光伏系統
| 光伏系統 |
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中文名: 光伏系統 分 類: 獨立系統、併網系統和混合系統 利 用: 太陽能電池組件和其他輔助設備 類 型: 將太陽能轉換成電能的系統 |
光伏系統一般分為獨立系統、併網系統和混合系統。如果根據太陽能光伏系統的應用形式、應用規模和負載的類型可以細緻的劃分為六種類型。[1]
目錄
系統介紹
如果根據太陽能光伏系統的應用形式，應用規模和負載的類型，對光伏供電系統進行比較細緻的劃分。還可以將光伏系統細分為如下六種類型：小型太陽能供電系統（Small DC）；簡單直流系統（Simple DC）；大型太陽能供電系統（Large DC）；交流、直流供電系統（AC/DC）；併網系統（Utility Grid Connect）；混合供電系統（Hybrid）；併網混合系統。下面就每種系統的工作原理和特點進行說明。
供電系統
小型太陽能供電系統的特點是系統中只有直流負載而且負載功率比較小，整個系統結構簡單，操作簡便。其主要用途是一般的家庭戶用系統，各種民用的直流產品以及相關的娛樂設備。如在我國西部地區就大面積推廣使用了這種類型的光伏系統，負載為直流燈，用來解決無電地區的家庭照明問題。
直流系統
該系統的特點是系統中的負載為直流負載而且對負載的使用時間沒有特別的要求，負載主要是在白天使用，所以系統中沒有使用蓄電池，也不需要使用控制器，系統結構簡單，直接使用光伏組件給負載供電，省去了能量在蓄電池中的儲存和釋放過程，以及控制器中的能量損失，提高了能量利用效率。其常用於PV水泵系統、一些白天臨時設備用電和一些旅遊設施中。圖1顯示的就是一個簡單直流的PV水泵系統。這種系統在發展中國家的無純淨自來水供飲的地區得到了廣泛的應用，產生了良好的社會效益。
大型太陽能供電系統
與上述兩種光伏系統相比，大型太陽能供電光伏系統仍然是適用於直流電源系統，但是這種太陽能光伏系統通常負載功率較大，為了保證可以可靠地給負載提供穩定的電力供應，其相應的系統規模也較大，需要配備較大的光伏組件陣列以及較大的蓄電池組，其常見的應用形式有通信、遙測、監測設備電源，農村的集中供電，航標燈塔、路燈等。我國在西部一些無電地區建設的部分鄉村光伏電站就是採用的這種形式，中國移動公司和中國聯通公司在偏僻無電網地區建設的通訊基站也有採用這種光伏系統供電的。如山西萬家寨的通訊基站工程。
交流、直流供電系統
與上述的三種太陽能光伏系統不同的是，這種光伏系統能夠同時為直流和交流負載提供電力，在系統結構上比上述三種系統多了逆變器，用於將直流電轉換為交流電以滿足交流負載的需求。通常這種系統的負載耗電量也比較大，從而系統的規模也較大。在一些同時具有交流和直流負載的通訊基站和其它一些含有交、直流負載的光伏電站中得到應用。
併網系統
這種太陽能光伏系統最大的特點就是光伏陣列產生的直流電經過併網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之後直接接入市電網絡，併網系統中PV方陣所產生電力除了供給交流負載外，多餘的電力反饋給電網。在陰雨天或夜晚，光伏陣列沒有產生電能或者產生的電能不能滿足負載需求時就由電網供電。因為直接將電能輸入電網，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用PV方陣所發的電力從而減小了能量的損耗，並降低了系統的成本。但是系統中需要專用的併網逆變器，以保證輸出的電力滿足電網電力對電壓，頻率等指標的要求。因為逆變器效率的問題，還是會有部分的能量損失。這種系統通常能夠並行使用市電和太陽能光伏組件陣列作為本地交流負載的電源。降低了整個系統的負載缺電率。而且併網PV系統可以對公用電網起到調峰作用。針對併網系統的特點，索英電氣早在數年前，就研製成功了太陽能併網逆變器，專門針對各種損益的電能進行再回收利用。取得了長足的進步，並攻克了併網系統上，一系列技術難題。
混供系統
這種太陽能光伏系統中除了使用太陽能光伏組件陣列之外，還使用了油機作為備用電源。使用混合供電系統的目的就是為了綜合利用各種發電技術的優點，避免各自的缺點。比方說，上述的幾種獨立光伏系統的優點是維護少，缺點是能量的輸出依賴於天氣，不穩定。
綜合使用柴油發電機和光伏陣列的混合供電系統和單一能源的獨立系統相比就可以提供不依賴於天氣的能源。
優點
1. 使用混合供電系統的還可以達到可再生能源的更好的利用。因為使用可再生能源的獨立系統通常是按照最壞的情況進行設計，因為可再生能源是變化的，不穩定的，所以系統必須按照能量產生最少的時期進行設計。由於系統是按照最差的情況進行設計，所以在其他的時間，系統的容量是過大的。在太陽輻照最高峰時期產生的多餘的能量沒法使用而浪費了。整個獨立系統的性能就因此而降低。如果最差月份的情況和其他月份差別很大，有可能導致浪費的能量等於甚至超過設計負載的需求。
2. 具有較高的系統實用性。在獨立系統中因為可再生能源的變化和不穩定會導致系統出現供電不能滿足負載需求的情況，也就是存在負載缺電情況，使用混合系統則會大大的降低負載缺電率。
