太陽能建筑一體化 第二節(jié)

1、第第1 1章章 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 第2節(jié) 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與部件 教學目的：了解光伏發(fā)電系統(tǒng)分類與組成，掌握太陽能光伏建 筑發(fā)電系統(tǒng)主要部件的特性及選型。 教學重難點：1.光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類及特點 2.光伏發(fā)電系統(tǒng)主要部件的特性及選型 一、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 光伏系統(tǒng)應用非常廣泛，其基本形式主要可以分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，風力、光伏和柴 油機混合發(fā)電系統(tǒng)，以及太陽能熱、電混合系統(tǒng)四大類。 1.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 主要由光伏陣列、蓄電池、負載、控制器和逆變器組成。 分類：簡單直流系統(tǒng)、戶用光伏系統(tǒng)和獨立光伏電站。 工作原理：在太陽光照射下，將光伏電池板產生的電能通

2、過控制器直接給負載供電，或在滿足負載要求下， 將多余的電力給蓄電池充電，進行能量儲存。 （1）簡單直流光伏系統(tǒng) 特點：系統(tǒng)負載為直流負載； 對時間沒有特別的要求，主要在白天使用，不需要使用蓄電池和控制器； 系統(tǒng)結構簡單，直接使用光伏板給負載供電，省去了蓄電池在儲能和釋能過程中的損失，以及控 制器的能量損失，從而提高了系統(tǒng)的能源利用效率。 典型應用：便攜式家電（計算器、手表、手機充電器、收音機、便攜式電腦、照相機、太陽能玩具等） （2）戶用光伏系統(tǒng) 主要是指在辦公室、住宅等配合建筑安裝的，為住戶自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。 白天，發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池進行充電；夜間，發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池所儲存的電能進行逆

3、變放電， 實現(xiàn)對住戶負載的供電。 典型應用：庭院和道路照明、小型家電、灌溉、小型農用機械等。 太陽能照明 u光伏+儲能系統(tǒng)：天白光伏電池對蓄電池充電儲能，晚間蓄電池對用電器釋放能量 u光伏照明系統(tǒng)：輸出照明系統(tǒng)的額定電壓不是固定的220V，具體視負載而定 升壓電路：將蓄電池電壓升到220V市電 u光伏工作點控制： 最大功率點跟蹤控制（MPPT）：需芯片實時跟蹤和控制光伏電池輸出率點 恒電壓工作點控制（CVT）：只需模擬電路控制輸出電壓工作點 MPPT較CVT復雜，但CVT比MPPT多損失5-10%的功率。 光伏水泵 光伏發(fā)電系統(tǒng) 變頻器調節(jié)功率平衡 水泵系統(tǒng) 蓄電池 u變頻器： 1、光伏發(fā)電較

4、高時，控制水泵在高速運行，較低時，水泵低速運行 2、實現(xiàn)光伏發(fā)電最大功率點跟蹤與控制 3、陣列最大工作點電壓=變頻器額定直流工作電壓 u蓄電池+光伏電池選擇 1、蓄電池+光伏電池容量較大， 出早晚時段，中午也可以充電 2、蓄電池+光伏電池容量略小， 中午不能充電，蓄電池作為電 源穩(wěn)定器和光能存儲器 揚水充電充電揚水 充電揚水 10：0016：0018：008：00 太陽能交通工具 所謂太陽能車就是利用太陽能電池板將太陽能轉換為電能，并利用電能作為驅動能源的汽車。 工作原理：車身上的太陽能電池板在陽光照射下產生電流，通過最大功率點跟蹤裝置以及蓄電池控制器輸 送至蓄電池存儲以備用或者直接輸入到電機

5、。 當太陽能車在行駛過程中，如果日照條件比較好的情況下，電能將直接輸送到電機驅動太陽能車，大多數(shù) 情況下，電機不需要使用全部輸入能量，剩余的能量將通過電機控制器和蓄電池控制器送入蓄電池存儲備 用。如果日照情況不佳，將使用蓄電池存儲的電能和太陽能同時產生的電能。 需要注意的技術性問題：1）高轉換效率的光伏板 2）有最大功率點跟蹤裝置 3）質量輕、性能高的蓄電池 4）蓄電池高效率的充放電過程 5）流線型設計 6）高可靠性設計 （3）獨立光伏電站 在負載需求量相對較大的無電村鎮(zhèn)、海島，在幾公里范圍內用戶相對集中 的無電區(qū)域適宜建立獨立光伏電站。 特點：安裝靈活、運行可靠，加之成熟的遙控技術，使人們在

