独立光伏系统与应用产品

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1、1.独立光伏系统简介；1.1独立光伏系统的构成从广意上讲，太阳能光伏系统除了并网发电以外，都是独立光伏发电系统。它小至一盏太阳能草坪灯，大到一座100多KW的太阳能光伏电站；尖端的有天空飞船的供电系统，普及的有牧民使用的户用太阳能光伏发电系统，都属于独立光伏发电系统。无论什么形式的系统，它的主体结构中必须有蓄电池和相应的电源管理装置：充电、放电控制器，如图1-2所示。（特殊情况下也有负载直接和太阳电池连接，不要蓄电池储能，典型的例子是太阳能光伏水泵，如图1-1）充电、放电控制器随着系统的大小不同、负载的不同其结构变化也比较大。 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

2、、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。因此，独立光伏发电系统根据用电负载的特点，可分为下列几种形式。 1.1.1 无蓄电池的直流光伏发电系统 独立太阳能光伏系的最大薄弱环节就是蓄电池。无蓄电池的直流光伏发电系统如图1-1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，负载主要在白天使用。太阳能电池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。系统可以不使用控制器，或者为了提高太阳电池的利用效率，使用专门的控制器，也没有蓄电池储能装置。该系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能的利用效率。这种系统最

3、典型的应用是太阳能光伏水泵。图1-2是太阳能光伏水泵的应用图片。低成本和高效率是它的主要特点，所以我们可以相信，将来会要更多的类似系统出现图1-1 太阳电池的直接应用1.1.2独立发电系统的最基本形式图1-3 独立发电系统的最基本形式 独立发电系统的最基本形式是由太阳电池组件、蓄电池、控制器和直流负载所组成，特别是在太阳能规范应用产品中，大量使用这种结构的系统。由于本系统中没有逆变器，所以效率比使用交流负载的独立发电系统要高出10-20%，对于光伏照明、独立小型户用系统，建议尽量采用这种系统。如图图1-3所示。1.1.3具有交流和直流负载的独立发电系统稍微大一些的独立太阳能光伏发电系统是有逆变

4、器的交流、直流混合系统；它的太阳电池功率如果在200W以下，一般用一块太阳电池组件就可以了；如果超过1000W的系统，将是由多块太阳电池组件组成的太阳电池方阵如图图1-4所示。如果系统中涉及的太阳电池组件的并联、有可能在方阵系统中还需要配备直流汇接图1-4 具有交流和直流负载的独立发电系统1.1.4 市电互补独立光伏发电系统 市电互补独立光伏发电系统是最近几年根据需要发展起来的、因地制宜的独立光伏发电系统，特别是在太阳能独立照明改造中得到过放电应用。由于太阳能光伏电力与市电互补形式的不需要考虑连续阴雨天太阳光照不足的影响，太阳电池和蓄电池的容量都可以每天最小的太阳辐射量计算。由于一年中不同的季

5、节太阳电池的发电量是不同的，在我国南方，通常发电量最多的是7-10月份，最少的是2-4月份；太阳能光伏电力与市电互补形式的只要按照发电量最多的是7-10月份计算就可以了。如果按照最少的是2-4月份，到7-10月份太阳电池发的电就会被浪费。蓄电池的容量，只需要满足一天的电量就可以。为了满足蓄电池的寿命要求，放电深度不宜过深，应该不超过80%，具体到控制方法上，蓄电池电压在11V（对于12V系统）以上就要进行市电切入，市电切入在控制上应该是单向的，当天夜晚蓄电池电压无论怎样恢复，必须到天亮以后市电才能够退出，这样就可以确保蓄电池的放电深度。图7-5是它的方框图。这个系统的市电切入点有争议，许多人将

6、市电切入点放在蓄电池端，如图1-6所示，实际上不够合理，原因有二：其一，给许蓄电池补充能量效率比较低，同时减少了蓄电池的使用寿命；其二，如果系统出现故障，市电将无法切入。而图1-5的转换继电器的长闭触点是和市电连接的，系统非常可靠。 图1-5 市电互补独立光伏发电系统控制器太阳电池逆变器+负载蓄电池AC/DC市电 图1-6 一种不够合理的市电互补独立光伏发电系统12：太阳电池方阵和直流汇接箱 1.2.1太阳电池方阵 太阳电池方阵是整个独立光伏系统的核心部件，是可以直接将太阳能转换为电能的重要装置，是由多块太阳电池组件经过电缆连线而成。单体太阳电池是组成太阳电池组件的最小单元，其面积太小不同，其

7、功率也不相同。现行市面上流行的单体太阳电池面积大小为125cml25cm和156cml56cm，其工作电压05V左右，工作电流为2832mAcm2。左右，其功率很难满足一般用电负载的要求，所以常将太阳电池经过串并联的方式组成太阳电池组件，然后再由组件构成太阳电池方阵来满足一定的用户需要。太阳电池组件功率大小根据太阳电池的串并联数目及单片太阳电池光电转换效率不同而不同，例如无锡尚德太阳能电力有限公司生产的太阳电池组件就有180W和270W以及其他功率等多种类型的光伏组件。太阳电池组件再经过不同的串并联形式通过电缆线相连接并将其固定在安装支架上便形成太阳电池方阵。因为太阳电池方阵是整个光伏系统的核

