光伏概论教案(第五章太阳能光伏系统第一讲)

课时计划授课教案 教师：第 1 页 共 8 页课 时 授 课 计 划授课日期授课节次授课班级课题：第五章 太阳光伏系统（第一讲）教学目的 掌握光伏系统的组成、工作原理及独立光伏系统分类中混合光伏系统的特点教学重点 光伏系统的组成、独立光伏系统分类中混合光伏系统教学难点1、光伏系统的组成2、独立光伏系统分类中混合光伏系统的特点教学准备 教材、教案、参考书教学方法 讲述法教学过程I 、课堂组织： 3 分钟清点人数，维持纪律。II 、导入新课： 5 分钟1、总结第一学期学习情况；2、提出新学期要求；3、引入本次课程主要内容。III 、讲授新课： 72 分钟课时计划授课教案 教师：第 2 页 共 8 页课 时 授 课 计 划教学过程第五章 太阳能光伏系统（第一讲）本讲主要内容：1、掌握光伏系统的组成2、掌握光伏系统组成部分的作用3、掌握光伏系统的工作原理4、了解光伏系统的分类5、掌握独立光伏系统的概念6、了解独立光伏系统的的基本情况7、了解独立光伏系统的种类8、了解不同种类独立光伏系统的构成及特点9、掌握大型太阳能供电系统及混合供电系统构成、特点5.1 光伏系统的组成和原理光伏发电系统：是由光伏阵列、充放电控制器、逆变器、电缆、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备、负载等构成。光伏系统的定义：包含逆变器和相关平衡系统（ BOS ）以及具有一个公共连接点在内的太阳电池方阵在内的系统。光伏系统具有很多优点，没有转动部件，不产生噪声；没有空气污染，不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性，稳定性好；作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到 25 年以上；根据需要很容易扩大发电规模，等等。光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统和并网发电系统。应用领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电， 主要是建设户用屋顶光伏发电系统和 MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。光伏系统的规模和应用形式各异， 如系统规模跨度很大， 小到 0.3-2W 的太阳能庭院灯，课时计划授课教案 教师：第 3 页 共 8 页大到 MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。光伏发电系统是由光伏阵列、充放电控制器、逆变器、电缆、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备、负载等构成。太阳能电池阵列：吸收太阳能 ,将光能转换成直流电能。 太阳电池组件按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。控制器：控制蓄电池的充放电深度，延长蓄电池寿命。 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，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能，在必要时 ,向负荷提供直流电力。 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。逆变器：将直流输入电力转换成交流电力输出。 在太阳能光伏供电系统中，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。太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器，将直流电转换成交流电。5.2 光伏系统的分类光伏系统分类：一般将光伏系统分为独立光伏系统、并网光伏系统。独立太阳能光伏系统根据负载情况又可分为专用负载系统和一般负载系统。 专用负载系统是指太阳电池的出力与负载一一对应。一般负载系统是指在一定范围内以不特定的负载为对象。对两种负载根据直流或交流形式供电又可以继续细分直流专用负载系统、交流专用负载系统、直流一般负载系统、交流一般负载系统。并网光伏系统根据太阳能光伏系统是否向电网送电可分为逆潮流系统和无逆潮流系统。 然后根据有无蓄电池分为有蓄电池逆潮流系统、无蓄电池逆潮流蓄电系统、有蓄电池无逆潮流系统、无蓄电池逆潮流系统。5.3 独立光伏系统课时计划授课教案 教师：第 4 页 共 8 页5.3.1 独立光伏系统概述独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的光伏发电系统。独立太阳能光伏系统主要用于远离电网、不需并网和备用电源、夜间阴雨天不需要电网供电而又必须电力的地方。常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。独立光伏系统有光伏阵列、 储能装置、 电能变换装置、 控制系统和配电设备组成。从太阳电池的输入输出特性可知，当电流增加时电压会降低，因此，太阳电池特性存在最大功率时的最佳动作点，通过功率调节器件的调节，改变电压使功率向增加的方向变化，将光伏组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负载，使 PV 系统的系统能量利用效率尽可能高。独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。它由光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。光伏阵列接收太阳能并转换为电能，发出的电能经逆变器变换成用电负载所需要的合格电力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪 (MPPT)、能量管理和逆变器输出控制。