6、很遠的地方就可對電站的運行監(jiān)測和控制，省 去很多麻煩。且運行和維護費用很低。 2.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 主要由光伏陣列、逆變器、儀表儀器、交流負載組成。 與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，優(yōu)點為: （1）省略了蓄電池作為蓄能環(huán)節(jié)，降低了充放電過程中的能量損失，免除了由蓄電池帶來的運行和 維護費用，同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染； （2）逆變器技術進步使其穩(wěn)定性提高，體積減小； （3）不用考慮負載的工作特性，光伏電池可以始終運行在最大功率點處，提高了太陽能發(fā)電的效率； （4）電網(wǎng)獲得了收益，分散布置的光伏系統(tǒng)能夠為當?shù)赜脩籼峁╇娔?，緩解了電網(wǎng)的傳輸和分配負 擔； （5）利用清潔干凈、可再生的自然能源

7、太陽能發(fā)電，減少化石燃料的消耗，減少污染物排放； （6）光伏電池組件與建筑物完美組合，既可以發(fā)電又可以作為建筑裝飾材料，不但有利于降低建筑 物費用，還能提高建筑物美觀。 （1）電力品質 一個理想的電力系統(tǒng)應以恒定的頻率（50HZ）和正弦波形，按規(guī)定的電壓水平向用戶供電。在三相交 流電力系統(tǒng)中，各相的電壓和電流應處于幅值大小相等、相位互差120的對稱狀態(tài)。 光伏電站向當?shù)亟涣髫撦d提供電能和向電網(wǎng)發(fā)送電能的質量，在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、直 流分量、電壓波動和閃變等方面應滿足國家相差標準。 光伏電站應該在并網(wǎng)點裝設滿足IEC61000-4-30標準要 求的A類電能質量在線監(jiān)測裝置。對于大型或

8、中型光伏電站電能質量數(shù)據(jù)應能夠遠程傳送到電網(wǎng)企業(yè)，保證 電網(wǎng)至電能質量的臨近。對于小型 光伏電站，電能質量數(shù)據(jù)應具備年及以上的存儲能力，必要時供電網(wǎng)企 業(yè)調用。 名義電壓工作范圍 電網(wǎng)正常電壓的88%100% 電壓閃變 指燈光照度不穩(wěn)定造成的視感；IEEE標準519-1992規(guī)定 頻率 滿足各自國家隊電網(wǎng)頻率要求 波形失真 在逆變器額定輸出功率時，總的諧波電流失真應小于基頻電流的5%； 諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量。 （2）孤島效應 當電力公司供電系統(tǒng)故障或停電維修等原因停止工作時，分散式發(fā)電系統(tǒng)如光伏并網(wǎng)發(fā)電或鋒利發(fā)電系統(tǒng) 未能及時檢測出停電狀態(tài)，沒有迅速切離市電網(wǎng)絡而繼續(xù)

9、供電現(xiàn)象。 危害：1）電壓、電流頻率發(fā)生較大波動，對電網(wǎng)和用戶設備造成損害； 2）重新接入電網(wǎng)時，會產生較高的沖擊電流，甚至導致電網(wǎng)跳閘； 3）導致電網(wǎng)故障不能排除，導致對電網(wǎng)設備的損害； 4）對相關人員造成電擊危害。 反孤島效應的策略：過/欠壓和過/欠頻策略，相位突變策略，電壓諧波策略等。 可分為主動式和被動式兩類。 （3）并網(wǎng)逆變器 不但可以將光伏板發(fā)出的直流電轉換為交流電，并且還可以對轉換的交流電的頻率、電壓、相位、有 功和無功、電力品質等進行控制。并具有自動開關、最大功率點跟蹤、防孤島效應、自動調整電壓等 功能。 逆變方式： 集中式逆變 1）低壓逆變 優(yōu)點：由于串聯(lián)回路的電流是由系統(tǒng)中

