光伏電站的主要設(shè)備和工作原理

光伏電站的主要設(shè)備和工作原理【摘要】：本文主要通過光伏光伏系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理介紹，并描述了太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對于研究太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工程技術(shù)人員、系統(tǒng)設(shè)計人員有一定的指導(dǎo)意義?！娟P(guān)鍵詞】：光伏電站控制器蓄電池【中圖分類號】：TK0【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】：A1太陽能光伏系統(tǒng)的組成和原理太陽能光伏系統(tǒng)由以下三部分組成：太陽電池組件；充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。太陽能光伏系統(tǒng)具有以下的特點：1） 沒有轉(zhuǎn)動部件，不產(chǎn)生噪音；2） 沒有空氣污染、不排放廢水；3） 沒有燃燒過程，不需要燃料；4） 維修保養(yǎng)簡單，維護(hù)費(fèi)用低；5） 運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性好；6） 作為關(guān)鍵部件的太陽電池使用壽命長，品體硅太陽電池壽命可達(dá)到25年以上；7） 根據(jù)需要很容易擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模。太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用的基本形式可分為兩大類：獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。應(yīng)用主要領(lǐng)域主要在太空航空器、通信系統(tǒng)、微波中繼站、電視差轉(zhuǎn)臺、光伏水泵和無電缺電地區(qū)戶用供電。隨著技術(shù)發(fā)展和世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始有計劃地推廣城市光伏并網(wǎng)發(fā)電，主要是建設(shè)戶用屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和兆瓦級集中型大型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等，同時在交通工具和城市照明等方面大力推廣太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。太陽能光伏系統(tǒng)的規(guī)模和應(yīng)用形式各異，如系統(tǒng)規(guī)?？缍群艽?，小到0.3?2瓦的太陽能庭院燈，大到兆瓦級的太陽能光伏電站。其應(yīng)用形式也多種多樣，在家用、交通、通信、空間應(yīng)用等諸多領(lǐng)域都能得到廣泛的應(yīng)用。盡管太陽能光伏系統(tǒng)規(guī)模大小不一，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。太陽能光伏系統(tǒng)包括以下幾個主要部件：光伏組件方陣：由太陽電池組件（也稱光伏電池組件）按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成，在太陽光照射下將太陽能轉(zhuǎn)換成電能輸出，它是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件。蓄電池：將太陽電池組件產(chǎn)生的電能儲存起來，當(dāng)光照不足或晚上、或者負(fù)載需求大于太陽電池組件所發(fā)的電量時，將儲存的電能釋放以滿足負(fù)載的能量需求，它是太陽能光伏系統(tǒng)的儲能部件。目前太陽能光伏系統(tǒng)常用的是鉛酸蓄電池，對于較高要求的系統(tǒng)，通常采用深放電閥控式密封鉛酸蓄電池、深放電吸液式鉛酸蓄電池等?？刂破鳎核鼘π铍姵氐某洹⒎烹姉l件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負(fù)載的電能輸出，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，控制器的功能越來越強(qiáng)大，有將傳統(tǒng)的控制部分、逆變器以及監(jiān)測系統(tǒng)集成的趨勢，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三種功能［8］。逆變器：在太陽能光伏供電系統(tǒng)中，如果含有交流負(fù)載，那么就要使用逆變器設(shè)備，將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的交流電。太陽能光伏供電系統(tǒng)的基本工作原理就是在太陽光的照射下，將太陽電池組件產(chǎn)生的電能通過控制器的控制給蓄電池充電或者在滿足負(fù)載需求的情況下直接給負(fù)載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負(fù)載供電，對于含有交流負(fù)載的太陽能光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用具有多種形式，但是其基本原理大同小異。對于其他類型的太陽能光伏系統(tǒng)只是在控制機(jī)理和系統(tǒng)部件上根據(jù)實際的需要有所不同，下面將對不同類型的太陽能光伏系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地描述。2太陽能光伏系統(tǒng)的分類一般將太陽能光伏系統(tǒng)分為獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。