3. 和單用柴油發電機的系統相比，具有較少的維護和使用較少的燃料。
4. 較高的燃油效率。在低負荷的情況下，柴油機的燃油利用率很低，會造成燃油的浪費。在混合系統中可以進行綜合控制使得柴油機在額定功率附近工作，從而提高燃油效率。
5. 負載匹配更佳的靈活性。使用混合系統之後，因為柴油發電機可以即時提供較大的功率 所以混合系統可以適用於範圍更加廣泛的負載系統，例如可以使用較大的交流負載，衝擊載荷等。還可以更好的匹配負載和系統的發電。只要在負載的高峰時期打開備用能源即可簡單的辦到。有時候，負載的大小決定了需要使用混合系統，大的負載需要很大的電流和很高的電壓。如果只是使用太陽能成本就會很高。
缺點
1. 控制比較複雜。因為使用了多種能源，所以系統需要監控每種能源的工作情況，處 理各個子能源系統之間的相互影響、協調整個系統的運作，這樣就導致其控制系統比獨立系統複雜，大多使用微處理芯片進行系統管理。
2. 初期工程較大。混合系統的設計，安裝，施工工程都比獨立工程要大。
3. 比獨立系統需要更多的維護。油機的使用需要很多的維護工作，比如更換機油濾清器，燃油濾清器，火花塞等，還需要給燃油箱添加燃油等。
4. 污染和噪音。光伏系統是無噪音，無排放的潔淨能源利用，但是因為混合系統中使用了柴油機，這樣就不可避免的產生噪音和污染。
很多在偏遠無電地區的通信電源和民航導航設備電源，因為對電源的要求很高，都是採用的混合系統供電，以求達到最好的性價比。我國新疆、雲南建設的很多鄉村光伏電站就是採用光/柴混合系統。
併網混供系統
隨着太陽能光電子產業的發展，出現了可以綜合利用太陽能光伏組件陣列，市電和備用油機的併網混合供電系統。這種系統通常是控制器和逆變器集成一體化，使用電腦芯片全面控制整個系統的運行，綜合利用各種能源達到最佳的工作狀態，並還可以使用蓄電池進一步提高系統的負載供電保障率，例如AES的SMD逆變器系統。該系統可以為本地負載提供合格的電源，並可以作為一個在線的UPS（不間斷電源）工作。還可以向電網供電或者從電網獲得電力。系統的工作方式通常的是將市電和太陽能電源並行工作，對於本地負載而言，如果光伏組件產生的電能足夠負載使用，它將直接使用光伏組件產生的電能供給負載的需求。如果光伏組件產生的電能超過即時負載的需求還能將多餘的電能返回到電網；如果光伏組件產生的電能不夠用，則將自動啟用市電，使用市電供給本地負載的需求，而且，當本地負載的功率消耗小於SMD逆變器的額定市電容量的60%時，市電就會自動給蓄電池充電，保證蓄電池長期處於浮充狀態；如果市電產生故障，即市電停電或者是市電的品質不合格，系統就會自動的斷開市電，轉成獨立工作模式，由蓄電池和逆變器提供負載所需的交流電能。一旦市電恢復正常，即電壓和頻率都恢復到上述的正常狀態以內，系統就會斷開蓄電池，改為併網模式工作，由市電供電。有的併網混合供電系統中還可以將系統監控、控制和數據採集功能集成在控制芯片中。這種系統的核心器件是控制器和逆變器。
離網光伏系統
離網型光伏發電系統是由光伏組件發電，經控制器對蓄電池進行充放電管理，並給直流負載提供電能或通過逆變器給交 流負載提供電能的一種新型電源。廣泛應用於環境惡劣的高原、海島、偏遠山區及野外作業，也可作為通訊基站、廣告 燈箱、路燈等供電電源。 光伏發電系統利用取之不盡、用之不竭的自然能源，可有效緩解電力短缺地區的需求矛盾，解決偏遠地區的生活及通訊問題。改善全球生態環境，促進人類可持續發展。
系統功能
光伏電池板為發電部件。光伏控制器對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整後的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多餘的能量送往蓄電池組儲存，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電後，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器的性能不好時，對蓄電池的使用壽命影響很大，並最終影響系統的可靠 性。蓄電池的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。逆變器負責把直流電轉換為交流電，供交流負荷使用。
技術應用
隨着全球經濟的發展，新能源發電技術也迅速發展 太陽能以其資源量最豐富分布廣泛清潔成為最有發展潛力的可再生能源之一。進入21世紀以來，世界太陽能光伏發電產業發展迅速，市場應用規模不斷擴大，在後續能源的發展中的作用越來越重要。開發利用太陽能光伏技術是我國實行資源節約型社會節能減排 可持續發展 改善生存環境等的重要舉措之一。當前， 全球能源資源日益減少且環境問題日益突出， 如何合理 有效地利用可再生能源成為建設節約型社會的重要課題。
光伏逆變電源併網運行時本質上為電流源。
如何有效控制輸出電流以及在儘量減少對電網諧波污染的前提下，如何滿足與電網電壓同頻同相是光伏電源併網運行的2 大難點和關鍵點 而逆變器是併網系統的核心裝置，逆變器控制和調製技術成為併網技術的關鍵。國內外紛紛開展光伏併網系統的研究，併網可看作與電網的並聯，通過對可控逆變器的控制實現無衝擊併網。