10、受遮擋最嚴重的那塊光伏板決定的，低壓逆變串聯(lián)回路中的光 伏板數(shù)目較少，受遮擋對性能的影響較小。 缺點：回路電流較高，需要用截面積較大的電纜來降低回路電阻，減少電能損失。 2）高壓逆變 優(yōu)點：系統(tǒng)低電流，可以采用截面積較小的電纜。 缺點：受遮擋損失較大。 3）主從式逆變 優(yōu)點：當太陽輻射值較低時，只有一個主逆變器工作，逆變效率更高。 缺點：初投資較大。 分散式逆變 適用于光伏系統(tǒng)中各分系統(tǒng)有不同朝向或傾角，或光伏系統(tǒng)有部分被遮擋的情況。 1）光伏陣列和光伏板串逆變 逆變器直接連接到光伏板串上的，減少了板串間的連接線，節(jié)省了接線盒，節(jié)省了直流主線。 2）光伏板逆變 更好的實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。逆變

11、器的體積很小，很容易安裝在接線盒內。可以任意對光伏系統(tǒng)進 行拓展。 逆變器的選擇： 功率的選擇 電壓的選擇 等于光伏板串種串聯(lián)光伏板電壓的總和。在設計過程中，逆變器工作電壓應和光伏系統(tǒng)的 特性曲線相吻合。在不同溫度下的最大功率點的區(qū)域應該和光伏系統(tǒng)的最大功率點區(qū)域一致。 PVinvDCpv PPP2 . 17 . 0 3.風力、光伏和柴油機一體化發(fā)電系統(tǒng) 風光互補，白天以太陽能發(fā)電為主，風能輔助；夜間風力發(fā)電形成互補。但仍受天氣條件影響較大， 加裝蓄電池可以改善其穩(wěn)定性，但畢竟儲能能力有限。為提高穩(wěn)定性還需要采用備用的柴油發(fā)電機組。 混合系統(tǒng)特點： （1）可以達到可再生能源的更好利用； （2）

12、具有較高的系統(tǒng)實用性； （3）利用太陽能、風能的互補特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時降低了系統(tǒng)成本； （4）具有較低的維護和運行費用； （5）對系統(tǒng)進行合理的設計和匹配，可以提高經(jīng)濟效益； （6）使用了混合系統(tǒng)之后，負載匹配更佳。 缺點： （1）系統(tǒng)控制較復雜； （2）系統(tǒng)初投資較大； （3）需要更多維護成本； （4）產生污染，柴油機使用中會產生污染。 系統(tǒng)設計的考慮因素 1）負載工作情況 負載的功率，負載的工作情況等 2）系統(tǒng)總線結構 根據(jù)負載選擇交流總線或直流總線 3）蓄電池總線電壓 應該在設備允許的電壓和當?shù)匕踩ㄒ?guī)規(guī)定的電壓兩者間選高者。可降低電流，減少損失，節(jié)約成本。 4）蓄電池

13、的容量 按照最長連續(xù)陰雨天數(shù)來設計蓄電池容量。對于混合系統(tǒng)受陰雨天數(shù)影響不大，自給天數(shù)一般為23天。 5）柴油機、風電、光電的能量貢獻比例 綜合考慮系統(tǒng)所在地的氣象因素、系統(tǒng)成本、系統(tǒng)維護等各項因素。 6）發(fā)電機功率和蓄電池充電的考慮 考慮柴油機功率、溫度、濕度、海拔等因素。 7）柴油發(fā)電機的基本控制 具有合理的自動啟動和自動關機功能。 8）光伏板傾角 只需考慮光伏板全年輸出量最大即可，設置為當?shù)鼐暥取?9）風力發(fā)電方面的考慮 安裝位置等需實地測量。 二、光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)的主要部件 1.太陽能電池板 單片電池0.450.50V，電流2025mA/cm2,峰值功率為1W，通過組件封裝，構成陣列，

14、便于使用。 太陽電池太陽電池單體單體太陽電池太陽電池組件組件太陽電池太陽電池方陣方陣 (a)單體單體 (b)組件組件 (c)方陣方陣 太陽電池太陽電池組件的技術要求如下組件的技術要求如下: 有一定的標稱工作電壓和輸出功率；有一定的標稱工作電壓和輸出功率； 工作壽命長，要求組件所使用的材料、零部件及結工作壽命長，要求組件所使用的材料、零部件及結 構，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個組構，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個組 件失效，對晶體硅太陽電池要求有件失效，對晶體硅太陽電池要求有20年以上的工作壽命；年以上的工作壽命； 有良好的電絕緣性；有良好的電絕緣性； 有足夠的機械

