獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計、安裝及維修

1、獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和維修獨(dú)立光伏電站是獨(dú)立光伏系統(tǒng)中規(guī)模較大的應(yīng)用。它的主要特點(diǎn)就是集中供電，如在一個十幾戶的偏遠(yuǎn)村莊就可建立光伏電站來利用太陽能。用這種方式供電便于統(tǒng)一管理和維護(hù)。而戶用系統(tǒng)是采用分散供電的方式提供電能，如果要在該村莊安裝戶用光伏系統(tǒng)，這樣每一戶都得需這么一套光伏系統(tǒng)，它比起獨(dú)立光伏電站來，所需的元器件規(guī)格要小，控制器、逆變器和蓄電池及負(fù)載都比較小，但是獨(dú)立光伏電站和戶用光伏系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)是完全一致的，我們將它們統(tǒng)稱為獨(dú)立光伏系統(tǒng)，下面我們就介紹這種獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計，安裝和維修。一、獨(dú)立光伏系統(tǒng)的組成及工作原理獨(dú)立光伏系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括：光伏組件（陣列）、蓄電池、逆變器

2、、控制器。見圖1 圖 1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)方框圖1. 光伏電池工作原理及特性光伏電池是將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的 PN 結(jié)組成。此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。圖 2 表示了無光照時典型的電流電壓特性（暗電流）。當(dāng)太陽光照射到這個光伏電池上時，將有和暗電流方向相反的光電流 Iph流過。圖2 無光照及光照時電流電壓特性當(dāng)給光伏電池連結(jié)負(fù)載 R，并用太陽光照射時，則負(fù)載上的電流 Im和電壓 Vm將由圖中有光照時的電流一電壓特性曲線與 V=-IR 表示的直線的交點(diǎn)來確定。此時負(fù)載上有 Pout=RI²m的功率消耗，它清楚地表明正在進(jìn)行著光電能量

3、的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整負(fù)載的大小，可以在一個最佳的工作點(diǎn)上得到最大輸出功率。1.1光伏電池轉(zhuǎn)換效率輸出功率（電能）與輸入功率（光能）之比稱為太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負(fù)載電阻 R 時，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率，其定義為 (式1.1) 即電池的最大功率輸出與入射功率之比，這里我們定義一個填充因子 FF 為(式1.2) 填充因子正好是 I-V 曲線下最大長方形面積與乘積 Voc×Isc之比，所以轉(zhuǎn)換效率最終可表示為 (式1.3)1.2光伏電池的等效電路為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一等效電路來模擬。在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工

4、作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。光電流一部分流經(jīng)負(fù)載 RL，在負(fù)載兩端建立起端電壓 V，反過來它又正向偏置于 pn 結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流 Ibk，這樣，一個理想的 PN 同質(zhì)結(jié)太陽電池的等效電路就被繪制成如圖 3(a)所示。但是，由于前面和背面的電極和接觸以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流，經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻 Rs來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負(fù)載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電

5、阻 Rsh來等效。其等效電路就繪制成上圖 3（b）的形式。其中暗電流等于總面積 AT 與 Jbk乘積，而光電流 IL為電池的有效受光面積 AE與 JL的乘積，這時的結(jié)電壓不等于負(fù)載的端電壓，由圖3a可見（式1.4） 圖 3 PN結(jié)太陽電池等效電路（a）不考慮串并聯(lián)電阻 （b）考慮串并聯(lián)電阻1.3 光伏電池的輸出特性根據(jù)圖3b就可以寫出輸出電流 I 和輸出電壓 V 之間的關(guān)系（式1.5）其中暗電流 Ibk應(yīng)為結(jié)電壓 Vj的函數(shù)，而 Vj又是通過式1.4與 輸出電壓 V 相聯(lián)系的。當(dāng)負(fù)載 RL從 0 變化到無窮大時，輸出電壓 V 則從 0 變到 VOC，同時輸出電流便從 ISC變到 0，由此得到電

6、池的輸出特性曲線，如圖 4 所示。曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn),工作點(diǎn)所對應(yīng)的縱橫坐標(biāo)，即為工作電流和工作電壓,其乘積為電池的輸出功率 P = IV（式1.6） 圖 4 太陽電池的輸出特性1.4光伏電池的溫度效應(yīng)載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度也隨溫度的升高稍有增大，因此，光生電流 JL也隨溫度的升高有所增加。但是 Jo隨溫度的升高是指數(shù)增大，因而 Voc隨溫度的升高急劇下降。當(dāng)溫度升高時，IV 曲線形狀改變，填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。1.5光伏電池陣列單體太陽電池不能直接作電池使用。作電源用必須將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴(yán)密封裝成組件，即光

7、伏陣列。對于一個給定的電池面積，電流與太陽輻照度成正比且?guī)缀跖c溫度無關(guān)，而電壓（功率）隨溫度升高而下降。一般來說，晶體硅電池的電壓降為 0.5%/°C。由此可以看到組件的溫度對其功率的輸出影響較大，所以陣列要安裝在通風(fēng)的地方，以保持涼爽；不能在一個屋頂或同一個支撐結(jié)構(gòu)上安裝過多的組件。光伏陣列的任何部分不能被遮蔭，它不像太陽能集熱器，如果遮住了光伏組件必須有相同的電流。如果有幾個電池被遮蔭，則它們便不會產(chǎn)生電流且會成為反向偏壓，這就意味著被遮電池消耗功率發(fā)熱，久而久之，形成故障。但是有些偶然的遮擋是不可避免的，所以需要用旁路二極管來起保護(hù)作用。如果所有的組件是并聯(lián)的，就不需要旁路二極

