【正文】 為光伏供電系統(tǒng)的運(yùn)行還依賴于天氣狀況，所以有必要對(duì)這些因素進(jìn)行評(píng)估和技術(shù)估計(jì)，因此設(shè)計(jì)上留有一定的余量將使得系統(tǒng)可以年復(fù)一年地長(zhǎng)期正常使用。 太陽(yáng)能電池陣列設(shè)計(jì) (1)基本公式 太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，可以選擇適于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 在指定放電率下的合適蓄電池容量。通常，只是在溫度低于 8℃ 時(shí)才考慮進(jìn)行校正。 蓄電池生產(chǎn)商一般會(huì)提供相關(guān)的蓄電池溫度一容量修正曲線。光伏系統(tǒng)的平均放電率公式如下： ?? 自 給 天 數(shù) 負(fù) 載 工 作 時(shí) 間平 均 放 電 率 （ 小 時(shí) ） 最 大 放 電 深 度 21 上式中負(fù)載工作時(shí)間可以用下述方法估計(jì) ： 對(duì)于只有單個(gè)負(fù)載的光伏系統(tǒng)，負(fù)載的工作時(shí)間就是實(shí)際負(fù)載平均每天工作的小時(shí)數(shù) ； 對(duì)于有多個(gè)不同負(fù)載的光伏系統(tǒng)，負(fù)載的工作時(shí)間可以使用加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間，加權(quán)平均負(fù)載工作時(shí)間的計(jì)算方法如下： ?? ? ?負(fù) 載 功 率 負(fù) 載 工 作 時(shí) 間加 權(quán) 平 均 工 作 時(shí) 間 負(fù) 載 功 率 根據(jù)上面兩式就可以計(jì)算出光伏系統(tǒng)的實(shí)際平均放電率，根據(jù)蓄電池生產(chǎn)商提供的該型號(hào)電池在不同放電速率下的蓄電池容量，就可以對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行修正。 對(duì)于蓄電池，蓄電池的容量不是一成不變的，蓄電池的容量與兩個(gè)重要因素相關(guān)：蓄電池的放電率和環(huán)境溫度。因?yàn)椴荒茏屝铍姵卦谧越o天數(shù)中完全放電，所以需要除以最大放電深度，得到所需要的蓄電池容量。對(duì)于負(fù)載對(duì)電源要求不是很嚴(yán)格的光伏應(yīng)用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常取自給天數(shù)為 3~5 天。 在進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，需要了解并獲取一些進(jìn)行計(jì)算和選擇必需的基本數(shù)據(jù) ： 光伏系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔 ； 該地區(qū)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量 ； 年平均氣溫 19 和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。軟件設(shè)計(jì)主要包括 ： 負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池、蓄電池用量的計(jì)算以及兩者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。 (3)混合光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖 28 為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，它區(qū)別于以上兩個(gè)系統(tǒng)之處是增加了一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，它既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充 電，所以稱為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)?？刂破饕话阌沙潆婋娐贰⒎烹婋娐泛妥畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤控制組成。 逆變器： 逆變器的作用就是將太陽(yáng)能電池陣列和蓄電池提供的低壓直流電逆變成 220 伏交流電，供給交流負(fù)載使用。圖 24(a)和圖 24(b)為光伏電池的輸出特性與溫度之間的關(guān)系，圖 25(a)和圖 25(b)所示的則是光伏電池的輸出特性與光強(qiáng)之間的關(guān)系。根據(jù)電路理論的相關(guān)知識(shí)，對(duì) 上面 的等效電路圖進(jìn)行計(jì)算，有如下所示的關(guān)系式 ： 0 (ex p 1)DD qUII AkT?? (21) 0 ()[ e x p ( 1 ) ]O C L S DL p h shq U I R UI I I A k T R?? ? ? ? (22) 0 [e x p 1]OCSC qUII AkT?? (23) 0ln ( 1)SCOC IAkTU qI?? (24) 12 上面的 4 個(gè)式子中， 0I 表示光伏電池等效二極管的 PN 結(jié)的反向飽和電流；SCI 表示電池的短路電流； DU 表示等效二極管兩端的電壓； q 表示電子電荷量，值為 10 C?? ； k 為波爾茲曼常數(shù)，大小為 10 /eV K?? ； T 表示絕對(duì)溫度；A 為 PN 結(jié)的曲線常數(shù)。 