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独立光伏发电系统
&&独立光伏发电系统原理。
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光伏发电系统
光伏发电系统是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行。
光伏发电系统简介
太阳能发电分为和。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无须消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
光伏发电系统组成
光伏发电系统通常由、（可选）、蓄电池控制器（可选）、、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等设备组成：高倍聚光光伏系统（HCPV）还包括聚光部分（通常为聚光透镜或者）。光伏发电系统各部分设备的作用如下：
(1)光伏方阵光伏方阵（PV Array）称光伏阵列，是由若下个或光伏板按一定方式组装在一起并且具有同定的支撑结构而构成的直流发电单元一在有光照（无论是太阳光，还是其他发光体产生的光照）的情况下，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“”。在光生伏特效应的作用下，太阳电池的两端产生，将光能转换成电能，完成
(2)蓄电池组（可选）。蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电：太阳电池发电对所用的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工作温度范同宽；⑦价格低廉。
(3)蓄电池控制器（可选）。蓄电池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，凶此能控制蓄电池组过充电或过放电的蓄电池控制器是必不可少的设备
(4)逆变器。是将直流电转换成交流电的设备。j当和蓄电池是，而负载是时，逆变器是必不可少的j逆变器按运行方式，可分为离网逆变器和并网逆变器。离网逆变器用于独立运行的太阳电池发电系统，为负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳电池发电系统。逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器方波逆变器的电路简单，造价低，但大，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。
(5)跟踪系统。由于相对于某一个同定地点的太阳能光伏发电系统来说，一年四季、每天日升日落，太阳光照角度时时刻刻都在变化，只有太阳电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪采用的是电脑数据理论。需要地球经纬度地区的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数。[1]
光伏发电系统特点
1、光伏发电系统具有以下特点：
(1)没有转动部分，不产生噪声。
(2)没有空气污染，不排放废水。
(3)没有燃烧过程，不需要燃料。
(4)维护保养简单，维护费用低。
(5)运行可靠，无工质消耗。
(6)作为关键部分的太阳电池使用寿命长。
(7)启动快，有太阳就能发电，适用于建立分布式变电站。
(8)安装容易，建设周期短，很容易根据需要扩大发电规模。
(9)规模大小皆宜（100W～100MW）。
2、光伏发电存在如下缺点：
(1)属于平面光源，面密度较小，地面最大为1kW/m?。
(2)发电随天气成周期性和随机性变化，电力调节比较复杂。
(3)地区性分布有差异。[2]
光伏发电系统分类
光伏发电系统分为、及分布式光伏发电系统。
一、独立光伏发电系统
独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要南太阳电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为供电，还需要配置交流逆变器，独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统、太阳能户用电源系统、通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。
二、并网光伏发电系统
并网光伏发电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之后直接接入公共电网。可以分为带蓄电池的并网光伏发电系统和不带蓄电池的并网光伏发电系统，带有蓄电池的并网光伏发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电；带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网光伏发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。
三、并网光伏发电系统
并网光伏发电系统又可分为集中式大型并网光伏电站和分布式光伏系统。集中式大型并网光伏电站的主要特点是能将所发电直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。而分布式光伏系统，有投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点。[1]
光伏发电系统设计要求