8、管，即如果要求陣列輸出電壓為 12V，而每個組件的輸出恰為 12V，則不需要對每個組件加旁路二極管，如果要求 24V 陣列（或者更高），那么必須有 2 個（或者更多的）組件串聯(lián)，這時就需要加上旁路二極管，如圖5 所示, 圖 5 帶旁路二極管的串聯(lián)電池 圖 6 24V陣列阻塞二極管的接法阻塞二極管是用來控制光伏系統(tǒng)中電流的: 也稱作為反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極管的單向?qū)щ娦宰柚篃o日照時蓄電池通過太陽電池方陣放電。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。

9、在方陣工作時，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對硅二極管通常為 0.60.8；肖特基或鍺管 0.3V 左右。任何一個獨(dú)立光伏系統(tǒng)都必須有防止從蓄電池流向陣列的反向電流的方法或有保護(hù)或失效的單元的方法。如果控制器沒有這項功能的話，就要用到阻塞二極管，如圖 6 阻塞二極管既可在每一并聯(lián)支路，又可在陣列與控制器之間的干路上，但是當(dāng)多條支路并聯(lián)接成一個大系統(tǒng)，則應(yīng)在每條支路上用阻塞二極管（如圖 6）以防止由于支路故障或遮蔽引起的電流由強(qiáng)電流支路流向弱電流支路的現(xiàn)象。在小系統(tǒng)中，在干路上用一個阻塞二極管就夠了，不要兩種都用，因為每個二極管會降壓 0.40.7V 是一個 12V 系統(tǒng)的 6%，這也是不小的一

10、個比例。2.蓄電池工作原理及特性2.1蓄電池工作原理蓄電池是用來將光伏陣列產(chǎn)生的電能（直流）存儲起來供后級負(fù)載（逆變器和交流負(fù)載）使用的部件，在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，一般都需要控制器來控制其充電狀態(tài)和放電深度，以保護(hù)蓄電池延長其使用壽命。深度循環(huán)電池是用較大的電極板制成，可承受標(biāo)定的充放電次數(shù)。循環(huán)次數(shù)取決于放電深度，放電速度，充電前的時間，充電速率等等。淺循環(huán)電池使用較輕的電極板。淺循環(huán)電池不能象深度循環(huán)電池那樣多次地循環(huán)使用。完全放電一兩次常常就會損壞，因此它們不能在某些光伏系統(tǒng)中。有些蓄電池電解質(zhì)是膠體，這種膠體電解質(zhì)電池易于維護(hù)，因為它通常是密封的，當(dāng)電池翻轉(zhuǎn)也不會泄露。大多數(shù)密封電池有放氣

11、口可放出氫氣，但是卻不允許添加電解液，它們可能被 標(biāo)定為深度循環(huán)電池，但它們通常比工業(yè)級濕性蓄電池的循環(huán)次數(shù)要少。有電解液的電池可能是密封的，或者有一個小帽，這樣就可以向其中添加蒸餾水了。通常當(dāng)電池容易大于 100Ah 時，電池是開放的，對于濕性蓄電池應(yīng)按時添加電解液（蒸餾水）。鎳鎘電池在有些國家使用，它們通常比鉛酸電池貴，但鎳鎘電池壽命長，維修率低，耐用，可承受極熱極冷的溫度，而且可以完全放電。鎳鎘電池在有些國家使用，它們通常比鉛酸電池貴，但鎳鎘電池壽命長，維修率低，耐用，可承受極熱極冷的溫度，而且可以完全放電。由于可以完全放電，在某些系統(tǒng)中控制器就可以省下來不用了。請注意：如果要為鎳鎘電池

12、配置控制器，則必須提出要求，由供應(yīng)商提供，而不能用一般的控制器,因為一般提供的控制器是為鉛酸電池設(shè)計的，其所控的充電程度不同于鎘電池。由此可知，控制器并不能通用。用在獨(dú)立光伏系統(tǒng)的電池應(yīng)是深度循環(huán)大負(fù)載類型的。由于極板材料鉛較軟，所以要加一些如銻或鈣之類的元素以加強(qiáng)鉛板的硬度，這樣可改善電池的性能。鉛銻電池可承受深度放電，但因為水耗散大，需要定期維護(hù)。鉛銻電池可承受深度放電，但因為水耗散大，需要定期維護(hù)。鉛-鈣電池可以有幾次深度級放電，它們首期投入成本低，但壽命卻低于鉛酸電池。大多數(shù)電池有酸性或腐蝕性物質(zhì)，如果操作不當(dāng)就比較危險甚至危及生命。對于開放式電池在充電時會產(chǎn)生具有爆炸性的氫氣對于開放

