太阳能光伏发电比赛学习材料完整版Word下载.docx
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较高的电压输出。
（二）用于电力的组件
电力用的太阳电池一般均安装在调用外，所以除太阳电池本身以外，还必须采用能经受雨、风、砂尘和温度变化甚至冰雹袭击等的框架、支撑板和密封树脂等进行完好的保护，现正研究各种电力用的太阳电池组件的结构。
如图8.6中（a）所示的是衬片式结构，是在太阳电池的背后放一块衬片作为组件的支撑板，其上用透明树脂将整个太阳电池封住。
支撑板采用纤维钢化塑料（FRP）等。
图各种结构晶硅太阳电池电力用组件的结构
目前最常用的是上图所示的超光面式结构，在太阳电池的受光面放一块透明基板作组件的支撑板，其下用填充材料和背面被覆盖材料将太阳电池密封。
上面的透明板用玻璃，最好采用透明度和耐冲击强度均好的钢化白玻璃。
填充材料主要采用在紫外光照射时透过率衰减较小的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和耐湿性良好的乙烯乙酸乙烯（EVA）。
反面涂层多采用金属铝同聚氟乙烯（PVF）夹心状结构，使其具有耐湿性和高绝缘性。
此外，对可靠性要求特别高的应用，开发了一种新的封装方式，如下图（c），即在两块玻璃板之间用树脂把太阳电池封入。
随着非晶硅太阳电池的发展，也在研究采用同晶体硅太阳电池一样的超光面封装方式，如下图所示，把集成型太阳电池衬底玻璃直接用作受光面的保护板，各单元电池的连
接也不用导线，所以能使组件的组装工艺变得特别简单。
此外，图（b）所示的组件类型也在研究之中。
今后如更大面积太阳电池的研制取得进展的话，一般估计图（c）所示的单块衬底型组件是更适合的，这样可以进一步使组件成本降低。
图采用非晶硅太阳电池的各种电力用组件的结构
下图分别给出一单晶硅太阳电池组件和非晶硅太阳电池组件与温度的关系和与光强的关系。
与单个电池的温度系数不同，这是因为组件中包括了接线部分的因素。
图太阳电池组件数输出特性与温度关系的实例
（单晶硅电池组件的大小：
30.2cm*121.7cm
非单晶硅电池组件的大小：
37.8cm*71.1cm）
图太阳电池组件输出特性与光强关系的实例
（组件大小同图）
非晶硅太阳电池组件与单晶硅太阳组件相比，其输出对温度的关系较小，转换效率随着光强的减小，在直线范围内比单晶硅的小。
（三）聚光式组件
聚光式太阳电池发电系统是在聚焦的太阳光下工作的，有关这方面的研究工作最近在美国取得了较大的进展。
它分为透镜式和反光镜式两种。
（1）透镜式
聚光所必须的大面积凸透镜采用透镜，它是把分割的凸透镜曲面连接在一起。
菲涅耳透镜的形状有圆型和线型之分。
如图8.11（a）示出了线型菲涅耳透镜的实例，太阳光聚焦于配置为点状或线状的太阳电池上。
图8.11.两种聚光方式
太阳电池除了采用单晶硅太阳电池以外，常采用转换效率较高的砷化镓太阳电池。
在圆型菲涅耳透镜、聚光比为500~1000倍的点聚焦情况下，单晶硅太阳电池的转换效率达15—17%而砷化镓太阳电池的达到18—20%。
（2）反光镜式
反光镜式又有两种形式，一种是采用抛物面镜，太阳电池则放在其焦点上，另一种是底面放置太阳电池，侧面配置反光镜，如图8.11（b）所示的槽形抛物面镜的形式较为常用。
此外还有其它方式,如图8.12（a）所示为荧光聚光板型太阳电池，是把所吸收的太阳电池光通过荧光板变为荧光，荧光在荧光板内传播，最后被聚集于放置着太阳电池的端部。
现在这种荧光聚光板型太阳电池已能做到面积为1m2的效率为1%；
面积为1600cm2的，效率为2.5%。
另外在该方式中，正在研究如图8.12（b）所示的波长为分割型的荧光聚光板型太阳电池，其关键问题是要降低荧光板的价格，提高发光效率，以及提高可靠性等。
