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太阳能光伏发电技术及其应用,姚建曦 Email:主楼B610,太阳能光伏发电系统设计,太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计。且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载的功率和用电量的统计和计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池组件、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的确定，系统运行情况的预测以及系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载类型的确定和限制，太阳能电池组件和蓄电池的选型，太阳能电池方阵支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型光伏发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成的；在要求不太高的情况下，也可以采用估算的方法。,大型光伏系统,光伏系统设计,技术特点,在发电侧并网，电流是单方向的（不可逆流）；没有储能系统；并入高压电网（10110kV）；不能自发自用和“净电表计量”，只能给出“上网电价”，少量自用电从电网取（小余1）；一般功率很大，5MW以上；一般都是无人值守；要求离负荷中心较近，就地消化；一般占用荒地；自动跟踪或聚光电池一般都是用在荒漠电站带有气象和运行数据自动监测系统和远程数据传输系统。,需要考虑的因素,光伏系统设计,太阳能电站选址,太阳辐射,太阳能电站选址,太阳能光伏发电的全部能量来自太阳，因而太阳能电池方阵面上所获得的辐射量决定它的发电量。太阳能电池方阵面上所获的的辐射量多少与很多因素有关：当地纬度，海拔高度，大气透明度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳能电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化，以及太阳能电池方阵表面的清洁程度等。,太阳能资源,类型 地区 年日照时数 1 西藏西部 新疆东南部 青海西部 甘肃西部 3200-3300 2 西藏东南部 新疆南部 青海东部 宁夏南部 3000-3200 甘肃中部 内蒙古 山西北部 河北西北部 3 新疆北部 甘肃东南部 山西南部 陕西北部 河北东南部 山东 河南 吉林 辽宁 2200-3000 云南 广东南部 福建南部 江苏北部 安徽北部 4 湖南 广西 江西 浙江 湖北 福建北部 广东北部 陕西南部 1400-2200 江苏南部 安徽南部 黑龙江 5 四川 贵州 1000-1400,工程地质,需要地震稀少，具有较好的构造稳定性，地面平整,岩土工程条件,地基承载力，水、土腐蚀性,太阳能电站选址,徐州协鑫20MW电站选址,接入电网条件,与接入点的距离，接入点的间隔,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,根据光伏电站内太阳能资源状况，目前光伏系统的选型主要根据制造水平、运行的可靠性，技术的成熟度和价格，并结合光伏电场的局部情况进行初步布置，计算其在标准状况的理论发电量，最后确定技术方案。,光伏电池组件选型,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,2006 年单晶硅、多晶硅和薄膜这三种电池所占的份额分别为：43.40%、46.50%和10.10%。,光伏并网逆变器选型,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏并网逆变器可以分为大功率集中型逆变器和小型组串式逆变器两种。小型组串式逆变器又可细分为有隔离变压器和无隔离变压器两种，其中有隔离变压器的效率略低。集中型逆变器的效率要高于小型组串式逆变器，且单位千瓦造价与小型组串式逆变器相比有明显的优势。但小型组串式逆变器也有其优点：当逆变器发生故障时，对于小型组串逆变器，只会影响所有连接到该逆变器的容量很少的电池组件的发电量，其余组件不受影响；而对于集中型逆变器，则有成百上千千瓦的电池组件的发电量都会受到影响。,光伏方阵运行方式,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏方阵的运行方式有简单的固定式、倾角季度调节式和自动跟踪式三种类型。自动跟踪式又可分为“单轴跟踪”、“双轴跟踪”两种类型.,固定式：光伏方阵固定安装在支架上，一般朝正南方向放置，且有一定的倾角。倾角可根据当地辐射和地理位置进行优化选择。,光伏方阵运行方式,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,要求太阳能方阵在最佳倾角时，冬天和夏天辐射量的差异尽可能小，而全年总辐射量尽可能大，二者应当兼顾。这对于高纬度地区尤为重要。