太阳能光伏发电系统设计施工与应用(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：李钟实

出版社：人民邮电出版社有限公司

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

太阳能光伏发电系统设计施工与应用(第2版)试读：

前言

本书在原书内容基础上，做了较大的提升和改动，首先简要介绍了太阳能光伏发电系统的原理、分类和构成；又结合实际，用5个章节对光伏发电系统各组成部分的工作原理、性能参数以及设计选用方法进行了详细介绍；第7、8两章分别对离、并网光伏发电系统的容量设计、系统整体配置、并网接入设计等内容进行了详细介绍，给出了一些实用的设计方法和计算公式；第9、10章对光伏发电系统的安装施工、检测调试与运行维护、故障检修等内容进行了详细介绍；第11章通过几个不同形式、不同容量规模的离、并网光伏发电系统实际设计应用案例，对光伏发电系统的整体设计思路、系统配置和构成等内容进行了梳理，便于读者更系统地理解和借鉴；第12章主要介绍了光伏发电系统新技术应用方面的内容；附录部分提供了一些实用的技术资料。

本书作者结合自己10余年从事光伏发电相关工作的实践经验以及长期积累的数据资料，从实用的角度出发，力求做到内容翔实、图文并茂、通俗易懂，方便读者在实际工作中应用，并通过学习，尽快成为行家里手。本书是一本关于太阳能光伏发电实际应用方面的知识性和技术性图书，主要供从事太阳能光伏发电系统设计、施工、维护及应用方面的工程技术人员以及光伏发电设备、部件生产方面的相关人员阅读，也适合大专院校相关专业学生及教师学习参考，还可供对太阳能光伏发电感兴趣的各界人士阅读。

本书在编写过程中，参阅了光伏同仁们的部分有关著作及各光伏网站和微信公众号中的相关资料，汲取其营养，借鉴其精华，在此向相关作者致以敬意和由衷的感谢。

本书由李钟实负责编写，原晋平、王志建、王君、李皓、张亦弛、张慧荣、霍书杰、刘志强、李质彬、霍冬晟、白昇智、刘梦晓等为本书的编写提供了许多宝贵资料和有力帮助，并参与了部分章节的编写和整理工作。山西三晋阳光太阳能科技有限公司董事长张慧斌先生、总经理王君先生对本书的编写给予了大力的支持和帮助，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者予以指正。编者2018年9月前言

能源是社会和经济发展的重要保障，大力开发可再生能源是解决能源危机的主要途径。太阳能是未来能源中一种非常理想的清洁能源，太阳能光伏发电是一种最具可持续发展特征的可再生能源发电技术。近年来随着社会对能源和环保问题的日益关注，我国政府相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业发展的政策法规，使得太阳能光伏产业迅猛发展，光伏发电技术和应用水平不断提高，应用范围逐步扩大，并将在能源结构中占有越来越大的比例。我国光伏发电产业的前景十分广阔。

本书对太阳能光伏发电系统的设计、施工、维护及应用等内容进行了详细介绍。首先简要介绍了太阳能光伏发电系统的原理、分类和构成；随后结合设计工作的实际需要，对各部件的工作原理和性能参数进行了详细介绍；接着重点从容量设计和配置选型两个方面介绍了光伏发电系统的设计方法，还对安装施工与维护工作进行了介绍，并给出了一些实用的计算公式和设计安装方法与实例；最后利用两个章节重点介绍了光伏发电设计应用实例、光伏发电新技术应用等方面的内容；附录部分还提供了一些实用的资料。

本书作者结合自己多年从事相关工作的实践经验以及积累的数据资料，从实用的角度出发，力求做到内容详实、图文并茂、通俗易懂，方便读者在实际工作中应用。本书是一本关于太阳能光伏发电系统实际应用方面的技术图书，主要供从事太阳能发电系统设计、施工、维护及应用方面的工程技术人员阅读，也适合相关专业本、专科学生及教师学习参考。

本书由李钟实负责编写，王志建、王君、张婷婷、李皓等为本书提供了许多宝贵资料，并参与了部分章节的编写和整理工作。郝成龙、霍书杰、刘志强、白继娟、张改霞等也为本书的编写提供了许多帮助。山西昊阳新能源科技有限公司董事长刘海燕先生、山西西子能源科技有限公司总经理王冬杰先生对本书的编写给予了大力的支持和帮助，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者予以指正。编者2012年10月第1章 太阳能光伏发电系统概述

本章主要介绍太阳能光伏发电系统的特点、构成、工作原理及分类，使读者对太阳能光伏发电系统有一个大致的了解。1.1 太阳能光伏发电概述1.1.1 太阳能光伏发电简介

太阳能光伏发电是利用太阳电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏特效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳电池，也叫光伏电池。当太阳光照射到太阳电池（由P、N型两种不同类型的同质半导体材料构成）上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子-空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动（如图1-1所示），N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背光面有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。单片太阳电池就是一个薄片状的半导体PN结，标准光照条件下，额定输出电压为0.5～0.55V。为了获得较高的输出电压和较大的功率容量，在实际应用中往往把多片太阳电池连接在一起构成电池组件，或者用更多的电池组件构成光伏方阵，如图1-2所示。太阳电池的输出功率是随机的，不同时间、不同地点、不同光照强度、不同安装方式下，同一块太阳电池的输出功率也是不同的。图1-1　太阳能光伏电池发电原理图1-2　从电池片、电池组件到光伏方阵1.1.2 太阳能光伏发电的优点

