太陽能發電技術保定天威英利新能源有限公司孫仲剛

2/5/20231保定天威英利新能源有限公司

主要內容

太陽能發電系統系統設計需要的資料

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系統設計

主要工程簡介2/5/20232保定天威英利新能源有限公司1.1.1原理

太陽能光伏發電的能量轉換器件是太陽能電池，又叫光伏電池。太陽能光伏發電的原理是光生伏達效應。當太陽光照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產生光生電子-空穴對。在電池內建電場的作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現異電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏達效應”。若在內建電場的兩側引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而將光能變成了電能。

1.1太陽能發電系統原理及構成2/5/20233保定天威英利新能源有限公司

N型半導體中含有較多的空穴，而P型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。（如下圖）2/5/20234保定天威英利新能源有限公司

當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。(如下面的兩個圖所示)

2/5/20235保定天威英利新能源有限公司

控制器直流負載DC太陽能電池方陣蓄電池交流負載AC逆變器1.1.2太陽能發電系統的構成2/5/20236保定天威英利新能源有限公司單體太陽能電池是光電轉換的最小單元，尺寸一般為2cm×2cm至15cm×15cm不等。單體太陽能電池的工作電壓約為0.45~0.5V，工作電流約為20mA/cm^2,一般不能作為單獨電源使用。將單體太陽能電池進行串并聯，并進行封裝后，就成為太陽電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能組件再經過串并聯并封裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣。1.1.2.1太陽能電池方陣2/5/20237保定天威英利新能源有限公司1.1.2.2太陽能電池組件

1）簡介

一個太陽能電池只能產生大約0.5V電壓，遠低于實際應用所需要的電壓。為了滿足實際應用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數量的太陽能電池，這些電池通過導線連接。一個組件上太陽能電池的標準數量是36片或40片，也就是說一個太陽能電池組件約能產生18V的電壓，正好能為一只額定電壓為12V的蓄電池進行有效的充電。通過導線連接的太陽能電池被密封成的物理單元成為太陽能組件，組件具有一定的防腐、防風、防雹、防雨的能力，廣泛應用于各個領域和系統，有時為了滿足負載的電壓需要還可將組件進行串聯。

2/5/20238保定天威英利新能源有限公司

2)封裝類型

太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風、防雹、防雨的能力。太陽能電池的封裝方式主要有以下幾種：

●玻璃-背板密封，這種組件的前面是玻璃，背面是一層由高分子材組成的聚合物。該背板的主要作用是防潮、防污，太陽能電池被密封在EVA當中。

●雙面玻璃密封，太陽能電池組件的正反面均是玻璃板，太陽能電池被密封在EVA當中?！?/p>

樹脂封裝，太陽能電池表面的透光材料為樹脂，背面為無紡纖維。

●

其它封裝類型。下面就是典型電池組件的結構圖2/5/20239保定天威英利新能源有限公司2/5/202310保定天威英利新能源有限公司

3)

性能測試。

由于太陽能組件的輸出功率取決于太陽輻照度和太陽能電池溫度等因素，因此太陽能電池組件的測量在標準條件下（STC）進行，標準條件定義為：光照強度1000W/m^2；溫度25℃；光譜分量AM1.5。

在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率稱為峰值功率，單位為Wp.在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽能模擬儀測定。

2/5/202311保定天威英利新能源有限公司4)電氣特性。組件的電氣特性主要是指電流-電壓特性，也稱為I-V特性曲線，如下圖所示：太陽能電池組件I-V特性曲線Isc:短路電流Im:最大工作電流Uoc:開路電壓Um:最大工作電壓Pm:最大功率2/5/202312保定天威英利新能源有限公司5）影響太陽能電池組件輸出性能的主要因素1）負載阻抗2）日照強度3）溫度4）陰影2/5/202313保定天威英利新能源有限公司負載阻抗對太陽能電池組件輸出的影響2/5/202314保定天威英利新能源有限公司日照強度對太陽能電池組件輸出的影響2/5/202315保定天威英利新能源有限公司溫度對太陽能電池組件輸出的影響

隨著太陽能電池溫度的增加，開路電壓減小，大約每升1℃每片電池的電壓減小2~3mV，電流增加0.04%,相當于在最大功率點的典型溫度系數為-0.4%/℃.也就是說，如果太陽能電池溫度每升高1℃，則最大功率減小0.4%。2/5/202316保定天威英利新能源有限公司陰影對太陽能電池組件輸出的影響太陽電池被遮擋情況組件功率損失比例（%）單個光電池被遮擋比例（%）00252550507566100753個光電池被遮擋