如果根據(jù)太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用形式、應(yīng)用規(guī)模和負(fù)載的類型，對光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行比較細(xì)致的劃分，可將太陽能光伏系統(tǒng)分為如下七種類型：小型太陽能供電系統(tǒng)（SmallDC）；簡單直流系統(tǒng)（SimpleDC）；大型太陽能供電系統(tǒng)（LargeDC）；交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC）；并網(wǎng)系統(tǒng)（UtilityGridConnect）；混合供電系統(tǒng)（Hybrid）；并網(wǎng)混合系統(tǒng)。2.1小型太陽能供電系統(tǒng)（SmallDC）該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中只有直流負(fù)載而且負(fù)載功率比較小，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。其主要用途是一般的戶用系統(tǒng)，負(fù)載為各種民用的直流產(chǎn)品以及相關(guān)的娛樂設(shè)備。如在我國西北邊遠(yuǎn)地區(qū)就大面積推廣使用了這種類型的太陽能光伏系統(tǒng)，負(fù)載為直流節(jié)能燈、收錄機(jī)和電視機(jī)等，用來解決無電地區(qū)家庭的基本照明問題。2.2簡單直流系統(tǒng)（SimpleDC）[9]該系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)負(fù)載為直流負(fù)載而且對負(fù)載的使用時間沒有特別的要求，負(fù)載主要是在白天使用，所以系統(tǒng)中沒有使用蓄電池，也不需要使用控制器。簡單直流系統(tǒng)（SimpleDC）結(jié)構(gòu)簡單，直接使用太陽能太陽電池組件給負(fù)載供電，省去了能量在蓄電池中的儲存和釋放過程所造成的損失，以及控制器中的能量損失，提高了太陽能的利用效率。其常用于光伏水泵系統(tǒng)、一些白天臨時設(shè)備用電和旅游設(shè)施中。這種系統(tǒng)在發(fā)展中國家的無純凈自來水供飲地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會效益。2.3大型太陽能供電系統(tǒng)（LargeDC）與上述兩種太陽能光伏系統(tǒng)相比，這種太陽能光伏系統(tǒng)仍適用于直流電源系統(tǒng)，但是這種太陽能光伏系統(tǒng)的負(fù)載功率較大，為了保證可靠地給負(fù)載提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，其相應(yīng)的系統(tǒng)規(guī)模也較大，需要配備較大的太陽能太陽電池組件陣列和較大的蓄電池組，常應(yīng)用于通信、遙測、監(jiān)測設(shè)備電源，農(nóng)村的集中供電站，航標(biāo)燈塔、路燈等領(lǐng)域。我國在西部地區(qū)實施的“光明工程”中，一些無電地區(qū)建設(shè)的部分鄉(xiāng)村光伏電站就是采用這種形式；中國移動和中國聯(lián)通公司在偏僻無電網(wǎng)地區(qū)建設(shè)的通信基站也采用了這種太陽能光伏系統(tǒng)供電。 2.4交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC）與上述的三種太陽能光伏系統(tǒng)不同的是，這種太陽能光伏系統(tǒng)能夠同時為直流和交流負(fù)載提供電力，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上比上述三種系統(tǒng)多了逆變器，用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電以滿足交流負(fù)載的需求。通常這種系統(tǒng)的負(fù)載耗電量也比較大，從而系統(tǒng)的規(guī)模也較大。在一些同時具有交流和直流負(fù)載的通信基站和其它一些含有交、直流負(fù)載的光伏電站中得到應(yīng)用。2.5并網(wǎng)系統(tǒng)（UtilityGridConnected）這種光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的特點就是太陽電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入電網(wǎng)，并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏方陣所產(chǎn)生電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)。在陰雨天或夜晚，太陽電池組件沒有產(chǎn)生電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時就由電網(wǎng)供電。因為直接將電能輸入電網(wǎng)，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用光伏方陣所發(fā)的電力從而減小了能量的損耗，并降低了系統(tǒng)的成本。但是系統(tǒng)中需要專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對電壓、頻率等性能指標(biāo)的要求。因為逆變器效率的問題，還是會有部分的能量損失。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用電網(wǎng)和太陽能太陽電池組件陣列作為本地交流負(fù)載的電源，降低了整個系統(tǒng)的負(fù)載缺電率。而且并網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)可以對公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。