太阳能光伏发电的过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。因此，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，其主要优点如下。（1）太阳能资源取之不尽、用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大近6000倍，而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。（2）虽然在地球表面，维度的不同、气候条件的差异等因素会造成太阳能辐射的不均匀，但由于太阳能资源随处可得，可就近解决发电、供电和用电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路投资及电能损失。（3）光伏发电是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80％以上，技术开发潜力大。（4）光伏发电本身不用燃料，温室气体和其他废气物质的排放几乎为零，不产生噪声，也不会对空气和水产生污染，对环境友好。不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击，太阳能是真正绿色环保的可再生新能源。（5）光伏发电过程不需要冷却水，发电装置可以安装在没有水的荒漠、戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物的屋顶、墙面结合，构成屋顶分布式或光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占有土地，可节省宝贵的土地资源。（6）光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳、电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。（7）光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上），晶体硅太阳电池寿命可长达25～35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。（8）太阳电池组件结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷其容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

此外，近几年来应用最为广泛的是利用各种建筑物屋顶和农业设施屋顶及家庭住宅屋顶建设的分布式光伏发电系统，除同样具有上述优点外，还具有以下优越性。（1）分布式光伏发电基本不占用土地资源，可就近发电、供电，不用或少用输电线路，降低了输电成本。光伏组件还可以直接代替传统的墙面和屋顶材料。（2）分布式光伏发电系统在接入配电网时是发电用电并存。在电网供电处于高峰期发电，可以有效地起到平峰的作用，削减城市昂贵的高峰供电负荷，能够在一定程度上缓解局部地区的用电紧张状况。1.1.3 太阳能光伏发电的缺点

当然，太阳能光伏发电也有它的不足和缺点，归纳起来有以下几点。（1）能量密度低。尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围辐射能量的10％左右，致使在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少，通常以太阳辐照2度来表示，地球表面最高值约为1.2kWh/m，且绝大多数地区和大多2数的日照时间都低于1kWh/m。太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。（2）占地面积大。太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统2的占地面积会很大，每10kW光伏发电功率占地约70m，平均每平方米面积的发电功率为160W左右。随着分布式光伏发电的推广以及光伏建筑一体化发电技术的成熟和发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、构筑物的屋顶和立面，逐步改善了光伏发电系统占地面积大的不足。（3）转换效率较低。光伏发电的最基本单元是太阳电池组件。光伏发电的转换效率指的是光能转换为电能的比率。目前晶体硅光伏电池的最高转换效率在21％左右，做成的电池组件转换效率在16％～17％，非晶硅光伏组件的转换效率最高超不过13％。由于光电转换效率较低，使光伏发电系统功率密度低，难以形成高功率发电系统。（4）间歇性工作。在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上则不能发电，这和人们的用电方式和习惯不符。除非在太空中没有昼夜之分的情况下，太阳电池才可以连续发电。（5）受自然条件和气候环境因素影响大。太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳光照射受自然条件和气候的影响很大，一年四季、昼夜交替、地理纬度和海拔高度等自然条件以及阴晴、雨雪、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。另外，环境因素的影响也很大，特别是空气中的颗粒物（如灰尘等）降落在电池组件表面，会阻挡部分光线的照射，使电池组件转换效率降低，发电量减少。（6）地域依赖性强。不同的地理位置，使各地区的日照资源相差很大。光伏发电系统只有在太阳能资源丰富的地区应用效果才好，投资收益率才高。（7）系统成本高。太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止，光伏发电的成本仍然比其他常规发电方式（火力和水力发电等）的要高。这也是制约其广泛应用的主要因素之一。但是我们应看到，随着太阳电池产能的不断扩大及电池片光电转换效率的不断提高，光伏发电系统成本下降得非常快，太阳电池组件的价格已经从前几年的每瓦十几元下降至目前的2.5元/W左右。（8）晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗。晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。从沙子一步步变成含量为99.9999％以上纯净的晶体硅，期间要经过多道化学和物理工序，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。

尽管太阳能光伏发电有上述不足和缺点，但是全球化石能源的逐渐枯竭以及因化石能源过度消耗而引发的全球变暖和生态环境恶化，给人类带来了很大的生存威胁，因此大力开发可再生能源是解决这个问题的主要措施之一。由于太阳能光伏发电是一种最具可持续发展特征的可再生能源发电技术，近年来我国政府也相继出台了一系列鼓励和支持新能源及太阳能光伏产业的政策法规，这使得太阳能光伏产业迅猛发展，光伏发电技术和水平不断提高，应用范围逐步扩大，将在能源结构中占有越来越大的比重。1.1.4 太阳能光伏发电的应用