13、式電池在充電時會產(chǎn)生具有爆炸性的氫氣。這些電池需擺放在通風(fēng)良好的地方。系統(tǒng)電器元件不能安裝在電池附近，因為其所產(chǎn)生的火花可能會點(diǎn)燃?xì)錃?。同時鉛酸電池的酸性氣體會腐蝕和損壞電子元件?？捎脧?fù)合劑或催化劑的電池蓋以用氧將氫氣化合成液態(tài)水流回電解液。這些蓋子有 35 年壽命，但還要定期檢查和清洗以保證其動行良好。任何電池對于人類尤其是兒童，還有動物都是具有危險性的，所以應(yīng)有經(jīng)驗的人操作，同時，要保持輸出端有蓋子，因為一個典型的光伏系統(tǒng)在輸出端短路時能產(chǎn)生 6000A 的電流，盡管這個電流僅持續(xù)幾毫秒，但是以將工具弧焊在輸出端上，而且電壓越高，危害越大。當(dāng)電壓高于 24V 時電擊可以引起生命危險；在 1

14、2V 電壓下，如果電池偶然短路，大電流能引起火災(zāi)。所以在電池周圍工作時應(yīng)使用防護(hù)工具如手套，膠鞋，護(hù)目鏡。電池一般很重，所以在搬動時須注意。2.2蓄電池的特性。2.2.1放電深度它以電池容量的百分?jǐn)?shù)表示，標(biāo)定容量可以從電池外殼上或說明書上獲得。電池所能承受的放電容量與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來說，電極板越大則蓄電池所能承受的充放電程度等的性能就越好。電池工作有淺循環(huán)和深循環(huán)之分。淺循環(huán)電池較輕，較便宜，但是如果經(jīng)常過規(guī)定的放電的深度則壽命會大大降低。許多密封式電池（即所謂的免維護(hù)電池）就是淺循環(huán)電池，一般的淺循環(huán)電池的放電量不應(yīng)超過電池容量的 25%。深度循環(huán)電池中獨(dú)立光伏系統(tǒng)中經(jīng)常使用的電池，其極板

15、厚度大，可承受的放電量為其容量的 80%，絕大多數(shù)此類電池是濕性電池，其極板是由電解液浸泡的。電解液的液面需要經(jīng)常檢查，并定期加入蒸餾水以保證電極是被淹沒的。對于鎳鎘電池，我們前面已經(jīng)提到過了。我們知道雖然其價格昂貴但能在惡劣的環(huán)境下工作，且可完全放電而不會損壞，電解液不會凍住，也可以省去系統(tǒng)中的控制器這一部分。2.2.2溫度校正電池對溫度較為敏感，一個溫度較低的電池比一個溫度較高的電池提供的電能要少。同一溫度下，放電速率升高則輸出能量降低。雖然溫度高可以得到甚至高于額定容量的能量，但是發(fā)熱溫度會減少電池的壽命，所以還是應(yīng)該避免的，應(yīng)使蓄電池的工作溫度處于室溫附近。2.2.3電池額定容量即電池

16、在某一特定溫度和放電速率下所能產(chǎn)生的最大能量。當(dāng)電池用于光伏系統(tǒng)中，您不可能反復(fù)用到額定容量，然而額定容量設(shè)置了一個基線用以比較電池的性能。須注意的是，如果比較不同電池的額定容量時，須在同一溫度下使用相同的放電速度。2.2.4充電狀態(tài)（SOC）為某一時刻電池所剩容量的百分?jǐn)?shù)。它等于用 1 減去放電深度的百分?jǐn)?shù)。2.2.5電池壽命電池壽命由許多因素決定如放電速率，放電深度，循環(huán)次數(shù)和工作溫度等，所以電池壽命很難預(yù)測。對于光伏系統(tǒng)來說很少有鉛酸電池的壽命超過 15 年的，一般是 510 年。鎳鎘電池在相同的條件下可工作更長時間，在最優(yōu)化條件下，可穩(wěn)定地工作15 年以上。2.2.6低溫環(huán)境下電池的使

17、用在較冷的環(huán)境中，鉛酸電池的電解液可能會凍住。結(jié)冰溫度是電池充電狀態(tài)的函數(shù)。當(dāng)電池完全放電時，在零下幾度電解液就凍住了，而當(dāng)電池充滿電時（此時重量大約為標(biāo)稱重量的 1.24 倍）電解液能耐住零下 50的低溫。當(dāng)電池完全放電時，在零下幾度電解液就凍住了，而當(dāng)電池充滿電時（此時重量大約為標(biāo)稱重量的 1.24 倍）電解液能耐住零下 50的低溫。在寒冷的天氣中，通常是將電池置于電池盒中，并將電池盒埋入地下以保持恒定的溫度。鎳鎘電池在寒冷的天氣中不會損壞。我們知道任何電池均需要定期維護(hù)，即使是密封的“免維護(hù)”的電池我們也應(yīng)定期檢查其接頭是否牢固，清潔和無損傷。對于電解液電池電解液應(yīng)始終保持守全浸沒極板的

18、狀態(tài)，同時電壓和標(biāo)定重量也需要合乎要求。3.逆變器逆變器是一種功率調(diào)查裝置，對于使用交流負(fù)載的獨(dú)立光伏系統(tǒng)來說，逆變器是必要的。逆變器的選擇的一個重要因素就是您所設(shè)定的直流電壓的大小。逆變器的輸出可分為直流輸出和交流輸出兩類。對于直流輸出我們稱之為變換器，是直流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換，這樣可以提供不同的電壓的直流負(fù)載工作所需的電壓。對交流輸出，我們需要考慮的除了輸出功率和電壓外，還應(yīng)考慮其波形和頻率。在輸入端須注意逆變器所要求的直流電壓和所能承受的浪涌能力的電壓的變化。逆變器的選擇會影響到光伏系統(tǒng)的性能可靠性和成本。通常除了陣列和蓄電池，逆變器是最貴的了。所以下面介紹一下逆變器有關(guān)特性?？偟恼f來