15、強度，能經(jīng)受運輸、安裝和使用過程中有足夠的機械強度，能經(jīng)受運輸、安裝和使用過程中 發(fā)生的振動、沖擊和其他應力；發(fā)生的振動、沖擊和其他應力； 組合引起的效率損失?。唤M合引起的效率損失?。?成本較低。成本較低。 電池組件的連接方式：電池組件的連接方式： 串聯(lián)連接，并聯(lián)連接，串、并聯(lián)混合連接方式。串聯(lián)連接，并聯(lián)連接，串、并聯(lián)混合連接方式。 制作太陽電池組件時，根據(jù)電池組件的標稱制作太陽電池組件時，根據(jù)電池組件的標稱工作電壓工作電壓確確 定單片太陽電池的定單片太陽電池的串聯(lián)數(shù)串聯(lián)數(shù)；標稱的；標稱的輸出功率輸出功率（或工作電（或工作電 流）來確定太陽電池片的流）來確定太陽電池片的并聯(lián)數(shù)并聯(lián)數(shù)。 全膠密封

16、式太陽能電池組件示意圖全膠密封式太陽能電池組件示意圖 1-硅太陽能電池；硅太陽能電池；2-黏結劑；黏結劑；3-電極引線；電極引線；4-下底板；下底板；5-互連條互連條 太陽能電池組件結構剖面圖太陽能電池組件結構剖面圖 封裝結構： 玻璃玻璃-上蓋板材料：上蓋板材料：玻璃是覆蓋在電池正面的上蓋板材料，構成組件的最外層，它既要透光 率高， 又要堅固、耐風霜雨雪、能經(jīng)受砂礫冰雹的沖擊，起到長期保護電池的作用。低鐵 鋼化玻璃，透光率高、抗沖擊能力強和使用壽命長。 黏結劑黏結劑：黏合劑是固定電池和保證與上、下蓋板密合的關鍵材料。技術要求：在可見光范 圍內具有高透光性，并抗紫外線老化；具有一定的彈性，可緩沖

17、不同材料間的熱脹冷縮； 具有良好的電絕緣性能和化學穩(wěn)定性，不產生有害電池的氣體和液體；具有優(yōu)良的氣密 性，能阻止外界濕氣和其它有害氣體對電池的侵蝕；適合用于自動化的組件封裝。 背面材料背面材料TPT(Tedlar/Polyester/ Tedlar )復合膜復合膜：組件底板對電池既有保護作用又有支撐 作用。對底板的一般要求為：具有良好的耐氣候性能，能隔絕從背面進來的潮氣和其它有害 氣體；在層壓溫度下不起任何變化；與黏結材料結合牢固。常用的底板材料為玻璃、鋁合金、 有機玻璃以及PVF(或TPT)復合膜等。目前生產上較多應用的是PVF(或TPT)復合膜。 邊框：邊框：平板式組件應有邊框，以保護組件

18、和便于組件與方陣支架的連接固定。邊框與黏結劑 構成對組件邊緣的密封。邊框材料主要有不銹鋼、鋁合金、橡膠以及塑料等。 其它材料：其它材料：連接條（浸錫銅條）、電極接線盒、焊錫等。 2.電能儲存 存儲方式：電容存儲、電感存儲、化學能存儲 （1）蓄電池應用 作用：儲存多余電能，實現(xiàn)系統(tǒng)功率調節(jié)，可適應各種動態(tài)負載。 要求：1）自放電率低； 2）深循環(huán)放電性能； 3）充放電循環(huán)壽命長； 4）對過沖過放耐受能力強； 5）充電效率高； 6）當電池不能及時補充充電時，能有效抑制小顆粒硫酸鉛生長； 7）富液式電池在靜態(tài)環(huán)境下使用時，電解液不易層化； 8）低溫下具有良好的充電、放電特性；充放電特性對高溫不敏感；

