太陽能光伏發電應用技術第7章光伏發電系統部件第7章光伏發電系統部件7.1

光伏方陣

7.2二極管7.3儲能設備7.4鋰離子儲能系統7.5光伏并網逆變器主要內容7.1光伏方陣光伏方陣，又稱光伏陣列，是由若干塊光伏組件，在機械和電氣上按一定的串、并聯方式組裝在一起，并且有固定的支撐結構而構成的直流發電單元。子方陣，如果一個光伏方陣中有不同的光伏組件或不同的光伏組件的連接方式，其中結構和連接方式相同的部分稱為子方陣。組件連接方式，需要根據系統電壓及電流的要求，來決定串、并聯的方式。應該將最佳工作電流相近的光伏組件串聯在一起，目前光伏方陣中常用的是先串后并的連接方式。7.2

二極管

在光伏方陣中，二極管是很重要的元件，常用的二極管有兩類。1．阻塞（防反充）二極管

在光伏方陣和儲能蓄電池或逆變器之間，常常需要串聯一個阻塞二極管，起單向導通的作用。在實際的系統設計中，如果能夠保證直流母線不會向光伏方陣倒送電，也可以不配置阻塞二極管，從而降低系統損耗和成本。一般使用的硅整流二極管，其管壓降為0.6～0.8V大容量硅整流二極管的管壓降可達1～2V肖特基二極管，當系統的電壓較低（如直流100V以下）時可以采用，其管壓降為0.2～0.3V，但耐壓和電流容量相對較小，選用時要加以注意7.2

二極管

2．旁路二極管

當光伏組件串聯成光伏方陣時，需要在每個光伏組件兩端都并聯一個或數個二極管，稱為旁路二極管。

當其中某個光伏組件被陰影遮擋或出現故障而停止發電時，在二極管兩端可以形成正向偏壓，實現電流的旁路，保護正常光伏組件的發電，同時也保護被遮擋光伏組件避免承受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應”發熱而損壞。

內置2個旁路二極管的光伏組件接線盒7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術

大規模儲能技術按照儲存的介質進行分類，常見的主要分為三類：機械儲能、電化學儲能、電磁儲能。抽水儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能機械儲能鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池、鈉/氯化鎳電池、鋰離子電池、鈉離子電池電化學儲能超導電磁儲能、超級電容器儲能電磁儲能儲能技術路線7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——機械儲能/抽水儲能優點：規模大、能量儲存集中，技術成熟負荷響應速度快，調節能力好效率一般為65%—75%，最高可達80%—85%原理：電站中配備上、下游兩個水庫，負荷低谷時段抽水儲能設備工作在電動機狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。負荷高峰時抽水儲能設備工作于發電機的狀態，利用儲存在上游水庫中的水發電。缺點：需要具備上池和下池建造依賴地理條件，有一定難度和局限性與負荷中心有一定距離，需要長距離輸電7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——機械儲能/飛輪儲能優點：幾乎沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環境影響小設備壽命長（循環次數達105～107）效率可達90%原理：將能量以動能形式儲存在高速旋轉的飛輪中，系統由高強度合金和復合材料的轉子、高速軸承、雙饋電動機、電力轉換器和真空安全罩組成。電能驅動飛輪高速旋轉，電能轉變成動能儲存。飛輪減速，電動機作為發電機運行，飛輪的加減速實現了充放電。缺點：能量密度比較低保證系統安全性方面的費用很高，在小型場合無法體現其優勢維護困難7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——機械儲能/壓縮空氣儲能優點：技術成熟成本低可大規模應用原理：由兩個循環構成：充氣壓縮循環、排氣膨脹循環。壓縮時，雙饋電動機起電動機作用，多余電力驅動壓縮機，將高壓空氣壓入地下儲氣洞。在電網負荷高峰時，雙饋電動機起發電機作用，存儲的壓縮空氣先經過回熱器預熱，再使用燃料在燃燒室內燃燒，進入膨脹系統中做功發電。缺點：效率低需要較大的儲氣空間7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——電化學儲能/鉛酸電池原理：鉛酸電池內的陽極（PbO2）及陰極（Pb）浸到電解液（稀硫酸）中，兩極會產生2V的電勢。PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4(放電反應)PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb(充電反應)優點：儲能成本低，可靠性好，效率較高（70%～90%）缺點：循環壽命短80%EOL500~1000次能量密度低（30～50W?·?h/kg）使用溫度范圍窄，充電速度慢，不可深度充放電過充電容易放出氣體，加之鉛為重金屬，對環境影響大7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——電化學儲能/鋰離子電池原理：內部由正極、負極、電解質及隔膜組成。依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來工作：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。優點：高能量密度、高能量效率（94%～98%）、循環壽命長（超過6000次）缺點：有衰退現象，與其他充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數無關，而與溫度有關安全問題，表現為燃燒甚至爆炸，問題根源在于電池內部的熱失控。且過充、火源、擠壓、穿刺、短路等一些外部因素也會導致安全性問題7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——電化學儲能/其它鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池；其比能量高，可大電流、高功率放電，缺點是材料成本高；工作時需要采用高性能的真空絕熱保溫技術，這增加了運行成本，同時降低了系統可靠性。液流電池，一般稱為氧化還原液流電池，是利用正負極電解液分開，各自循環的一種高性能二次電池。鈉/氯化鎳電池，是一種在鈉硫電池的基礎上發展起來的新型儲能電池，它和鈉硫電池都是用金屬鈉作為負極，b

