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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、和趋势太阳电池的结构和品种41.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，达到 26%之
2、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54、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、）；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www.RETSwww.RETS网站主页网站主页9RETScreenRETScreen 软件所能完成的工作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
4、：固定安装，不同朝向和不 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。11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- 01-200612太阳能资源评估13太
5、阳辐射传输过程示意反射 散射吸收直射地面反射14中国气象局地面观测网日照15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
6、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。 1617布格-朗伯定律: SD= S0Fm S0 = 1350W/m2 余弦定律: ST = SDCOS Zm=1/Sin * P/P0Sin = SinSin+Cos Cos Cos N =23.5Sin(360*(284+N)/365)DT = Dp(1+CosZ)/2RT = Qp(1-CosZ)/2SQT = ST+DT+RT18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
7、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19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
8、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。20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 6300 1400 1750 3.8 4.8 较丰富带III3780 5040
9、1050 1400 2.9 3.8 一般IV 3780 1050 2.9 21光伏电站的系统构成和设备选型u系统配置 u太阳电池组件 (品种和安装)u蓄电池 (品种、质量和运行维护)u充电控制器 (功能和品种)u直流/交流逆变器 (品种、质量、效率和容量选择)u备用电源的考虑 u整流充电设备(功能和品种)u其他部件 (端子、导线、包装、说明书） 22光伏电站的系统构成和设备选型23太阳电池24商品化的太阳电池组件和效率常规晶体硅16-18% 110%按技术分类晶体硅薄膜电池特殊结构HIT背面电极点接触化合物非晶非晶/微晶碲化镉铜铟镓硒 单结多结双结三结2023% 1820% 9-11% 121
10、4% 57% 68% 89%25导体 绝缘体 半导体N PFGPNN PN- P+I26太阳电池的结构27太阳电池、组件和方阵28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)29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30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
11、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%。 31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。 32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
12、，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。33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；
13、 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。34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。旁路二极管的作 用是在被遮挡组 件一侧提供电流
14、 通路；阻断二极管的作 用是阻断被遮挡 组件上的反向电 流。35蓄电池36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37逆变器38并网逆变器的要求1. 组件高压绝缘技术2. 逆变器转换效率3. 可靠性（元器件选择、保护功能）4. 输出电流总谐波5. 电子兼容技术（电磁干扰、防雷、接地、浪涌、漏电等）6. 最大功率点跟踪技术（MPPT）7. 电网锁相技术8. 孤岛检测和防护9. 并网电路拓扑结构10. 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% + 0.48
15、50% + 0.20100%太阳电池的最大功率跟踪（MPPT）要求：快速、准确和稳定孤岛现象和防护 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 systems42并网逆变器的可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