太阳电池及光伏发电系统已经逐步应用到工业、农业、科技、国防及老百姓的日常生活中，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为主要的发电形式之一，在可再生能源结构中占有一定比例。太阳能光伏发电的具体应用主要有以下几个方面。（1）通信领域的应用：包括太阳能无人值守微波中继站（如图1-3所示），光缆通信系统及维护站，移动通讯基站，广播、通信电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。图1-3　太阳能微波中继站（2）公路、铁路、航运交通领域的应用：如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。太阳能灯具的应用实例如图1-4所示。图1-4　太阳能灯具的应用（3）石油、海洋、气象领域的应用：石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护的太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备、观测站，电源系统等。（4）农村和边远无电地区的应用：在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用的太阳能离网光伏发电系统、村庄、学校、医院、饭店、旅社、商店等的小型风光互补发电系统。解决无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题的太阳能光伏水泵。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯（如图1-5所示）等应用。图1-5　农村太阳能光伏电站和太阳能灭虫灯（5）太阳能光伏照明方面的应用：太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等，还有家庭照明灯具（如图1-6所示）及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电筒等。图1-6　太阳能小台灯（6）大型地面光伏发电系统（电站）的应用：主要应用在光照资源好，有大量非农业用地的我国中西部地区。（7）分布式光伏发电及光伏建筑一体化发电系统（BIPV）的应用：利用工商业屋顶、公共设施屋顶及家庭住宅屋顶等安装分布式光伏发电系统，以及用太阳能电池组件代替建筑材料、作为建筑物的屋顶和外立面使用，使得各类建筑物都能实现光伏发电系统与电力电网并网运行，以自发自用为主、剩余电力送入电网（如图1-7所示），这将是目前和今后一段时期光伏发电应用的主要形式和发展方向。图1-7　太阳能光伏建筑一体化（8）太阳能商品及玩具的应用：太阳能收音机、太阳能钟、太阳帽、太阳能手机充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等，如图1-8所示。图1-8　太阳能手机充电器和太阳能玩具（9）其他领域的应用：太阳能电动汽车、电动自行车、太阳能游艇，太阳能充电设备，太阳能汽车空调、换气扇、冷饮箱等，还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备供电，卫星、航天器、空间太阳能电站等，如图1-9所示。图1-9　太阳能电池的空间应用1.2 太阳能光伏发电系统的构成、工作原理与分类1.2.1 太阳能光伏发电系统的构成

通过太阳电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，也可简称为光伏发电系统。尽管太阳能光伏发电系统的应用形式多种多样，应用规模也跨度很大（从小到不足1W的太阳能草坪灯应用，到几百千瓦甚至几十兆瓦的大型光伏电站应用），但系统的组成结构和工作原理却基本相同，主要由太阳电池组件（或方阵）、储能蓄电池（组）、光伏控制器、光伏逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）等，和直流汇流箱、直流配电柜、交流汇流箱或配电柜、升压变压器、光伏支架以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。

1. 太阳电池组件

太阳电池组件也叫光伏电池板，是光伏发电系统中实现光电转换的核心部件，也是光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳光的辐射能量转换为直流电能，送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于推动直流负载工作，或通过光伏逆变器转换为交流电为用户供电或并网发电。当发电容量较大时，需要用多块电池组件串、并联构成太阳电池方阵。目前应用的太阳电池组件主要分为晶硅组件和薄膜组件。晶硅组件分为单晶硅组件、多晶硅组件；薄膜组件包括非晶硅组件、微晶硅组件、铜铟镓硒（CIGS）组件、碲化镉（CdTe）组件等几种。

2. 储能蓄电池

储能蓄电池主要用于离网光伏发电系统和带储能装置的并网光伏发电系统，其作用主要是存储太阳电池发出的电能，并可随时向负载供电。光伏发电系统对蓄电池的基本要求是，自放电率低，使用寿命长，充电效率高，深放电能力强，工作温度范围宽，少维护或免维护以及价格低廉。目前光伏发电系统配套使用的主要是铅酸电池、铅碳电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池等，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池或超级电容器等。当有大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。

3. 光伏控制器

光伏控制器是离网光伏发电系统中的主要部件，其作用是控制整个系统的工作状态，保护蓄电池；防止蓄电池过充电、过放电、系统短路、系统极性反接和夜间防反充等。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外，光伏控制器还有光控开关、时控开关等工作模式，以及对充电状态、用电状态、蓄电池电量等各种工作状态的显示功能。光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率、风光互补控制器等。

4. 光伏逆变器

光伏逆变器的主要功能是把电池组件或者储能蓄电池输出的直流电能尽可能多地转换成交流电能，提供给电网或者用户使用。光伏逆变器按运行方式不同，可分为并网逆变器和离网逆变器。并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统。离网逆变器用于独立运行的光伏发电系统。由于在一定的工作条件下，光伏组件的功率输出将随着光伏组件两端输出电压的变化而变化，并且在某个电压值时组件的功率输出最大，因此光伏逆变器一般都具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，即逆变器能够调整电池组件两端的电压使得电池组件的功率始终输出最大。

5. 直流汇流箱

直流汇流箱主要是用在几十千瓦以上的光伏发电系统中，其用途是把电池组件方阵的多路直流输出电缆集中输入、分组连接到直流汇流箱中，并通过直流汇流箱中的光伏专用熔断器、直流断路器、电涌保护器及智能监控装置等的保护和检测后，汇流输出到光伏逆变器。直流汇流箱的使用，大大简化了电池组件与逆变器之间的连线，提高了系统的可靠性与实用性，不仅使线路连接井然有序，而且便于分组检查和维护。当组件方阵局部发生故障时，可以局部分离检修，不影响整体发电系统的连续工作，保证光伏发电系统发挥最大效能。

6. 直流配电柜

在大型的并网光伏发电系统中，除了采用许多个直流汇流箱外，还要用若干个直流配电柜作为光伏发电系统中二、三级汇流之用。直流配电柜主要是将各个直流汇流箱输出的直流电缆接入后再次进行汇流，然后输出与并网逆变器连接，有利于光伏发电系统的安装、操作和维护。