19、 9）蓄電池各項性能一致性好，無需均衡充電； 10）具有較高的能量效率； 11）具有較高的性價比； 12）具有免維護或少維護的性能。 類型：酸性電池、堿性電池、鋰電池、燃料電池 蓄電池的常用術語蓄電池的常用術語 電池的容量 處于完全充電狀態(tài)的鉛酸蓄電池在一定放電條件下，放電到規(guī)定的終止電壓時所能給出 的電量。以符合C表示，單位安培時，簡稱安時（A.h），通常在C的右下角標明放電時率， 如C10、C20。 理論容量Ah/Kg、實際容量Ah、額定容量Ah（按標準放出的最低容量）。 放電率 指一定條件下，放電到終止電壓的時間長短。一般規(guī)定10h或20h 終止電壓 指放電時電壓下降到不宜再放電時的最低

20、工作電壓。光伏電源系統(tǒng)規(guī)定10h放電率的終止 電壓為1.800.05V/單體。 放電深度（DOD） 光伏系統(tǒng)用蓄電池一般為50%-75%。 循環(huán)壽命 蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)，在一定放電條件下，放電容 量低于額定容量的80%之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)。 AGM后備浮充一般10年以上，循環(huán)100%DOD為150次左右，50%-75%DOD約為 3-5年。 電池內阻 電池內阻不是常數(shù)，在充放電過程中隨時間不斷變化；有歐姆內阻和極化 內阻兩部分。內阻越小的電池性能越好。 蓄電池的電特性蓄電池的電特性 自放電特性 是指電池在存放期間容量降低的現(xiàn)象。 使用壽命 蓄電的有效壽命期限稱為該蓄

21、電池的使用壽命。 溫度特性 閥控蓄電池對溫度很敏感，過高的環(huán)境溫度充電時會使內部熱量增加，失水過快；過低 的環(huán)境溫度會降低放電容量 充電特性 充電過程有三個階段，初、中期快速充電，末期小電流長期充電。 放電特性 放電過程主要分三個階段，開始電壓下降快，中期緩慢，最后急劇 （2）鉛酸蓄電池 特點：性能優(yōu)良、質量穩(wěn)定、壽命可靠、容量大、價格低。 結構：由正極板組、負極板組、接線端子、隔板、塞子、電解液、容器、接頭密封材料及附件等 部分組成 隔膜隔膜 正極活性物質 負極活性物質 電解質 電解質 放電 充電 工作原理 正極：PbO2 ；負極金屬鉛Pb；電解液：27-37%硫酸水溶液 +2- 244 2

22、- 44 2-+ 2442 H SO2HSO PbSOPbSO2e PbO +SO +4H +2ePbSO +2H O 電解質電解：(移向正極)(移向負極) 負極氧化反應： 正極還原反應： 放電過程放電過程 正極得到電子，電位降低，負極失去電子，電位升高 氧化還原反應使Pb和PbO2PbSO4沉積在極板 充電過程充電過程 +2+2- 24 2+4+4+ 4 422 2+ 222 2 H OHOHPbSOPb +SO PbPb2e PbOHPbOH PbOHPbO2H O Pb2ePb PbSO2H OPbO2H O+Pb PbSOPbO 分解分解 4 電場反應 4 4 （移向負極）（移向正極）

23、 正極板：（移向負極）（） （）（沉積在正極板） 負極板： 總的反應：2 正極板 負PbSOPb 4 極板 影響電池壽命的因素如下： 1）每日放電深度均大于50%，導致正極板脫落； 2）高溫會加速腐蝕； 3）長時間過量充電，會增加腐蝕速率； 4）長時間充電不足，導致電解液酸化與層化現(xiàn)象，降低電池容量； 5）1%3%的銻含量標準，能增加循環(huán)壽命； 6）其他因素，如低的電解液液面高度也會嚴重縮短電池壽命。 3.逆變器 將直流電轉換為交流電，另外還具有自動穩(wěn)壓功能、控制基波頻率和幅值，改善系統(tǒng)供電質量的 功能。 逆變器是通過半導體功率開關的開通和關斷作用，把直流電能轉變成交流電能的，是整流變換的 逆過程； 離網(wǎng)逆變器：離網(wǎng)逆變器： 輸出過載、短路保護； 輸入接反、過壓、欠壓保護 過熱保護。 并網(wǎng)逆變器：并網(wǎng)逆變器： 自動運行停止功能； 最大功率跟蹤控制（MPPT）； 孤島運行防止功能； 自動電壓調整功能； 直流檢測功能； 直流接地檢測功能。 逆變器的基本功能逆變器的基本功能 4.系統(tǒng)控制元件 它對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，