932/5/202317保定天威英利新能源有限公司

為了達到負載所需要的供電要求，通?？蓪⒔M件通過串聯和并聯的方法來實現，串聯后的結果是組件的電壓等于所串組件的電壓之和，并聯的結果是組件的輸出電流等于各路并聯電流之和，但是前提是組件的電性能完全一樣，如果組件性能不一致，串、并聯后就不一定是上述結果了。下面是不同組件串并聯的特性曲線。6)

太陽能電池組件的串聯和并聯不同性能組件串聯不同性能組件并聯2/5/202318保定天威英利新能源有限公司二極管的類型防反充二極管（阻塞二極管）旁路二極管隔離二極管7)方陣中的二極管2/5/202319保定天威英利新能源有限公司1.2.1

蓄電池的作用：

1）解決電能存儲問題

2）起功率調節和能量調節作用

3）向負載提供瞬時大電流1.2.2太陽能發電系統中常用蓄電池類型及選擇：

1）固定式鉛酸蓄電池

2）密封式鉛酸蓄電池

3）堿性蓄電池1.2蓄電池2/5/202320保定天威英利新能源有限公司固定型鉛酸蓄電池

優點：

1）

容量大

2）

單位容量價格便宜

3）

使用壽命長缺點：

1）

需維護，需要經常添加蒸餾水

2）

定期檢查和調整電解液比重

3）

運輸時電解液有溢出的危險2/5/202321保定天威英利新能源有限公司密封式鉛酸蓄電池

優點：

1）

不需要專門維護

2）

即便傾倒，電解液也不會溢出

3）

不會向空氣中排放氫氣和酸霧

4）

安全性能更好缺點：

1）對過充電敏感，對充電控制器性能要求高

2）當長時間反復過充后，容易發生電解液干涸及活性物質脫落的現象。

3）較普通開口式鉛酸蓄電池價格高2/5/202322保定天威英利新能源有限公司堿性電池目前常見的有鎘鎳電池和鐵鎳電池。優點：

1）

對過充電、過放電的耐受能力強

2）

反復深放電對蓄電池壽命無大的影響

3）

在大電流和高溫條件下，仍具較高的效率

4）

維護簡單

5）

循環壽命長缺點：

1）

內阻大

2）

電動勢小，輸出電壓較低。

3）價格高（約為鉛酸蓄電池的3~4倍）

2/5/202323保定天威英利新能源有限公司串聯型并聯型分段充電型脈沖控制器1.3太陽能電源控制器1.3.1控制器類型2/5/202324保定天威英利新能源有限公司串聯型控制器優點：調試方便反接保護電路容易實現缺點：開關功率管無共地回路，驅動困難由于開關管內部寄生二極管的存在，必須另設防反二極管，串聯損耗大應用：高壓大功率2/5/202325保定天威英利新能源有限公司并聯型控制器優點：控制方便損耗極小缺點：調試困難、容易振蕩蓄電池反接保護困難應用：500W以下功率2/5/202326保定天威英利新能源有限公司分段控制器

分段控制器原理圖單路控制的缺點：a.若采用單路通、斷控制，系統容易振蕩，充電不容易充滿b.可靠性問題，一旦功率管故障，將停止充電多路控制可避免上述問題2/5/202327保定天威英利新能源有限公司脈沖充電控制器0~t1：