7. 交流配电柜与汇流箱

交流配电柜是在光伏发电系统中连接逆变器与交流负载或公共电网的电力设备，它的主要功能是对电能进行接受、调度、分配和计量，保证供电安全，并显示各种电能参数和监测故障。交流汇流箱一般用在组串式逆变器系统中，主要作用是把多个逆变器输出的交流电经过二次集中汇流后送入交流配电柜中。

8. 升压变压器

升压变压器在光伏发电系统中主要用于将逆变器输出的低压交流电（0.4kV）升压到与并网电压等级相同的中高压（如10kV、35kV、110kV、220kV等），通过高压并网实现电能的远距离传输。小型并网光伏发电系统基本都是在用户侧直接并网，自发自用、余电直接馈入0.4kV低压电网，故不需要升压环节。

9. 光伏支架

光伏发电系统中使用的光伏支架主要有固定倾角支架、倾角可调支架和自动跟踪支架几种。自动跟踪支架又分为单轴跟踪支架和双轴跟踪支架。其中单轴跟踪支架又可以细分为平单轴跟踪、斜单轴跟踪和方位角单轴跟踪支架三种。在光伏发电系统中，目前以固定倾角支架和倾角可调支架的应用最为广泛。

10. 光伏发电系统附属设施

光伏发电系统的附属设施包括系统运行的监控和检测系统、防雷接地系统等。监控检测系统全面监控光伏发电系统的运行状况，包括电池组件串或方阵的运行状况，逆变器的工作状态，光伏方阵的电压、电流数据，发电输出功率、电网电压频率、太阳辐射数据等，并可以通过有线或无线网络的远程连接进行监控，通过电脑、手机等终端设备获得数据。1.2.2 太阳能光伏发电系统的工作原理

太阳能光伏发电系统从大类上可分为离网（独立）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。

图1-10是离网光伏发电系统的工作原理示意图。太阳能光伏发电的核心部件是太阳电池组件，它将太阳光的光能直接转换成电能，并通过光伏控制器把电池组件产生的电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过光伏控制器合理地分配到各个负载上。电池组件所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用。图1-10　离网光伏发电系统的工作原理

离网光伏发电系统适用于下列情况及场合：①需要移动携带的设备电源；②远离电网的边远地区、农林牧区、山区、岛屿；③不需要并网的场合；④不需要备用电源的场合等。

一般来说，在远离电网而又必需电力供应的地方以及如柴油发电等需要运输燃料、发电成本较高的场合，使用离网光伏发电系统比较经济、环保，可优先考虑。有些场合为了保证离网供电的稳定性、连续性和可靠性，往往还需要采用柴油发电机、风力发电机等与光伏发电系统构成风光柴互补的发电系统。

图1-11是并网光伏发电系统的工作原理示意图。并网光伏发电系统由电池组件方阵将光能转变成电能，并经直流汇流箱和直流配电柜进入并网逆变器，有些类型的并网光伏发电系统还要配置储能系统储存电能。并网光伏逆变器由功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成。经逆变器输出的交流电通过交流配电柜后供用户或负载使用，多余的电能可通过电力变压器等设备逆流馈入公共电网（可称为卖电）。当并网光伏发电系统因气候原因发电不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向用户负载补充供电（称为买电）。系统还配备有监控、测试及显示系统，用于对整个系统工作状态的监控、检测及发电量等各种数据的统计，还可以利用计算机网络系统远程控制和显示数据。图1-11　并网光伏发电系统工作原理

并网光伏发电系统可以向公共电网逆流供电，其“昼发夜用”的发电特性正好可对公共电网实行峰谷调节，对加强供电的稳定性和可靠性十分有利。与离网光伏发电系统相比，可以不用储能蓄电设备（特殊场合除外），从而扩大了使用范围和灵活性，并使发电系统成本大大降低。

对于有储能系统的并网光伏发电系统，光伏逆变器中将含有充放电控制功能，负责调节、控制和保护储能系统正常工作。1.2.3 太阳能光伏发电系统的分类

太阳能光伏发电系统按大类可分为离网（独立）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。其中，离网光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直流混合光伏发电系统。而直流光伏发电系统又可分为有蓄电池的系统和没有蓄电池的系统。

并网光伏发电系统可分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途也可分为有储能系统和无储能系统等。光伏发电系统的分类及具体应用可参看图1-12和表1-1。图1-12　太阳能光伏发电系统的分类表1-1　太阳能光伏发电系统的分类及用途

离网光伏发电系统主要是指分散式的独立发电供电系统，其主要有两种运行方式：①系统独立运行向附近用户供电；②系统独立运行，但在光伏发电系统与当地电网之间有保障供电的自动切换装置。

并网光伏发电系统按运行方式又可分为3种：①系统与电网系统并联运行，但光伏发电系统对当地电网无电能输出（无逆流）；②系统与电网系统并联运行，且能向当地电网输出电能（有逆流）；③系统与电网系统并联运行，并带有储能装置，可根据需要切换成局部用户独立供电系统，也可以构成局部区域或用户的“微电网”运行方式。