19、其特性參數(shù)有：輸出波形，功率轉(zhuǎn)換效率，標(biāo)稱功率，輸入電壓，電壓調(diào)整，電壓保護(hù)，頻率，調(diào)制性功率因子，無功電流，大小及重量，音頻和 RF 噪音，表頭和開關(guān)，有些逆變器還具有電池充電遙控操作，負(fù)載轉(zhuǎn)換開關(guān)，并聯(lián)運(yùn)行的功能。獨(dú)立逆變器一般在直流 12V，24V，48V 或 120V 電壓輸入時可產(chǎn)生 120V 或 240V 頻率為 50Hz 或 60Hz 的交流電。輸出波形是一個重要參數(shù)，逆變器通常根據(jù)其輸出波形來分類：1）方波 2）類正弦波 3）正弦波。方形波逆變器相對較便宜，效率可達(dá) 90%以上，高諧波，小的輸出電壓調(diào)整，它們的適用于阻抗型負(fù)載和白熾燈。類正弦波逆變器在輸出可用脈寬提高電壓調(diào)整，

20、效率可達(dá)90%，它們可用來帶動燈，電子設(shè)備和大多數(shù)電機(jī)等各種負(fù)載。然而它們在帶動電機(jī)時由于諧波能量損失而比正弦波逆變器帶動效率低。正弦波逆變器產(chǎn)生的交流波形與大我數(shù)電子設(shè)備產(chǎn)生的波形一樣好。它們可以驅(qū)動任何交流負(fù)載（在功率范圍內(nèi)）。通常，逆變器的規(guī)格可在計算值的基礎(chǔ)上增加 25%，這一裕度可以增加該部件工作的可靠性，也可以滿足負(fù)載的適量增加。對于小負(fù)載需求，所有逆變器的效率都是比較低的；當(dāng)負(fù)載需求超過標(biāo)稱負(fù)載的50%以上，逆變器的效率即可達(dá)標(biāo)稱效率（大約 90%左右）。對于小負(fù)載需求，所有逆變器的效率都是比較低的；當(dāng)負(fù)載需求超過標(biāo)稱負(fù)載的50%以上，逆變器的效率即可達(dá)標(biāo)稱效率（大約 90%左右

21、）。下面是對有些參數(shù)的說明：（1）功率轉(zhuǎn)換效率：其值等于逆變器輸出功率除以輸入功率，逆變器的效率會因負(fù)載的不同而有很大變化。（2）輸入電壓：由交（直）流負(fù)載所需的功率和電壓決定。一般負(fù)載越大，所需的逆變器的輸入電壓就越高。（3）抗浪涌能力：大多數(shù)逆變器可超過它的額定功率有限的時間（幾秒鐘），有些變壓器和交流電機(jī)需要比正常工作高幾倍的起動電流（一般也僅持續(xù)幾秒鐘）對這些特殊負(fù)載的浪涌要求應(yīng)測量出來。（4）靜態(tài)電流：這是在逆變器不帶負(fù)載（無功耗）時，其本身所用的電流（功率），這個參數(shù)對于長期帶小負(fù)載的情況下是很重要的，當(dāng)負(fù)載不大時，逆變器的效率是極低的。（5）電壓調(diào)整：這意味著輸出電壓的多樣性。較

22、多的系統(tǒng)在一個大的負(fù)載范圍內(nèi)，均方根輸出電壓接近常數(shù)。（6）電壓保護(hù)：逆變器在直流電壓過高時就會損壞。而逆變器的前級蓄電池在過充電時逆變器的直流輸入電壓就會超過標(biāo)稱值，如，一個 12V 的蓄電池在過充電以后可能會達(dá)到 16V 或者更高，這時就有可能破壞后級所連的逆變器。所以作控制器來控制蓄電池的充電狀態(tài)是十分必要的。在無控制器時逆變器須有檢查測試保護(hù)電路，當(dāng)電池電壓高于設(shè)定值時，保護(hù)電路會將逆變器斷開。（7）頻率：我國的交流負(fù)載是在 50Hz 的頻率下進(jìn)行工作的。而高質(zhì)量的設(shè)備需要精確的頻率調(diào)整，因為頻率偏差會引起表和電子計時器性能的下降。（8）調(diào)制性：在有些系統(tǒng)中用多個逆變器非常有利，這些逆

23、變器可并聯(lián)起來帶動不同的負(fù)載。有時為了防止出現(xiàn)故障，用手動負(fù)載開關(guān)使一個逆變器可滿足電路的特定負(fù)載要求。增加此開關(guān)提高了系統(tǒng)的可靠性。（9）功率因子：逆變器產(chǎn)生的電流與電壓間的相位差的余弦值即為功率因子，對于阻抗型負(fù)載，功率因子為 1，但對感抗型負(fù)載（戶用系統(tǒng)中常用負(fù)載）功率因子會下降，有時可能低于 0.5。功率因子由負(fù)載確定而不是由逆變器確定。下面介紹幾種典型的、常用的逆變器的原理圖及原理介紹。按振蕩方式可分為他激式和自激式兩大類。他激式逆變器他激逆變器電路工作框圖如圖7：圖7他激式逆變器電路框圖 圖8他激式逆變器電路原理圖如圖8所示,我們可以用 NE555 集成電路作為振蕩源，NE555