太阳能发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在光伏发电系统中储能元件是必不可少的。工程上使用的储能元件主要是蓄电池，科学研究中也有使用超级电容器、超导储能器件的，但限于成本过高尚未达到实用。从负载用电时间上划分的光伏发电系统有白天用电的光伏发电系统、夜间用电的光伏发电系统和昼夜用电的光伏发电系统。白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。理论上，供给此类负荷的光伏发电系统不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。在光照充足条件下，负载能正常工作。该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和用电是平衡的。负载用电受环境因素影响较大，工程实际中由于太阳光照、云层、风沙等天气因素变化较大，加之光伏电池负载特性较软，系统为了稳定运行往往也接人一定容量的储能元件，同时此储能元件也可以在一定程度上提高光伏电池发电的利用率，以应付负载的冲击性波动或冲击性启动等造成的电压剧烈波动。夜间用电的光伏发电系统主要包括照明灯、电视机等。储能元件是必不可少的，白天光伏阵列所发电量除去自身系统所用外全部储存在储能元件中，夜间光伏电池停止发电，由储能元件向负载和自身系统供电，负载供电相对平稳。虽然太阳能发电受气象环境因素影响较大，但此种系统在考虑了阴天影响的基础上，只要发电容量和储能容量设计合理，从宏观上用电与发电可以达到平衡，由此受气象环境的影响较小。光伏发电系统的合理设计要根据负载用电情况、负载特性和当地年平均日照量而进行。5.3.2 独立光伏系统的种类及构成课时计划授课教案 教师：第 5 页 共 8 页独立光伏系统的分类：小型太阳能供电系统、简单直流系统、大型太阳能供电系统、交直流供电系统、混合供电系统。混合型系统的优点：按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最佳的经济目标，构成一定的互补关系，克服光伏发电系统和风力发电电能供应不稳定的问题，同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。1、小型太阳能供电系统该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、收录机等直流设备，用来解决无电地区家庭的基本照明。2、简单直流系统简单直流系统的特点是系统负载为直流负载， 而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。系统结构简单，直接使用太阳电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。其常用于光伏水泵系统、一些白天临时设备用电和旅游设施中。3、大型太阳能供电系统与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组，常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。中国在西部地区实施的“光明工程”中，一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用这种形式；中国移动和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通信基站也采用了这种光伏系统供电。如图所示的光伏路灯系统已经在国内外的许多城市中应用。这种系统是最典型的“光伏＋储能”系统。天气良好的白天光伏发电，所发电力向蓄电池充电，晚间蓄电池向用电负荷放电。有些照明负荷是直流的，有些负荷是交流的。如负荷是直流的，则无须增加逆变环节，否则需要加装逆变环节，增加逆变环节会带来额外的功率损耗。照明负荷往往用电电压是市电等级（即 220V 交流） ，因此必须使用升压变换电路，将低压的直流电力升高到 220V 的交流或等效直流。对白炽灯来说， 220V 交流和 220V 直流其照明工作原理和照明效果是基本相同的。但对内部含有电子镇流的节能灯来说，因电子镇流器工作原理是先将220V交流电整流成约 280-310V 的直流电， 再供电给电子镇流器中的逆变环节。 所以， 此类供电负载可直接使用直流电源供电，而不必先将电源逆变成交流。只是使用直流电源供电时，应采用 280-310V 直流。故光伏照明系统输出供给照明环节的额定电压不能一概而论，即并非为固定的 220V 交流，要结合各种照明负载特性综合而定。课时计划授课教案 教师：第 6 页 共 8 页光伏路灯系统值得说明的是，由于光伏发电系统造价的昂贵，照明负载的电光源应尽可能采用高效的节能灯或气体放电灯等高效光源。蓄电池由于节数限制，其输出一般要加升压电路。系统使用的蓄电池一般为铅酸免维护蓄电池，尽量不要使用会造成蓄电池极板记忆效应的镍福蓄电池。因为蓄电池每昼夜构成一次充放电循环，充电和放电都是不完全的，视天气和用电情况决定。使用铅酸蓄电池充放电，还要注意不要过充电也不要过放电，以免造成蓄电池的损伤和损坏。照明系统一般带有能量管理系统，用来控制蓄电池端电压或统计每日的充放电电量和控制照明的时间。4、交流、直流供电系统与上述的三种光伏系统不同的是，交流、直流供电系统这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电，以满足交流负载的需求川。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其他一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。5、混合供电系统混合供电系统，这种太阳能光伏系统中除了使用太阳电池组件阵列之外，还使用了其他发电系统作为备用电源。