太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)摘要：本文通過介紹光伏建筑一體化，以引起業(yè)界人士對太陽能利用的廣泛關(guān)注。文中分別對光伏屋頂和光伏幕墻鋪設(shè)太陽電池板發(fā)電形式和特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期不斷擴(kuò)大太陽能的應(yīng)用范疇。巨大能源的太陽東升西落，成為匆匆過客未被人們充分利用。若在世界陸地的0.5%面積（恰為中國城鎮(zhèn)占地之和）上安裝太陽電池，將能供應(yīng)全球所需能源，所以找宇宙要效益索取太陽能是當(dāng)務(wù)之急。我國太陽能資源的數(shù)量、分布的普遍性、供應(yīng)的清潔性、技術(shù)的可靠性都優(yōu)越于風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等可再生能源。目前大量能源消耗難以面對，專家估計(jì)，再過50年，全世界可再生能源比例將＞50%的總一次能源，其中太陽能可占到13%?15%十分可觀。所以加大光伏發(fā)電力度刻不容緩。1光伏發(fā)電利用范疇充分利用太陽光目前國內(nèi)外許多建筑光學(xué)工作者指出，首先應(yīng)掌握太陽能日照量三要素：季節(jié)，夏季日照量最高，冬季最低。天氣，正午日照量最高，晴、陰雨天則相應(yīng)降低。方位，以正南向效率為100%，則東西向?yàn)?2%，北向?yàn)?0%的輸出量。但在實(shí)際應(yīng)用中，太陽電池方陣輸出降低的原因很多，如日照量的多少，太陽電池鏡面污垢產(chǎn)生的程度，溫度上升及轉(zhuǎn)換器損失等。加上太陽能控制器損失的5%，總發(fā)電容量為設(shè)置容量的85%?95%；其次是發(fā)電量估算：太陽電池容量二太陽電池最大輸出X設(shè)置數(shù)量。如以最大輸出功率50W太陽電池為例，設(shè)置20片時，則其輸出容量=50WX20=1kWp，表1示某市7月底的光伏發(fā)電量。

表1夏季南向日發(fā)電量時間/h:678910111213141516171819?200?24發(fā)電量/kWh00.0.9122.1.:10.0.015.1.2太陽能J應(yīng)用多樣化從收集到的有關(guān)資料來看，歷年的成果涵蓋許多方面。近年來涉及的領(lǐng)域又有了發(fā)展。分別為太陽能光伏建筑一體化、光伏電站、光伏照明和光伏設(shè)施等方面的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。太陽能光伏建筑一體化

2.1基本概念定義光伏幕墻（屋頂）是將傳統(tǒng)幕墻（屋頂）與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合的一種新型建筑。換句話說，主要是利用太陽能發(fā)電的一種新型、綠色的能源技術(shù)。光伏與建筑相結(jié)合的進(jìn)一步目標(biāo)，是將光伏器件與建筑材料集成化。通常建筑物墻面多采用馬賽克、涂料等材質(zhì)，為了美觀，還以價格較高的玻璃幕墻達(dá)到保護(hù)和裝飾的雙重目的。若能將屋頂、向陽的外墻、窗戶都由光伏器件取代，則既能作為建材使用又能發(fā)電，可謂一舉兩得。當(dāng)然，對太陽電池組件來講，還需具有絕熱保溫、電氣絕緣、防水防潮、強(qiáng)度、剛度和不易破裂等性能。2.1基本概念光伏幕墻（屋頂）設(shè)計(jì)除了需要考慮太陽電池、光組件、導(dǎo)線、逆變器和整流器等因素以外，還必須保證對建筑幕墻（屋頂）安全等功能的落實(shí)。其性能指標(biāo)參數(shù)在滿足有關(guān)的國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，并使其具備上佳使用效果，還要注重其安裝朝向。一般來說，太陽電池板應(yīng)裝在樓群中接受光照時間長的那些部位，如女兒墻、墻楣（屋頂）等；通常選擇幕墻面朝南、東南和西南之間，在一定條件下亦可東向和西向。太陽電池板還可作為固定的遮陽板（頂棚）之類的材料。既可得光能，又易散熱，可謂最佳組合。特別值得注意的是，要把光伏和傳統(tǒng)建筑有機(jī)地結(jié)合在一起，合理選擇其結(jié)構(gòu)形式和布局，使其最終達(dá)到既利用了太陽能，又能滿足性能要求及人們的感觀滿意程度。