1、太阳能光伏发电系统 太阳能光伏发电系统白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能电能化学能电能光能。 一、系统简介光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接
2、转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。 光伏发电系统按安装容量可分为下列三种系统：1. 小型光伏发电系统：安装容量小于或等于1MWp；2. 中型光伏发电系统：安装容量大于1MWp和小于或等于30MWp；3. 大型光伏发电系统：安装容量大于30MWp。二、发电原理由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限
3、的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。三、设置原理 太阳能光伏发电系统的设计需要考虑
4、的因素：1、 需要考虑太阳能光伏发电系统使用的地方以及该地日光辐射情况；2、 需要考虑太阳能光伏发电系统需要承载的负载功率；3、 系统所输出电压，以及考虑应该使用直流电还是交流电；4、 系统每天需要工作的小时数；5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天；6、 考虑负载的情况，是纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流的大小。四、系统组成光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组，充放电控制器，交直流汇流箱、逆变器，交直流配电柜、自动太阳能跟踪系统、升压变压器、并网柜等设备组成。其各部分设备的作用是：1. 光伏组件（又称太阳能光伏电池） 在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情
5、况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。原材料特点（以单晶硅为例）：电池片：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。 太阳能电池图 玻璃： 采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)， 厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳
6、紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT：太阳电池的背面覆盖物氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是家用太阳能发电中价值最高的部分。光伏组件的分类单晶硅光伏组件 多晶硅光伏组件非晶硅光伏组件 太阳能电池分类图
7、各类电池主要性能表种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点晶硅电池单晶硅14%-17%23%效率高，技术成熟原料成本高多晶硅13%-15%20.3%效率高，技术成熟原料成本较高薄膜电池非晶硅5%-8%13%弱光效应好，成本相对较低转化率较低碲化镉5%-8%15.8%弱光效应好，成本相对较低有毒污染环境铜铟硒5%-8%15.3%弱光效应好，成本相对较低稀有金属 多晶硅电池组件的技术参数及性能测试条件大气质量 AM1.5，辐照度 1000W/m，电池温度 25C峰值功率Wp255开路电压（Voc）V38.4短路电流（Isc）A8.79工作电压（Vmp）V30.4工作电流（Imp）A8.24峰值功率温
8、度系数%/K-0.450开路电压温度系数%/K-0.330短路电流温度系数%/K+0.06安装尺寸mm165099240重量kg19.3 单块光伏组件输出电压、电流都很小，必须相互串联、并联后才能使用；为保证光伏发电的稳定性，光伏方阵中不同倾角、不同方位角的光伏组件不能相互串并联、也不能接入同一台逆变器。 同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致，光伏组件串的串联数应按下列公式计算： 上述产品是直接把太阳能转换成电能的设备，还有是把太阳能转换成热能的设备如太阳能热水器；另外，就是把太阳能先转换成热能再转换成电能的装置，常用的有以下几种： 碟式抛物面反射镜碟式太阳能热发电系统主要由碟式聚
9、光镜、接收器、自动跟踪装置、斯特林发动机、发电机组成，目前峰值转换效率可达30%以上，是一种有前途的太阳能热利用装置。 碟式太阳能热发电系统采用旋转抛物面汇聚太阳光，旋转抛物面是抛物线绕轴线旋转形成的面。与抛物面轴线平行的光线照射到镜面时，光线会聚焦到焦点，在焦点放置的物体会被加热到很高的温度；通过接收器把热量输送到发动机再带动发电机发出电力。 网上的碟式太阳能系统 槽式聚光集热器槽式太阳能热发电系统由聚光集热器、自动跟踪装置、热交换器、蒸汽轮机、发电机等组成。聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，成像聚光太阳能集热器通过聚光器将太阳辐射聚焦在接收器上形成焦点（或焦线），以获得高强度太阳能。聚
10、光集热器是一套光学系统，聚光器一般由反射镜或透镜构成，主要有抛物面反射镜、菲涅耳透镜、菲涅耳反射镜三种。 根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，见下图（a）。把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，见下图（b）。 槽式太阳能热发电系统框图 塔式太阳能集热系统 塔式太阳能热发电系统主要由集热系统、热传输与交换系统、发电系统组成。 塔式太阳能热发电系统采用多个平面反射镜来会聚太阳光，这些平面反射镜称为定日镜。下图是一个塔式太阳能集热器的示意图，为清楚显示图中仅绘制了少量的定日镜，许多定日镜同时把太阳光反射到接收器上，接