主要有：风光互补型系统、太阳光热互补型系统、光伏燃料电池系统。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比较典型的应用时风光互补型发电系统。风力发电和光伏发电都受自然条件、天气限制，带有一定的局限性，但它们之间存在一定的互补性。一般来说，白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行，夜间光伏停止发电。而中国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，因此二者发电正好构成一定的互补关系。另一方面，风力由于其能量密度相对较高，发电功率可以做得很大，现风力发电机组其容量已可达兆瓦级。风力发电单位装机容量的建设成本比光伏发电要低许多，但其发电运行稳定性比光伏发电要差。从稳定性考虑，风能是非常不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行，风力发电装置本身很难提供稳定的电能输出。为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的作法是：大中型风力发电机组（上百千瓦及以上）并入电网运行；小型风力发电机组（几十千瓦）或者并网运行或者与其他发电设备互补运行，如柴油发电机组或课时计划授课教案 教师：第 7 页 共 8 页光伏发电系统；微型风力发电机组（几千瓦）一般采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行，其供电可靠性和稳定性均相对较差。从发电的经济角度考虑，采用风光一体化发电，即按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最佳的经济目标，构成一定的互补关系，克服光伏发电系统和风力发电电能供应不稳定的问题，同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。当对风光互补系统的资源、设备、运行模式、供电能量调度与管理、负载等进行合理设计与匹配后，发电系统得以优化，基本上可以依靠风力和光伏发电，而不需要启动柴油发电机进行补偿。从另一方面看，互补发电系统整体上具有较好的经济效益。目前光伏发电仍然成本较高，采用风光互补办法实施电力生产是一种比较经济和合理的发电办法。中国西部地区不仅太阳能丰富，风力资源也十分丰富，风光一体化模式大有作为。使用适当比例的太阳能和风力发电，将获得最佳的投资组合。具体组合比例要经过技术、投资、气象、负荷情况综合论证。不足：控制比较复杂： 因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制系统比独立系统复杂，现在多使用微处理芯片进行系统管理。仍受气象条件影响较大： 蓄电池属于储能元件，使用它储能虽可一定程度上弥补二者供电的不稳定性，储存的能量毕竟有限，不能长时间持续供给功率，如遇连续阴雨天气和连续无风天气，这个供电系统供电能力将会大大下降。对于比较重要的或供电稳定性要求较高的负载，还需要考虑用备用的柴油发电机组。初期工程较大： 混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。不可避免地存在噪音污染 ：光伏系统是无噪音、无排放的洁净能源利用，但是因为混合系统中使用了柴油机，这样就不可避免地产生噪音和污染。IV 、归纳总结： 5 分钟1、光伏发电系统的组成： 光伏阵列、充放电控制器、逆变器、电缆、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备、负载等构成。2、光伏系统的定义： 包含逆变器和相关平衡系统（ BOS）以及具有一个公共连接点在内的太阳电池方阵在内的系统。3、光伏系统组成部分的作用： 1）太阳能电池阵列：吸收太阳能 ,将光能转换成直流电能。 2）控制器：控制蓄电池的充放电深度，延长蓄电池寿命。 3）蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能，在必要时 ,向负荷提供直流电力。 4）逆变器：将直流输入电力转换成交流电力输出。4、光伏系统的分类： 一般将光伏系统分为独立光伏系统、并网光伏系统。课时计划授课教案 教师：第 8 页 共 8 页5、独立太阳能光伏系统根据负载情况的分类： 分为专用负载系统和一般负载系统。6、 并网光伏系统根据太阳能光伏系统是否向电网送电： 可分为逆潮流系统和无逆潮流系统。7、独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的光伏发电系统。8、独立光伏系统主要 用于远离电网、不需并网和备用电源、夜间阴雨天不需要电网供电而又必须电力的地方。常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。9、独立光伏系统有 光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。10、独立光伏系统的分类： 小型太阳能供电系统、简单直流系统、大型太阳能供电系统、交直流供电系统、混合供电系统。11、风光互补型系统的优点： 按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最佳的经济目标，构成一定的互补关系，克服光伏发电系统和风力发电电能供应不稳定的问题，同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。V、布置作业： 5 分钟1、一般的光伏发电系统有什么组成？2、简单说明光伏系统主要组成部分的作用。3、独立光伏系统根据负载情况分为什么？4、逆潮流光伏系统和无逆潮流光伏系统的区别是什么？5、独立光伏系统的概念？6、独立太阳能光伏系统主要用途是什么？7、独立光伏系统构成有什么？8、风光互补型系统有什么优点？教研组长签名： 教务科（盖章）年 月 日