24、提供穩(wěn)定的方波，經(jīng)晶體管 T1、T2 放大后經(jīng)變壓器輸出，以驅(qū)動負(fù)載，T3管可改善啟動特性和提高效率。他激式電路的優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是逆變器效率不高，工作點(diǎn)調(diào)整困難。自激式逆變器自激工逆變器電路工作框圖如圖9： 圖9自激式逆變器電路框圖 圖10自激式逆變器電路原理圖自激式逆變器電路如圖10 所示，圖中左半部分是蓄電池過充、放電保護(hù)電路，右半部是最簡單的單管自激式逆變器電路。L1、L2是輸出變壓器，L3是反饋線圈。電源接通時，面過 R1使 T1導(dǎo)通，使 I1增加，則 I1I3I1，正反饋使 T1進(jìn)入飽和。電容 C1電位不斷降低。當(dāng) I1達(dá)到飽和值時，電感電流 I30，T1管的 V

25、be 被鉗位到某一負(fù)電位，晶體管 T1迅速截止，I10 電源又通過 R1給 C1充電，當(dāng)電容端電壓達(dá)到一定值時 T1管重新導(dǎo)通，這樣 T1管周期性地從飽和區(qū)進(jìn)入截止區(qū)，在線圈 L2上產(chǎn)生了交流電輸出。單相逆變器如圖 11所示，在 50 或 60Hz 頻率下同步交替地接通 T1/T4或 T2/T3，因負(fù)載可能為電抗性的，負(fù)載電流和電壓也可能反相，所以電路中必須要有二極管。當(dāng) V0為正時（T1，T4導(dǎo)通），i0可能為負(fù)（電流通過與 T1和 T4平行的兩個二極管）。 圖11單相逆變器雖然 180°脈沖波形比較容易得到，但它卻包括大量的三次諧波和五次諧波。120°脈沖波形包括含較少

26、的諧波，特別是它不含三次諧波。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)進(jìn)一步減少低次諧波。如圖 12 所示。 圖12輸出波形如果用上晶體管的第三條腿和二極管，這個電路還能產(chǎn)生三相交流電。這種單相逆變器是商業(yè)上不間斷電源（UPS）的基礎(chǔ)，它能作為計算機(jī)等電器設(shè)備提供應(yīng)急的交流電。4.控制器在大多數(shù)光伏系統(tǒng)中都用到了控制器以保護(hù)蓄電池免于過充或過放。過充可能使電池中的電解液汽化，造成故障，而電池過放會引起電池過早失效。過充過放均有可能損害負(fù)載。所以控制器是您光伏系統(tǒng)中重要的部件，如果它不能正常工作，那么造成的后果就是您可能一下?lián)p失幾萬元?？刂破餍蕿橛?1 減去控制器在系統(tǒng)中引起損耗的百分?jǐn)?shù)?？刂破鞯墓δ苁且揽侩姵氐某潆?/p>

27、狀態(tài)（SOC）來控制系統(tǒng)。當(dāng)電池快要充滿時控制器就會斷開部分或全部的陣列電流；當(dāng)電池放電低于預(yù)設(shè)水平時，全部或部分負(fù)載就會被斷開（此時控制器包含有低壓斷路功能）。大多數(shù)控制器測量電池電壓以估計充電狀態(tài)，然而這并不準(zhǔn)確，如圖 13 可知，在接近過充時電壓變化不大。 圖13典型的電池充電狀態(tài)曲線電池的溫度，使用年限、類型和充/放電速率也影響這個曲線。測量電池溫度可提高SOC 狀態(tài)的估計，許多控制器就帶有測溫探頭。如果電池與環(huán)境溫度相差+5°C 時，就應(yīng)該使用帶溫度補(bǔ)償?shù)目刂破??？刂破饔袃蓚€動作設(shè)定點(diǎn)，使控制器動作以保護(hù)電池。每個控制點(diǎn)有一個動作補(bǔ)償設(shè)置點(diǎn)。如，一個 12V 的電池，控制器

28、的陣列斷路電壓通常設(shè)定在 14V，這樣當(dāng)電池電壓達(dá)到這個值時，控制器就會把陣列斷開，一般此時電池電壓會迅速降到 13V；控制器的陣列再接通電壓通常設(shè)在 12.8V，這樣當(dāng)電池電壓降到 12.8V 時，控制器動作，把陣列接到電池上繼續(xù)對電池充電。同樣地，當(dāng)電壓達(dá)到 11.5V 時，負(fù)載被斷開，直到電壓達(dá)到 12.4V 以后才能再接通。有些控制器的這些接通/斷電壓在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，這一性能非常有用，可監(jiān)控電池的使用。在使用時控制器電壓必須與系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓相一致，且必須能控制光伏陣列產(chǎn)生的最大電流，用 1.25V 乘以陣列的短路電流 Isc，這樣的控制器可承受由于云聚焦而產(chǎn)生的短暫的大電流。（根