10 第 2 章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及基本原理 太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電原理 如圖 21 所示，太陽(yáng)能光伏電池理論上相當(dāng)于一個(gè)半導(dǎo)體二極管，其 PN 結(jié)是將一些特殊的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體晶體中形成的。 2020 年 2 月 28 日，十屆人大常委會(huì)第十四次會(huì)議通過(guò)了《可再生 能源法》，國(guó)家主席胡錦濤以第 33 號(hào)主席令公布，自 2020 年1 月 1 日起實(shí)行。在 “十一五 ”期間，我國(guó)光伏電池的生產(chǎn)能力有了很大的增長(zhǎng)，中國(guó)的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)量己經(jīng)連續(xù)四年世界第一，中國(guó)已經(jīng)成為全世界最大的太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)基地。其中非晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為400kW，價(jià)格為 23～ 25 元 /W。 國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀 中國(guó)從 1958 年開始進(jìn)行光伏元器件研究， 20 世紀(jì) 70 年代初成功地制造空間光伏電源之后，即開展光伏技術(shù)的地面應(yīng)用。 與之相應(yīng)，國(guó)際上已經(jīng)加緊技術(shù)攻關(guān)，大大提高了電池研制的發(fā)電轉(zhuǎn)化率。98 年進(jìn)一步提出 10 萬(wàn)屋頂計(jì)劃。 國(guó) 外研究應(yīng)用現(xiàn)狀 太陽(yáng)能電池研發(fā)出來(lái)以后，首先服務(wù)于空間電源，價(jià)格十分昂貴。 在我國(guó)開展太陽(yáng)能資源利用具有得天獨(dú)厚的條件，太陽(yáng)能市場(chǎng)極具潛力。這與 2020 年分別頒布的可再生能源、核電兩個(gè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃相比， 5 分別為原先規(guī)劃的 5 倍、 11 倍和 2 倍。截至 2020 年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò) 4000 萬(wàn)千瓦，居全球第一。太陽(yáng)能不僅僅擁有現(xiàn)在更擁有將來(lái)，太陽(yáng)能將在 21 世紀(jì)取代原子能作為世界性能源。目前風(fēng)力建設(shè)投資最低己降至 1000 美元 /千瓦左右，低于核電投資且建設(shè)時(shí)間可少于一年，其成本逐步與煤電成本接近，因而具有很大的競(jìng)爭(zhēng)潛力 。 太陽(yáng)能，作為伸手可得的溫暖，其實(shí)是人類最鐘情的新能源。作為排放大戶，電力企業(yè)任重道遠(yuǎn)。專家預(yù)言，太陽(yáng)能將是 21 世紀(jì)最理想的新能源之一。由于電力電 子技術(shù)的快速發(fā)展以及人們對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電重視程度的增加，使得太陽(yáng)能 光伏并網(wǎng)發(fā)電發(fā)展非常迅速。 目前，隨著太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，國(guó)家政府的大力扶持，太陽(yáng)能的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，目前我們國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：通信和工業(yè)應(yīng)用，包括微波中繼站、光纜通信系統(tǒng)等；農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要包括太陽(yáng)能戶用 系統(tǒng)、太陽(yáng)能照明等； 獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電在民用范圍內(nèi)主要用于邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級(jí)太陽(yáng)能光伏電站；在工業(yè)范圍內(nèi)主要用于電訊、衛(wèi)星廣播電視、太陽(yáng)能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區(qū)還可以組成混合發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電 /太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)等。” 國(guó)家已經(jīng)將“節(jié)能、減排”項(xiàng)目列入政府的工作范圍。