1、 太阳能光伏电源系统应用技术培 训 教 材胡新：158248055862007年3月前 言 我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努力，已具有一定的水平和基础。过去我国边远地区的光伏发电市场主要由国家投资项目和多边援助项目支撑。90年代以来，随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行/全球环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示，我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各类公司和团体由80年代的不足10家，发展到1997年底的50多家，其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光伏发电技术已经具有
2、了一定的市场潜力和市场吸引力。 光伏电池发电有离网(独立电站)和并网(市电并网电站)两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，所以光伏电池多用于工业部门（邮电、电力、石油、铁路等）和偏远无电地区的中小功率离网用户。随着光伏产品成本的降低和农牧民收入水平的提高，太阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始向较大功率的交流系统和村庄供电系统发展；并且逐步向并网发电以及和建筑相结合(屋顶发电系统)的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。太阳能光伏电源的应用领域十分广阔，从数十瓦的户用照明系统到电信、电力、铁路、石油、部队等部门通讯设备数千瓦的备用电源系统，甚至在西藏阿里、安多等地区还
3、建成几个数十千瓦的集中型太阳能光伏电站。 随着我国光伏事业的高速发展和应用领域的拓宽，从事太阳能光伏电源系统集成设计和安装的技术人员不断增加。由于太阳能光伏电源技术属于跨多学科的新兴学科，它涉及到气象、光学、半导体、电力、电子、计算机和机械等多种学科技术，要求从业的技术人员应掌握广泛而深入的技术知识，才能合理设计使用和充分发挥价格较昂贵的光伏系统设备的作用。但是，目前国内有关光伏技术的书籍和资料大多是介绍太阳电池、蓄电池等器件原理和应用方面的基本知识，而系统阐述太阳能光伏电源系统集成设计和配套电子设备（光伏电源控制器、方波或正弦波逆变器及系统检测仪器等）应用的专业资料却很少。因此，北京市计科能
4、源新技术开发公司根据多年来从事光伏电源系统集成设计、工程安装和配套电子设备生产的经验，组织编写了这本培训教材，试图帮助广大从事太阳能光伏行业的技术人员系统学习掌握光伏系统集成设计和配套电子设备的应用，更好地发展我国的光伏事业。由于水平有限，时间仓促，对本培训教材中不当和错误之处敬请专家和读者批评指正。 目 录一绪 论31我国的太阳能资源概况42太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式03太阳能光伏技术的发展及前景0二太阳能光伏电源系统的原理及组成11太阳能电池方阵22充放电控制器53直流/交流逆变器54蓄电池组5测量设备6太阳能光伏电源系统的设计6三光伏电源充放电控制器111控制器的功能：11
5、2控制器的基本技术参数113控制器的分类：114控制器的基本电路和工作原理：125小型单路充放电控制器产品实例156普通型柜式充放电控制器产品实例177智能型壁挂式充放电控制器产品实例20四直流交流逆变器261逆变器的功能：262光伏发电系统对逆变器的技术要求263逆变器的分类和电路结构274逆变器的控制电路305逆变器功率器件的选择：306逆变器的主要技术性能指标317PWM方波逆变器产品实例338SPWM正弦波逆变器产品实例3593kW 可调度型并网逆变器38五光伏电源系统数据采集器411数据采集器的主要技术指标412数据采集器的基本功能413数据采集器的硬件结构424数据采集器的操作43
6、六蓄电池组：461铅酸蓄电池的结构及工作原理462铅酸蓄电池的工作原理473蓄电池的电压、容量和型号474电解液的配制485蓄电池的安装506蓄电池的充电：517固定型铅酸蓄电池的管理和维护52七备用柴油发动机和交流充电设备581柴油发电机组582交流充电设备产品实例JKZH-60K-3CH整流充电柜65一绪 论 在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高
7、度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。 到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.54.5,最严
8、重的后果是海平面将上升25145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。 针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形
9、式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。1 我国的太阳能资源概况:2 太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式:太阳能电池发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等，因此，无论从近期还是远期，无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度来考虑，太阳能电池发电都极具吸引力。目前，太阳能电池发电系统大
10、规模应用的唯一障碍是其成本高，预计到21世纪中叶，太阳能电池发电的成本将会下降到同常规能源发电相当。届时，太阳能电池发电将成为人类电力的重要来源之一。 目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不
11、断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。由于太阳光资源具有分散性，而且随处可得，太阳能电池发电系统特别适合于作为独立的电源使用，例如边远地区的村庄及户用供电系统、太阳能电池照明系统, 太阳能电池水泵系统以及大部分的通信电源系统等都属此类。太阳能电池发电系统还可以同其它发电系统组成联合供电系统，如“风光互补系统”、“风光柴蓄互补系统”等。由于风力发电系统成本低，又由于风能和太阳能资源具有互补性，互补发电系统可以大大提高供电的稳定性，其价格比起独立太阳能电池发电系统至少可减少1/3。除此之外，太阳能电池发电系统还可以与电网相联构成并网发电系统。并网系统是将太阳能电
12、池发出的直流电通过并网逆变器直接馈入电网，从而可以大大减少蓄电池的存储容量。并网发电系统可分为“可调度式并网系统”和“不可调度式并网系统”。“不可调度式并网系统”中不带储能系统，馈入电网的电力完全取决于日照的情况；“可调度式并网系统”带有储能系统，可根据需要随时将太阳能电池发电系统并入或退出电网。实践证明，并网电站可以对电网调峰、提高电网末端的电压稳定性、改善电网的功率因数和消除电网杂波均能发挥有效作用，很有应用前景。3太阳能光伏技术的发展及前景：太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生
13、活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。功率级别，大到10MW的太阳能电池发电站，小到手表、计算器的电源。随着太阳能电池发电成本的进一步降低，它将进入更大规模的工业应用领域，如海水淡化、光电制氢、电动车充电系统等；对于这些系统，目前世界上已有成功的示范。太阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。展望太阳能电池发电的未来，人们甚至设想出大型的宇宙发电计划，即在太空中建立人造同步卫星光伏电站。1997年8月在加拿大蒙特利尔召开了第四届国际空
14、间太阳能电站会议，提出了一些构想，但付诸实施，恐非短期所能实现。但美国、日本已制订了试验性发射计划（容量等级为1000KWp数量级）。因为大气层外的阳光辐射比地球上要高出30%以上，而且由于宇宙没有黑夜，卫星电站可以连续发电。一组11km4km的太阳能电池板，在空间可产生8000MW的电力，一年的发电量将高达700亿千瓦时。空间电站可以将所发出的电通过微波源源不断地传送回地球供人们使用。日本一批学者认为：在地球上的沙漠和荒原地区架设太阳能电池阵列，用高温超导电缆联成网络便可解决全球能源供应，不必再使用原子能核电站。美国普林斯顿大学能源和环境研究所的一批学者认为：在下一个十年内以光电为基础的电解