“-Al2O3為固體電解質。不同的是，它的正極是熔融過渡金屬氯化物加氯鋁酸鈉，而不是硫。鈉離子電池，在充放電過程中，Na+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，充電時，Na+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，放電時則相反。具有成本低、安全性能高、工作溫區寬等特點。7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——電磁儲能/超導電磁儲能優點：功率輸送時無須能源形式的轉換，具有響應速度快（ms級），轉換效率高（不小于96%）、比容量（1～10W?·?h/kg）/比功率（104～105kW/kg）大等優點原理：超導電磁儲能系統（SMES）是利用置于低溫環境的超導體制成的線圈儲存磁場能量，低溫由包含液氮或者液氦容器的深冷設備提供。功率變換/調節系統將儲能線圈與交流電力系統相連，并且可以根據電力系統的需要對儲能線圈進行充、放電。缺點：應用成本現在仍很昂貴，還沒有形成商業化產品7.3

儲能設備7.3.1主要儲能技術——對比

儲能類型典型額定功率額定容量特點應用場合機械儲能抽水儲能100～2000MW4～10h大規模，技術成熟，響應慢，需要地理資源日負荷調節，頻率控制和系統備用壓縮空氣儲能10～300MW1～20h大規模，響應慢，需要地理資源調峰、調頻，系統備用飛輪儲能5kW～10MW1s～30min比功率較大，成本高，噪聲大調峰、頻率控制，UPS和電能質量電磁儲能超導電磁儲能10kW～50MW2s～5min響應快，比功率大，成本高，維護困難輸配電穩定，抑制振蕩超級電容器儲能10kW～1MW1～30s響應快，比功率大，成本高，比能量低定制電力及FACTS電化學儲能鉛酸電池1kW～50MW幾分鐘到幾小時技術成熟，成本低，壽命短，涉及環保問題電能質量、電站備用、黑啟動液流電池5kW～100MW1～20h壽命長，可深放，效率高，環保性好，能量密度稍低電能質量、備用電源、調峰填谷、能量管理、可再生儲能、EPS鈉硫電池100kW～100MW幾小時比能量和比功率較高、高溫條件、運輸安全問題有待改進電能質量、備用電源、調峰填谷、能量管理、可再生儲能、EPS鋰離子電池1kW～1000MW幾分鐘到幾小時比能量高，安全問題有待改進電能質量、備用電源、調峰填谷、能量管理、可再生儲能、UPS7.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——原理原理：充放電反應是在LiFePO4和FePO4兩相之間進行的。在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。充電：LiFePO4一xLi+xe→FePO4+(1-x)LiFePO4放電：FePO4+xLi+xe→xLiFePO4+(1-x)FePO47.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——特點能量密度較高

據報道，2018年量產的方形鋁殼磷酸鐵鋰電池單體能量密度在160W?·?h/kg左右，2019年優秀的電池廠家大概能做到175～180W?·?h/kg的水平，個別廠家采用疊片工藝，甚至能做到185W?·?h/kg。循環壽命長磷酸鐵鋰電池1C循環壽命普遍達2000次，甚至達到3500次以上，而儲能市場要求達到5000次以上，保證8-10年的使用壽命。安全性能好