29、據(jù)獨(dú)立光伏系統(tǒng)和國家電氣標(biāo)準(zhǔn)提供的這個因子較為保守為 1.56）這個最大電流和系統(tǒng)電壓是購買控制器所必要考慮的兩個參數(shù)，而控制器的其它特性參數(shù)有：效率,溫度補(bǔ)償，反向電流保護(hù)，顯示表或狀態(tài)燈，可調(diào)設(shè)置點(diǎn)（高壓斷路，高壓接通，低壓斷路，低壓按通），低壓報警，最大功率跟蹤等。其中，反向電流保護(hù)是防止電流在夜間由電池倒流回光伏陣列。大多數(shù)控制器用阻塞二極管來阻止這個電流，如圖 8.18。大部分小的控制器包括有低壓斷路（LVD）功能可以切斷負(fù)載。用促發(fā)燈，蜂鳴器可以警示用戶采取措施或者打開另一電力供應(yīng)裝置。我們知道，隨著所需電流的增加，控制器的成本迅速增加。對于用在 12V（24V）電流達(dá)到 30A

30、的系統(tǒng)中的控制器價格還可以接受，而當(dāng)所需電流達(dá)到 100A 時控制器的價格就要貴 5 倍左右。開關(guān) 100A 以上電流的控制器就需要定做了。為此，一種用以控制超過 100A的方法是把控制器并聯(lián)起來，用 5 個 20A 的控制器，比用一個 100A 的控制器要便宜得多。只是陣列必須分開與各個控制器連接，每一個控制器分別接線，在接電池前再合并。各個控制器的促動水平會有所差異，但影響不大。所有的陣列電流都用來給電池充電直到達(dá)到了最低的促動電壓，這時一個控制器將會把相應(yīng)的陣列切斷，而其它的控制器仍繼續(xù)允許電流流過，直到電壓達(dá)到了它們各自的值。在光伏系統(tǒng)中有兩種基本的控制器類型：一是分路控制器，用以更改

31、或分路電池充電電流。這些控制器帶有一個大的散熱器以散發(fā)由多余電流產(chǎn)生的熱量。大多數(shù)的分路控制器是為 30A 以下電流的系統(tǒng)設(shè)計的。另一類是串聯(lián)控制器，通過斷開光伏陣列來斷開充電電流。分路控制器和串聯(lián)控制器也可分許多類，但總的說來這兩類控制器都可設(shè)計成單階段或多階段工作方式。單階段控制器是在電壓達(dá)到最高水平時才斷開陣列；而多階段控制器在電池接近滿充電時允許以不同的電流充電，這是一種有效的充電方法。當(dāng)電池接近滿充電狀態(tài)時，其內(nèi)阻增加，用小電流充電，這樣減少了能量損失。二、獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計如圖14所示，系統(tǒng)設(shè)計工作從收集太陽能數(shù)據(jù)和計算負(fù)載大小開始，然后確定系統(tǒng)各部分規(guī)格，（蓄電池、控制器、逆變器

32、），然后選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線進(jìn)行安裝，這才是整個的設(shè)計過程，當(dāng)然一個完整的系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)包括操作和維修的計劃。 圖14系統(tǒng)設(shè)計框圖設(shè)計應(yīng)盡量做到：（1）設(shè)計盡量簡單化，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。（2）了解系統(tǒng)的效率，適當(dāng)設(shè)計系統(tǒng)效率，效率越高其成本越昂貴的。（3）在估算負(fù)載時要考慮周到，并要有一定的裕度。（4）反復(fù)計算核查當(dāng)?shù)氐奶鞖赓Y源，獲得該地區(qū)的太陽輻射能資源，對太陽輻射的錯誤估計將會大大影響系統(tǒng)的作用。（5）在設(shè)計系統(tǒng)前了解安裝地點(diǎn)，去實地考察一下，這樣對設(shè)備安置走線，保護(hù)和地帶特性都有所了解。此外還要做到：仔細(xì)安裝系統(tǒng)，安全第一，定期維修。1.獨(dú)立光伏系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計步驟1.1列出基本數(shù)據(jù)A、所

33、有負(fù)載的名稱、額定工作電壓、耗電功率、用電時間、有無特殊要求等。B、當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢茫喊ǖ孛?、?jīng)度、緯度、海拔等。C、當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料：主要有逐月平均太陽總輻射量，直接輻射及散射量，年平均氣溫及極端氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)、最大風(fēng)速及冰雹等特殊氣候情況。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年或幾十年的平均值。1.2確定負(fù)荷大小算出所有負(fù)載工作電流與平均每天工作小時數(shù)相乘積之和。（式1.7）1.3選擇蓄電池容量：蓄電池儲備容量的大小主要取決于負(fù)載的耗電情況，此外還要考慮現(xiàn)場的氣候條件，環(huán)境溫度，系統(tǒng)控制的規(guī)律性及系統(tǒng)失效的后果等因素，通常儲備 1020 天容量比較適宜。蓄電池在太陽電池系統(tǒng)中處于浮充電狀態(tài)，充電電

34、流遠(yuǎn)小于蓄電池要求的正常充電電流。尤其在冬天，太陽輻射量小，蓄電池常處于欠充狀態(tài)，長期深放電會影響蓄電池的壽命，故必須考慮留有一定余量，常以放電深度來表示： （式1.8）式中：d-放電深度 C-蓄電池標(biāo)稱容量 CR-蓄電池儲備容量過大的放電深度會縮短蓄電池的壽命；過小的放電深度又會增加太陽電池方陣的規(guī)模，加大總的投資成本，放電深度最大到 80%較為合適。當(dāng)然，隨著太陽電池組件價格的下降，可以允許設(shè)計較淺的放電深度。這樣，確定蓄電池的儲備容量 CR和放電深度后，即可初步選定蓄電池的標(biāo)稱容量： （式1.9）式中：Q負(fù)載每天平均總耗電量1.4決定方陣傾角：在這里，我們來用一種較近似的方法來確定方陣傾