图8.12荧光聚光板型太阳电池
（四）混合型组件
光热混合型组件是为更有效地利用太阳能，让太阳光发电又发热的器件。
这种混合型组件有聚光型光热混合型组件和聚热器型光热混合型组件。
聚光型光热混合组件如图8.13所示，聚光型太阳电池背面通过导热媒介物进行聚热。
新能源综合开发机构（NEDO）委托研究做系统能得到5KW的电输出，25KW的热输出。
图8.13聚光型光热混合型组件
聚热型光热混合型组件是将太阳电池连接到聚热板上而发电的。
图8.14所示为在真空玻璃管型聚热板上形成非晶硅太阳电池的混合型组件。
图8.14采用非晶硅太阳电池的光热混合型组件
非晶硅太阳电池因为在可见光范围吸收系数很大，而在红外线范围反射系数大，所以也起着良好的选择吸收膜的作用，如图8.15所示。
图8.15非晶硅太阳电池作为选择吸收膜的特性
非晶硅太阳电池被密封真空玻璃管内，所以不要包封，太阳能的总转换Ê
½
效率达58%其中电能转换5%，热能转换53%。
这对降低成本很有好处。
目前，上海交通大学，就用物理系，太阳能研究所采用结晶硅太阳电池电力用组件的封装方式，整个组件效率达15%，达到全国先进水平。
有四个因素决定了光伏组件的输出功率：
负载电阻、太阳辐照度，电池温度和光伏电池的效率。
对于给定的组件的输出可由其电流电压（I—V）曲线来估算。
如图8.16所示,在某一温度（T）下太阳的照度也为一定的情况下，通过测定得了的数据绘出了些图，从图8.15中可知有开路电压（VOC），短路电流（ISC），最大功率点m处的电流（Imp）和电压（Vmp）可得组件的功率Wm=ImpVmp。
图8.16光伏组件的I-V特性图
对于一个给定的电池面积，电流与太阳辐照度成正比且几乎与温度无关，而电压（功率）随温度升高而下降。
一般来说，晶体硅电池的电压降为0.5%/C。
由此可以看到组件的温度对其功率的输出影响较大，所以阵列要安装在通风的地方，以保持凉爽；
不能在一个屋顶或同一个支撑结构上安装过多的组件。
光伏阵列的任何部分不能被遮荫，它不像太阳能集热器，如果遮住了光伏组件必须有相同的电流。
如果有几个电池被遮荫，则它们便不会产生电流且会成为反向偏压，这就意味着被遮电池消耗功率发热，久而久之，形成故障。
但是有些偶然的遮挡是不可避免的，所以需要用旁路二极管来起保护作用。
如果所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，即如果要求阵列输出电压为12V，而每个组件的输出恰为12V，则不需要对每个组件加旁路二极管，如果要求24V阵列（或者更高），那么必须有2个（或者更多的）组件串联，这时就需要加上旁路二极管，如图8.17所示,
图8.17带旁路二极管的串联电池
图8.18对于24V阵列阻塞二极管的接法
阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的。
任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。
如果控制器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管，如图8.18阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与控制器之间的干路上，但是当多条支路并联接成一个大系统，则应在每条支路上用阻塞二极管（如图8.18）以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。
在小系统中，在干路上用一个阻塞二极管就够了，不要两种都用，因为每个二极管会降压0.4~0.7V是一个12V系统的6%，这也是不小的一个比例。