要發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，還必須少用些煤 。本文選擇太陽(yáng)能作為對(duì)象來(lái)進(jìn)行 清潔能源應(yīng)用研究探討。位于美國(guó)波特蘭的 CleanEdge公 司于 2020 年 3 月巧日發(fā)布的報(bào)告顯示，自 2020 年以來(lái)，太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)增長(zhǎng)了 20 倍，安裝的太陽(yáng)能電池板價(jià)格下降了近一半。我國(guó)應(yīng)該以發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電為重點(diǎn)方向，加大對(duì)其的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究。表 11 為我國(guó)與一些國(guó)家當(dāng)前和未來(lái)太陽(yáng)電池的累計(jì)安裝容量。但是，光伏發(fā)電只靠光伏生產(chǎn)企業(yè) “一頭熱 ”顯然不夠，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須與配套系統(tǒng)步調(diào)一致才能健康發(fā)展，要統(tǒng)籌解決規(guī)劃問題、電網(wǎng)通道問題、接入標(biāo)準(zhǔn)問題、調(diào)峰配套問題，需要通 過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的合理應(yīng)用。光伏利用近期在世界范圍內(nèi)高速發(fā)展， 我國(guó)光伏研究及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展也令人鼓舞，特別是 2020 年在 “西部大開發(fā) ”戰(zhàn)略的推動(dòng)下，呈現(xiàn)出了一片繁榮景象。 7 20 世紀(jì) 80 年代末至今，西方的發(fā)達(dá)國(guó)家從環(huán)境和能源的可 持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，紛紛制定政策，鼓勵(lì)和支持光伏并網(wǎng)發(fā)電。澳大利亞的上述計(jì)劃，意味著它將投身于建造全球最大太陽(yáng)能電廠的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。 在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，出現(xiàn)了非晶硅 +微晶硅雙結(jié) 膜太陽(yáng)能電池，硅料用量大大減少，電池總體效率較晶硅電池有所提高。 至 2020 年底，中國(guó)己形成 ，其中，單晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為 ，非晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為 。中國(guó) 2020 年的清潔能源投資 達(dá)到 544 億美元，比上一年增長(zhǎng) 39%。發(fā)展太陽(yáng)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略，涉及到國(guó)家的能源政策、環(huán)保政策和氣候變化政策。 ⒉ 了解太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的幾個(gè)組成部分，以及各部分的特點(diǎn)和工作原理。而光伏電池表現(xiàn)導(dǎo)電能力的是光生電場(chǎng)，光生電場(chǎng)只有運(yùn)動(dòng)到 PN結(jié)區(qū)域的少數(shù)載流子才能產(chǎn)生。 13 圖 23 光伏電池的輸出特性 由式 (27)可知，在外部條件相同的情況下， FF 越大，太陽(yáng)能光伏電池的輸出功率也越大。 太陽(yáng)能電池板： 太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電 能，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。整個(gè)獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器、逆變器組成。此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。光伏電站安裝靈活、快速、運(yùn)行可靠。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)知道，在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中做出的每個(gè)決定都會(huì)影響造價(jià)。這個(gè)參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。首先，給出計(jì)算蓄電池容量的基本方法。為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓，我們將蓄電池串聯(lián)起來(lái)給負(fù)載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個(gè)數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo)稱電壓。通常，生產(chǎn)廠家提供的是蓄電池額定容量是 l0h 放電率下的蓄電池容量。 