35、角。一般地，在我國南方地區(qū)，方陣傾角可取比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?10一般地，在我國南方地區(qū)，方陣傾角可取比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?10°15°；在北方地區(qū)傾角可比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?5°10°，緯度較大時，增加的角度可小一些緯度較大時，增加的角度可小一些。在青藏高原，傾角不宜過大，可大致等于當(dāng)?shù)鼐暥?。同時，為方陣支架的設(shè)計，安裝方便，方陣傾角常取成整數(shù)。1.5計算日輻射量從氣象站得到的資料一般只有水平面上的太陽輻射總量 H，直接輻射量 HB及散射輻射量 Hd且有：HHBHd需換算成傾斜面上的太陽輻射量。直接輻射分量 HBTHBT=HBRB其中 RB 為傾斜面上的直接輻射分量與水

36、平面上直接輻射分量的比值。對于朝向赤道的傾斜面來說：（式1.10）式中：當(dāng)?shù)鼐暥确疥噧A角太陽赤緯：（式1.11）水平面上日落時角： （式1.12）傾斜面上日落時角：（式1.13）天空散射輻射分量 HdT在各向同性時：（式1.14）地面反射輻射分量 HrT：通常可將地面的反射輻射看成是各向同性的，其大小為：（式1.15）其中為地面反射率，其數(shù)值取決于地面狀態(tài)，各種地面的反射率如下表所示：一般計算時，可取=0.2，故斜面上太陽輻射量即為：（式1.16）通常計算時用上式即可滿足要求。如考慮天空散射的各向不同性，則可用下式計算：（式1.17）式中：HO為大氣層外水平面上輻射量。1.6估算方陣電流將歷年

37、逐月平均水平面上太陽直接輻射及散射輻射量，代入以上各公式即可算出逐月輻射總量，然后求出全年平均日太陽輻射總量HT，單位化成 mwh/cm2，除以標(biāo)準(zhǔn)日光強(qiáng)即求出 平均日照時數(shù)：（式1.18）則方陣應(yīng)輸出的最小電流為：（式1.19）式中：Q負(fù)載每天總耗電量1蓄電池充電效率2方陣表面灰塵遮蔽損失同時，由于傾斜面上各月中最小的太陽總輻射量可算出各月中最少的峰值日照數(shù) Tmin。方陣應(yīng)輸出的最大電流為：（式1.20）1.7確定最佳電流：方陣的最佳額定電流介于 Imin和 Imax這兩個極限值之間，具體數(shù)值可用嘗試法確定。先選定一電流值 I，然后對蓄電池全年荷電狀態(tài)進(jìn)行檢驗，方法是按月求出方陣輸出的發(fā)電

38、量：（式1.21）式中：N當(dāng)月天數(shù)而各月負(fù)載耗電量為：（式1.22）兩者相減，Q=Qout-Qload 為止，表示該月方陣發(fā)電量大于耗電量，能給蓄電池充電。若Q為負(fù)，表示該月方陣發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池儲存的能量來補(bǔ)足。如果蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原定的放電深度，就應(yīng)增加方陣輸出電流；如果荷電狀態(tài)始終大大高于放電深度允許的值，則可減少方陣電流。當(dāng)然也可相應(yīng)地增加或減少蓄電池容量。若有必要，還可修改方陣傾角，以求得最佳的方陣輸出電流 Im 。1.8決定方陣電壓：方陣的電壓輸出要足夠大，以保證全年能有效地對蓄電池充電。方陣在任何季節(jié)的工作電壓應(yīng)滿足：（式1.23）式中: Vf-蓄電池浮充電壓Vd

39、-因線路(包括阻塞二極管)損耗引起的電壓降1.9最后確定功率由于溫度升高時，太陽電池的輸出功率將下降，因此要求系統(tǒng)即使在最高溫度下也能確保正常運(yùn)行，所以在標(biāo)準(zhǔn)測試溫度下（25°C）方陣的輸出功率應(yīng)為：（式1.24）式中：太陽電池功率的溫度系數(shù)。對一般的硅太陽電池，=0.5%tmax太陽最高工作溫度。這樣，只要根據(jù)算出的蓄電池容量，太陽電池方陣的電壓及功率，參照生產(chǎn)廠家提供的蓄電池和太陽電池組件的性能參數(shù)，選取合適的型號即可。2.太陽電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計實例為成都地區(qū)設(shè)計一座全自動無人指導(dǎo) 3 瓦彩色電視差轉(zhuǎn)站所用的太陽能電源，其工作條件如下：電壓為 24V，每天發(fā)射時間 15 小時，功耗

40、 20 瓦，其余 9 小時為接收等候時間，功耗為5 瓦。2.1列出基本數(shù)據(jù)A、負(fù)載耗電情況：表1B、西安緯度：北緯 34°18東經(jīng) 108°56海拔 396.9 米。C、有關(guān)氣象資料見后列表格。2.2確定負(fù)載大小每天耗電量：=h=20×15/24+9×5/24=14.4Ah 2.3選擇蓄電池容量：選蓄電池容量為 10 天，放電深度=75%C=10×Q/d=10×14.4/75%=205.7Ah2.4決定方傾角：因當(dāng)?shù)鼐暥?=34°18，取 =+10°=45°2.5計算傾斜面上各月太陽輻射總量由氣象資料查得