蓄电池
蓄电池是用来将光伏阵列产生的电能（直流）存储起来供后级负载（逆变器和交流负载）使用的部件，在独立光伏系统中，一般都需要控制器来控制其充电状态和放电深度，以保护蓄电池延长其使用寿命。
深度循环电池是用较大的电极板制成，可承受标定的充放电次数。
循环次数取决于放电深度，放电速度，充电前的时间，充电速率等等。
浅循环电池使用较轻的电极板。
浅循环电池不能象深度循环电池那样多次地循环使用。
完全放电一两次常常就会损坏，因此它们不能在某些光伏系统中。
有些蓄电池电解质是胶体，这种胶体电解质电池易于维护，因为它通常是密封的，当电池翻转也不会泄露。
大多数密封电池有放气口可放出氢气，但是却不允许添加电解液，它们可能被标定为深度循环电池，但它们通常比工业级湿性蓄电池的循环次数要少。
有电解液的电池可能是密封的，或者有一个小帽，这样就可以向其中添加蒸馏水了。
通常当电池容易大于100Ah时，电池是开放的，对于湿性蓄电池应按时添加电解液（蒸馏水）。
镍镉电池在有些国家使用，它们通常比铅酸电池贵，但镍镉电池寿命长，维修率低，耐用，可承受极热极冷的温度，而且可以完全放电。
由于可以完全放电，在某些系统中控制器就可以省下来不用了。
请注意：
如果要为镍镉电池配置控制器，则必须提出要求，由供应商提供，而不能用一般的控制器,因为一般提供的控制器是为铅酸电池设计的，其所控的充电程度不同于镉电池。
由此可知，控制器并不能通用。
用在独立光伏系统的电池应是深度循环大负载类型的。
由于极板材料铅较软，所以要加一些如锑或钙之类的元素以加强铅板的硬度，这样可改善电池的性能。
铅—锑电池可承受深度放电，但因为水耗散大，需要定期维护。
铅-钙电池可以有几次深度级放电，它们首期投入成本低，但寿命却低于铅—酸电池。
大多数电池有酸性或腐蚀性物质，如果操作不当就比较危险甚至危及生命。
对于开放式电池在充电时会产生具有爆炸性的氢气。
这些电池需摆放在通风良好的地方。
系统电器元件不能安装在电池附近，因为其所产生的火花可能会点燃氢气。
同时铅酸电池的酸性气体会腐蚀和损坏电子元件。
可用复合剂或催化剂的电池盖以用氧将氢气化合成液态水流回电解液。
这些盖子有3~5年寿命，但还要定期检查和清洗以保证其动行良好。
任何电池对于人类尤其是儿童，还有动物都是具有危险性的，所以应有经验的人操作，同时，要保持输出端有盖子，因为一个典型的光伏系统在输出端短路时能产生6000A的电流，尽管这个电流仅持续几毫秒，但是以将工具弧焊在输出端上，而且电压越高，危害越大。
当电压高于24V时电击可以引起生命危险；
在12V电压下，如果电池偶然短路，大电流能引起火灾。
所以在电池周围工作时应使用防护工具如手套，胶鞋，护目镜。
电池一般很重，所以在搬动时须注意，不要闪了腰。
下面介绍一下蓄电池的特性，了解这些特性可以使我们更好地使用它们。
一、放电深度，它以电池容量的百分数表示，标定容量可以从电池外壳上或说明书上获得。
电池所能承受的放电容量与其结构有关。
绝大多数普通电池有电活性的铅合金板，浸没于稀的电解液中，板可分为普兰特式（纯铅），涂浆极板式和管式。
电极可用不同的厚度，不同的合金（如铅钙，铅锑合金）以用于不同类型的电池。
一般来说，电极板越大则蓄电池所能承受的充放电程度等的性能就越好。
电池工作有浅循环和深循环之分。
浅循环电池较轻，较便宜，但是如果经常过规定的放电的深度则寿命会大大降低。
许多密封式电池（即所谓的免维护电池）就是浅循环电池，一般的浅循环电池的放电量不应超过电池容量的25%。
深度循环电池中独立光伏系统中经常使用的电池，其极板厚度大，可承受的放电量为其容量的80%，绝大多数此类电池是湿性电池，其极板是由电解液浸泡的。
电解液的液面需要经常检查，并定期加入蒸馏水以保证电极是被淹没的。