如果光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣溫很低，這就意味著按照額定容量設(shè) 計(jì)的蓄電池容量在該地區(qū)的實(shí)際使用容量會(huì)降低，也就是無(wú)法滿足系統(tǒng)負(fù)載的用電需求。即使系統(tǒng)中使用的是深循環(huán)工業(yè)用蓄電池，其最大 22 的放電深度也不要超過(guò) 80%。 b、溫度修正系數(shù) 當(dāng)溫度降低的時(shí)候，蓄電池的容量將會(huì)減少。這樣做的目的就是為了盡量減少蓄電池之間的不平衡所造成的影響，因?yàn)橐恍┎⒙?lián)的蓄電池在充放電的時(shí)候可能會(huì)與之并聯(lián)的蓄電池 不平衡。泥土、灰塵的覆蓋和組件性能的慢慢衰變都會(huì)降低太陽(yáng)電池組件的輸出。綜合考慮以上因素，可以得到下面的計(jì)算公式： hh?? ? ?日 平 均 負(fù) 載 （ A ）并 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 =庫(kù) 侖 效 率 [ 組 件 日 輸 出 （ A ） 衰 減 因 子 ]系 統(tǒng) 電 壓 （ V ）串 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 =組 件 電 壓 （ V ） 蓄電池和光伏組件方陣設(shè)計(jì)的校核 我們有必要對(duì)光伏組件方陣和蓄電池的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行校核，以進(jìn)一步了解系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的情況，保證光伏組件方陣的設(shè)計(jì)和蓄電池的設(shè)計(jì)可以協(xié)調(diào)工作。選擇了最佳傾角太陽(yáng)能電池方陣面上的冬夏季輻射量之差就會(huì)變小，蓄電池的容量也可以減少， 系統(tǒng)造價(jià)降低，設(shè)計(jì)更為合理。~550，傾角等于緯度加 10176。其中，峰值日照定義為 ： 1 cal==； 1 00mW/ 2cm = W/ 2cm 。 最大功率跟蹤點(diǎn)控制設(shè)計(jì) 最大功率點(diǎn)控制方法有多種，大都十分復(fù)雜，而目前國(guó)內(nèi)的最大功率點(diǎn)控 27 制尚處于理論階段，并沒有廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)，本設(shè)計(jì)就采用 CVT（恒定電壓跟蹤法）的最大功率點(diǎn)控制，此方法相對(duì)簡(jiǎn)單有效。人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度保持在某一固定值時(shí)， 39。b39。 工作狀態(tài)顯示 太陽(yáng)能電池 控制芯片 蓄電池 直流負(fù)載或逆變器 圖 33 控制器主電路 FlagL=1 開 始 初 始 化 檢測(cè)蓄電池 停止放電 停止充電 檢測(cè)太陽(yáng)能電池 最大功率充電 放 電 FlagL=1 FlagH=1 FlagL=0 且持續(xù) 1 分鐘以上 FlagH=0 Flag， UsunUxu 且持續(xù)1 分鐘以上 圖 34 控制器主程序流程圖 29 注 ：流程圖中標(biāo)示變量 FlagL 和 FlagH 分別標(biāo)示蓄電池的電壓過(guò)低和過(guò)高 ,初始化包括各寄存器的初始化以及 Flagl=0。 控制器的幾個(gè)重要指標(biāo) 控制器除應(yīng)具有防蓄電池過(guò)充功能、過(guò)放功能、防負(fù)載短路的功能外，還有以下的幾個(gè)重要指標(biāo)。在太陽(yáng)電池正極輸入端串接防反充二極管或者其他開關(guān)方式防蓄電池電流倒流。 其主電路框圖見圖 35 圖 35 逆變系統(tǒng)原理框圖 1． 常用電壓型 逆變器 逆變器按輸出類型，又分為電壓型逆變器和電流型逆變器。當(dāng)此交替導(dǎo)通的頻率與負(fù)載所需的交流頻率相同時(shí)，其輸出的電壓就為方波電壓。 逆變器輸出所接的濾波器通常為低通濾波器，由電感器和電容器構(gòu)成 ? 型低通濾波形式。 2． SA8381 的結(jié)構(gòu) SA838 系列集成電路可提供高質(zhì)量的單機(jī)正脈寬調(diào)制波形 ,其僅與時(shí)鐘、微處理器或微控制器、驅(qū)動(dòng)電路、逆變功率電路相連 ,即可構(gòu)成性能優(yōu)異的逆變系統(tǒng) ,該系統(tǒng)接口簡(jiǎn)捷、編程容易、成本低廉。 如圖 38 所示 , SA8381 為 20 腳雙列直插小封裝 , 圖中 ： 。 適應(yīng)于 Int el 和 Mot orala 兩種總線格式 , 接口通用性好 。 SPWM 產(chǎn)生電路 1． 微控制器與 SA8381 實(shí)現(xiàn) SPWM 波形的原理 微控制器與 SA8381 實(shí)現(xiàn) SPWM 波形的原理框圖如 圖 37 所示。 PWM 型逆變器廣泛使用功率場(chǎng)效應(yīng)管（ Power MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 、可關(guān)斷型晶閘管（ GTO）等作為開關(guān)管，而控制部分使用專用型 PWM 開關(guān) 集成電路以及帶有 PWM 輸出的 DSP 和單片機(jī)芯片。該逆變器以對(duì)角線 1Q 和 4Q