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1、,光伏发电技术和系统设计,光伏产业发展与投资政策分析培训班,1、光伏发电的应用和市场 2、光伏发电系统的设计,目 录,1. 光伏发电的特点、和趋势,4,太阳电池的结构和品种,5,1.体积小、重量轻。单位重量比功率：50-1000W/kg； 2.寿命长：20-50年（工作25年，效率下降20%）； 3.零排放：无燃料消耗，无噪声，无污染； 4. 发电不用水（高倍聚光电池也如此）：可以在荒漠地区建设； 5. 运行可靠：无机械转动部件，使用安全，免维护，无人值守； 6.太阳能资源永不枯竭（至少50亿年）：各地区差异不大，分布式电站； 7. 生产资料丰富：硅材料储量丰富，为地壳上除氧之外的丰度排列第二
2、，达到26%之多； 8. 不单独占地：可以安装到建筑上（BIPV）； 9. 与峰值负荷重叠，起到削峰作用，属于“黄金电力”； 10.规模大小皆宜：10W-100GW，可以“搭积木”式建设和安装； 11.安装简单：建设周期短，安装成本低； 12.能量回收期短：0.8-3.0年；能量增值效应明显：8-30倍 13.规律性强，可预测：调度比风力发电容易； 14.降价潜力大：系统造价：1$/Wp，发电成本：6/Kwh,太阳能光伏发电的优点,4、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、
3、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。,系统的预可行性研究,9,www.RETS网站主页,11,RETScreen 软件所能完成的工作, Minister of Natural Resources Canada 2001 2002.,1、资源评估：太阳辐射数据、环境温度、10米风速、气压等； 2、不同安装和运行方式下的辐射量计算：固定安装，不同
4、朝向和不同倾角，单轴跟踪，双轴跟踪等； 3、设备选型和容量计算：太阳电池、蓄电池、系统各个环节的效率、发电量测算； 4、成本分析：可研、设计、设备、土建、运输、安装、运行维护、周期性投资等； 5、温室气体减排分析：按照IPCC标准； 6、财务评估：贷款、赠款、利息、税收、CDM、光伏电价测算、IRR、现金流、资金回收期等； 7、敏感性分析：影响电价或IRR的主要因素分析。,12,温室气体减排应当按照各国混合燃料综合减排指数来测算。,各国都要将分类燃料减排指数和混合燃料减排指数上报IPCC。,Source: IEA PVPS T10-01-2006,13,太阳能资源评估,14,太阳辐射传输过程示
5、意,反射,散射,吸收,直射,地面反射,15,中国气象局地面观测网日照,16,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
6、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。,17,18,布格-朗伯定律: SD= S0Fm S0 = 1350W/m2 余弦定律: ST = SDCOS Z m=1/Sin * P/P0 Sin = SinSin+Cos Cos Cos N =23.5Sin(360*(284+N)/365) DT = Dp(1+CosZ)/2 RT = Qp(1-CosZ)/2 S QT = ST+DT+RT,19,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/m2 1卡= 4
7、.18焦耳，1焦耳 = 1ws 甘肃武威水平面年辐射量： 6141.6MJ/m2 6141.6106/3600/1000 = 1706kWh/m2 1706kWh/m2/365 = 4.70 kWh/天 甘肃武威水平面年辐射量： 147Kcal/cm2 1471034.1810000/3600/1000 = 1706.8kWh/m2 1706kWh/m2/365 = 4.70 kWh/天,20,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
8、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（Direct Normal Inrradiation）的辐射数据，我们国家没有。,21,中国水平面太阳辐射分布图,22,光伏电站的系统构成和设备选型,系统配置 太阳电池组件 (品种和安装) 蓄电池 (品种、质量和运行维护) 充电控制器 (功能和品种) 直流/交流逆变器 (品种、质量、效率和容量选择) 备用电源的考虑 整流充电设备(
9、功能和品种) 其他部件 (端子、导线、包装、说明书）,23,光伏电站的系统构成和设备选型,24,太阳电池,25,商品化的太阳电池组件和效率,26,导体 绝缘体 半导体 N P,F,G,P,N,N P,N- P+,I,27,太阳电池的结构,28,太阳电池、组件和方阵,29,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=1.5 Q=1000W/m2 T=25C 光强 I 温度 V (-2.5mV/ C),30,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
10、大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压,31,温度的影响,随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20-100C范围，大约每升高1C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1C，则功率减少0.35%。,32,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
11、的开路电压基本保持恒定。,33,串联回路太阳电池的热斑现象,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； c点，电池1和电池2都有正的功率输出； 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； 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； 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。,34,并联回路太阳电池
12、的热斑现象,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； b点，电池1和电池2都有正的功率输出； 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； 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。 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。,35,防止热斑现象发生,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
13、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。,36,蓄电池,37,蓄 电 池,蓄电池种类：固定式防酸蓄电池、工业型密封电池、小型密封电池、汽车/摩托车启动电瓶,38,逆变器,并网逆变器的要求,组件高压绝缘技术 逆变器转换效率 可靠性（元器件选择、保护功能） 输出电流总谐波 电子兼容技术（电磁干扰、防雷、接地、浪涌、漏电等） 最大功率点跟踪技术（MPPT） 电网锁相技术 孤岛检测和防护 并网电路拓扑结构 并网系统的群控、监控及调度技术,并网逆变器的效率,euro = 0.035% + 0.0610% + 0.1320% + 0.1030% + 0
14、.4850% + 0.20100%,太阳电池的最大功率跟踪（MPPT）,要求：快速、准确和稳定,42,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。,IEC 62116 ed 1.0（2005） 光伏并网逆变器防孤岛测试方法 Testing Procedure-Islanding Prevention Measures for Power Conditioners used in grid connected photovoltaic (PV) generation systems,并网逆变器的可
15、靠性,并网逆变器的防雷和接地,太阳电池方阵的线路防雷,逆变器交流侧和直流侧的线路防雷,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）,并网逆变器的拓扑结构 （大功率逆变器的功率级并联）,48,大型并网荒漠光伏电站的其它考虑,1、电站有功功率调节能力； 2、电站无功功率补偿的能力； 3、有载变压器分接头切换能力； 3、对光伏电站最大功率变化率的要求； 4、低电压穿越的能力； 4、必须反馈给调度中心的必要信息（接入点电压、电流、诱供功率、功率因数、频率、电量等）； 5、要求可以接受调度中心的指令，有调度中心进行远程控制和调节。,按照 GBZ19964-2005 “光伏电站接入电力系统技术规定（在发电侧与高压电网并网）除了常规光伏电站建设需要考虑的问题，还需要考虑如下电网公司要求的功能：,太阳电池组件的抗风沙能力。,与建筑结合的光伏系统BIPV和BAPV,关键设备和技术难点：太阳电池、特殊BIPV组件、逆变器、数据采集和监控、与建筑结合的设计。,50,什么地方可以安装太阳电池,附加的特性： 太阳电池与建筑结合后还具有最为重要的特性发电。 传统的建筑材料被太阳电池组件替