对于镍镉电池，我们前面已经提到过了。
我们知道虽然其价格昂贵但能在恶劣的环
境下工作，且可完全放电而不会损坏，电解液不会冻住，也可以省去系统中的控制器这一部分。
、
二、温度校正：
电池对温度较为敏感，一个温度较低的电池比一个温度较高的电池提供的电能要少。
如图8.19所示，一个处于25℃的电池如果以C/20的放电流进行放电（C为电池标定容量）则可以提供100%的能量（电池的标定能量）。
而在-20℃时凡例C/20速率放电只能提供75%的能量，如果放电速率升高到如图所示的C/5，则其只能输出50%的能量。
从图中还可看到在同一温度下，放电速率升高则输出能量降低。
尽管如图所示,温度高就可以得到甚至高于额定容量的能量，但是发热温度会减少电池的寿命，所以还是应该避免的，应使蓄电池的工作温度处于室温附近。
图8.19铅酸电池容量与温度的关系图
三、电池额定容量：
即电池在某一特定温度和放电速率下所能产生的最大能量。
当电池用于光伏系统中，您不可能反复用到额定容量，然而额定容量设置了一个基线用以比较电池的性能。
须注意的是，如果比较不同电池的额定容量时，须在同一温度下使用相同的放电速度。
四、充电状态（SOC）：
为某一时刻电池所剩容量的百分数。
它等于用1减去放电深度的百分数。
五、电池寿命：
电池寿命由许多因素决定如放电速率，放电深度，循环次数和工作温度等，所以电池寿命很难预测。
对于光伏系统来说很少有铅酸电池的寿命超过15年的，一般是5~10年。
镍镉电池在相同的条件下可工作更长时间，在最优化条件下，可稳定地工作15年以上。
最后我们再讲点电池的维护和在寒冷的环境中使用的一些问题。
在较冷的环境中，铅酸电池的电解液可能会冻住。
结冰温度是电池充电状态的函数。
当电池完全放电时，在零下几度电解液就冻住了，而当电池充满电时（此时重量大约为标称重量的1.24倍）电解液能耐住零下50℃的低温。
在寒冷的天气中，通常是将电池置于电池盒中，并将电池盒埋入地下以保持恒定的温度。
镍镉电池在寒冷的天气中不会损坏。
我们知道任何电池均需要定期维护，即使是密封的“免维护”的电池我们也应定期检查其接头是否牢固，清洁和无损伤。
对于电解液电池电解液应始终保持守全浸没极板的状态，同时电压和标定重量也需要合乎要求。
逆变器
逆变器是一种功率调查装置，对于使用交流负载的独立光伏系统来说，逆变器是必要的。
逆变器的选择的一个重要因素就是您所设定的直流电压的大小。
逆变器的输出可分为直流输出和交流输出两类。
对于直流输出我们称之为变换器，是直流电压到直流电压的转换，这样可以提供不同的电压的直流负载工作所需的电压。
对交流输出，我们需要考虑的除了输出功率和电压外，还应考虑其波形和频率。
在输入端须注意逆变器所要求的直流电压和所能承受的浪涌能力的电压的变化。
逆变器的选择会影响到光伏系统的性能可靠性和成本。
通常除了阵列和蓄电池，逆变器是最贵的了。
所以下面介绍一下逆变器有关特性。
总的说来其特性参数有：
输出波形，功率转换效率，标称功率，输入电压，电压调整，电压保护，频率，调制性功率因子，无功电流，大小及重量，音频和RF噪音，表头和开关，有些逆变器还具有电池充电遥控操作，负载转换开关，并联运行的功能。
独立逆变器一般在直流12V，24V，48V或120V电压输入时可产生120V或240V频率为50Hz或60Hz的交流电。
选择逆变器输入电压非常重要，这在后面的设计中介绍。
输出波形是一个重要参数，逆变器通常根据其输出波形来分类：
1）方波2）类正弦波3）正弦波。
方形波逆变器相对较便宜，效率可达90%以上，高谐波，小的输出电压调整，它们的适用于阻抗型负载和白炽灯。
类正弦波逆变器在输出可用脉宽提高电压调整，效率可90%，它们可用来带动灯，电子设备和大多数电机等各种负载。