按接入并网点的不同可分为用户侧并网和电网侧并网两种模式，其中用户侧并网又分为可逆流向电网供电和不可逆流向电网供电两种模式。

按发电利用形式不同可分为完全自发自用、自发自用+余电上网和全额上网三种模式。

按装机容量的大小可分为小型光伏发电系统（≤1MW）；中型光伏发电系统1MW至30MW，包含30MW和大型光伏发电系统（＞30MW）。

按并网电压等级不同可分为小型光伏电站：接入电压等级为0.4kV低压电网；中型光伏电站：接入电压等级为10～35kV高压电网；大型光伏电站：接入电压等级为66kV及以上高压电网。

下面就对各种光伏发电系统的构成与工作原理分别予以介绍。1.3 离网（独立）光伏发电系统

离网光伏发电系统主要由太阳电池组件、光伏控制器、储能蓄电池、光伏逆变器、交直流配电箱、光伏支架等组成。离网光伏发电系统根据用电负载的特点，可分为下列几种形式。1.3.1 无蓄电池的直流光伏发电系统

无蓄电池的直流光伏发电系统如图1-13所示。该系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。太阳电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。系统不需要使用光伏控制器，也没有蓄电储能装置。该系统的优点是减少了电能通过光伏控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损耗，提高了太阳能的利用效率。这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。应用太阳能光伏水泵除了可以在阳光充足的时候直接抽水灌溉外，还可以利用光伏水泵把水抽到蓄水池内储存起来，将太阳能转换为势能，以供夜晚和阴雨天使用。图1-13　无蓄电池的直流光伏发电系统1.3.2 有蓄电池的直流光伏发电系统

有蓄电池的直流光伏发电系统如图1-14所示。该系统由太阳电池、光伏控制器、蓄电池、直流负载等组成。有阳光时，太阳电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳电池方阵和蓄电池组了。图1-14　有蓄电池的直流光伏发电系统1.3.3 交流及交、直流混合光伏发电系统

交流及交、直流混合光伏发电系统如图1-15所示。与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个光伏逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。有阳光时，光伏电池将光能转换为直流电能向储能蓄电池充电，并同时通过光伏逆变器把直流电转换成交流电，为交流用户或负载提供电能。夜间或阴雨天时，则将储能蓄电池存储的直流电能通过光伏逆变器转换为交流电向负载供电。交、直流混合系统则既能为直流负载供电，也能为交流负载供电。图1-15　交流和交、直流混合光伏发电系统1.3.4 市电互补型光伏发电系统

市电互补型光伏发电系统如图1-16所示。所谓市电互补光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。这样光伏发电系统中电池组件和蓄电池的容量都可以设计的小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量做补充。在我国大部分地区全年基本上都有2/3以上的晴好天气，这样系统全年就有2/3以上时间用太阳能发电，剩余时间用市电补充能量。这种形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在推广和普及过程中的一个过渡性的好办法。这种形式原理上与下面将要介绍的无逆流并网型光伏发电系统有相似之处，但还不能等同于并网应用。图1-16　市电互补型光伏发电系统

应用举例：某市区路灯改造，如果将普通路灯全部换成太阳能路灯，一次性投资很大，无法实现。而如果将普通路灯加以改造，保持原市电供电线路和灯杆不动，更换节能型光源灯具，采用市电互补光伏发电的形式，用小容量的电池组件和蓄电池（仅够当天使用，也不考虑连续阴雨天数），就构成了市电互补型太阳能路灯，投资减少一半以上，节能效果显著。1.3.5 能自动切换的光伏发电系统

能自动切换的光伏发电系统如图1-17所示。所谓自动切换就是离网系统具有与公共电网自动运行双向切换的功能。一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到公共电网供电一侧，由电网向负载供电；二是当电网因为某种原因突然停电时，光伏系统可以自动切换使电网与光伏系统分离，成为独立光伏发电系统。有些带切换装置的光伏发电系统，还可以在需要时断开为一般负载的供电，接通对应急负载的供电。图1-17　能自动切换的光伏发电系统1.3.6 风光互补及风光柴互补型发电系统

风光互补及风光柴互补型发电系统如图1-18所示。所谓风光互补是指在光伏发电系统中并入风力发电系统，使太阳能和风能根据各自的气象特征形成互补。一般来说，白天只要天气晴好，光伏发电系统就能正常运行，而夜晚无阳光时往往风力又比较大，风力发电系统恰好弥补光伏发电系统的不足。风光互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，对气象资源的利用更加充分，可实现昼夜发电，提高了系统供电的连续性和稳定性，但在风力资源欠佳的地区不宜使用。图1-18　风光互补及风光柴互补型发电系统

另外在比较重要或对供电稳定性要求较高的场合，还需要采用柴油发电机与光伏发电系统、风力发电机构成风光柴互补的发电系统。其中柴油发电机一般处于备用状态或小功率运行待机状态，当风光发电不足和蓄电池储能不足时，由柴油发电机补充供电。1.4 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统就是将电池组件或方阵产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。并网光伏发电系统有集中式大型地面光伏电站系统，也有分布式光伏电站系统。大型地面光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大，建设周期长，占地面积大，需要复杂的控制设备和远距离高压输配电系统，其发电成本要比传统能源发电成本贵1倍以上，目前在我国西部地区得到广泛的开发与建设，一些项目还处在国家政策补贴阶段。而分布式光伏电站，特别是与建筑物相结合的屋顶光伏发电系统、光伏建筑一体化发电系统等，由于投资小，建设快，占地面积小甚至不占用土地，政策支持力度大等优点，是目前和未来并网光伏发电应用的主流。