正極材料的電化學性能比較穩定，在充放電過程中電池的結構不會發生變化，不會燃燒爆炸，并且即使在短路、過充、擠壓、針刺等特殊條件下，仍然是非常安全的。

環境適應性良好磷酸鹽本身屬于惰性的無機化合物，不易發生分解氧化，即使在極端惡劣的工作環境中也能保證穩定的化學性質不變。7.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——回收與梯次利用回收利用方式：對符合能量衰減程度的電池進行梯次利用（用作儲能、通信基站或低速電動車領域）。對無梯次利用價值的電池進行拆解，回收其中的鎳、鈷、錳、鋰等材料。已有一些具有一定規模的鋰離子電池處理廠：托斯寇公司（Toxco）在雀爾的分廠，能處理不同型號、不同化學性質鋰電池，并獲美國能源部950萬美元的支持電動車電池回收利用。國內的回收起步較晚，基本采用手工拆解回收重金屬如Co等，拆解后對環境的危害更大。目前尚未建立廢舊電池回收體系，占據國內廢舊電池回收利用前線的都是一些地下工廠。發達國家廢舊電池回收方法，基本上是：立法、責任延伸制、獎罰。根據效果來看，最根本的有兩點：立法保護，提高群眾保護環境的意識。電池廢舊儲能廢舊電池由電池供應商負責回收動力電池由整車廠負責回收7.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——儲能市場應用工況轉換快、運行方式靈活、效率高、安全環保、可擴展性強。分布式電站對于重要單位和企業，可以減少或避免由于電網故障和各種意外事件造成的斷電不受地理條件限制，選址自由，投資少、占地少、維護成本低電網調峰可再生能源安全并網7.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——工作特性/開路電壓特性電池開路電壓OCVOCV（Open-circuitVoltage）是電池在未連入電路、無電流通過時正負極之間測得的電位差。電池的開路電壓是電池靜態條件下的一個主要特征量，能夠較好地反映電池的實際剩余電量。電池的荷電狀態SOCSOC（StateofCharge）指的是電池的剩余容量與完全狀態時容量的比值。SOC?=?1代表電池完全充滿，SOC?=?0代表電池完全放電7.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——工作特性/電池容量特性電池的容量可分為標稱容量和實際容量。標稱容量又稱為額定容量，是指在環境溫度為25℃±2℃條件下，電池1C放電倍率放電至終止電壓時所應提供的電量；實際容量則受放電倍率和環境溫度影響很大。（1）電池充放電倍率電池充放電倍率是電池工作時的重要參數。通常定義電池一小時完全放電或充滿電，其充放電倍率為1C。充放電倍率=充放電電流/額定標稱充放電電流。（2）磷酸鐵鋰電池容量的放電倍率特性磷酸鐵鋰電池的放電容量隨放電倍率的增加而降低。（3）磷酸鐵鋰電池容量的環境溫度特性磷酸鐵鋰電池的放電容量隨著環境溫度的升高實際放電容量變大。7.3