然而它们在带动电机时由于谐波能量损失而比正弦波逆变器带动效率低。
正弦波逆变器产生的交流波形与大我数电子设备产生的波形一样好。
它们可以驱动任何交流负载（在功率范围内）。
通常，逆变器的规格可在计算值的基础上增加25%，这一裕度可以增加该部件工作的可靠性，也可以满足负载的适量增加。
对于小负载需求，所有逆变器的效率都是比较低的；
当负载需求超过标称负载的50%以上，逆变器的效率即可达标称效率（大约90%左右）。
下面是对有些参数的说明：
（1）功率转换效率：
其值等于逆变器输出功率除以输入功率，逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。
（2）输入电压：
由交（直）流负载所需的功率和电压决定。
一般负载越大，所需的逆变器的输入电压就越高。
（3）抗浪涌能力：
大多数逆变器可超过它的额定功率有限的时间（几秒钟），有些变压器和交流电机需要比正常工作高几倍的起动电流（一般也仅持续几秒钟）对这些特殊负载的浪涌要求应测量出来。
（4）静态电流：
这是在逆变器不带负载（无功耗）时，其本身所用的电流（功率），这个参数对于长期带小负载的情况下是很重要的，当负载不大时，逆变器的效率是极低的。
（5）电压调整：
这意味着输出电压的多样性。
较多的系统在一个大的负载范围内，均方根输出电压接近常数。
（6）电压保护：
逆变器在直流电压过高时就会损坏。
而逆变器的前级—蓄电池在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值，如，一个12V的蓄电池在过充电以后可能会达到16V或者更高，这时就有可能破坏后级所连的逆变器。
所以作控制器来控制蓄电池的充电状态是十分必要的。
在无控制器时逆变器须有检查测试保护电路，当电池电压高于设定值时，保护电路会将逆变器断开。
（7）频率：
我国的交流负载是在50Hz的频率下进行工作的。
而高质量的设备需要精确的频率调整，因为频率偏差会引起表和电子计时器性能的下降。
（8）调制性：
在有些系统中用多个逆变器非常有利，这些逆变器可并联起来带动不同的负载。
有时为了防止出现故障，用手动负载开关使一个逆变器可满足电路的特定负载要求。
增加此开关提高了系统的可靠性。
（9）功率因子：
逆变器产生的电流与电压间的相位差的余弦值即为功率因子，对于阻抗型负载，功率因子为1，但对感抗型负载（户用系统中常用负载）功率因子会下降，有时可能低于0.5。
功率因子由负载确定而不是由逆变器确定。
下面介绍几种典型的、常用的逆变器的原理图及原理介绍。
按振荡方式可分为他激式和自激式两大类。
（一）他激式逆变器
他激逆变器电路工作框图如下：
图8.20他激式逆变器电路框图
图8.21他激式逆变器电路原理图
如图8.21所示,我们可以用NE555集成电路作为振荡源，NE555提供稳定的方波，经晶体管T1、T2放大后经变压器输出，以驱动负载，T3管可改善启动特性和提高效率。
他激式电路的优点是频率稳定，抗干扰能力强；
缺点是逆变器效率不高，工作点调整困难。
（二）自激式逆变器
自激工逆变器电路工作框图如下：
图8.22自激工逆变器电路工作框图
图8.23自激式逆变器电路原理图
自激式逆变器电路如图8.23所示，图中左半部分是蓄电池过充、放电保护电路，右半部是最简单的单管自激式逆变器电路。
L1、L2是输出变压器，L3是反馈线圈。
电源接通时，面过R1使T1导通，使I1增加，则I1I3I1，正反馈使T1进入饱和。
电容C1电位不断降低。
当I1达到饱和值时，电感电流I30，T1管的Vbe被钳位到某一负电位，晶体管T1迅速截止，I10电源又通过R1给C1充电，当电容端电压达到一定值时T1管重新导通，这样T1管周期性地从饱和区进入截止区，在线圈L2上产生了交流电输出。