在进行系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和设备选择所必需的基本数据：如光伏发电系统安装的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温。最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。要求所设计的光伏发电系统具有先进性、完整性、可扩展性、智能化程度高，以保证系统安全性、可靠性和经济性。
(1)先进性。随着国家对于可再生能源的日益重视，开发利用可再生能源已经是新能源战略的发展趋势。根据当地太阳日照条件、电源设施及用电负载的特性，选择利用太阳能资源建设光伏发电系统，既节能环保，又能避免采用市电铺设电缆的巨大投资（远离市电电源的用电负载），是具有先进性的电源建设方案。
(2)完整性。太阳能光伏发电系统包括：太阳能电池组件、、、等部件。光伏发电系统可以独立对外界提供电源，也可与其他用电负载和市电电源配套，形成一个完整的离网和并网的光伏发电系统。光伏发电系统应具有完善的、蓄能系统、功率变换系统、防雷接地系统等构成一个统一的整体，具有完整性。
(3)可扩展性。随着太阳能光伏发电技术的快速发展，光伏发电系统的功能也会越来越强大。这就要求光伏发电系统能适应系统的扩充和升级，光伏发电系统的太阳能电池组件应为并联模块结构组成，在系统需扩充时可以直接并联加装太阳能电池组件模块，控制器或逆变器也应采用模块化结构，在系统需要升级时，可直接对系统进行模块扩展，而原来的设备器件等都可以保留，以使光伏发电系统具有良好的可扩展性。
(4)智能化程度。所设计的太阳能光伏发电系统，在使用过程中应不需要任何人工的操作。控制器可以根据太阳能电池组件和蓄电池的容量状况控制负载端的输出，所有功能都由微处理器自动控制，还应能实时检测太阳能光伏发电系统的工作状态，定时或实时采集光伏发电系统主要部件的状态数据并上传至控制中心。通过计算机分析，实时掌握设备工作状况，对于工作状态异常的设备，发出故障报警信息，以使维护人员可提前排除故障，保证供电的可靠性。[3]
光伏发电系统检查
1．电池组件及方阵检查
光伏发电系统的检查主要是对各个电器设备、部件等进行外观检查，内容包括电池组件方阵、基础支架、接线箱、控制器、逆变器、系统并网装置和接地系统等。
检查方阵外观是否平整、美观，组件是否安装牢固，引线是否接触良好，引线外皮有否破损等。检查组件或方阵支架是否有生锈和螺丝松动之处。
2．直流接线箱和交流配电柜的检查
检查外壳有无腐蚀、生锈、变形；内部接线有无错误，接线端子有无松动，外部接线有无损伤。
3．控制器、逆变器的检查
检查外壳有无腐蚀、生锈、变形；接线端子是否松动，输入、输出接线是否正确。
4．接地系统的检查
检查接地系统是否连接良好，有无松动；连接线是否有损伤；所有接地是否为等电位连接。
5．配线电缆的检查
太阳能光伏发电系统中的电线电缆在施工过程中很可能出现碰伤和扭曲等，这会导致绝缘被破坏以及绝缘电阻下降等。因此在工程结束后，在做上述各项检查的过程中，同时对相关配线电缆进行外观检查，通过检查确认电线电缆有无损伤。[4]
光伏发电系统应用领域
一、用户太阳能电源[5]
(1)小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收音机等；
(2)3~5KW家庭屋顶并网发电系统；
(3)光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉;
(4)太阳能净水器：解决无电地区的饮水、净化水质问题。
二、交通领域
如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
三、通讯/通信领域
太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
四、石油、海洋、气象领域
石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
五、家庭灯具电源
如、路灯、手提灯、、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯、投射灯等。
10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。
七、太阳能建筑[5]
将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。
八、其他领域包括
(1)与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；
(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；
(3)海水淡化设备供电；
(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。
宋亮编著．太阳能发电基本知识与应用案例：暨南大学出版社，2015.08
《电工实用技术问答》编委会编．电工实用技术问答：中国电力出版社，2014.03
周志敏，纪爱华等编著．太阳能光伏系统设计与工程实例：中国电力出版社，2016.07
颜鲁薪主编．光伏发电技术及应用：西北工业大学出版社，2015.04
．索比光伏网．[引用日期]
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副教授、副研究员审核
中国科学院工程热物理研究所
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本电站为离网型光伏发电电站，采用双轴追日系统最大限度获取太阳能能源，利用最新MPPT充电技术，最大效率的将太阳能转换为电能，相比传统式光伏发电提高转换效率40%左右。采用分体拼装式结构，有利于交通不便的偏远地区施工安装。