儲能設備7.3.2磷酸鐵鋰電池——工作特性/循環壽命特性磷酸鐵鋰電池循環壽命的放電倍率特性曲線電池壽命影響因素：1、循環次數電池放電容量整體上隨循環次數的增加而降低。2、環境溫度與額定工作溫度相比，高溫或低溫條件下的電池循環壽命均有明顯下降，建議磷酸鐵鋰電池在0℃～45℃條件下使用。3、充放電倍率電池循環壽命隨放電倍率的增加而降低，使用期間淺充淺放有利于延長電池的循環使用壽命。7.4鋰離子儲能系統7.4.1磷酸鐵鋰電池儲能系統分析磷酸鐵鋰電池儲能系統（BESS）系統主要組成：磷酸鐵鋰電池組鋰電池管理系統（BMS）直流母線變流裝置（PCS）變壓器中央監控系統等磷酸鐵鋰電池儲能系統的組成7.4鋰離子儲能系統7.4.2儲能鋰電池管理系統（BMS）BMS系統框圖BMS是BatteryManagementSystem的縮寫，意思為電池管理系統。顧名思義電池管理系統是用來管理電池，以便電池能夠維持更好的狀態，穩定工作。鋰離子電池，存在生產中的不良缺陷和在使用過程中的過充過放情況。一旦過充、過放電，電池就要損壞，容量降低，壽命減少。嚴重的情況下，還會發生安全事故。BMS主要有下面幾個功能：實時狀態監測與評估電芯均衡控制保護通信日志記錄7.5光伏并網逆變器光伏并網逆變器將光伏方陣輸出的直流電能轉換為符合電網要求的交流電能再輸入電網，是并網光伏系統能量轉換與控制的核心設備。近年來，隨著各種新型器件、新型拓撲結構和新型控制芯片及控制算法不斷涌現，逆變器的各項技術指標不斷提升。7.5光伏并網逆變器集中式單機功率：幾百千瓦到幾兆瓦系統拓撲結構：一般采用DC-AC一級變換功率器件：一般采用大電流IGBT特點：單機功率大、MPPT數量少、每瓦系統成本低，常用于大型地面電站、水面電站及大型屋頂電站組串式單機功率：3～300kW系統拓撲結構：多用DC-DC-AC兩級變換特點：單機功率小、應用靈活、MPPT數量較多，主要用于復雜山丘電站及中小型分布式電站微型逆變器單機功率：一般為幾百瓦特點：單塊光伏組件可MPPT，體積輕，便于安裝，系統直流電壓低，安全性高。缺點是系統成本較高，數量多，主要應用在戶用系統中7.5光伏并網逆變器7.5.1光伏并網逆變器主要技術要求要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點要求逆變器輸出滿足電能質量要求要求在光照和溫度等因素變化幅度較大的情況下均能高效運行要求逆變器具備一定的無功輸出能力要求逆變器能夠與儲能等其他能源構成多能互補系統要求逆變器具有功率密度高、環境適應性強、可靠性高等特點要求逆變器具備良好的并網性能7.5光伏并網逆變器7.5.2光伏并網逆變器的工作原理單相并網逆變器原理圖三相并網逆變器原理圖7.5光伏并網逆變器7.5.3主要功能——MPPT控制功能光伏組件的I-V和P-V特性曲線MPPT算法分析示意圖光伏組件的輸出特性具有非線性特征，輸出功率除了與電池內部特性有關外，還與輻照強度、溫度和負載的變化有關。在不同的外界條件下，光伏組件可運行在不同且唯一的最大功率點上。光伏并網逆變器通過實時檢測光伏陣列的輸出功率，通過一定的控制算法，預測當前狀況下光伏方陣可能的最大功率輸出，從而改變當前的阻抗值，使光伏方陣輸出最大功率。7.5光伏并網逆變器7.5.3主要功能——并網功能結合儲能實現VSG（光伏并網逆變器除了將光伏方陣輸出的直流電轉變成與電網電壓幅值、頻率、相位相同的、電能質量高的交流電接入電網并適應電網電壓、頻率在一定范圍內的變化外，還需要具備一定的電網支撐能力。電網支撐能力結合儲能實現VSG電網故障穿越能力無功支撐能力實時動態響應7.5光伏并網逆變器7.5.3主要功能——系統保護功能并網逆變器除了自身具有防雷擊、過流、過熱、短路、反接、直流電壓異常、電網電壓異常等一系列保護功能外，還需要具有光伏組件的PID防護、孤島保護等功能。存在于晶體硅光伏組件中的太陽電池與其金屬邊框之間的高電壓可能會引發晶體硅光伏組件性能的持續衰減，這種現象稱為電位誘發衰減（PotentialInducedDegradation，PID）效應。將對系統產生一定的不良影響，如威脅維護人員的人身安全、損壞部分對頻率變化敏感的負載、市電恢復瞬間由于電壓相位不同產生較大的瞬時電流造成設備的損害PID防護存在于晶體硅光伏組件中的太陽電池與其金屬邊框之間的高電壓可能會引發晶體硅光伏組件性能的持續衰減，這種現象稱為電位誘發衰減（PID）效應。孤島保護光伏發電系統在與電網并聯，為負載供電時，當電網發生故障或中斷的情況下，光伏發電系統繼續獨立給負載供電的現象稱為孤島現象。常見的PID防護方法：光伏發電系統負極接地、負極虛擬接地。孤島現象的不良影響：威脅維護人員的人身安全損壞部分對頻率變化敏感的負載市電恢復瞬間由于電壓相位不同產生較大的瞬時電流造成設備的損害等。常見孤島保護方法有包括被動式檢測法和主動式偵測法兩種。7.5光伏并網逆變器7.5.3主要功能——其他功能光伏并網逆變器一般具有數據采集、記錄和顯示的功能；通常都具備通信接口，進行數據傳輸和遠程通信和監測。在離網光伏發電系統中，如果是交流負載，則必須配備離網逆變器，不需要并網和孤島保護，但仍需具備逆變、最大功率點跟蹤等功能。光伏并網發電系統中，根據具體情況，一般還需要安裝隔離開關、漏電保護器、浪涌保護器等電氣設備。有些大型光伏并網發電系統，還要配備升壓變壓器等裝置。太陽能光伏發電應用技術第8章聚光與跟蹤第8章聚光與跟蹤8.1聚光光伏發電8.1.1聚光光伏發電的優缺點8.1.2聚光光伏部件8.1.3聚光光伏系統8.1.4聚光光伏發電現狀主要內容8.2太陽能跟蹤器8.2.1跟蹤器的分類8.2.2太陽能跟蹤器的組成8.2.3太陽能跟蹤器的應用8.1聚光光伏發電8.1.1聚光光伏發電的優缺點優點發電效率高—高倍聚光太陽電池效率已達50%，而晶硅太陽電池的效率目前最高為27%占用土地少—6-8英畝/MW，可兼容放牧牲畜或種植作物現場安裝方便—集成度高，安裝快速可綜合利用—除供電外，冷卻產生的熱水可綜合利用8.1聚光光伏發電8.1.1聚光光伏發電的優缺點缺點對光資源要求較高，需要建設在直射輻照度高的地區聚光光伏系統（特別是高倍聚光系統）不能利用太陽散射光，太陽直射光稍有偏離，發電量會急劇下降，需配備高精度雙軸太陽跟蹤器聚光太陽電池在工作時溫度會升高，需要采取散熱措施聚光光伏系統真正實際應用的時間不長、規模不大，在技術上還需要進一步發展和完善CPV全球適用地區CPV中國適用區域8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—聚光太陽電池單晶硅電池適用于低倍聚光性能穩定，價格低多結太陽電池適用于中高倍聚光耐高溫，轉換效率高三結Ⅲ-Ⅴ族太陽電池的量子效率對應曲線圖單晶硅電池多晶硅電池太空電池多結太陽電池結構8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—聚光器按形狀分點聚焦型聚光器線聚焦型聚光器按成像屬性分成像聚光器非成像聚光器按聚光方式分反射式聚光器折射式聚光器平板波導聚光器8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—聚光器槽式平面聚光器拋物面聚光器反射式聚光器二次拋物面聚光器碟式拋物面聚光器反射式聚光器8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—聚光器8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—聚光器連續透鏡聚光器菲涅爾透鏡聚光器折射式聚光器二次光學8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—聚光器平板波導聚光器兩級光學系統多次內反射折疊光路高聚光倍數，系統厚度小