8、心部件，所以太阳电池方阵性能的好坏，将直接影响到太阳能光伏系统的性能。所以在安装光伏系统时，太阳电池方阵的测试是较为关键的一个步骤。如图17所示为太阳电池方阵实物图。 图1-7 小型太阳电池方阵(2KW) 图1-8 比较大的太阳电池方阵（300KW）光伏方阵的设计应根据安装地区的气象条件，安装位置的具体要求进行。对于比较大的太阳电池方阵，如果是安装在建筑物上，还要结合建筑物的荷载情况进行精确计算，设计的结果还需要征求建设管理部门的许可才能够施工。光伏系统中各部件的性能应满足国家或行业标准的相关要求，并应获得相关认证； 光伏方阵的设计应遵循以下原则：（1） 根据电力负荷确定光伏组件的类型、规格、

9、安装位置和可安装场地面积；（2） 根据尽量采用最佳倾角，且便于清除灰尘，保证组件通风良好的原则确定光伏组件的安装方式；（3） 根据控制器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围、光伏组件的最大输出工作电压及其温度系数，确定光伏组件的串联数（或称光伏组件串或组串）；（4） 根据总装机容量及光伏组件串的容量确定光伏组件串的并联数。（5）同一组串及同一子阵内，组件电性能参数宜尽可能一致，如果组件电性能参数不一致，其中最大输出功率Pm、最大工作电流Im的离散性应小于3%。性能差的组件将影响性能正常组件的输出功率，为此，可以在每一串太阳能电池光伏组件中串接一个隔离二极管，.以克服这种不良影响，图7-7是其接

10、线图。同时，对于弱光下离散性大的太阳电池组件更加有意义，它可以提高系统在弱光下的发电效率。在控制器里面没有隔离二极管的独立光伏发电装置，为了防止蓄电池的电流反向流进蓄电池，这个二极管是必不可少的，对于控制器里面有隔离二极管的独立光伏发电装置，有时可以不要这个二极管。 隔离二极管的工作电流和耐压应该为实际工作电流和电压的2倍，为了克服二极管正向压降的损失，在系统电压不太高的情况下，应该使用正向压降小的肖特基二极管二极管，否则系统设计有可能达不到国家标准GB/T 19064- 2003中关于输入回路压降的要求。 图1-9 独立光伏系统中的隔离二极管 1.2.2 方阵直流汇接箱 当独立光伏系统的功率

11、比较大时，比如系统功率大于10KW，即使系统采用220V的电压系统，单串太阳电池组件也不可能达到额定功率要求，这时需要将许多串太阳电池组件并联完成直流汇接的功能。对于小功率的系统，这种直流汇接的功能可以在控制器中完成，对于比较大的独立光伏系统，直流汇接箱是必须的。同时光伏系统的防雷装置也安装在直流汇接箱里面。直流线箱设置应遵循以下原则是：（1） 光伏接线箱内应设置汇流铜母排或端子；（2） 每一个光伏组件串应分别由线缆引至汇流母排，在母排前分别设置直流分开关，并设置直流主开关；（3） 光伏接线箱内应设置防雷保护装置；（4） 光伏接线箱的设置位置应便于操作和检修，宜选择室内干燥的场所。设置在室外的

12、光伏接线箱应具有防水、防腐措施，其防护等级应为IP65以上。图1-10 直流汇接箱 图1-11 直流汇接原理 13控制器 在独立光伏系统中，为了能让系统正常运行，蓄电池是不可缺少的部件。控制器主要是为了避免蓄电池在充放电过程中出现过充或过放的情况而设计的控制部件，同时它又是控制太阳电池和蓄电池之间耦合关系的关键部件，它的性能好坏，直接影响到太阳电池组件的发电效率，同时它能使蓄电池工作在最佳工作状态。由于太阳电池组件随太阳光的变化而变化较大，导致控制器的输入能量不稳定，所以太阳能光伏发电系统中的充放电控制比其他应用领域的控制要复杂许多。作为太阳能光伏应用产品的独立系统，无论容量大小如何,一个性能

13、良好的充放电控制电路是必不可少的。控制器实际上成为系统的核心部件。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电。另外，由于太阳能光伏应用产品系统的输入能量和普通光伏电站比更加不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳能光伏应用产品的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败，没有一个性能良好的光伏充放电控制电路，就不可能有一个性能良好的光伏应用产品。1.3.1.充电控制（1）完全匹配电路. 二极管 蓄电池 负载太阳电池 图1-12 完全匹配电路完全匹配电路如图1-12所示,为了提高太阳能电池的效率,二

14、级管一般采用肖特基二极管,它可使回路的损耗比普通PN结二极管减少50%.二极管的功能是阻止太阳能低辐射时由于太阳能电池的电压低于蓄电池电压,蓄电池向太阳能电池反向放电,致使太阳能电池损坏。这种控制电路的工作点如图7-11所示.，只有把蓄电池的工作电压范围控制在Um附近，系统将以最简单的方法完成了MPPT的复杂任务。图1-13 完全匹配电路的电流电压特性曲线在充电过程中,蓄电池的电压随充电时间的增加,同时充电电流逐渐减小,工作点在Um附近移动，Um就是系统电压的目标钳位点，,为了达到完全匹配,必须认真选择这个参数.这种电路的优点是简单可靠(工作点选择正确条件下),效率较高,，实际上目前绝大多数的小型太阳能光伏系统是选择这个方法。（2） 并联调节器这种调节电路如图1-14所示，它利用了太阳电池可以短路而不会损坏的特点设计的。要利用并接在太阳能电池上的晶体管等效电阻来保持充电电流的恒定,控制部分通过采样电路得到系统电压,电流,温度等参数,把这些参数与基准信号比较,给出输出信号,控制晶体管的导通与截止.。控制电 路