可在PC机及手机终端上对电站运行参数、工作状态和全部技术数据进行实时监测和控制。同时提供各项数据的日统计曲线、月统计曲线等统计分析信息。
本系统具有电池超温 、仓室超温、风速过速、电池过放电等功能型报警，并具有远程处理及自主保护功能。同时根据用户情况提供红外栅栏侵入式报警、图像实时监控、音响驱散等安全防护功能。
采用微波传输方式与控制中心通讯，极端情况下可使用GSM（手机卡）系统重启及系统关断。详细技术参数见使用说明书或电话咨询。
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并网光伏发电系统
并网光伏发电系统可以将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接并向电网输送电能。这种发电系统的灵活性在于，在日照较强时，光伏发电系统在给交流负载供电的同时将多余的电能送入电网；而当日照不足，即太阳能电池阵列不能为负载提供足够电能时，又可从电网索取电能为负载供电。[1]
并网光伏发电系统结构
与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统，其结构如下图1所示，该系统包括太阳能电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC、交流负载、变压器等部件。并网光伏发电系统可以将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接并向电网输送电能。这种发电系统的灵活性在于，在日照较强时，光伏发电系统在给交流负载供电的同时将多余的电能送入电网；而当日照不足，即太阳能电池阵列不能为负载提供足够电能时，又可从电网索取电能为负载供电。过去，由于太阳能电池的成本居高不下，光伏发电大多只是应用在一些专用的独立运行的系统中，如航天、边防海岛或是边远地区的示范工程等。随着新型光伏材料的出现，产品价格的不断下降，转换效率得到不断提高，先进的电力电子器件、微处理器的推出以及先进的控制策略的应用，都使得光伏并网技术的研究和大量推广日益成为可能，光伏利用也逐步向城市并网光伏电站、小区光伏建筑集成及小功率户用光伏并网系统的方向发展。[1]
图1 并网光伏发电系统结构
并网光伏发电系统形式
光伏与建筑相结合的形式
光伏与建筑相结合的初始形式是在建筑物的屋顶或阳台上安装一般的太阳能电池阵列，并为其配备蓄电池进行独立供电，或通过逆变控制器和变压器输出端与公共电网并联，使电网和光伏方阵共同向建筑物供电。光伏与建筑相结合进一步的形式是使光伏组件与建筑材料融为一体，并采用特殊的材料和工艺手段，将光伏组件做成屋顶、外墙、窗户等部件。这样光伏组件既能直接作为建筑材料使用又能发电，进一步降低了发电成本。[1]
光伏发电系统和建筑相结合应用时，通常采用并网发电的形式，这类系统与独立光伏发电系统相比，具有以下五大突出的优点：（1）在阴雨天或晚间，由电网给负载供电，这样，系统不必配备储能装置，既可以降低系统造价，又免除了维护和更换蓄电池的麻烦，还增加了供电的可靠性；（2）在有日照时所发出的电能，既可供给建筑物内负载使用，如果有多余还可反馈给电网；（3）在并网光伏发电系统中，不受蓄电池荷电状态的限制，可以随时向电网存取电能；（4）在设计太阳电池方阵倾角时，可以取全年能收到最大太阳辐射量对应的角度，最大限度地发挥太阳电池方阵的发电能力；（5）夏天的太阳辐射强度大，太阳电池阵列所发的电能相对较多，而夏季也是用电的高峰期，空调等制冷设备的利用率高，耗电量大，这正好能起到为电网调峰的作用。[1]
并网光伏发电系统保护
为了保证光伏发电系统可靠安全地运行，系统中需要接入保护装置。该装置要做到一旦检测到异常就迅速做出动作从而保护系统的安全。为此，该保护装置应具有如下功能：功率器件驱动欠压保护、功率器件过流保护及速断保护、功率器件过热保护、光伏电池阵列输出欠压保护、电网电压过压和等。保护装置要保证光伏逆变系统发生异常时，不会对所并联的电网产生较大的不良影响，反过来也要保证并联电网发生故障时，电网同样不对光伏发电系统产生损坏。[1]
并网光伏发电系统孤岛问题
孤岛效应是指当光伏发电系统所并的电网因故障、事故或停电维修跳闸时，用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出电网的停电状态，没有迅速将光伏发电系统切离所并联电网，从而形成了由光伏发电系统和周围的负载形成的自给供电孤岛。孤岛现象发生时电网的运行方式如下图2所示。[1]
图2 形成孤岛时电网系统运行示意图
孤岛效应发生后，电压波动、频率波动、谐波可能会同时出现，或都不出现，这受负载、并网光伏发电系统的设置、结构、运行状态及其他一些情况的影响。所以定义任何一个能总是伴随孤岛效应出现的现象是不可能的，但是必须在尽可能短的时间内阻断孤岛的产生。这是因为孤岛效应会产生一系列问题：非三相运行、有较大的谐波含量以及频率不稳，都将使孤岛现象扩大；孤岛的电压相量会相对于主网趋向漂移，当电网快速恢复时，可能会干扰重合闸；对在孤岛电网中进行检修工作的人员形成安全危害；可能出现由单相并网系统给三相负载供电的情况，造成三相负载的缺相运行，形成危害。[1]
采用必要的反孤岛保护可以很好地解决这个问题，在检测到电网失电后立即停止工作；当电网恢复供电时，联网逆变器不会立即投入运行，而是继续检测电网信号，直至在一定时间内完全正常才会重新投入运行。[1]
李全林.《新能源与可再生能源》.南京：东南大学出版社，2008.
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