恒流充電0~t2：

恒壓充電

t2~∝：浮充充電

2/5/202328保定天威英利新能源有限公司

1）負載斷路器

2）低壓報警器

3）低壓斷開器

4）電壓指示器

5）電流指示器

6）安培小時器

7）后備充電控制器

8）日照監測器

9）充電指示器

10)自動均衡充電

11）監控系統是否完善1.3.2控制器的其他功能特點2/5/202329保定天威英利新能源有限公司1.4.1逆變器的類型

1)方波逆變器

2)階梯波逆變器

3)正弦波逆變器

1.4

逆變器2/5/202330保定天威英利新能源有限公司技術指標10K15K20K30K45K直流輸入輸入額定電壓(VDC)220輸入額定電流（A）45.568.290.9136.3205輸入直流電壓允許范圍(VDC)180~280交流輸出額定容量(KVA)1015203045輸出額定功率(KW)812162436輸出額定電壓及頻率220VAC，50HZ輸出額定電流（A）36.454.672.7109164輸出電壓精度（V）220±3%輸出頻率精度(HZ)50±0.05波形失真率(THD)（線性負載）≤5%動態響應(負載0←→100%）5%功率因數（PF）0.8過載能力120%，10秒峰值系數(CF)3:1逆變效率(80%阻性負載)92%93%技術指標10K15K20K30K45K工作環境絕緣強度（VAC）(輸入和輸出)1500，一分鐘噪音（1米）≤50dB使用環境溫度-10℃~+50℃濕度0~90%，不結露使用海拔(m)≤2000機械尺寸立式深、寬、高(mm)558×436×640600×550×980600×800×2200重量（Kg）150200250360420保護功能輸入接反保護、輸入欠壓保護、輸入過壓保護、輸出過載保護、輸出短路保護、過熱保護。1.4.2逆變器常見技術指標2/5/202331保定天威英利新能源有限公司●獨立太陽能發電系統－PV組件－蓄電池－充放電控制器

●

并網太陽能發電系統－PV組件－并網逆變器－雙向計量裝置－公用電網●風-光-柴-蓄互補發電系統

－PV組件－風力發電機－柴油機－綜合管理控制器－蓄電池組－逆變器DC負載逆變器+AC負載1.5太陽能發電系統的分類2/5/202332保定天威英利新能源有限公司1PV-generatorwindturbinerectifierchargecontrollerAC-loadinverterbatteryrectifierdieselgenerator光伏發電陣列風力發電機整流充電器充電控制器交流負載蓄電池逆變器整流充電器柴油發電機風-光-柴-蓄互補發電系統2/5/202333保定天威英利新能源有限公司1.6太陽能發電系統的優缺點優點：1）可靠2）耐用

3）維護費用低4）無需燃料費用5）無噪聲污染6）安裝組件積木化7）安全8）自主供電9）高海拔性能缺點：1）初期投資高2）日照不穩定3）需要儲能裝置4）系統效率低5）需要技術培訓2/5/202334保定天威英利新能源有限公司二、系統設計需要獲取的資料2/5/202335保定天威英利新能源有限公司

2.1.1基本概念：

1)輻射功率：在單位時間內以輻射形式發射的能量稱為太陽輻射功率或輻射通量，單位是（W）。2)輻射度：太陽投射到單位面積上的輻射功率稱為輻射度或輻照度，單位是瓦/平方米（W/m2）3)輻射量：在一段規定時間內（如每小時、每日、每周、每月、每年等）太陽照到單位面積上的輻射能量稱為輻射量或輻照量，單位是kWh/m2日（月、年）2.1基本概念與一些換算關系2/5/202336保定天威英利新能源有限公司3)平均峰值日照小時

為便于進行不同地點日照條件的比較和設計，將太陽輻照度等于1000W/m2的每天日照小時數稱為“峰值太陽小時”。例如5峰值太陽小時等于1kWh/m2的輻照度照射了5小時?！胺逯堤栃r”是設計太陽能系統時必不可少的數據，該數據的可靠性及合理性直接關系到系統設計的可靠性及合理性。2/5/202337保定天威英利新能源有限公司2.1.2系統設計中有關換算1)1MJ/m^2=1x10^6焦耳/m^2=1x10^6瓦秒/m^2=0.278kWh/m^22)1langley=1卡/cm^2=4.2焦耳/cm^2=4.2瓦秒/cm^2=0.016kWh/m^22/5/202338保定天威英利新能源有限公司2.2系統設計所需要獲取的資料2.2.1負載情況名稱負載靜態功耗負載動態功耗負載靜態工作時間負載動態工作時間負載總功耗負載類型備注1234合計2/5/202339保定天威英利新能源有限公司站地地名

經度

緯度

海拔高度

地質地貌道路交通水資源情況

2.2.2地理環境與交通信息2/5/202340保定天威英利新能源有限公司

項目

數據

年平均氣溫℃

年最高氣溫℃

年最低氣溫℃

平均風速（米/秒）最大風速（米/秒）年平均太陽總輻射量MJ/m2最長連續陰雨天數2.2.310年平均氣象統計數據

2/5/202341保定天威英利新能源有限公司2.2.4太陽總輻射的各月數據2/5/202342保定天威英利新能源有限公司3、系統設計

3.1概述

設計一個獨立運行的光伏發電系統并不十分復雜，但卻是一項十分細致的工作。欲搞好光伏系統設計，最根本的是處理好太陽能資源、系統接入負載、蓄電池容量和方陣功率之間的關系，其中獲取翔實的太陽能輻射數據和準確地測算各月發電量是搞好系統設計的前提。此外，在設計中還要正確地運用有關太陽能電池組件的若干物理量，如開路電壓、峰值電壓、短路電流、峰值電流及峰值功率等。

