光伏发电系统概论(详版)

光伏发电系统概述一、太阳能光伏发电系统的应用、构成、分类用途、基本工作原理二、BIPV系统与风光互补系统三、太阳能光伏系统的相关设计四、太阳能光伏发电系统的安装施工与检查测试五、太阳能光伏发电系统的运行维护与故障排查目录1、太阳能光伏发电系统的应用（1）通信领域的应用（2）公路、铁路、航运等交通领域的应用（3）石油、海洋、气象领域的应用（4）农村和边远无电地区应用（5）太阳能光伏照明方面的应用（6）大型光伏发电系统（电站）的应用（7）太阳能光伏建筑一体化并网发电系统（BIPV）（8）太阳能电子商品及玩具的应用（9）其它领域的应用一、太阳能光伏发电系统的应用、构成、工作原理与分类通过太阳能电池将太阳敷设能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，虽然应用形式多种多样，应用规模也跨度很大，但太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理却基本相同。其主要结构由以下构成：（1）太阳能电池组件或方阵—用于发电（2）蓄电池—用于储存电（3）光伏控制器—用于控制整个系统的工作状态（4）交流逆变器—用于将组件或者电池输出的直流电转换为交流电（5）光伏发电系统附属设施—包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统等2、太阳能光伏发电系统的基本构成3、太阳能光伏发电系统的分类及工作原理1.3.1分类太阳能光伏发电系统从大类上可分为独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。其中，独立光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交直流混合光伏发电系统。而在直流光伏发电系统中又可分为有蓄电池和无蓄电池的系统。在并网光伏发电系统中，也分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途也分为有蓄电池和无蓄电池的系统。光伏发电系统的分类及具体应用可参看表1-1。表1-11.3.2各类系统工作原理1.3.2.1独立光伏发电系统构成及原理独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。图1-1是独立太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将阳光的光能直接转换为电能，并通过控制器将电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各负载上。电池板产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成交流电供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用储能装置将电能储存起来，在需要时使用。下面将根据用电负载的特点，分别讲下各种独立光伏发电系统的构成及原理。图1-1无蓄电池的直流光伏发电系统如图1-2所示，该系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要是在白天使用。太阳能电池组件与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。系统不需要控制器，也没有蓄电储能装置。该系统的优点是省去了电能通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中的能量损耗，提高了太阳能的利用效率。(1)无蓄电池的直流光伏发电系统图1-2有蓄电池的直流光伏发电系统如图1-3所示，该系统的由太阳能电池组件、充放电控制器、蓄电池及直流负载组成。有阳光时，组件将光能转换为电能供负载使用，并同时想蓄电池存储电能。夜间或者阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，如表1-1所示。当系统容量和负载功率较大时，就需要配备组件方阵和蓄电池组。(2)有蓄电池的直流光伏发电系统图1-3交流及交直流混合光伏发电系统如图1-4所示。与直流光伏发电系统相比，交流发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换为交流电，为交流负载供电。交直流混合系统则既能为直流负载供电，又能为交流负载供电。(3)交流及交直流混合光伏发电系统图1-4所谓市电互补型光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流市电补充电能为辅，如图1-5所示。这样发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计的小一些，有阳光时利用阳光发电使用，无阳光时用市电补充。这种形式的原理与下面要介绍的无逆流并网型光伏发电系统有相似处，但不能等同于并网应用。(4)市电互补型光伏发电系统图1-5并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换为符合市电电网要求的直流电之后直接接入公共电网。从集中度来看既有集中式大型并网光伏系统（国家级电站，发电直接输电网后统一调配，但一次性投资大、建设周期长、占地面积大），也有分散式小型并网光伏系统（住宅、重要或应急负载、光伏建筑一体化。投资小、建设快、占地面积小）。图1-6是并网太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。由太阳能电池组件方阵将光能转化为电能，并经直流配线箱进入并网逆变器，有些类型的并网系统还要配备蓄电池组储存直流电能。逆变器可以进行充放电控制、功率调节，交直流逆变、并网保护切换。经逆变器输出的交流电供负载使用，多余电力可经变压器等卖入公共电网。当并网系统因天气发电不足或负载用电量偏大时可以从公共电网买电。系统还有监控、测试及显示系统，用于监控和检测系统工作状态，统计各类数据。常见的并网光伏发电系统一般有下列几种形式。1.3.2.2并网光伏发电系统构成及原理图1-6有逆流并网光伏发电系统如图1-7所示。当系统发电充裕时，可将多余电力卖给公共电网；当系统发电不足时，从公共电网买入电力向负载供电。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。