（二）单相逆变器
如图8.24所示，在50或60Hz频率下同步交替地接通T1/T4或T2/T3，因负载可能为电抗性的，负载电流和电压也可能反相，所以电路中必须要有二极管。
当V0为正时（T1，T4导通），i0可能为负（电流通过与T1和T4平行的两个二极管）。
图8.24单向逆变器
虽然180脉冲波形比较容易得到，但它却包括大量的三次谐波和五次谐波。
120脉冲波形包括含较少的谐波，特别是它不含三次谐波。
脉冲宽度调制技术进一步减少低次谐波。
如图8.25所示。
图8.25输出波形
如果用上晶体管的第三条腿和二极管，这个电路还能产生三相交流电。
这种单相逆变器是商业上不间断电源（UPS）的基础，它能作为计算机等电器设备提供应急的交流电。
控制器
在大多数光伏系统中都用到了控制器以保护蓄电池免于过充或过放。
过充可能使电池中的电解液汽化，造成故障，而电池过放会引起电池过早失效。
过充过放均有可能损害负载。
所以控制器是您光伏系统中重要的部件，如果它不能正常工作，那么造成的后果就是您可能一下损失几万元。
控制器效率为用1减去控制器在系统中引起损耗的百分数。
控制器的功能是依靠电池的充电状态（SOC）来控制系统。
当电池快要充满时控制器就会断开部分或全部的阵列电流；
当电池放电低于预设水平时，全部或部分负载就会被断开（此时控制器包含有低压断路功能）。
大多数控制器测量电池电压以估计充电状态，然而这并不准确，如图8.26可知，在接近过充时电压变化不大。
图8.26典型的电池充电状态曲线
电池的温度，使用年限、类型和充/放电速率也影响这个曲线。
测量电池温度可提高SOC状态的估计，许多控制器就带有测温探头。
如果电池与环境温度相差+5C时，就应该使用带温度补偿的控制器。
控制器有两个动作设定点，使控制器动作以保护电池。
每个控制点有一个动作补偿设置点。
如，一个12V的电池，控制器的阵列断路电压通常设定在14V，这样当电池电压达到这个值时，控制器就会把阵列断开，一般此时电池电压会迅速降到13V；
控制器的阵列再接通电压通常设在12.8V，这样当电池电压降到12.8V时，控制器动作，把阵列接到电池上继续对电池充电。
同样地，当电压达到11.5V时，负载被断开，直到电压达到12.4V以后才能再接通。
有些控制器的这些接通/断电压在一定范围内是可调的，这一性能非常有用，可监控电池的使用。
在使用时控制器电压必须与系统的标称电压相一致，且必须能控制光伏阵列产生的最大电流，用1.25V乘以阵列的短路电流ISC，这样的控制器可承受由于云聚焦而产生的短暂的大电流。
（根据《独立光伏系统和国家电气标准》提供的这个因子较为保守为1.56）这个最大电流和系统电压是购买控制器所必要考虑的两个参数，而控制器的其它特性参数有：
效率,温度补偿，反向电流保护，显示表或状态灯，可调设置点（高压断路，高压接通，低压断路，低压按通），低压报警，最大功率跟踪等。
其中，反向电流保护是防止电流在夜间由电池倒流回光伏阵列。
大多数控制器用阻塞二极管来阻止这个电流，如图8.18。
大部分小的控制器包括有低压断路（LVD）功能可以切断负载。
用促发灯，蜂鸣器可以警示用户采取措施或者打开另一电力供应装置。
我们知道，随着所需电流的增加，控制器的成本迅速增加。
对于用在12V（24V）电流达到30A的系统中的控制器价格还可以接受，而当所需电流达到100A时控制器的价格就要贵5倍左右。
开关100A以上电流的控制器就需要定做了。
为此，一种用以控制超过100A的方法是把控制器并联起来，用5个20A的控制器，比用一个100A的控制器要便宜得多。
只是阵列必须分开与各个控制器连接，每一个控制器分别接线，在接电
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