41、水平面上 20 年各月平均太陽輻射量 H，HB及 H，計算出傾斜面上各月太陽輻射擊總量，結(jié)果見表2：表2其中：n 為從一年開頭算起的天數(shù)。為水平面上的幅射量，為傾斜度平面上的幅射量，單位為 mwh/cm2。2.6估算方陣電流：由上表可知，傾斜面上全年平均日輻射量為 357.5mwh/cm2d，故全年平均峰值日照時數(shù)為：取蓄電池充電效率為：1=0.9；方陣表面的灰法塵遮損失為2=0.9，算出方陣應(yīng)輸出的最小電流為：由上表查出在 12 月份傾斜面上的平均日輻射量最小，為 287.6mwh/cm2.d 相應(yīng)的峰值日照數(shù)最少，只有 2.88h/d。則方陣輸出的最大電流為：2.7確定最佳電流根據(jù) Imi

42、n=4.97A 和 Imin =6.17A 選取 I=5.4A，將方陣各月輸出電量及負(fù)載耗電量以及蓄電池的荷電狀態(tài)計算列表 3。由表 3 可見，即使從 10 月份開始，連續(xù) 7 個月蓄電池未充滿，但最少時容量仍有 37.1%，即放電深度最大只有 62.9%，未起過 75%，所以取 I=5.4A 是合適的。如果計算結(jié)果放電深度遠(yuǎn)小于規(guī)定的 75%，則可減少方陣輸出電流或蓄電池容量，重新進(jìn)行計算。2.8決定方陣電壓單只鉛酸蓄電池工作電壓為 2V，故需 12 只單體電池串聯(lián)才可滿足系統(tǒng)的工作電壓 24V。每只單體鉛酸電池的工作電壓為：2.02.35V，取線路壓降：V=0.8V，則方陣工作電壓為：V=

43、Vf+Vd=12×2.35+0.8=29V表32.9確定最后功率設(shè)太陽電池的最高溫度為 60°C,則由(7.1-20)式中可算出需的方陣的輸出功率為PIm*V/1-(tmax-25)=5.4*29/1-0.5%(60-25)=189.8W取 P192W所以，最后取太陽電池方陣的輸出功率為 192W，可用 6 塊 32 瓦的組件(每塊電壓約為 16 伏)2串 3 并而成。蓄電池容量為 24V，200AH，只要用 4 只 6Q100 鉛酸電池以 2 串 2 并的方式連接起來的，即可滿足需要。三、獨(dú)立光伏系統(tǒng)的安裝在主要部件都已選擇好，那就應(yīng)該把各個部件連起來成為一個工作系統(tǒng)。選

44、擇正確的導(dǎo)線，連接器和保護(hù)元件（如開關(guān)，保險等）是非常重要的，它們可以保證一個系統(tǒng)工作20 年以上。用合適的工具工作以維持長久連接，整個系統(tǒng)的性能及可靠性依賴于每一個連接。如果能正確地使用、良好地設(shè)計和認(rèn)真地安裝，那么獨(dú)立光伏系統(tǒng)將會成為 20 年以上的可靠的能量來源。陣列的安裝：獨(dú)立光伏系統(tǒng)的陣列的安裝有許多獨(dú)特和創(chuàng)新的方法。但在安裝中總有一些共同的問題，如陣列是固定式的還是跟蹤式的？是安裝在地上，桿上或是建筑物上？在陣列小系統(tǒng)中必須安裝一個開關(guān)或斷路器，這樣在維修陣列時能斷開陣列。陣列回路中的保險和電纜應(yīng)可承受最大電流，即由短期“云聚焦”形成的在 1000W/m2照度下短路電流的1.5 倍

45、照度下短路電流的1.5 倍。為了使光伏陣列安裝的牢固，并且可長年承受各種天氣的考驗。無論是買還是自己安裝框架都要保證它的穩(wěn)定和組件的牢靠。如果陣列是跟蹤式的，建議使用單軸跟蹤系統(tǒng)，它只需要很少的控制和能量。跟蹤系統(tǒng)可使陣列準(zhǔn)確地跟蹤太陽。在有大風(fēng)的地區(qū)，應(yīng)該使用電力驅(qū)動的跟蹤。如果需要在屋頂安裝，那么要保證陣列下面允許新鮮的空氣通過，如果陣列離開屋頂至少 3 英寸時，陣列上組件的溫度就不會升高。蓄電池的安裝。電池是必須保護(hù)的部件。如果會出現(xiàn)結(jié)冰溫度，那么電池必須安裝在水密性的盒子內(nèi)并埋于地下霜凍線以下或者是將電池置于能保持溫度高于 0 度的建筑物中。如果要埋電池，應(yīng)選擇一個排水性良好的地點(diǎn)，且為電池挖一個排水孔。電池不應(yīng)直接放在水泥面上，因為這樣會增加自放電，這種情況在表面潮濕的水泥面上更為嚴(yán)重。如果用開放式電池則必須提供放氣，以免引起爆炸。任何電池均應(yīng)放在那些非專業(yè)人員接觸不到的