项目2光伏发电系统的设计

1《光伏发电工程技术》电子教案詹新生2项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计任务2.2光伏组件的选型任务2.3蓄电池的选型任务2.4光伏控制器的选型任务2.5光伏逆变器的选型任务2.6防雷及光伏阵列支架的设计任务2.7光伏发电电站并网接入设计32.1.1光伏发电系统设计的内容一般来说，太阳能发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，软件设计先于硬件设计。图2-1为独立光伏发电系统设计内容图。项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计42.1.2光伏发电系统设计原则1.成本原则2.科学原则3.安全原则4.可靠原则5.高效原则6.可扩展性7.智能化项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计52.1.3设计考虑的相关因素1.负载的特性和用电特点2.光伏阵列的方位角和倾角光伏阵列的方位角是阵列的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西设定为正角度），如图2-2所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计6对于地球上的某个地点，太阳高度角（或仰角）是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，专业上讲太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角，如图2-2所示。倾角是光伏阵列平面与水平地面的夹角，如图2-3所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计73.阴影对发电量的影响4.最长连续阴雨天数最长连续阴雨天数指需要蓄电池向负载维持供电的天数，也称为“系统自给天数”。在考虑蓄电池容量时，必须保证第一个连续阴雨天使蓄电池放电后，还没有来得及补充，就迎来第二个连续阴雨天，系统设计要考虑在第二个连续阴雨天内正常工作。最长连续阴雨天数的选择范围，对于非重要用户或带有发电机的光伏/风力互补系统为2～3天，对于没有备用电源的重要负载，比如移动通信这样的设备电源，可定为5～7天。项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计82.1.4太阳辐射的计量及峰值日照时数1.太阳辐射的计量在单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率或辐射通量，单位为瓦（W）；太阳投射到单位面积上的辐射功率(辐射通量)称为辐射度或辐照度，单位为瓦／平方米(W／m2)。项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计92.峰值日照时数日照时间是指太阳光在一天当中从日出到日落实际的照射时间。日照时数是指某个地点，一天当中太阳光达到一定的辐照度（一般以气象台测定的120W/m2为标准）时直到小于此幅度所经过的时间。平均日照时数是指某地的一年或若干年的日照总时数的平均值。峰值日照时数是将当地的太阳能辐射量折算成标准测试条件下（1000W/m2）的时数。项目2光伏发电系统的设计任务2.1光伏发电系统的总体设计返回102.1.1太阳能电池片的识别及检测太阳能电池片是构成光伏组件的最小单元。1.太阳能电池片的结构常用的硅太阳能电池片有单晶硅和多晶硅的，如图2-4所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型11太阳能电池片有125×125和156×156的规格之分，如图2-5所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型12电池片的结构如图2-6所示，正面是电池的负极，上面有细栅线、主栅线、减反射膜；背面是电池的正极，有铝背场和背电极等。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型132.太阳能电池片的分类（1）按所用材料分太阳能电池按所用材料分为硅太阳能电池和化合物太阳能光伏电池两大类，如图2-7所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型14（2）按电池的构造分太阳能电池按电池的构造分为块（片）状或薄膜状两种，如图2-10所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型152.太阳能电池片的主要技术参数太阳能电池片的主要技术参数有开路电压、短路电流、最大功率、最大功率下的电压/电流、填充因子、转换效率、等效串联电阻等。可以由太阳能电池片分选仪进行测试，如图2-11所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型162.2.2光伏组件的识别及检测为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池片通过导线串、并联连接并加以封装构成，称为光伏（太阳能）组件或太阳能电池板，如图2-12所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型17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，可把多个组件组成光伏阵列，以获得所需要的电压和电流，如图2-13所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型181.光伏组件的结构大多数晶体硅光伏组件是由透明的前表面、胶质密封材料、太阳能电池片、接线盒、端子、背表面和框架等组成，如图2-14所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型192.光伏组件的分类（1）按照基体材料分类可分为晶硅光伏组件（单、多晶硅）、非晶硅薄膜光伏组件、微晶硅薄膜光伏组件、纳晶硅薄膜光伏组件、多元化合物光伏组件（包括砷化镓、硫化镉电池、碲化镉电池、铜硒铟等）。（2）按照结构分类可分为同质结太阳组件（在相同的半导体材料上构成PN结）、异质结太阳组件（在不相同的半导体材料上构成PN结）、肖特基结太阳组件、复合结太阳组件、液结太阳组件等。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型202.光伏组件的分类（3）按照用途分类可分为空间太阳组件、地面光伏组件。（4）按使用状态分类可分为平板太阳组件、聚光太阳组件。（5）按封装材料分类可分为刚性封装光伏组件、半刚性封装光伏组件、柔性衬底封装光伏组件。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型213.