但并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)的電網(wǎng)會產(chǎn)生一些不良的影響，如諧波污染，孤島效應(yīng)等。2.6混合供電系統(tǒng)（Hybrid）這種太陽能光伏系統(tǒng)中除了使用太陽能電池組件陣列之外，還使用了燃油發(fā)電機(jī)作為備用電源。使用混合供電系統(tǒng)的目的就是為了綜合利用各種發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點，避免各自的缺點。比方說，上述幾種獨(dú)立太陽能光伏系統(tǒng)的優(yōu)點是維護(hù)少，缺點是能量輸出依賴于天氣，不穩(wěn)定。綜合使用柴油發(fā)電機(jī)和太陽電池組件的混合供電系統(tǒng)與單一能源的獨(dú)立系統(tǒng)相比所提供的能源對天氣的依賴性要小，它的優(yōu)點是：1） 使用混合供電系統(tǒng)可以達(dá)到可再生能源的更好利用。因為可再生能源是變化的，不穩(wěn)定的，所以系統(tǒng)必須按照能量產(chǎn)生最少的時期進(jìn)行設(shè)計。由于系統(tǒng)是按照最差的情況進(jìn)行設(shè)計，所以在其他的時間，系統(tǒng)的容量過大。在太陽輻照最高峰時期產(chǎn)生的多余能量沒法使用而白白浪費(fèi)了。整個獨(dú)立系統(tǒng)的性能就因此而降低。如果最差月份的情況和其他月份差別很大，有可能導(dǎo)致浪費(fèi)的能量等于甚至超過設(shè)計負(fù)載的需求。2） 具有較高的系統(tǒng)實用性。在獨(dú)立系統(tǒng)中因為可再生能源的變化和不穩(wěn)定會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)供電不能滿足負(fù)載需求的情況，也就是存在負(fù)載缺電情況，使用混合系統(tǒng)則會大大地降低負(fù)載缺電率。3） 與單用柴油發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)相比，具有較少的維護(hù)和使用較少的燃料。4） 較高的燃油效率。在低負(fù)荷的情況下，柴油機(jī)的燃油利用率很低，會造成燃油的浪費(fèi)。在混合系統(tǒng)中可以進(jìn)行綜合控制使得柴油機(jī)在額定功率附近工作，從而提高燃油效率。5） 負(fù)載匹配更佳。使用混合系統(tǒng)之后，因為柴油發(fā)電機(jī)可以即時提供較大的功率，所以混合系統(tǒng)可以適用于范圍更加廣泛的負(fù)載系統(tǒng)，例如可以使用較大的交流負(fù)載，沖擊載荷等。還可以更好的匹配負(fù)載和系統(tǒng)的發(fā)電，只要在負(fù)載的高峰時期打開備用能源即可簡單的辦到。有時候，負(fù)載的大小決定了需要使用混合系統(tǒng)，大的負(fù)載需要很大的電流和很高的電壓。如果只是使用太陽能成本就會很高。但混合系統(tǒng)也有其自身的缺點：6） 控制比較復(fù)雜。因為使用了多種能源，所以系統(tǒng)需要監(jiān)控每種能源的工作情況，處理各個子能源系統(tǒng)之間的相互影響、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運(yùn)作，這樣就導(dǎo)致其控制系統(tǒng)比獨(dú)立系統(tǒng)復(fù)雜，現(xiàn)在多使用微處理芯片進(jìn)行系統(tǒng)管理［10］。7） 初期工程較大。混合系統(tǒng)的設(shè)計，安裝，施工工程都比獨(dú)立工程要大。8） 比獨(dú)立系統(tǒng)需要更多的維護(hù)。油機(jī)的使用需要很多的維護(hù)工作，比如更換機(jī)油濾清器，燃油濾清器，火花塞等，還需要給油箱添加燃油等。9） 污染和噪音。太陽能光伏系統(tǒng)是無噪音、無排放的潔凈能源利用，但是因為混合系統(tǒng)中使用了柴油機(jī)，這樣就不可避免地產(chǎn)生噪音和污染。10） 很多在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)的通信電源和民航導(dǎo)航設(shè)備電源，因為對電源的要求很高，都采用混合系統(tǒng)供電，以求達(dá)到最好的性價比。我國新疆、云南建設(shè)的很多鄉(xiāng)村光伏電站就是采用光/柴混合系統(tǒng)。2.7并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)（Hybrid）隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以綜合利用太陽能光伏陣列、和備用油機(jī)的并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常是控制器和逆變器集成一體化，使用電腦芯片全面控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行，綜合利用各種能源，達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，并可以配備使用蓄電池。進(jìn)一步提高系統(tǒng)的負(fù)載供電保障率，例如AES的SMD逆變器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以為本地負(fù)載提供合格的電源，并可以作為一個在線UPS（不間斷電源）工作。它可向電網(wǎng)供電，也可從電網(wǎng)獲得電力，是個雙向逆變/控制器。系統(tǒng)工作方式是將電網(wǎng)和光伏電源并行工作，對于本地負(fù)載而言，如果太陽電池組件產(chǎn)生的電能足夠負(fù)載使用，它將直接使用太陽電池組件產(chǎn)生的電能供給負(fù)載的需求。如果太陽電池組件產(chǎn)生的電能超過即時負(fù)載的需求還能將多余的電能返回給電網(wǎng)；如果太陽電池組件產(chǎn)生的電能不夠用，則將自動啟用電網(wǎng)，使用電網(wǎng)供給本地負(fù)載的需求；而且，當(dāng)本地負(fù)載功耗小于SMD