11、收器安装在高塔上。 定日镜主要由平面反射镜与跟踪机构组成。反射镜可由玻璃制造，背面镀银并涂保护层，也可用反光铝板制造，反射镜安装在反光镜托架上。 塔式太阳能热发电系统框图2. 充放电控制器 是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。3. 蓄电池组 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低
12、廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC;配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。4. 逆变器 是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波
13、逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。并网逆变器保护功能:a、 过载保护;b、短路保护;c、接反保护;d、欠压保护;e、过压保护;f、过热保护。 除边远不通电地区采用独立运行逆变器外，一般均采用并网逆变器。1）. 集中型逆变器 集中型逆变器一般功率在数百千瓦，用于地势平坦、光伏组件布局环境好能集中布置的场合。 集中型逆变器最大特点是系统的功率高，成本低；缺点是不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配(特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时)，采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低。
14、 集中并网逆变器一般自带8路直流输入、不需另配直流配电柜，用于直流汇流箱和逆变器之间的连接，内设直流断路器、II级电涌保护器及断路器状态检测等装置。 集中式逆变器参数序号名称500kW逆变器1额定输出功率500kW2输出电压范围31510%V3最大直流输入电压1000V4最大直流输入功率560kW5额定输出电流1007A6低电压穿越功能有7断电后最短重启时间180s8欧洲效率98.2%9最大效率98.6%10MPPT调节范围420V-850V11功率因数调节范围0.99，0.9可调12总谐波电流3%（额定功率）13最大运行自耗电1500W14最大待机自耗电100W15工作环境温度范围额定功率运
15、行16运行噪音65dB17冷却方式强制风冷18外观尺寸（宽*高*深）2700*2185*80019重量2180kg20输出频率范围47-51.5Hz21外壳材料及防护等级IP2022直流分量百分值98.4%最大输入电流18A额定交流输出功率27.5 kW最大交流输出电流33.5A额定交流输出电压3x277/480V+PE额定交流频率50Hz/60Hz功率因数（cos）-0.8+0.8电流波形畸变率3%（额定功率时）5. 交、直流汇流箱 1). 交流汇流箱 当采用组串式逆变器时，通常8台及以下组串式逆变器组成一组送入交流汇流箱，再由交流汇流箱直接低压并网或经过升压变压器并网。交流汇流箱具有短路、
16、过流保护、电涌保护及开关工作状态、电涌保护器运行状态、电流、电压等参数检测功能，并配备RS485接口和网络MODBUS(TCP/IP)规约。 2). 直流汇流箱 光伏直流汇流箱用于光伏阵列与集中型逆变器间的连接，提供防雷及过流保护，并监测光伏阵列的单串电流状态。根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量、规格相同的光伏组件串联组成1个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏直流智能汇流箱，通过防雷器与断路器后输出，方便了后级逆变器的接入。在提供汇流防雷功能的同时，还可以监测光伏电池板运行状态，并标配有RS485接口，可以把测量和采集到的数据上传到监控系统。 直流汇流箱参数直流耐压DC1000V防雷保
17、护电涌防雷器、最大额定电压1000V输入回路16路回路电流10A输出回路1路箱体尺寸（宽*高*深）600*500*192重 量25kg正常工作温度-25C+55C防护等级IP656. 交直流配电柜 交直流配电柜作为二次设备确保仅单回路至低压电网或升压变压器输入端。7. 升压变压器 当光伏发电系统发出的电力需要高压输送时就需要采用升压变压器。集中型逆变器产生的315V交流电、组串式逆变器产生的480V交流电通过升压变压器升压至10kV或35kV供电给负荷或并入公用电网。光伏发电系统的发电量决定了升压变压器电压比和额定容量，一般选择户外箱式变电站。变压器选用自冷式、低损耗、干式或油浸变压器（集中型
18、逆变器选择双分裂绕组变压器、组串式逆变器选择双绕组变压器），变压器常用容量1000kVA、1250kVA、1600kVA，双分裂绕组变压器输入端为二台500kW、630kW逆变器。户外箱式变电站主要由低压配电柜、升压变压器、高压开关柜及相应保护设备组成，其中，高压侧采用真空断路器和综合继保、带多功能数字计量仪表。 集中型逆变器、双分裂变压器并网接线图 组串式逆变器、双绕组变压器并网接线图8. 并网柜 并网柜是指与公用电网并接的开关柜，光伏发电系统发出的电力通过并网柜向公用电网输送。当与低压并网时，并网柜为低压柜、其内安装有计量关口和独立式防孤岛保护装置；与中高压电网并网时其内安装有电能质量检测
19、仪和独立式防孤岛保护装置，计量关口安装在开关站或升压变电站内。9. 开关站、升压变电站 在大中型光伏电站中，因发电量大，并不能通过升压变压器直接并网，需通过开关站汇流后或经过升压变电站主变升压后才能与公用电网并网。中型光伏电站可根据当地供电部门电网情况采用10kV或35kV电压直接并网，此时升压变压器高压端选择对应电压通过开关站汇流后即可并网。对于大型光伏电站，则需建设升压变电站通过主变把电压二次升压至110kV或220kV再与公用电网并网。 根据供电部门要求需设SVG无功补偿装置和小电流接地系统。10. 监控系统 光伏电站配置一套计算机监控管理系统， 具有保护、控制、通信、测量等功能，通过此