光伏建筑特點(diǎn)（表2）是一種集發(fā)電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能為一身的新型功能性建筑，它不但突破了傳統(tǒng)建筑以消極的辦法減少能量損失，而是積極利用光伏技術(shù)，把以往被當(dāng)作有害因素被屏蔽掉的太陽光，轉(zhuǎn)化為被人們利用的電能，而且還是一種潔凈能源。還充分考慮了太陽電池板的電能轉(zhuǎn)化工藝、結(jié)構(gòu)和安裝的電氣絕緣性，將幕墻和光伏技術(shù)有機(jī)地結(jié)合。如將接線端子排裝在幕墻橫、豎縫的不可見內(nèi)腔，便于拆卸維護(hù)，電路布線的穩(wěn)固、快捷。即使遇到雨雪等惡劣天氣，也不致于出現(xiàn)漏電、短路等問題，讓指標(biāo)達(dá)到國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表2光伏建筑一體化特點(diǎn)序號優(yōu)勢備注1太陽電池組件是一種固態(tài)裝置，能將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能勿需轉(zhuǎn)動零件、燃料，不會產(chǎn)生污染2已經(jīng)證實(shí)太陽電池組件的預(yù)期壽命長可達(dá)30年3太陽能光伏系統(tǒng)已被成功地應(yīng)用于成千上萬棟建筑上含小型、中型、大型等案例4太陽電池組件呈模塊化，是一種分散式的電力生產(chǎn)裝置不是大型集中式的發(fā)電廠5偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽電池是一種符合改善成本的現(xiàn)實(shí)選擇傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)輸配電線路價格昂貴6建筑屋頂（幕墻）可以為光伏系統(tǒng)提供大量面積，尤其在人口密集地指不要占用額外昂貴的土地

7安裝在建筑物上的太陽電池方陣，省去各類支撐構(gòu)件無需多余的基礎(chǔ)設(shè)施8直接向電網(wǎng)輸送電力，省去系列減少各級別傳輸線輸配電費(fèi)用路的電壓損失9能夠在供電尖峰時刻提供足夠的以適時降低該緊急電力時段的電量需求10完全可能取代傳統(tǒng)的建筑材料使光伏系統(tǒng)擔(dān)負(fù)起雙重角色11有效地減輕對環(huán)境的光污染造福于人類12以多種創(chuàng)新的方式，渲染獨(dú)具魅力的建筑外觀使建筑物更加完美、潔凈13配備蓄電池后，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)確保自身用電還能夠滿足用電設(shè)施的不間斷供電要求注：利用太陽能，不僅可以滿足建筑能源供應(yīng)的需求，實(shí)現(xiàn)建筑物的0排放，而且可以使每棟建筑都成為小型分散的網(wǎng)絡(luò)電力生產(chǎn)者。光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電控制方案的探討防辰_1技W,w他圖I光狀系統(tǒng)示意圖目前光伏系統(tǒng)大多采用蓄電池作為貯能元件。而能夠與光伏電池配套使用的蓄電池種類有很多，目前廣泛使用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池等。目前常使用的是鉛酸免維護(hù)蓄電池，因其維護(hù)方便，性能可靠，且對環(huán)境污染較小，特別是用于無人值守的光伏電站時如圖1，有著其他蓄電池所無法比擬的優(yōu)越性。本文以光伏系統(tǒng)中的鉛酸免維護(hù)蓄電池12V,12AH為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較不同的充電檢測方法。關(guān)于蓄電池的充放電蓄電池充放電是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的，即電池主要組件的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生連續(xù)和深度的變化。所以與一般電子零部件相比，蓄電池對溫度變化更為敏感。此外，反應(yīng)速率，即充電電流或放電電流，影響反應(yīng)參數(shù)并由此影響蓄電池的性能。光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件與蓄電池在其他場合的工作條件不同，其充電率和放電率都非常小，且充電時間受到限制，即只有在日照時才能充電，所以不能按一固定的充電規(guī)律對其進(jìn)行充電。