太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)初探

戎帥

摘 要：能源問題一直受到社會(huì)的普遍關(guān)注，因?yàn)檫@不僅關(guān)系到社會(huì)的發(fā)展，還對(duì)于自然環(huán)境產(chǎn)生重大的影響。而太陽能作為一種可再生的清潔能源，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越得到廣泛的運(yùn)用，太陽能資源不但可以取代部分常規(guī)能源，可以預(yù)見的是太陽能資源將在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中獲得越來越重要的位置，并在將來成為世界能源的主要供應(yīng)方。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；電池

1太陽能光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電所依據(jù)的原理是光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池從而將太陽的光能直接轉(zhuǎn)化成為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。這些組件多由電子元器件構(gòu)成的，如多晶硅、單晶硅、非晶硅和薄膜電池等，和機(jī)械部件沒有關(guān)系，因此，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)。

當(dāng)前，光伏發(fā)電的應(yīng)用主要有3個(gè)方面：一是在無電的場(chǎng)合提供電源供應(yīng)；二是在各種類的太陽能電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，例如太陽能燈、太陽能充電器等；三是在太陽能并網(wǎng)發(fā)電和離網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用。

2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)分類

當(dāng)前，太陽能發(fā)電一同主要有三類，即離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。

（1）離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這種太陽能的應(yīng)用方式比較常見，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)比較長(zhǎng)久。離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，并且其適應(yīng)性廣。

（2）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)用電負(fù)荷比較大時(shí)，太陽能電力不足就通過向市電購(gòu)電來補(bǔ)充。而如果負(fù)荷比較小時(shí)，或者是用不完電力時(shí)，就可以將多余的電力賣給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，這種系統(tǒng)可以省掉蓄電池，從而擴(kuò)張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價(jià)。

（3）A，B 兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個(gè)方之間的系統(tǒng)。這種方案具有有較強(qiáng)的適應(yīng)性，比如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價(jià)來調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價(jià)和運(yùn)行成本較上述兩種方案高。

3太陽能電池組件的選擇

目前太陽電池按基體材料主要分為：

（1）硅太陽電池：主要包括單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、微晶硅電池以及HIT電池等。

（2）化合物半導(dǎo)體太陽電池：主要包括單晶化合物電池如砷化鎵電池、多晶化合物電池如銅銦鎵硒電池、碲化鎘電池等、氧化物半導(dǎo)體電池如Cr2O3和Fe2O3等。

（3）有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池：其中有機(jī)半導(dǎo)體主要有分子晶體、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物、高聚物三類。

（4）薄膜太陽電池：主要有非晶硅薄膜電池（α-Si）、多晶硅薄膜太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池、納米晶薄膜電池等。

結(jié)合國(guó)內(nèi)太陽電池市場(chǎng)的的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和產(chǎn)能情況，市場(chǎng)主流依然還是晶硅類太陽電池，約占80%市場(chǎng)份額，非晶硅薄膜太陽電池所占市場(chǎng)份額較小。晶硅類電池中，多晶硅電池成熟度較高，效率穩(wěn)定，目前價(jià)格相對(duì)較低，太陽電池市場(chǎng)占有率最大，在國(guó)內(nèi)外均有較大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)例。

4電池陣列的運(yùn)行方式

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光伏組件方陣的運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)接收到的太陽總輻射量有很大的影響，從而影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件的運(yùn)行方式有固定安裝式和自動(dòng)跟蹤式幾種型式。其中自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)包括單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。單軸跟蹤（水平單軸跟蹤和斜單軸跟蹤）系統(tǒng)以固定的傾角從東往西跟蹤太陽的軌跡，雙軸跟蹤系統(tǒng)（全跟蹤）可以隨著太陽軌跡的季節(jié)性位置的變換而改變方位角和傾角。

固定式與自動(dòng)跟蹤式各有優(yōu)缺點(diǎn)：固定式初始投資較低、且支架系統(tǒng)基本免維護(hù)；自動(dòng)跟蹤式初始投資較高、需要一定的維護(hù)，但發(fā)電量較固定式相比有較大的提高，假如不考慮后期維護(hù)工作增加的成本，采用自動(dòng)跟蹤式運(yùn)行的光伏電站單位電度發(fā)電成本將有所降低。若自動(dòng)跟蹤式支架造價(jià)能進(jìn)一步降低，則其發(fā)電量增加的優(yōu)勢(shì)將更加明顯；同時(shí)，若能較好解決陣列同步性及減少維護(hù)工作量，則自動(dòng)跟蹤式系統(tǒng)相較固定安裝式系統(tǒng)將更有競(jìng)爭(zhēng)力。

5電池陣列最佳傾角的計(jì)算

電池陣列的安裝傾角對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大，對(duì)于固定式電池列陣最佳傾角即光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時(shí)的傾角。

計(jì)算傾斜面上的太陽輻射量，通常采用Klein計(jì)算方法。利用RETScreen軟件，采用所選工程代表年的太陽輻射資料，計(jì)算不同角度傾斜面上各月日平均太陽輻射量，數(shù)據(jù)分析后并作出不同傾斜面上日平均太陽輻射量變化曲線圖，從圖中可以得出最佳傾角。

6逆變器的選擇

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設(shè)備之一，其選型對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和可靠性具有重要作用。逆變器的選型主要考慮以下技術(shù)指標(biāo)。

（1）轉(zhuǎn)換效率高逆變器轉(zhuǎn)換效率越高，則光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率越高，系統(tǒng)總發(fā)電量損失越小，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性也越高。

（2）直流輸入電壓范圍寬太陽電池組件的端電壓隨日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化，逆變器的直流輸入電壓范圍寬，可以將日出前和日落后太陽輻照度較小的時(shí)間段的發(fā)電量加以利用，從而延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間，增加發(fā)電量。

（3）最大功率點(diǎn)跟蹤太陽電池組件的輸出功率隨時(shí)變化，因此逆變器的輸入終端電阻應(yīng)能自適應(yīng)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特性，隨時(shí)準(zhǔn)確跟蹤最大功率點(diǎn)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

（4）輸出電流諧波含量低，功率因數(shù)高。

（5）具有低電壓耐受能力。

（6）系統(tǒng)頻率異常響應(yīng)。

（7）具有保護(hù)功能根據(jù)電網(wǎng)對(duì)光伏電站運(yùn)行方式的要求，逆變器應(yīng)具有交流過壓、欠壓保護(hù)，超頻、欠頻保護(hù)，防孤島保護(hù)，短路保護(hù)，交流及直流的過流保護(hù)，過載保護(hù)，反極性保護(hù)，高溫保護(hù)等保護(hù)功能。

（8）監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集逆變器應(yīng)有多種通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送到主控室，其控制器還應(yīng)有模擬輸入端口與外部傳感器相連，測(cè)量日照和溫度等數(shù)據(jù)，便于電站數(shù)據(jù)處理分析。

7結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源，在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，同時(shí)太陽能光伏發(fā)電降低其發(fā)電成本和提高發(fā)電效率是業(yè)界關(guān)注的重要技術(shù)問題。因此，如何將太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)做到更好，是值得不斷研究的一個(gè)重要課題。

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（作者單位：英利能源（中國(guó)）有限公司）