(1)有逆流并网光伏发电系统图1-7(2)无逆流并网光伏发电系统无逆流并网光伏发电系统如图1-8所示。系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当系统供电不足时，由公共电网向负载供电。图1-8(3)切换型并网光伏发电系统切换型并网光伏发电系统如图1-9所示。所谓切换型，实际上是有自动运行双向切换的功能。一是发电不足时，自动切换至公共电网供电；二是当电网不稳定时，自动断开与电网的连接，变成独立光伏系统工作。必要时也可断开一般负载供电专供应急负载。一般都带有储能装置。图1-9(4)有储能装置的并网光伏发电系统有储能装置的并网光伏发电系统（见图1-6和图1-9），就是在上述积累并网光伏发电系统中根据需要配置储能装置。特点是主动性较强，不易受电网供电的影响。小结：由此我们可以看出，不管是独立光伏系统还是并网光伏系统，基本组成结构、工作原理都是大致相同的。完全是根据负载、电网、应用范围规模等实际情况在基本组成结构的基础上适当添减功能模块。例如：负载是交流负载，那么就需要加逆变器；发电和用电时间不一致，那么就要加控制器和蓄电池；如果我需要并网，那么就要加并网逆变器、电表等等。二、BIPV系统与风光互补系统BIPV系统与风光互补系统单独拿出来讲是因为一个是有自己的显著特点，一个是与其它新能源结合的产物。1、BIPV系统BIPV又称光伏建筑一体化，它的特点是不额外占用土地（尤其适用于人口密集的发达城市），与建筑集成，赋予建筑科技性、美观性，提高市场认可度，与建筑材料集成，节省建筑材料，降低建造成本。BIPV优先发展配电侧低压多点并网，原地发电、原地使用，减少输电损耗。建筑用电与PV输出的关系-理论模拟建筑负载与日照的关系迈阿密（美国东南部）和里诺(美国西部)，商业建筑负载用电需求与PV系统发电量的关系削峰作用----黄金电力BIPV发电与用电负荷需求曲线完美匹配，对电网能够起到辅助削峰作用对比一天中太阳能发电和办公楼用电的情况1997年，巴西，并网BIPV削峰作用----黄金电力工程实例工程实例-系统稳定性1.BIPV发电初期有衰减的现象（97-98年，S-W效应），以后发电量基本保持稳定。2.BIPV技术和工程是可靠稳定的。以上BIPV的诸多优势，将极大激励未来建筑光伏发电系统的发展建筑光伏市场现状与未来趋势020406080100德国西班牙意大利法国美国建筑光伏发电系统地面发电系统2010年欧洲建筑光伏发电和地面光伏发电系统比例2008年欧美建筑光伏发电和地面光伏发电系统比例020406080100德国西班牙意大利法国建筑光伏发电系统地面发电系统242020年中国发展规划13%6%6%62%13%RuralElectrificationCommunication&IndustryPVProductsBIPVLS-PVofGobi/DesertPVMarketby2020MarketInstalledPV（MWp)MarketShare（％）RuralElectrification20012.50CommunicationandIndustry1006.25PVProducts1006.25BIPV100062.50LS-PVinDesert20012.50Total1600100小结：（1）、包含BAPV在内的“广义BIPV”是关键市场，BIPV是重点技术，需要大家共同努力持续提高。（2）、“广义BIPV”会优先发展配电侧低压多点并网接入系统。（3）、配电侧低压并网BIPV应会成为未来国家智能电网的重要组成部分，相关技术与装备产业市场空间巨大。3/31/2020251.2.BIPV设计中的几个关键问题（1）哪个区域适合安装BIPV系统？（2）安装倾角如何选择？.根据传统经验，并网光伏阵列的安装倾角为当地纬度或加减一定角度。.气象数据显示纬度相同、经度不同地方，太阳辐射量往往差异较大，不宜根据传统设计经验进行倾角设计。（3）如何选择组件？.组件电性能参数（电流、电压、功率）对系统的效率影响如何？（4）如何设计、安装？.将光伏发电与建筑有机结合，需要综合考虑屋顶防水、附加载荷、建筑外观等因素，南京南站作为京沪高铁全线五大枢纽站之一，聚集了京沪高铁、沪汉蓉客运线、宁杭城际、宁安城际等线路。南京南站的建成将成为南京市的地标性建筑。建筑特点：南偏东28.4°，此偏角决定了太阳能电池组件的可安装范围。南京南站东西两侧主体结构由纵横交错的桁架组成，纵横交错的桁架形成了一个个方格。这是该项目设计中最大的难点。1.3项目实例介绍中国水平面太阳辐射分布图等级资源带号年总辐射量（MJ/m2）年总辐射量（kWh/m2）平均日辐射量（kWh/m2）最丰富带I≥6300≥1750≥4.8很丰富带II5040–63001400–17503.8–4.8较丰富带III3780–50401050–14002.9–3.8一般IV378010502.93/31/202029南京年日照小时数为2020左右，近年平均年太阳辐射量5098.3MJ/㎡。3/31/202030峰值日照时数3.75Peaksunshinehour:3.75•NASA气象数据库夏至日遮挡冬至日遮挡3/31/202032WESTEAST辐射量分析区域数量个区域细分效率比方格屋面55无阴影区85.60%西边大阴影区69.10%东边小阴影区80.70%次桁架65中间无阴影区85.10%西面大阴影区74.40%东面小阴影区82.30%主桁架55朝东24.50%朝西96.90%基本站台屋面1西南面无阴影区85.60%西南面有阴影区51.20%西北面无阴影区85.60%西北面有阴影区51.20%区域数量个区域细分效率比方格屋面44无阴影区85.60%西边大阴影区69.10%东边小阴影区80.70%次桁架52中间无阴影区85.10%西面大阴影区74.40%东面小阴影区82.30%主桁架65朝东24.50%朝西96.90%基本站台屋面1东南面无阴影区85.60%东南面有阴影区49.80%东北面无阴影区85.60%东北面有阴影区49.80%西侧雨棚东侧雨棚辐射量分析A：方格屋面B：主桁架（西侧）C：站台雨棚屋面安装区域分析安装倾角分析传统经验算法务必采用Klien和Theilacker提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法。Klien和Theilacker的计算方法：倾斜面上的太阳辐射总量由直接太阳辐射量、天空散射辐射量和地面反射辐射量三部分组成，并认为天空散射辐射量是均匀分布的。2cos12cos1)(HHRHHHdbdT（kWh/m2/day）其中：H为水平面的总