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光伏系统设计

主要讲述太阳能光伏系统的组成结构和工作原理，并结合实例讲述光伏系统的常见类型、一般设计原理和方法、光伏系统的测试以及性能分析，并描述了太阳能光伏系统的发展趋势。

4．1．光伏系统的组成和原理

光伏系统由以下三部分组成：

太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。

光伏系统具有以下的特点：

-没有转动部件，不产生噪音；

-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。

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。

应用主要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，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。

图4-1是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。

其中包含了光伏系统中的几个主要部件：

●光伏组件方阵：

由太阳电池组件（也称光伏电池组件）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。

●蓄电池：

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。

●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，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

●逆变器：

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。

光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。

对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的光伏系统进行详细地描述。

图4-1直流负载的太阳能光伏系统

4.2.光伏系统的分类与介绍

一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。

如果根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统分为如下六种类型：

小型太阳能供电系统（SmallDC）；简单直流系统（SimpleDC）；大型太阳能供电系统（LargeDC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（UtilityGridConnect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。

下面就每种系统的工作原理和特点进行说明。

4.2.1.小型太阳能供电系统（SmallDC）

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、收录机和电视机等，用来解决无电地区家庭的基本照明问题。

图4-4简单直流的光伏水泵系统

4.2.2.简单直流系统（SimpleDC）

该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，直接使用太阳能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。

图4-4显示的就是一个简单直流的光伏水泵系统。

这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。

4.2.3.大型太阳能供电系统（LargeDC）

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，但是这种太阳能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能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。

我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。

4.2.4.交流、直流供电系统（AC/DC）

与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，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。

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它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。

4.2.5.并网系统（UtilityGridConnected）

这种光伏系统最大的特点就是太阳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之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。

在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。

因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。

但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。

因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。

这种系统通常能够并行使用市电和太阳能太阳电池组件阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。

而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。

但并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。

4.2.6．混合供电系统（Hybrid）

这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能太阳电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机作为备用电源。

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。

比方说，上述几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量输出依赖于天气，不稳定。

综合使用柴油发电机和太阳电池组件的混合供电系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气的依赖性要小，它的优点是：

✧使用混合供电系统可以达到可再生能源的更好利用。

因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。

由于系统是按照最差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量过大。

在太阳辐照最高峰时期产生的多余能量没法使用而白白浪费了。

整个独立系统的性能就因此而降低。

如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。

✧具有较高的系统实用性。

在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统则会大大地降低负载缺电率。

✧和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。

✧较高的燃油效率。

在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。

在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。

✧负载匹配更佳。

使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率，所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。

还可以更好的匹配负载和系统的发电，只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。

有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流和很高的电压。

如果只是使用太阳能成本就会很高。

但混合系统也有其自身的缺点：

✧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。

✧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。

✧比独立系统需要更多的维护。

油机的使用需要很多的维护工作，比如更换机油滤清器，燃油滤清器，火花塞等，还需要给油箱添加燃油等。

✧污染和噪音。

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。

很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以求达到最好的性价比。

我国新疆、云南建设的很多乡村光伏电站就是采用光/柴混合系统。

4.2.7．并网混合供电系统（Hybrid）

随着太阳能光伏产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏阵列、市电和备用油机的并网混合供电系统。

这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源，达到最佳的工作状态，并可以配备使用蓄电池。

进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。

该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线UPS（不间断电源）工作。

它可向电网供电，也可从电网获得电力，是个双向逆变/控制器。

系统工作方式是将市电和光伏电源并行工作，对于本地负载而言，如果太阳电池组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用太阳电池组件产生的电能供给负载的需求。

如果太阳电池组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回给电网；如果太阳电池组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求；而且，当本地负载功耗小于SMD逆变器额定市电容量的60％时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态；如果市电产生故障，即市电停电或者市电的供电品质不合格，系统就会自动断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。

一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由市电供电。

有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制和数据采集功能集成到控制芯片中。

4.3.太阳能光伏系统的特点

太阳能光伏发电系统自身具有其独特的特点：

1无枯竭危险；

2绝对干净（无污染，除蓄电池外）；

3不受资源分布地域的限制；

4可在用电处就近发电；

5能源质量高；

6使用者从感情上容易接受；

7获取能源花费的时间短；

8供电系统工作可靠。

不足之处是：

1照射的能量分布密度小；

2获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；

3造价比较高。

以上的一些特点决定了光伏发电供电系统在应用中有着其独有的优势和相关的制约。

4.4.光伏系统的容量