光伏发电技术培训

2011光伏发电技术进展和政策分析专项培训王斯成国家发改委能源研究所2011年1月8日北京光伏发电技术和系统设计1、光伏发电的特点2、光伏发电系统的设计（资源评估、系统构成、设备选型、太阳电池、逆变器、汇流箱、组串设计、发电量计算、数据采集和监控等）3、用户侧并网的光伏系统：“净电量计量”法、单向双表计量、最大并网容量、“逆功率”和“防逆流”，德国VDE标准等；4、特殊设计：遮挡计算、抗风计算、防雷和接地等；5、二氧化碳减排计算6、RetScreen软件介绍目录1、光伏发电系统设计并网光伏发电系统的设计步骤1、在考察的基础上进行预可行性研究（RetSchreen）；2、技术方案确定和设备选型（太阳电池、逆变器、监控、其它设备、运行方式等）；3、工程设计：与建筑结合、土建施工方案、抗风能力、防雷接地、电网接入系统；4、特殊设计：1)对于BIPV和BAPV：并网方式、遮挡计算、专用BIPV组件的安装设计、造型和美观等;2)对于大型光伏电站：占地计算、场地、基础、机房、围栏、自动跟踪系统等。5太阳能资源评估6太阳辐射传输过程示意反射散射吸收直射地面反射770E80E90E100E110E120E130E目前进行日照观测的基本气象站15N25N35N45N55N中国气象局地面观测网——日照8中国目前可以取得的太阳辐射资料我国1953年开始测量太阳辐射，气象台站数量从解放初的70个发展到现在的2610个，其中气象站2300个（县级气象站），气象台310个。县级气象站的主要任务是对风（台风）、气温、湿度、降雨、雪、雹、地温等参数的观测和预报，与太阳辐射相关的数据只有“日照时数”。日照时数的测量是用感光纸记录光强大于120W/m2的时间，分辨率为10分钟。从国家气象局网站上可以查到全国122个气象台1957-2007年的辐射数据（不包括台湾、香港和澳门）。1993年以前，全国有66个气象台有水平面太阳总辐射和散射辐射的数据，1993年以后，全国只有17个气象台有水平面太阳总辐射和散射辐射的数据。9布格-朗伯定律:SD’=S0FmS0=1350W/m2余弦定律:ST’=SD’COSZm=1/Sin×P/P0Sin=SinSin+CosCosCosN=23.5Sin(360*(284+N)/365)DT’=Dp’(1+CosZ)/2RT’=ρQp’(1-CosZ)/2SQT=ST+DT+RT（直散分离）10太阳能资源的单位换算1992年以前的太阳辐射单位：Kcal/cm21992年以后：MJ/m2光伏设计用辐射单位：kWh/m21卡=4.18焦耳，1焦耳=1ws甘肃武威水平面年辐射量：6141.6MJ/m26141.6106/3600/1000=1706kWh/m21706kWh/m2/365=4.70kWh/天甘肃武威水平面年辐射量：147Kcal/cm21471034.1810000/3600/1000=1706.8kWh/m21706kWh/m2/365=4.70kWh/天11太阳能资源数据(10年平均值MJ/m2(kcal/cm2))水平面上的太阳能资源太阳电池方阵倾斜面上的太阳能资源方阵倾斜面上的太阳辐射量由计算机辅助设计软件完成（RetScreen）.对于独立光伏系统：优化设计太阳电池方阵的倾角有利于增加冬天的充电电流，适当减少夏季的充电电流，从而有效避免蓄电池的过充电和过放电，也有利于减少蓄电池的冬季储备容量，减少初投资。对于并网光伏系统，追求全年发电量最大，倾角的选择又不相同。对于聚光太阳电池，要求DNI（DirectNormalInrradiation）的辐射数据，我们国家没有。12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IV378010502.913全国平均不同发电系统的年利用小时数Fullrunninghrs(peakhrs)fordifferentlocation独立光伏电站效率：60-65%；Eff.ofstand-alongsys.建筑并网光伏发电效率：70-75%；Eff.ofBIPV&BAPV大型并网光伏电站效率：75-80%。Eff.ofLS-PV不同地区水平面年太阳辐射Horizontal（kWh/m2)倾斜面年太阳辐射Tilted（kWh/m2)独立光伏电站Stand-along建筑并网系统BIPV&BAPV开阔地并网系统LS-PV西北地区West1610.801828.41125014501540东南沿海East1364.651502.04100012001250全国平均Average1487.731665.2311001250135014光伏电站的系统构成和设备选型大型荒漠电站设备配置和选型太阳电池方阵接线箱直流配电逆变器交流配电数据采集、显示和通信16太阳电池17导体绝缘体半导体NPFGPNNPN-P+I18太阳电池的结构19太阳电池、组件和方阵单体组件方阵20太阳电池的I-V特性及功率曲线I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压标准条件：AM=1.5Q’=1000W/m2T=25C光强I温度V(-2.5mV/C)21太阳光强与开路电压和短路电流的关系I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压22温度的影响随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20-100C范围，大约每升高1C每片电池的电压减少2mV；而光电流随温度的增加略有上升。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型功率温度系数为－0.35%/C。也就是说，如果太阳电池温度每升高1C，则功率减少0.35%。23光强的影响光强与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由100W/m2-1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光强对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光强在400W/m2-1000W/m2范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。