本文針對光伏系統中的逆變器，分析了已有的基於電流跟蹤和電壓跟蹤的 PWM 控制策略，並提出一種新型的具有功率跟蹤功能的電流控制策略。PWM 調製控制策略不僅可以對逆變器實現靈活可靠的控制，還可以減小諧波含量，從而提高逆變器輸出電能質量。
併網逆變器採用的電流控制是將逆變器輸出作為電流源，它與電網的並聯可看作電流源與電壓源的並聯工作。併網工作中只需控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤電網電壓變化即可達到並聯運行的目的。
常用的電流跟蹤控制策略主要有瞬時值滯環控制方式三角波比較控制方式及無差拍控制方式。
光伏發電
如果光線照射在太陽能電池上並且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發，以致產生電子－空穴對。界面層附近的電子和空穴在複合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區和空穴向帶負電的P區運動。通過界面層的電荷分離，將在P區和N區之間產生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極並接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數值為0.5～0.6V。通過光照在界面層產生的電子－空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。
原理
太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路後就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。
一、光伏發電方式太陽能發電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。
（1） 光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；後一個過程是熱—電轉換過程，與普通的火力發電一樣.太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍。
（2） 光—電直接轉換方式該方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由於光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或並聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染。
光伏系統被稱為最理想的新能源。①無枯竭危險；②安全可靠，無噪聲，無污染排放外，絕對乾淨（無公害）；③不受資源分布地域的限制，可利用建築屋面的優勢；④無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電；⑤能源質量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦建設周期短，獲取能源花費的時間短。
缺點
①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。利用太陽能來發電，設備成本高，卻太陽能利用率較低，不能廣泛應用，主要用在一些特殊環境下，如衛星等
應用領域
1.用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用於邊遠無電地區如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂併網發電系統；（3）光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。
2. 交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標誌燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。
3. 通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。
4. 石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。
5.家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。
6.光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。
7.太陽能建築：將太陽能發電與建築材料相結合，使得未來的大型建築實現電力自給，是未來一大發展方向。
8.其他領域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生髮電系統；（3）海水淡化設備供電；（4）衛星、航天器、空間太陽能電站等。
參考來源