光伏组件的制作工序光伏组件的制作工序如图2-16所示，主要有：电池片的分选、单片焊接、串联焊接、组件叠层、组件层压、修边、安装边框、安装接线盒、成品测试、清洗和包装入库。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型224.光伏组件的性能光伏组件的性能主要指电流－电压特性，可以用特性曲线描述，称为光伏组件U－I曲线，该曲线描述组件输出电流和电压之间的关系，如图2-24所示，上面有三个重要意义的点，即最大功率点Pm（Ump、Imp）、开路电压（Uoc）和短路电流（Isc）。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型235.光伏阵列图2-26是太阳能光伏组件串并相间组成的太阳能光伏阵列，它由L×M个太阳能光伏组件按L个串联及M个并联构成，其阵列的电压较单个组件提高了L倍，而其电流则较单个组件增加大了M倍，然其效率保持不变。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型246.太阳能电池（组件）的热斑效应在长期使用中难免落上飞鸟、尘土、落叶等遮挡物，这些遮挡物在太阳电池组件上就形成了阴影，但组件的其余部分仍处于阳光暴晒之下，这样局部被遮挡的太阳能电池（或组件）就要由未被遮挡的那部分太阳能电池（或组件）来提供负载所需的功率，使该部分太阳电池如同一个工作于反向偏置下的二极管，其电阻和压降较大，从而消耗功率而导致发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳能电池，严重的可能使焊点熔化、封装材料破坏，甚至会使整个组件失效。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型25为了防止太阳能电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。当光伏阵列中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障停止发电时，该旁路二极管导通，组件串工作电流经旁路二极管绕过故障组件，不影响其他组件的正常发电，同时也保护旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。如图2-27所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型26项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型272.2.3光伏组件及阵列容量的设计1.基本计算方法基本计算公式如下：组件日平均发电量＝组件峰值电流（A）×峰值日照数（h）在计算组件的并联数时，如果负载用电量的单位为W·h，应按下式进行转换后进行计算。光伏阵列的总功率（W）=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率（W）项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型282.光伏组件方阵设计的修正（1）组件实际功率修正（2）逆变器功率的修正（3）蓄电池损耗修正3.实用计算公式在考虑上述各种因素的影响后，引入相关修正系数得项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型293.其他几种市场计算公式和设计方法（1）以峰值日照时数为依据的简全易计算方法此种方法主要用于小型独立光伏发电系统的快速设计与计算。其主要参照的太阳能辐射参数是当地峰值日照时数。上式中光伏组件功率、负载功率单位为瓦（W）；用电时数、当时峰值日照时数为小时（h）。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型30（2）以峰值日照时数为依据的多路负载的计算方法当光伏发电系统为多路不同的负载供电时，应先计算出总的负载日平均用电量，再结合当地峰值日照时数进行计算。光伏组件功率计算如下式：项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型312.2.4光伏组件的选型工程设计中应采用环保经济型多晶硅太阳能电池组件。组件选型的要点：①颜色与质感；②强度与抗变形的能力；③寿命与稳定性；④发电效率；⑤尺寸和形状；⑥组件价格；⑦环境友好度。项目2光伏发电系统的设计任务2.2光伏组件的选型返回322.3.1铅蓄电池的结构及原理分析1.铅蓄电池的结构铅酸密封蓄电池由正负极板、隔板、电解液、壳体（电池槽、盖）、接线端子和安全阀等组成，如图2-29所示。项目2光伏发电系统的设计任务2.3蓄电池的选型33（1）正负极板极板在蓄电池中的作用有两个：一是发生电化学反应，实现化学能与电能间的转换；二是传导电流。正极活性物质主要成分为深棕色的二氧化铅（PbO2），负极活性物质主要成分为海绵状铅（Pb），呈深灰色。（2）隔板（膜）普通铅蓄电池采用隔板，而VRLA蓄电池采用隔膜。它的主要作用是：防止正负极板短路，使电解液中正负离子顺利通过；阻缓正负极板活性物质的脱落，防止正负极板因震动而损伤。项目2光伏发电系统的设计任务2.3蓄电池的选型34（3）蓄电池的壳体（电池槽、盖）蓄电池的壳体（电池槽、盖）是由PP塑料、橡胶等材料制成，是盛放正、负极板和电解液等的容器。（4）电解液电解液是蓄电池的重要组成部分，它的作用一是使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应；二是起导电作用，蓄电池使用时通过电解液中离子迁移，起到导电作用，使电化学反应得以顺利进行。它是纯浓硫酸和蒸馏水按一定的比例配制面成。（5）安全阀作用有两个：一是安全使用；二是密封作用。项目2光伏发电系统的设计任务2.3蓄电池的选型35（6）正负接线端蓄电池各单格电池串联后，两端单格的正、负极桩分别穿出蓄电池盖，形成蓄电池的正、负接线端，实现电池与外界的连接。正接线柱标“＋”或涂红色，负接线柱标“－”号或涂蓝色、绿色。2.铅蓄电池的原理分析目前公认的是哥来德斯东和特利浦两人提出的“双硫酸化理论”。项目2光伏发电系统的设计任务2.3蓄电池的选型362.2.2蓄电池的充电控制1.充电过程中阶段划分充电过程一般分为主充、均充和浮充。2.主充、均充、浮充各阶段的自动转换主充、均充、浮充各阶段的自动转换方法有：（1）时间控制，即预先设定各阶段充电时间，由时间继电器或CPU控制转换时刻。（2）设定转换点的充电电流或蓄电池端电压值，当实际电流或电压值达到设定值时，自动进行转换。（3）采用积分电路在线监测蓄电池的容量，当容量达到一定值时，则发信号改变充电电流的大小。项目2光伏发电系统的设计任务2.3蓄电池的选型373.充电程度判断判断充电程度的主要方法有：（1）观察蓄电池去极化后的端电压变化。（2）检测蓄电池的实际容量值，并与其额定容量值进行比较，即可判断其充电程度。（3）检测蓄电池端电压判断。4.停充控制主要的停充控制方法有：（1）定时控制。（2）电池温度控制。（3）电池端电压负增量控制。项目2光伏发电系统的设计任务2.3蓄电池的选型382.2.3蓄电池充放电控制电路分析1.普