由于蓄電池應(yīng)用在這個特殊的環(huán)境下，致使其壽命比所預(yù)定的短，成為整個光伏系統(tǒng)中最易損壞的部分，其損壞的原因主要為“過充”與“過放”。免維護(hù)鉛酸蓄電池的充放電電池反應(yīng)為：2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2H2SO4過充是指蓄電池單格電壓超過某一水平一般為2.35V/單格?2.40V/單格，此時蓄電池?zé)o法使產(chǎn)生的氧氣充分再化合。充電電壓過高，在負(fù)極上生成的氫很難在電池內(nèi)部被吸收，在電池中因積累而產(chǎn)生壓力并且導(dǎo)致水份損失。嚴(yán)重過充時，水分解，產(chǎn)生氫氣和氧氣，使得蓄電池底部濃度比其他地方高出許多，導(dǎo)致負(fù)極板底部硫酸鹽化，正極板腐蝕和膨脹，造成容量損失。過放是指蓄電池放電超過了規(guī)定的放電終止電壓如圖，蓄電池放出了過量的容量。在鉛酸蓄電池中，兩個電極對過放都是敏感的。在溶解再沉積機(jī)理中，當(dāng)鉛Pb和二氧化鉛PbO2分別溶解在電解液中并作為新的化合物硫酸鉛PbS04沉淀出來時，活性物質(zhì)發(fā)生了徹底的轉(zhuǎn)變并且失去原有的結(jié)構(gòu)。負(fù)電極由于有反極的危險，對過放也是敏感的?；钚晕镔|(zhì)中的膨脹劑可能會因氧化而失去作用，而鉛酸蓄電池在隨后再充電時枝品增長的危險會大大增加。在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時需要對蓄電池的容量進(jìn)行檢測以判斷是否應(yīng)繼續(xù)充電或放電。目前大部分采用電壓單環(huán)的在線式檢測方案。2在線式檢測方案在線式檢測，即在充電過程中不斷地對蓄電池的端電壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)蓄電池的端電壓大于某個限定值時，就視為已充滿，停止太陽電池向蓄電池充電。由于這種電路結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。目前應(yīng)用最為廣泛。它的電路結(jié)構(gòu)可以基于比較控制器建立蓄電池檢測電路如圖3。此電路可以用比較器來控制電池組的充電電流。蓄電池電壓VD分別經(jīng)分壓后輸入比較器：當(dāng)VDV8V時，比較器被觸發(fā)，太陽電池經(jīng)防反二極管向蓄電池充電；當(dāng)VD〉15V時，停止充電。門限電壓可設(shè)定文中所用8V與15V為經(jīng)驗(yàn)所得值。此電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且易于維護(hù)，其在光伏應(yīng)用初期曾得到廣泛運(yùn)用。但它不能實(shí)現(xiàn)涓流充電，造成了能源的極大浪費(fèi)，使得本來效率就不高的光伏系統(tǒng)性價比更低。隨著集成電路的廣泛使用，如今市場上的光伏產(chǎn)品中普遍米取基于專業(yè)芯片的檢測電路，而主控電路米用AV型，充電專用IC中常用的類型。鉛酸電池在充電時，電壓隨充電時間的增長而上升，但充足電后端電壓開始下降。設(shè)計(jì)主控電路時，利用該特性監(jiān)測電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降，以控制充電結(jié)束，達(dá)到自動充電的目的，這也稱為—AV法。以下列出芯片功能實(shí)現(xiàn)框圖圖4。圖4控制程序流程框留它能有效地防止蓄電池的“過充”與“過放”，并能實(shí)現(xiàn)涓流充電，有利于光伏系統(tǒng)效率的提高，是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的蓄電池檢測電路。離線式檢測方案蓄電池的電壓受很多因素的影響，例如溫度、濕度等，特別是在充電過程中，蓄電池的端電壓并不能很好地反映其容量。上述在線式檢測方案中蓄電池都與太陽電池直接相連，其端電壓受太陽電池端電壓制約，VD并不能準(zhǔn)確地反映蓄電池的容量。這突出表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)所處溫度較高時，由于太陽電池板和蓄電池的端電壓均受溫度影響嚴(yán)重，太陽能板端電壓隨溫度升高而降低，而蓄電池端電壓則剛好相反，容易出現(xiàn)蓄電池容量未滿卻已不能充入的現(xiàn)象常稱之為“虛滿”。