15、水制氢和储氢技术将趋于成熟，他们经计算后提出，如在新墨西哥州或亚利桑那州一块直径为386km的环形地区设置太阳能电池制氢，便可提供相当于美国1986年的全部矿物燃料消耗的能量。由于晶体硅原料领域的发展（例如超薄晶体硅太阳电池的开发和使用更便宜的太阳能级材料）和太阳能电池更先进的生产过程的发展，将使得晶体硅电池在将来会变得更为便宜；此外，效率也将进一步得到提高。薄膜太阳能电池，例如非晶硅太阳能电池，由于其廉价的生产成本而在消费领域被广泛的应用。但它的效率低（约58）、生产规模小、稳定性差、原料利用率低，均限制了它的应用。然而，如果效率能被提高，稳定性问题能被解决的话，这种太阳能电池仍将是将来的一
16、个重要发展方向。基于镓砷化合物和其他V族成分的薄片太阳能电池正处于早期的发展阶段，由于它的效率有可能达到30而显得尤为重要，但是这种类型的太阳能电池在2005年以前还不可能得到广泛应用。 由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。太阳能的光电利用已经在世界范围内形成新兴产业，技术也在日新月异地发展，效率的提高和价格的下降已呈必然趋势。澳大利亚新南威尔士大学已研制出 = 24%的单体（44cm）高效硅太阳能电池。80年代以来，即使世界经济总体情况处于衰退和低谷时期，光伏技术一直保持以10%-15%的递增速度发展。90年代
17、后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1997年世界太阳电池光伏组件生产122MW，比1996年增长了38%（1996年88.5MW），超出光伏界专家最乐观的估计。二太阳能光伏电源系统的原理及组成太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图11所示。图11 太阳能电池发电系统示意图1太阳能电池方阵：太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为2025mA/cm2, 一般不
18、能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 (见图12)。（1）硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳能电池的工作原理如下：光是由光子组成，而光子
19、是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。图12 太阳能电池单体、组件和方阵将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。（2）硅太阳能电池种类目前世
20、界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：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。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器
21、等。一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 1315 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 1113 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 58 %（3）太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的
22、防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。组件的电气特性主要是指电流电压输出特性，也称为特性曲线，如图13所示。特性曲线可根据图13所示的电路装置进行测量。特性曲线显示了通过太阳能
23、电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即PVI 。I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压图1-3 太阳能电池的电流电压特性曲线当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少
24、至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1C每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为0.4%/C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。由于太阳能电池组件的输出功率取决于
25、太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度 1000W/m2大气质量系数 AM1.5太阳电池温度25在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易
26、达到10或更大。如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。2充放电控制器： 充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设
27、备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制)和PWM脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。开关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器，只能用MOSFET模块作为开关器件。3直流/交流逆变器： 逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。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
28、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，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。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。从长远看，SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。4蓄电池组： 其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：(1) 自放电率低；(2)使用寿命长；(3) 深放电能力强；(4)充电效率高；(5) 少维护或免维护；(6)工作温度范围宽；(
29、7) 价格低廉。目前我国与太阳能电池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免维护铅酸蓄电池；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。5测量设备： 对于小型太阳能电池发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流，测量所用的电压和电流表一般装在控制器面板上。对于太阳能通信电源系统、阴极保护系统等工业电源系统和大型太阳能发电站，往往要求对更多的参数进行测量，如太阳能辐射量、环境温度、充放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能，这时要求为太阳能电池发电系统应配备智能化的“数
30、据采集系统”和“微机监控系统”。6太阳能光伏电源系统的设计：太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射
31、量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。 太阳能辐射原理： 太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。太阳辐射的基本定律太阳辐射的直散分离原理、布格朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定律。