那么，什么是分布式光伏发电呢？分布式光伏发电主要是指在用户的场地或场地附近建设和并网运行的，不以大规模远距离输送为目的，所生产的电力以用户自用及就近利用为主，多余电量上网，支持现有电网运行，且在配电网系统平衡调节的光伏发电设施。

分布式光伏发电系统一般接入10kV以下电网，单个并网点总装机容量不超过6MW。以220V电压等级接入的系统，单个并网点总装机容量不超过8kW。

国家能源局在《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》（国能综新能〔2014〕406号）文件中，又将分布式光伏发电的定义扩展为：利用建筑屋顶及附属场地建设的分布式光伏发电项目，在项目备案时可选择“自发自用、余电上网”或“全额上网”中的一种模式。在地面或利用农业大棚等无电力消费设施建设、以35kV及以下电压等级接入电网（东北地区66kV及以下）、单个项目容量不超过2万kW（20MW）且所发电量主要在并网点变电台区消纳的光伏电站项目，可纳入分布式光伏发电规模指标管理。

文件指出，国家鼓励开展多种形式的分布式光伏发电应用。充分利用具备条件的建筑屋顶（含附属空闲场地）资源，鼓励屋顶面积大、用电负荷大、电网供电价格高的开发区和大型工商企业率先开展光伏发电应用。鼓励各级地方政府在国家补贴基础上制定配套财政补贴政策，并且对公共机构、保障性住房和农村适当加大支持力度。鼓励在火车站（含高铁站）、高速公路服务区、飞机场航站楼、大型综合交通枢纽建筑、大型体育场馆和停车场等公共设施系统推广光伏发电，在相关建筑等设施的规划和设计中将光伏发电应用作为重要元素，鼓励大型企业集团对下属企业统一组织建设分布式光伏发电工程。因地制宜利用废弃土地、荒山荒坡、农业大棚、滩涂、鱼塘、湖泊等建设就地消纳的分布式光伏电站。鼓励分布式光伏发电与农户扶贫、新农村建设、农业设施相结合，促进农村居民生活改善和农村农业发展。

分布式光伏发电倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。其能源利用率高，建设方式灵活，将成为我国光伏应用的主要方向。目前，应用最为广泛的分布式光伏发电系统是建设在各种建筑物屋顶和农业设施屋顶及家庭住宅屋顶的光伏发电项目。对这些项目应用的要求是必须接入公共电网，或与公共电网一起为附近的用户供电，所发电力一般直接馈入低压配电网或35kV及以下中高压电网中。

常见的并网光伏发电系统一般有下列几种形式。1.4.1 有逆流并网光伏发电系统

有逆流并网光伏发电系统如图1-19所示。当光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网送电（卖电）；当光伏发电系统提供的电力不足时，由电网向负载供电（买电）。由于该系统向电网送电时与由电网供电时的方向相反，所以称为有逆流并网光伏发电系统。图1-19　有逆流并网光伏发电系统1.4.2 无逆流并网光伏发电系统

无逆流并网光伏发电系统如图1-20所示。无逆流并网光伏发电系统即使发电充裕时也不向公共电网供电，但当光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。图1-20　无逆流并网光伏发电系统1.4.3 有储能装置的并网光伏发电系统

有储能装置的并网光伏发电系统如图1-21所示，就是在上述两种并网光伏发电系统中根据需要配置储能装置。带有储能装置的光伏发电系统主动性较强，当电网出现停电、限电及故障时，可独立运行并正常向负载供电。因此，带有储能装置的并网光伏发电系统可作为紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要场所或应急负载的供电系统。同时，带储能系统的并网光伏发电对减少电网冲击，削峰填谷，提高用户光伏电力利用率，建立智能微电网等具有非常重要的意义。光伏+储能也会成为今后扩大光伏发电应用的必由之路。图1-21　有储能的并网光伏发电系统1.4.4 大型并网光伏发电系统

大型并网光伏发电系统如图1-22所示，由若干个并网光伏发电单元组合构成。每个光伏发电单元将太阳电池方阵发出的直流电经光伏并网逆变器转换成380V交流电，经升压系统变成10kV的交流高压电，再送入35kV变电系统后，并入35kV的交流高压电网。35kV交流高压电经降压系统后变成380～400V交流电作为发电站的备用电源。图1-22　大型并网光伏发电系统1.4.5 分布式智能电网光伏发电系统

分布式智能电网光伏发电系统如图1-23所示。该发电系统利用离网光伏发电系统中的充放电控制技术和电能存储技术，克服单纯并网光伏发电系统受自然环境条件影响使输出电压不稳、对电网冲击严重等弊端，同时能部分增加光伏发电用户的自发自用量和上网卖电量。另外，利用各自系统储能电量和用电量的不同以及时间差异，可以使用户在不同的时间段并入电网，进一步减少对电网的冲击。图1-23　分布式智能电网光伏发电系统

该系统中每个单元都是一个带储能装置的并网光伏发电系统，都能实现光伏并网发电和离网发电的自动切换，保证了光伏并网发电和供电的可靠性，缓解了光伏并网发电系统启停运行对公共电网的冲击，增加了用户用电的自发自用量。