這在很大程度上影響了蓄電池容量檢測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而阻礙了整個系統(tǒng)的正常工作，造成能源的極大浪費(fèi)。針對這一問題，我們在這里提出一種新穎的蓄電池容量檢測方案——離線式檢測。雖然蓄電池的電壓在充電過程中其端電壓并不能很好地反映其容量，但在斷開充電回路一段時間后，其端壓會自動下降，下降后的端壓能很好地引導(dǎo)我們對蓄電池充電情況作出正確的判斷。我們利用蓄電池端壓的這一特性，設(shè)計(jì)一個太陽電池對多個蓄電池模塊輪換進(jìn)行充電，每個蓄電池的端壓在充電電路斷開后都有足夠的時間恢復(fù)正常，使測得電壓值能更加準(zhǔn)確地反映蓄電池容量?，F(xiàn)僅以雙模塊為例說明本方案如圖5下：太陽電池同時對兩蓄電池模塊充電，同時對它們的端圖位離校式犧圈檢測電路原理如程測電壓進(jìn)行監(jiān)測。設(shè)定一個比實(shí)際過充電壓略低的過充電壓值V,并據(jù)之對兩模塊粗略地進(jìn)行過壓檢測，當(dāng)其端壓高于V時，切斷其中一個蓄電池模塊A的充電回路，而對另一個模塊B進(jìn)行涓流充電，與此同時啟動定時器。下：太陽電池同時對兩蓄電池模塊充電，同時對它們的端圖位離校式犧圈檢測電路原理如程測當(dāng)過一段時間，模塊入的端電壓有所降低并能準(zhǔn)確地反映電池容量時，再對A的端壓進(jìn)行檢測，即精確過壓檢測。若還未充滿，則可接通其充電回路，使繼續(xù)充電；若已充滿，控制其進(jìn)行涓流充電。當(dāng)定時器達(dá)到設(shè)定時間后，重新啟動定時并自動切換開關(guān)，使模塊日的充電回路斷開而對模塊入進(jìn)行涓流充電，靜置一段時間后，再對模塊日重復(fù)以上對模塊入的操作，如此不斷循環(huán)。這種電路雖會造成蓄電池總?cè)萘康脑黾樱茌^準(zhǔn)確地判斷蓄電池的充電情況，減小了蓄電池老化損壞的可能性，使光伏系統(tǒng)的壽命得到延長；兩個蓄電池的輪流充放電充分地利用了太陽能源，提高了光伏系統(tǒng)的效率。但要具體實(shí)現(xiàn)上述方案并不容易，還需要克服許多理論和技術(shù)問題。如一個蓄電池的端壓穩(wěn)定時間與蓄電池本身的性能有關(guān)，該實(shí)驗(yàn)中使用的為鉛酸免維護(hù)蓄電池12V，12AH，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得斷電后得蓄電池端壓的變化v234F67E91PUHein曲線外"必M如圖6可以確定精確測量的定時器間隔時間實(shí)驗(yàn)中的間隔時間取5min。但時間設(shè)定需視蓄電池種類和容量的不同而定；蓄電池在充滿前其端電壓會產(chǎn)生一個大的跳動，使檢測電路產(chǎn)生誤判；由于實(shí)驗(yàn)中，主要需要考察不同的充電檢測方案對蓄電池壽命的影響，所以在充電方式的選擇上，我們主要采用了兩段恒流的充電方式，放電都采用5A放電。新的檢測方式與普通的檢測方式的充電比較如下：實(shí)驗(yàn)證明用新的離線式的端壓檢測方法來指導(dǎo)充電可以明顯提高蓄電池的使用次數(shù)。一些其它的檢測方法不同于上面所說的在線式和離線式檢測方案中，比較有代表性的是一種基于smartbattery的檢測方案。最早由Intel與Duracel1開發(fā)的智能電池結(jié)構(gòu)如下圖7。智能電池系統(tǒng)。它由系統(tǒng)主機(jī)、智能電池控制器及電池保護(hù)電路、電量監(jiān)測電路等幾部分組成。系統(tǒng)主機(jī)和充電電路及控制器之間由SMBus連接，傳輸SBD格式的數(shù)據(jù)。控制器通過電池保護(hù)電路、電量監(jiān)測電路由專用芯片實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)對電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)的監(jiān)測及過流保護(hù)等功能。國外智能電池仍然是以芯片形式推向市場的。智能電池尚在發(fā)展中，國外提供的器件或者電池包要完成智能電池的功效還要做一些相應(yīng)的后期開發(fā)和設(shè)計(jì)工作，且智能電池成本相對過高，故在短時期內(nèi)很難大量使用。at1在岌式的工蚱做孔充電為it克電時何"ininQ.2C-0.05-C150640.5C-O.G3CO-7p*o.皿C式的工探情？R充毗