2/5/202343保定天威英利新能源有限公司1）傾斜面太陽輻射量的計算2）太陽能電池方陣的設計3）蓄電池的設計4）控制器的設計選型5）逆變器的設計選型6）方陣支架設計7）防雷接地設計8）土建設計（機房、變電站面積和布局、場內道路、光伏組件基礎、防雷接地基礎、圍欄、接線）等。3.2系統設計內容2/5/202344保定天威英利新能源有限公司3.2.1

傾斜面光伏陣列表面的太陽輻射量:

從氣象站得到的資料,一般為水平面上的太陽輻射量,須換算成光伏陣列傾斜面的輻射量,才能進行光伏系統發的設計.

計算日輻射量的公式:

Rβ=S×[sin(α-β)/sinα]+D式中;

Rβ—傾斜方陣面上的太陽總輻射量

D—散射輻射量,假定D與斜面傾角無關;

S—水平面上的太陽直接輻射量

β—方陣傾角

α—中午時分的太陽高度角.對于北半球地理緯度=Φ的地區,

α與太陽赤緯角δ的關系如下:

α=900-φ+δ其中,δ=23.45*sin[360*(284+N)/365](度),

N為一年中某日的日期序號，如1月1日的N=1,2月1日的N=32,12月31日的N=365等。

總結：

對于緯度較高的地區（一般緯度大于20度）傾斜面上的輻射量比水平面上的輻射量大10%~15%左右，緯度較低的地區影響不是很大。2/5/202345保定天威英利新能源有限公司備注：

P1：單個組件的峰值功率

P：電池組件的峰值功率

P0：負載功率

T1：負載工作時間

T2：平均峰值日照時間

η1：逆變器效率

η2：蓄電池充電效率0.9

η3：太陽能實際發電效率0.7

S1：方陣串聯數

U：

系統額定直流電壓

U2：單個組件的標稱電壓

U1：負載工作電

N1：方陣并聯路數

3.2.2太陽電池方陣設計方陣總功率：

P=P0*T1/(T2*η1*η2*η3)方陣串聯數：

S1=U/U2方陣并聯路數：

N1=P/S1/P1備注：蓄電池充電效率0.9太陽能實際發電效率0.72/5/202346保定天威英利新能源有限公司備注：

C:蓄電池容量

P0：負載功率T1：負載工作時間T3：連續陰雨天數U：

系統額定直流電壓η1：逆變器效率DOD：蓄電池放電深度0.7

3.2.3蓄電池的設計蓄電池總容量：

C=（P0*T1*T3）/（DOD*η1*U）

備注：較大的發電系統當中，計算太陽能電池容量及蓄電池容量效率中還應除以線路損耗0.9~0.952/5/202347保定天威英利新能源有限公司3.2.4控制器的設計選型

1）確定控制器應匹配的系統電壓：控制器應耐受1.5~2倍的系統額定直流電壓。2）選擇控制器的最大電流通過能力。通常以方陣短路電流作為方陣的最大電流值，為提高安全系數，在此短路電流的基礎上再加10%~20%的裕量。3)確定控制器的其它功能.比如蓄電池接反保護、夜間防反充保護、輸出端路保護、輸出接反保護、遠程監測功能等。2/5/202348保定天威英利新能源有限公司3.2.5逆變器的設計選型

1）逆變效率有多高2）留有一定功率余量3）保護功能是否健全4）絕緣強度是否滿足要求5）選擇單相輸出型，三相輸出型（15KW以下）（20KW以上）6）可靠性指標2/5/202349保定天威英利新能源有限公司3.2.6

太陽能電池方陣支架結構設計

★

安裝方式設計:固定式.結構簡單,安全可靠,安裝調試及管理維護都很方便.★

固定式支架傾角設計:根據地理條件及經驗公式，傾角等于緯度。

★

方陣支架方位角的設計:一般情況下,太陽能電池方陣應面向正南安裝.

★

太陽能電池陣列間距的設計計算:光伏方陣陣列間距應不小于D.

計算公式：

計算得:D=6087mm.取間距為6.5米。(Φ緯度等于傾角40度)