分布式智能电网光伏发电系统是今后并网光伏发电应用的趋势和方向，其主要优点有如下几条。

① 减少对电网的冲击，稳定电网电压，抵消高峰时段的用电量。

② 增加用户的自发自用量或卖电量。

③ 在电网发生故障时能独立运行，解决覆盖范围的正常供电。

④ 确保和增加光伏发电在整个能源系统中的占比和地位。第2章 电池组件与光伏方阵

太阳电池组件也叫太阳能光伏组件，通常还简称为电池组件或光伏组件，英文名称为“Solar Module”或“PV Module”。电池组件是把多个单体的太阳电池片根据需要串、并联起来，并通过专用封装材料和专门生产工艺进行封装后的产品。

为什么单体的太阳电池不能直接用于光伏发电系统呢？这是因为：①单体太阳电池机械强度差，厚度只有200μm左右，薄而易碎；②太阳电池易腐蚀，若直接曝露在大气中，电池的转换效率会受到潮湿、灰尘、酸碱物质、空气中含氧量等因素的影响而下降，电池的电极也会氧化、锈蚀脱落，甚至会导致电池失效；③单体太阳电池的输出电压、电流和功率都很小，工作电压只有0.5V左右，由于受硅片材料尺寸限制，单体电池片输出功率最大也只有4W左右，远不能满足光伏发电实际应用的需要。

目前太阳能光伏发电系统采用的太阳电池组件主要以晶体硅材料为主（包括单晶硅和多晶硅），因此本章将主要介绍晶体硅太阳电池组件的原理、构造和生产制造过程，太阳能光伏方阵的组合、配置、连接以及电池组件的设计选型等内容。2.1 电池组件的基本要求与分类2.1.1 电池组件的基本要求

电池组件在应用中要满足以下要求：①能够提供足够的机械强度，使电池组件能经受运输、安装和使用过程中，由于冲击、震动等而产生的应力，能经受冰雹的冲击力；②具有良好的密封性，能够防风、防水，隔绝大气条件下对电池片的腐蚀；③具有良好的电绝缘性能；④抗紫外线辐射能力强；⑤工作电压和输出功率可以按不同的要求进行设计，可以提供多种接线方式，满足不同的电压、电流、功率等输出的要求；⑥因电池片串、并联组合引起的效率损失小；⑦电池片间连接可靠；⑧工作寿命长，要求电池组件在自然条件下能够使用25年以上；⑨在满足前述条件下，封装成本尽可能低。2.1.2 电池组件的分类

电池组件的种类较多，根据太阳电池的类型不同可分为晶体硅（单、多晶硅）电池组件、非晶硅薄膜电池组件、砷化镓电池组件等；按照封装材料和工艺的不同可分为环氧树脂封装电池板和层压封装电池组件；按照用途的不同可分为普通型电池组件和建材型电池组件，其中建材型电池组件又分为双玻电池组件、中空玻璃电池组件、用双面发电电池片制作的双面发电电池组件等。由于用晶体硅电池片制作的电池组件应用占到市场份额的85％以上，在此主要介绍用晶体硅电池片制作的各种电池组件。2.2 晶体硅电池组件的构成与工作原理2.2.1 普通型电池组件

常见的普通型电池组件有环氧树脂胶封板组件、透明PET层压板组件和钢化玻璃层压组件，其中，环氧树脂胶封板组件、透明PET层压板组件一般都是功率小于2W的小组件，主要用于太阳能草皮灯、道钉灯、各种太阳能玩具等小功率产品上；而钢化玻璃层压组件的功率则可以做到3～400W，是目前光伏发电系统应用的主流产品。下面就对这几种电池组件的构成和工作原理分别进行介绍。

1. 环氧树脂胶封板组件

环氧树脂胶封板也叫滴胶板，外形如图2-1所示。它主要由电池片、印制电路板及环氧树脂胶等组成，具体尺寸和形状根据产品的需要确定，结构如图2-2所示。由于环氧树脂胶封板的功率很小，因此其使用的电池片是将完整的电池片切割成条状后制成的。条状电池片的长度和宽度即电池片的面积决定了组件的输出电流的大小，而串联的条数决定了组件的输出电压的大小。一般为1.2V蓄电池充电的组件串联4条，为2.4V蓄电池充电的组件串联7～8条，为3.6V蓄电池充电的组件串联11条。环氧树脂胶封板组件的胶封面朝外接受阳光照射，阳光透过胶封面照射到电池片上，发出的电通过正负极引线引到电路板背面后，再通过引线接入相应电路或蓄电池中。图2-1　环氧树脂胶封板外形图2-2　环氧树脂胶封板结构图

环氧树脂胶封板组件的制作过程基本都是手工操作。电池片是根据需要尺寸用激光划片机预先切割好的，制作步骤如下。（1）将切割好的条状电池片用互连条一正一负串联焊接起来，并用黑色双面胶固定在印制电路板上。（2）将正负极引线穿过印制电路板上的引线孔与电路板背面的电路铜箔焊接，然后一一排列放在水平支架上等待灌胶。（3）将双组分环氧树脂胶按2比1的比例混合调均匀（注意一次不要混合太多，否则一次用不完，十几分钟就会变稠而无法使用），2给每一片组件表面倒上适量的胶水（平均0.15g/cm），使其自然摊开。组件表面胶水要均匀饱满，胶水太薄的地方还要补一点。（4）将灌好胶水的组件放入真空干燥箱内抽气1min，然后在70℃温度下烘干30min或在室内无尘环境下自然晾干24h。（5）铲除组件周围多余的胶粒，用薄膜缠绕，防止互相摩擦破坏表面光洁和透明度，再打包装箱就是产成品了。