24串联回路太阳电池的热斑现象1.d点，此时工作电流为零，组开路电压VGd等于电池1和电池2的开路电压之和；2.c点，电池1和电池2都有正的功率输出；3.b点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在短路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载；4.a点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电压已经反向，电池2成为电池1的负载；5.应当注意到，并不是仅在电池组处于短路状态才会发生“热斑效应”，从b点到a点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态，如旁路型控制器在蓄电池充满时将通过旁路开关将太阳电池短路，此时就很容易形成热斑。25并联回路太阳电池的热斑现象1.a点，此时电池组的工作电压为零，短路电流Isc等于电池1和电池2的短路电流之和；2.b点，电池1和电池2都有正的功率输出；3.c点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在开路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载；4.d点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电流已经反向，电池2成为电池1的负载，此时电池1的功率全部加到了电池2上，如果这种状态持续时间很长或电池1的功率很大，也会在被遮挡的电池2上造成热斑损伤。5.应当注意到，从c点到d点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态。26防止热斑现象发生-+负载防止热斑现象的办法就是加装旁路二极管和阻断二极管。旁路二极管的作用是在被遮挡组件一侧提供电流通路；阻断二极管的作用是阻断被遮挡组件上的反向电流。27逆变器并网逆变器的要求1.逆变器转换效率2.可靠性（元器件选择、保护功能）3.输出电流总谐波4.电子兼容技术（电磁干扰、防雷、接地、浪涌、漏电等）5.最大功率点跟踪技术（MPPT）6.电网锁相技术7.孤岛检测和防护8.并网电路拓扑结构9.并网系统的群控、监控及调度技术并网逆变器的拓扑结构（自身带有隔离变压器）并网逆变器的拓扑结构（通过升压变压器并入高压电网）太阳电池的最大功率跟踪（MPPT）要求：快速、准确和稳定32孤岛现象和防护孤岛现象：当电网的部分线路因故障或检修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围的负载构成一个自给供电的孤岛。IEC62116ed1.0（2005）光伏并网逆变器防孤岛测试方法TestingProcedure-IslandingPreventionMeasuresforPowerConditionersusedingridconnectedphotovoltaic(PV)generationsystems大型荒漠电站关键设备和技术难点：太阳电池、逆变器、监控系统、自动跟踪、电站工程建设、电网接入系统。超大规模光伏发电（VLS-PV)超大规模光伏发电（VLS-PV）是国际能源机构（IEA）的第8项任务（Task8），主要研究、追踪超大规模光伏发电的技术和信息，并开展国际间的交流和合作。。VLS-PV是指10MWp以上的光伏发电系统，一般指荒漠光伏电站。大规模光伏电站（LS-PV）技术特点1、在输电网（发电侧）并网，电流是单方向的；没有储能系统；2、并入中压电网（10kV，35kV，110kV);3、不能自发自用和“净电表计量”，只能给出“上网电价”；4、少量自用电从电网取（小于1%）（BIPV的大部分电自用）；5、一般功率很大，1MW以上；6、一般都是无人值守；7、要求离负荷中心较近，就地消化；8、一般占用荒地；9、自动跟踪和聚光电池一般都是用在荒漠电站；10、带有气象和运行数据自动监测系统和远程数据传输系统。大型并网光伏电站配置大型荒漠电站设备配置和选型太阳电池方阵接线箱直流配电逆变器交流配电箱式变压器数据显示和通信光伏电站的组串设计1、取决于逆变器的直流输入电压范围和最高允许电压；2、取决于光伏组件的Vm和Voc；3、取决于当地冬季白天最低温度。电站场地整理1、炉渣铺垫、压实2、只对道路进行处理3、不做任何处理4、依势而建，没有平整。41ConstructionPhases建设阶段(1)EarthMoving平整土地•Ifnecessary,useofheavymachinery如需要，使用重型机械•Nosealing/coatingneeded不需覆盖土地•Constructionsiteneedsstorageplaceforequipment施工地点需安排设备堆放场地Geodesy,Geology,MicroClimate测量，地质，微气候•Basicsforconstructiondrawings&scheduling施工图的基础•StaticAnalyses(WindSpeed,WeightofSnow)influencematerialcosts静力分析（风速、雪重）影响材料成本•PartofEnergyYieldCalculation产电量计算Source:PhoenixSolar太阳电池支架水泥地基简单地埋直接埋地水泥墩地扦固定43ConstructionPhases建设阶段(2)Ramming打桩•Deploymentofenvironmentallyfriendlyrammingtechnologies开发了环境友好的打桩技术•Levelingoffgeologicalspecialties按地质特性调整•Ideallyfacilitatestheexactalignmentofsupportbeams使得桩基的对直非常方便Source:PhoenixSolar44ConstructionPhases建设阶段(3)ErectionofSystems•InstallationofmainbeamsErectionofSystems•Installat