8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—太陽跟蹤器雙軸跟蹤-同時跟蹤方位角及高度角太陽跟蹤器分雙軸跟蹤及單軸跟蹤雙軸跟蹤精度要求高，一般為0.3°甚至0.1°8.1聚光光伏發電8.1.2聚光光伏部件—散熱部件典型聚光器被動散熱結構散熱器被動散熱冷卻液主動散熱8.1聚光光伏發電8.1.3聚光光伏系統低倍聚光發電系統聚光比：1-10單軸跟蹤無需散熱中倍聚光發電系統聚光比：10-100點聚焦或線聚焦雙軸跟蹤高倍聚光發電系統聚光比：>100點聚焦雙軸跟蹤需散熱8.1聚光光伏發電8.1.3聚光光伏系統低倍聚光系統SunPower公司C-7型低倍聚光系統拋物面聚光比7X轉換效率20.1%南北單軸跟蹤，跟蹤角度±75°西班牙Sevilla低倍聚光電站反射式聚光比1.5X-2.2X轉換效率12%雙軸跟蹤8.1聚光光伏發電8.1.3聚光光伏系統中倍聚光系統SkylineSolar公司聚光方陣拋物面反射式聚光比14XSolaria公司4.1MW聚光電站聚光方陣8.1聚光光伏發電8.1.3聚光光伏系統高倍聚光系統Concentrix菲涅爾透鏡聚光比500X雙軸跟蹤轉換效率30%中國三安光電菲涅爾透鏡聚光比500X雙軸跟蹤轉換效率25%8.1聚光光伏發電8.1.4聚光光伏發電現狀2006-2015全球共安裝容量1MW以上的聚光電站54座，分布在美國、中國、法國、西班牙等12個國家。多結聚光電池實驗室效率已達50%，室外組件效率已超過33%，但近幾年發展低迷。2014年后，晶硅組件成本大幅下降，聚光產業受到極大沖擊，如Suncore、Soitec、Amo