作为黏合剂环氧树脂应用较为广泛，产品形式有单组分、双组分或粉末状树脂。太阳电池组件使用的环氧树脂黏合剂通常是双组分液体，使用时现配现用。环氧树脂的黏结度较高，工艺简单，材料成本低廉，但耐老化性能较差，容易老化而变黄。因此，对于使用环氧树脂封装的电池组件，改善其耐老化性能是十分重要的。此外，作为太阳电池封装材料，要求具有较高的耐湿性和气密性。环氧树脂是高分子材料，其分子间距为50～200nm，大大超过水分子的体积，而水的渗透可降低太阳电池的使用寿命。其次，用环氧树脂封装太阳电池组件时，由于不同材料的膨胀系数不同，在生产过程中如材料配置及工艺不当将产生内应力，可能造成组件强度降低、龟裂、封装开裂、空洞、剥离等各种缺陷而严重影响组件质量。由于环氧树脂胶封板组件使用寿命只有2～3年，目前只有一些1W以下的小型组件仍使用环氧树脂封装，较大组件已经不再使用这种工艺了。

2. 透明PET层压板组件

透明PET层压板组件的外形如图2-3所示。它主要由电池片、透明PET胶膜、印制电路板或塑料基板等组成，具体尺寸和形状也是根据产品的需要确定。透明PET层压板一般也是在小功率电路上应用，功率一般不足2W，图2-3所示的组件就是在太阳能风扇帽上的应用。图2-3　透明PET层压板组件外形

透明PET层压板的结构如图2-4所示。从图中可以看出，它的结构与环氧树脂胶封装组件大同小异，只是将环氧树脂胶改成了透明的PET胶膜。PET是一种复合材料，具有很强的耐腐蚀、抗老化能力以及良好的透光率和电绝缘性能。该胶膜一面是光面，另一面复合着EVA胶膜，常温下EVA看起来像一层很薄的透明塑料纸，实际上EVA是一种特殊的胶膜，具有很高的透光性，在高温下熔化，起粘接作用，把PET胶膜、电池片与印制电路板或其他背板材料粘接在一起，形成一个类似于三明治的结构，既透光又具有良好的密封性，保护电池片不受各种腐蚀。这种封装形式与钢化玻璃封装形式一样，需要在生产电池组件专用的层压机里进行层压固化。其步骤为抽真空、加热、层压、固化等，层压机的详细工作过程在下一节中介绍。由于封装工艺的不同，采用透明PET封装的电池组件要比环氧树脂胶封装的组件制作过程简单一些，工作寿命也稍长一些。采用PET胶膜封装工艺具有环保、耐紫外线和不发黄的优点，可取代环氧树脂封装工艺。图2-4　透明PET层压板结构图

3. 钢化玻璃层压组件

钢化玻璃层压组件也叫平板式电池组件，如图2-5所示，是目前见得最多、应用最普遍的电池组件。钢化玻璃层压组件主要由面板玻璃、硅电池片、两层EVA胶膜、TPT背板膜及铝合金边框和接线盒等组成，如图2-6所示。面板玻璃覆盖在电池组件的正面，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固耐用，起到长期保护电池片的作用。两层EVA胶膜夹在面板玻璃、电池片和TPT背板膜之间，通过熔融和凝固的工艺过程，将玻璃与电池片及背板膜凝接成一体。TPT背板膜具有良好的耐气候性能，并能与EVA胶膜牢固结合。镶嵌在电池组件四周的铝合金边框既对组件起保护作用，又方便组件的安装固定及电池组件方阵间的组合连接。接线盒用粘结硅胶固定在背板上，作为电池组件引出线与外引线之间的连接部件。图2-5　钢化玻璃层压组件的外形图2-6　钢化玻璃层压组件的结构2.2.2 建材型（BIPV）电池组件

建材型（BIPV）电池组件就是将电池组件融入建筑材料中，或者与建筑材料紧密结合，将电池组件作为建筑材料的一部分进行使用，可以在新建建筑物或改造建筑物的过程中一次安装完成，即可以同时完成建筑施工与电池组件的安装施工。建材型电池组件具有良好的耐久性和透光性，符合建筑要求，可以与建筑完美结合，可广泛用于建筑物透光屋顶，建筑物光伏幕墙、建筑护栏、遮雨棚、农业光伏大棚、公交站台、阳光房等设施中。

常见的建材型电池组件有双玻电池组件和中空玻璃电池组件两种。它们的共同特点是可作为建筑材料直接使用，如窗户、玻璃幕墙、玻璃屋顶材料等，既可以采光，又可以发电。设计时通过调整组件上电池片与电池片之间的间隙，就可以确定组件的透光率，实现室内需要的采光量。

1. 双玻电池组件

双玻电池组件就是把电池片夹在两层玻璃之间，通过EVA或PVB胶膜层压固化而成，组件的受光面采用低铁超白钢化玻璃，背面一般采用普通钢化玻璃，外形如图2-7所示。其用作窗户玻璃时玻璃厚度可选择3.2mm×3.2mm；用作玻璃幕墙时根据单块玻璃尺寸大小，选择玻璃组合厚度为3.2mm×4mm、4mm×6mm、6mm×6mm等；用作玻璃屋顶时也要根据单块玻璃尺寸大小，选择玻璃组合厚度为4mm×6mm、6mm×6mm、6mm×8mm等；尺寸越大，组合厚度要越厚，以保证组件的机械强度。双玻电池组件的结构如图2-8所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书