,我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角,倾角季度调节式：与固定式类似。不同之处，其方阵倾角设计成约1565之间可以手动调节，一般设计成每10一个档位。在夏季，正午太阳高度角较大，方阵倾角可适当减小；而在冬季时，正午太阳高角度较低，可通过提高倾角从而使得太阳光入射到方阵面上的入射角尽可能小。,光伏方阵运行方式,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,单轴跟踪式：它通过围绕位于光伏方阵面上的一个轴旋转来跟踪太阳。该轴可以有任一方向，但通常取东西横向，南北横向，或平行于地轴的方向。最常见的是轴取为南北横向，且有一定的倾角。,光伏方阵运行方式,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,双轴跟踪器：它有两个可以旋转的轴，通过旋转这两个轴可使得方阵面始终和太阳光垂直，从而最大可能捕获太阳能。,光伏方阵运行方式,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,截止到2007年底，全球大型光伏电站中约有27%采用了自动跟踪式，其余采用固定式。倾角季度调节式在大型光伏电站使用较少。倾角季度调节式与倾角设为最优的固定式相比，年总发电量提高5%左右，考虑其造价的增加以及人力成本的增加，该运行方式并不经济。不同跟踪方式在当地条件下对发电量（与固定式相比）的影响不同。根据有关研究表明，单轴跟踪比固定式发电量一般可提高1525%，双轴跟踪比固定式发电量提高2035%。目前，单轴跟踪式、双轴跟踪式的技术已经较为成熟，但是价格较贵，一般来说，发电量的提高比例低于成本的增加比例，性价比较差；而国内专业生产单轴跟踪、双轴跟踪支架的厂家虽然目前报价较低，但由于缺乏大规模商业化生产和运行经验，存在一定商业和技术风险。目前国内光伏发电系统大多采用固定式。,光伏系统的选型,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏系统的布置,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,前后排间距设计,光伏阵列通常成排安装，一般要求在冬至影子最长时，两排光伏阵列之间的距离要保证上午9点到下午3点之间前排不对后排造成遮挡。,在水平面垂直竖立的高为L的木杆的南北方向影子的长度为Ls，Ls/L的数值称为影子的倍率。影子的倍率主要与纬度有关，一般来说纬度越高，影子的倍率越大。,D=Ls/LH,光伏系统的布置,光伏组件的串并联设计,1.假设10MW光伏电站选用的太阳电池组件型号为200W，工作电压为27V，尺寸为1494X1000X45选用逆变器型号为500KW直流输入范围为420V850V，那么一组串中的串联数可选为24个，该组件串的输出功率为4.8kW，输出电压为648V，每台逆变器通过汇流箱并联接入105个这样的组件串。,2.在组件的串联电路中，要求同一个组件串中每块组件的工作电流要相同，在并联电路中，要求每个组件串的电压要相同，否则会影响整个系统的效率。,太阳能电池板最低点距地面距离H的选取主要考虑以下因素：高于当地最大积雪深度 当地的洪水水位 防止动物破坏 防止泥和沙溅上太阳能电池板 H增高会增加光伏阵列的土建成本综合考虑以上因素，并结合国内外的经验，H取为0.5 米,光伏系统的布置,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏系统发电量估算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏系统总效率计算,1).光伏阵列效率1:光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括：组件匹配损失:对于精心设计、精心施工的系统，约有4%的损失；太阳辐射损失:包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失，取值3%；最大功率点跟踪(MPPT)精度，取值2%；直流线路损失:按有关标准规定，应小于3%.得：1=96%97%98%97%=88.5%2).逆变器的转换效率2；逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，对于大型并网逆变器，可取2=97%.3).交流并网效率3：从逆变器输出至高压电网点的传输效率,其中最主要的是变压器的效率.可取3=99%.,4).温度对发电量的影响 光伏电池组件只有在标准测试条件下，即：电池温度25、垂直入射日照强度1000W/m、太阳光谱等同于大气质量1.5的情况下，功率才能达到标定值。太阳电池随着温度的升高，功率会有所下降。,光伏系统发电量估算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,光伏系统总效率计算,利用RETScreen软件可估算环境温度对发电量的影响。计算结果显示，由环境温度造成的发电量损失为。