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1、第五章 光伏系统设备构成 光伏发电系统是由太阳电池在光照时发出电能,供给负载使用.除了太阳电池以外,还需要一整套配套系统(Balance of system)才能正常工作.本章讨论各个部件的情况.一.太阳电池方阵1.太阳电池方阵的结构 通常单独一块太阳电池组件无法满足负载的电压或功率的要求.为了稳定地工作,必须将太阳电池板可靠地固定(跟踪系统除外).太阳电池方阵-由若干个太阳电池组件在机械和电气上按一定方式组装在一起,并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元.太阳电池方阵应牢固固定在支架上,方阵支架要有足够的强度和刚度.在多盐雾和潮湿地区支架要采用耐腐蚀的铝合金等材料.较大型的太阳电池方阵还需
2、要配置电缆,阻塞二极管和旁路二极管以及内装避雷器的分接线盒和总接线箱等.有时为了防止鸟类的排泄物沾污方阵表面而引起”热斑效应”,还要在太阳电池方阵顶端安装驱鸟装置.独立光伏系统一般用蓄电池作储能装置,所以方阵的工作电压通常设计成与蓄电池的标称电压相一致,如6V、12V、36、48V-.对于交流光伏系统或并网光伏系统等,方阵的工作电压常用110V、220V等.对于电压等级更高的光伏电站系统,可以采用更高的电压.采用多少太阳电池组件组成方阵;太阳电池组件之间如何连接等需要根据负载来确定.通常按照负载的功率要求来决定太阳电池组件的数量,具体数目要根据系统的优化设计计算得出.太阳电池组件的连接方法要系
3、统电压的要求来决定串、并联的方式.太阳电池组件连接的原则是:(1).将工作电流相近的组件串联在一起,最好在每个组件上并接旁路二极管.(2).将工作电压相近的组件并联在一起,最好在每条并联电路上串接阻塞二极管.(3).尽量考虑组件连接线最短.(4).在串并联数目比较多时,最好采用混合式连接法.+混合连接 旁路二极管二.储能装置 太阳能发电不是连续的,通常与负载用电规律不相符合.因此需要配置储能装置,将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来,在晚间或阴雨天使用.最常用的储能装置是蓄电池.也有采用其它形式的,如:并网光伏系统是将电能储存在电网中;光伏水泵常用水箱作为储能装置.在光伏发电系统中,蓄电池处
4、于浮充放状态,夏天日照量大,除了供给负载用电外,多余电能对蓄电池充电;在冬天日照量小,方阵发电量不够负载消耗,需要动用蓄电池储存的电能,在这种季节性循环的基础上,还要加上一个小得多的日循环:白天给蓄电池充电,晚上负载用电全部由蓄电池供给.因此要求蓄电池的自放电要小,能耐过充放,而且充电效率要高,当然还要考虑价格低廉,使用方便,维护简单等因素.目前最常用的是铅-酸蓄电池和碱性镍-镉蓄电池.固定式铅-酸蓄电池性能稳定,价格较低,容量较大,所以使用相当广泛.密封铅-酸蓄电池由于具有不泄漏酸液,运输和维护方便等优点,在中小型光伏系统中普遍使用.镍-镉蓄电池具有耐过充放,低温性能好,循环寿命长等优点,但
5、是价格较高.所以一般只在为重要负载供电的系统中使用.1.铅-酸蓄电池的电压 铅-酸蓄电池每格的标称电压是2V,实际电压随充放电情况而变化.充电结束时电压有2.52.7V,以后缓慢降到2.05V左右的稳定状态.放电时,电压缓慢下降,低到1.7V时,便不能再继续放电,否则会损坏蓄电池的极板.镍-镉蓄电池的标称电压是1.25V,放电终止电压为1.1V.2.标称容量(Ah)蓄电池出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电流和一定的电解液温度下,单格电池的电压降到规定值时,所能提供的电量.目前产品容量从1Ah到几千甚至上万Ah.蓄电池容量与放电率有关,放电电流越大,蓄电池容量越小.通常标称容量是指20h放电率的
