光线垂直入射表面时， 表面上的辐照度最强， 所以光伏组件表面以始终与太阳光线垂直即 0o为最佳。这是许多光伏发电系统采用跟踪式光伏方阵的主要原因。但是，当入射角不大时，表面上的辐照度损失并不太大，如 8o时直接辐射辐照度仅减少 1% ， 25o 时直接辐射辐照度减少 10%。如若光伏组件对太阳光进行跟踪， 跟踪精度取多少合适呢？假设跟踪精度为± 0 ， 太阳光入射角在此范围作周期性变化，光伏组件上太阳直接辐射辐照度相比始终垂直入射时的损失因子 f ( 0 ) 可表达为f ( 0 )= 0000 sin1801)cos1(0 d（ 2-6 ）当 0 分别为 1o、 5o、 10o、 15o和 23.45 o时， 损失因子 f ( 0 ) 分别为 0.005%、0.13%、 0.51%、 1.14%和 2.77%。可见光伏组件上的太阳直接辐射辐照度的损失并不大，考虑还有散射辐射的作用，总辐照度的损失因子就更低了。因此，跟踪精度在± 5o～± 10o范围已经够了，没有必要采用过分复杂的跟踪控制系统来追求很高的跟踪精度。 当然， 对于聚光式光伏方阵， 因为需要将太阳光都汇聚到小面积的太阳电池上，跟踪精度一般需要高一些。2.4.2 光伏方阵方位的选择在光伏发电系统的设计中， 光伏方阵的形式和取向， 对方阵接收到的太阳能的多少， 有很大的影响。 光伏方阵的形式有固定式和跟踪式两种， 称之为固定方阵和跟踪方阵， 光伏组件分别安装在固定支架和跟踪装置上。 光伏方阵的取向可由其方位角和倾角两个参量来表征，图 2- 14 表示了固定方阵斜面与太阳入射光的几何关系。第 2 章 太阳能光伏发电系统42 图 2- 14 固定方阵斜面与太阳入射光的几何关系。光伏方阵的方位角是方阵面法线在地平面上的投影与正南方之间的夹角， 向东偏设为正角度，向西偏设为负角度。对于固定方阵，一旦安装完成，方位角就无法改变了。 对于跟踪方阵， 方阵的方位角一直在跟踪太阳的方位角， 使得光伏方阵中的光伏组件一直朝向太阳。在北半球，为了获得最大的太阳能，固定方阵的朝向，即方位，一般都选择正南方，即沿当地地理子午线向南的方向，此时方阵的方位角为 0o。观察上面诸太阳位置图可以明白，太阳的路径是以正南方为轴对称分布的。一般情况下，在偏离正南 30° 时，光伏方阵的发电量将减少 5%~10%；在偏离正南 60° 时，光伏方阵的发电量将减少 10%~20%。光伏方阵朝向对发电量的大致影响如图 2- 15所示。图 2- 15 光伏方阵朝向对发电量的影响在我国西北地区， 夏天峰值太阳辐照度 的时刻是在正午稍后 ， 光伏方阵的方位选择在正南稍微偏西一些（如 5o）更好。至于屋顶上的光伏方阵，由于受到条件的制约，只能顺其自然，根据屋顶的方位和坡度略微调整而已。要记住，所谓正南正北并不是罗盘指的方向，而是当地的太阳时为 12 点钟时太阳所处的方位。 用罗盘来给光伏方阵定向， 要考虑有个磁偏角的问题。 因为罗盘指的是地磁极，而不是地理南北极。第 2 章 太阳能光伏发电系统43 所谓磁偏角是指磁北方向与正北方向之间的夹角， 即罗盘指针偏离正北的角度， 大小取决于你所在的位置， 而且它是慢变化的。 在我国东经 90o以东的地区，罗盘指针会指向北偏西，只有新疆和西藏的中西部才会指向北偏东。在 1970 年我国公布各地的磁偏角数据是：漠河 11o（偏西） ，哈尔滨 9o39′ ( 偏西） ，北京5o50′（ 偏西） ， 呼和浩特 4o36′（ 偏西） ， 上海 4o26′（ 偏西） ， 银川 2o35′（ 偏西） ，兰州 1o44′（ 偏西） ，西宁 1o22′（ 偏西） ，广州 1o09′（ 偏西） ，昆明 1o（偏西） ，拉萨 0o21′（ 偏西） ，乌鲁木齐 2o44′（ 偏东） 。2.4.3 光伏方阵的最佳倾角光伏方阵的倾角是光伏方阵平面与地平面之间的夹角。 倾角不同， 每个月份方阵面接收到的太阳辐照量差别很大。 因此确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计的一个重要环节。对于独立光伏发电系统， 有一种观点认为方阵倾角等于当地纬度为最佳。 这样做的结果， 夏季发电量往往过盈而造成浪费， 冬季发电量又往往不足而使蓄电池处于欠充电状态。 另一种观点认为方阵倾角应使全年辐照量最弱的月份能得到尽可能高的太阳辐照量为好，所以推荐方阵倾角在当地纬度的基础上再增加 5o～ 20o。 这样往往会使夏季获得的辐照量过少， 从而导致方阵全年得到的太阳辐照量偏少。同时，最佳倾角的概念，在不同的应用中也是不一样的，对于独立光伏发电系统， 由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制， 要综合考虑光伏方阵上太阳辐照量的均衡性和最大性。对于负载全年用电比较均衡的独立光伏发电系统， 光伏方阵的最佳倾角应考虑在斜面上各月的太阳辐照量也比较均衡。 这可以借助计算机辅助设计软件对倾角进行优化计算得到， 表 2-1 列出了我国部分城市用电均衡的独立光伏发电系统和并网光伏发电系统光伏方阵的最佳倾角。表 2-1 我国部分城市光伏发电系统光伏方阵的最佳倾角地区 纬度 Φ （ o） 独立系统最佳倾角（ o） 并网系统最佳倾角（ o）海口 20.02 Φ ＋ 12 10 中山 22.32 15 南宁 22.38 Φ ＋ 5 13 广州 23.10 Φ － 7 18 蒙自 23.23 21 汕头 23.24 18 韶关 24.48 17 第 2 章 太阳能光伏发电系统44 昆明 25.01 Φ － 8 25 腾冲 25.01 28 桂林 25.19 16 赣州 25.51 15 福州 26.05 Φ ＋ 4 16 贵阳 26.35 Φ ＋ 8 12 丽江 26.52 28 遵义 27.42 10 长沙 28.13 Φ ＋ 6 15 南昌 28.36 Φ ＋ 2 18 泸州 28.53 9 峨眉 29.31 28 重庆 29.35