综上，光伏系统总效率：1*2*3*（1-）,光伏系统发电量估算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,发电量计算,利用RETScreen 软件计算发电量，基础数据如下：1）代表年各月平均日辐射值数据2）多年月平均温度3）光伏系统各部分效率4）安装方式（固定式、跟踪式）,按电池组件效率在25年累计折减15%（每年衰减的百分比相同）计算，25年内平均每年发电量。,独立光伏系统,1.太阳能电池方阵倾角的确定：,太阳电池方阵功率计算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,要求太阳能方阵在最佳倾角时，冬天和夏天辐射量的差异尽可能小，而全年总辐射量尽可能大，二者应当兼顾。这对于高纬度地区尤为重要。,2.由水平面辐射量计算太阳电池方阵平面上的辐射量,太阳电池方阵功率计算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,一般来讲，太阳电池方阵面上的辐射量要比水平面辐射量高515不等；纬度越高，倾斜面比水平面增加的辐射量越大。,3.将倾斜方阵面上的辐射量转换成峰值日照时数,太阳电池方阵功率计算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,换算公式如下：如果辐射量的单位是：cal/cm2，则峰值日照小时数辐射量0.0116假定某地年水平面辐射量为135kcal/cm2，方阵面上的辐射量为148.5kcal/cm2，则年峰值日照小时数为148500 0.0116=1722.6h；每日的峰值日照时数为1722.6h 365=4.7h.如果辐射量的单位是：MJ/m2，则峰值日照小时数辐射量3.6,4.根据辐射量和负载数据计算太阳电池组件的功率、蓄电池的容量以及控制器、逆变器和其它设备的容量,太阳电池方阵功率计算,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,5.太阳电池方阵功率的计算,首先确定太阳电池的厂家和技术参数。如：生产厂家尚德；型号PW500；最大功率47Wp；工作电压17.0V(为12V蓄电池充电)；工作电流2.8A.太阳电池组件串联数系统直流电压（蓄电池电压）/12V太阳电池组件并联数负载日耗电（Wh）系统直流电压日峰值日照系统效率系数太阳电池组件工作电流例如：负载日耗电10kWh，太阳电池组件并联数为：10000Wh2204.7(0.9 0.9 0.85)2.8=5块,蓄电池设计,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,蓄电池的设计思想是保证在太阳光连续低于平均值的情况下负载仍能正常工作。,为了避免蓄电池的损坏，蓄电池的连续放电过程只能允许持续一定时间，直到蓄电池的荷电状态到达指定的危险值。为了量化评估这种太阳光照连续低于平均值的情况，在进行蓄电池设计时，引入了自给天数这个概念，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但是还要综合考虑负载对电源的要求。,蓄电池设计,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,对于负载对电源要求不严格的的光伏应用，设计中通常取自给天数为35天。对于负载要求很严格的光伏应用系统，设计中通常取自给天数为714天。,还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很远的地区，必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员到达现场需要花费很长时间。,光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池荷铅酸蓄电池，但是在较大系统中考虑技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。,蓄电池设计,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。,第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。,蓄电池设计,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称除以蓄电池的标称电压。,蓄电池串并联,蓄电池设计,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,举例：假设某光伏系统交流负载的耗电量为10kW h/天，如果在该光伏系统中选择使用效率为90的逆变器，输入电压为24V，那么可得所需的直流电负载需求是：,蓄电池串并联,自给天数5天，放电深度80：,蓄电池设计,太阳能光伏系统的选型、布置和发电量估算,如果选用2V/(400A h)的单体蓄电池，那么需要串联的电池数：,蓄电池串并联,需要并联的电池数：,取整数为8，所以该系统需要使用2V/400A h的蓄电池个数为：12串联8并联96个。,谢谢！,