6、容量.铅-酸蓄电池电解液的温度对蓄电池的容量有影响,温度高时,电解液的粘度下降,电阻减小,扩散速度增大,电池的化学反应加强,这些都使容量增加.铅-酸蓄电池的使用温度范围为+400 400C.使用时蓄电池所储存的的容量不能全部放出,否则会对蓄电池造成损坏.在设计时通常放电深度(DOD)取0.20.8.三.阻塞二极管 又称防反充二极管,其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨天和夜晚不发电或出现故障时,蓄电池通过方阵放电.它串联在太阳电池方阵的电路中,起单向导通的作用.要求能承受足够大的电流,而且正向电压降要小,反向饱和电流要小.一般可选用合适的整流二极管.四.控制器 是对光伏发电系统进行管理和控制的设
7、备.在小型光伏系统中,主要起到防止蓄电池过放电和过充电的作用.在大、中型光伏系统中,控制器担负着平衡、管理光伏系统的能量、保护蓄电池及整个光伏系统正常工作和显示系统的工作状态等重要作用.大、中型光伏系统的控制器,根据不同要求,可以具备以下功能:(1).蓄电池充放电管理和最优充电控制;(2).设备保护,如防止太阳电池方阵及蓄电池极性接反,内部短路以及防止由于雷击引起的击穿保护等;(3).光伏系统工作状态显示;(4).光伏系统数据及信息储存;(5).光伏系统故障报警;(6).光伏系统遥测、遥控、遥信等.五.逆变器 将直流电能转变成交流电能供给负载使用的一种转换装置.它是整流器的逆向变换功能器件.光
8、伏系统为交流负载供电时,都要用逆变器.1.逆变器的分类 逆变器技术种类很多,所涉及的知识领域和技术范畴十分广泛,分类方法也很多,主要有以下几种:(1).按逆变器的输出能量的去向,可分为有源逆变器和无源逆变器.(2).按逆变器相数,可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器.(3).按逆变器输出交流电的波形,可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器(包括方波、阶梯波等).(4).按逆变器输出交流电的频率,可分为工频逆变器(5060Hz)、中频逆变器(几百10kHz)和高频逆变器(10k几MHz).方波逆变器输出的交流电压波形为方波.优点是:线路简单,价格便宜,维护方便.缺点是:含有高次谐波,在变压器等负
9、载中会产生附加损耗,对通信设备有干扰.正弦波逆变器综合技术性能好,效率高,失真度低,对通信设备没有干扰,噪声小.缺点是:线路比较复杂,维护技术要求高,价格较贵.阶梯波逆变器输出波形比方波有明显改善,高次谐波含量减少,性能、价格介于两者之间.2.逆变器的技术性能 在光伏系统中使用的逆变器常用的技术参数有:(1).额定输出电压 单相为220V,三相为380V.在稳定运行时,一般要求电压波动偏差不超过额定值的3%5%.在负载突变时,电压偏差不超过额定值的8%10%.(2).输出电压的不平衡度 在正常工作时,逆变器输出的三相电压不平衡程度应不超过5%8%.(3).输出电压的波形失真度 当输出为正弦波时,一般要求输出的电压波形失真度不超过5%.(4).额定输出频率 逆变器输出频率应相对稳定.如工频50Hz,正常工作时偏差应不超过1%.(5).负载功率因素 表征逆变器带动感性负载的能力.在正弦波条件下,负载功率因素应为0.70.9.(6).额定输出容量 当输出功率因素为1(即单阻性负载)时,额定输出电压和额定输出电流的相乘积.(7).额定输出效率 在规定的工作条件下,其输出功率与输入功率之比.通常逆变器效率应在70%以上.逆变器效率会随负载率而改变,往往在负载率低于20%和高于80%时,效率要低一些.