20、监控系统可实现光伏电站的全功能自动化管理，电站与调度端的遥测、遥信功能等并具有后期扩展功能。具体功能有:(1) 数据采集与处理功能 (2)安全检测与人机接口功能 (3)运行设备控制、断路器及负荷开关的分合闸操作、站用系统的控制功能 (4)数据通讯功能 (5)系统自诊断功能 (6)系统软件具有良好的可修改性，可增减或改变软件功能及升级 (7)自动报表及打印功能 (8)时钟系统。 该系统应包含计算机监控、远动、通讯、直流、不间断电源、电能量计费、火灾报警、安防监控、电能质量在线监测、故障录波装置、调度数据网络设备、环境监测、光功率预测、有功无功控制（AGC/AVC)、集控运维管理等部分。全站将保护
21、、测量、控制、远动、通讯等综合考虑，设置一套微机综合自动化系统。站内设有通讯间，其中布置有公用测控屏，母线保护、综合保护屏，电能质量检测屏，直流屏、配电屏，通信、调度数据网络屏，故障录波器、光端机装置，UPS电源箱等。以上相关保护、通讯、传输、计量等设备必须遵守当地电力公司要求，并且电站后台监控系统、保护系统和通讯系统选用应适宜，并由当地电力部门或业主确认。 11. 视频安防系统 为保证光伏电站的设备运行安全，在光伏电站全区域需设置安防监视系统。一般一个光伏发电单元为一个监视区域，视频信息通过光纤网络交换机传输至监控室内。 目前，主要采用网络型安防监视系统，它由全视角高清晰网络数字摄像机、网络
22、传输设备与线路（与电力监控系统共用）、监控中心服务器、集中监控管理软件组成。网络摄像机采用6米高杆安装在各光伏发电单元中心处，监视半径可达150米。网络摄像机把监视到的现场模拟图像信号转换为数字图像信号送入环网交换机，再通过以太网传输网络送入监视计算机进行同步录像和转换为模拟图像信号在监视屏上显示；在监控室可近距离地观察任一区域被监视对象的画面，起到安全防范的作用。 12. 气象监测、光功率预测 光伏电站应配置至少1套气象监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等参数。该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射强度仪表（包括水平辐射传感器及斜面辐射传感器）、测温探头（包括电池组件温度传感器）、
23、控制盒及支架组成，可测量环境（室内、室外）温度、电池组件温度、风速、风向和辐射强度（包括水平辐射及斜面辐射强度）等参量，其通讯接口可通过以太网接入监控装置的监测系统，实时记录环境数据。 光伏发电具有间歇性、随机性和波动性，大规模光伏电站并网运行可能对电力系统的安全稳定经济运行造成影响。对光伏电站的输出功率进行预测有助于电力系统调度部门统筹安排常规能源和光伏发电的协调配合、及时调整调度计划、合理安排电网运行方式，一方面有效地降低光伏接入对电网的影响，提供电网运行的安全性和稳定性，另一方面减少电力系统的备用和运行成本，以充分利用太阳能资源，获得更大的经济效益和社会效益。通过建立数据库及当日、未来几
24、日的发电量预测曲线，调度部门可以据此合理安排发电计划,使光伏发电和常规发电方式一样,具有可预测性,提高电网运行经济性和电网接纳光伏发电的能力,促进电网对不稳定可再生能源的接纳和消化。13. 消防和清洗系统1）. 消防系统 在光伏电站配电室、SVG无功补偿室、通讯室、控制室、箱式逆变器房、箱式变电站设置火灾报警（感烟）探测器，在每个交直流汇流箱、箱式逆变器房、箱式变电站处设置手提式磷酸铵盐干粉灭火器，灭火器放置于室外专用灭火器箱内，并放置于设备背光侧；在配电室、通讯室、控制室及SVG无功补偿、小电流接地等装置处配置手提式磷酸铵盐干粉灭火器。 火灾报警控制器通过RS485接口、并网环联交换机与计算
25、机监控系统连接。2）. 清洗系统 光伏组件长期露天放置会累积灰尘，需定期清洗。清洗方式有二种：一是有水清洗，铺设清洗管道；二是干洗。 有水清洗： 干洗： 五、系统分类 太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式光伏发电系统。1. 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。 常用在偏远缺电的地区或道路路灯等地方。2. 并网光伏发电系统 并网光伏发电系统就是太阳能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这后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏
26、电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。 一般用于集中设置、大中型地面光伏发电系统。 3. 分布式并网光伏发电系统 分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场（如屋顶太阳能光伏发电系统）或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。 分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电
27、池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。4. 并网光伏发电系统常用型式六、 系统优劣1. 优点 a、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的1万倍。只要在全球4%沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。 b、太阳能随处可取，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失; c、太阳能不用燃料，运行成本很低; d、太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用; e、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源; f、太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。2. 缺点 a、地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电; b、能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000
