浅议太阳能光伏发电系统

2022-09-12

在能源枯竭环境污染日益严重的今天, 光伏发电结合其自身的特点, 日益得到各国的重视并将成为各国竞向发展的热点, 而光伏并网发电又是光伏利用中的发展趋势[1]。光伏发电的应用是通过光伏发电系统实现的。从发电角度, 光伏系统主要分为独立光伏系统、并网光伏系统;从安装环境可分为光伏建筑集成系统、地面光伏电站 (包括荒漠、盐碱地、滩头等地面电站) 以及能源综合应用系统等。

1 太阳能光伏并网发电系统的组成

并网光伏发电系统包括建筑光伏系统 (BIPV) 、地面光伏系统 (包括盐碱地、荒漠地、大型荒漠光伏电站等) 和并网光伏系统。

本文主要讨论的光伏并网发电系统就是把太阳能电池产生的直流电通过逆变器变成220V的交流电并接入商业电网。系统框图如图1所示。

2 太阳能电池

太阳能电池作为光伏系统中不可缺少的关键部件, 它的特征性能对整个系统都有着非常重要的影响。分析太阳能电池的特性, 了解其电气特性, 是开发一个光伏系统中的一个必要的步骤。它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件[2], 在光伏发电中占有极其重要的位置, 对它的研究是太阳能利用中最具发展潜力的研究课题之一。太阳能电池的伏安特性受到环境温度和阳光辐照度的影响, 是一个非线性元件, 它可等效为一个电压随日照强度, 环境温度变化且其等效内阻随外接负载电阻变化的电压源表示。

3 光伏系统控制器

在光伏系统中, 控制器也是一个很重要的组成部分。光伏控制器是协调系统各部分正常工作, 确保系统安全、可靠运行的电气装置。近些年来, 随着计算机技术的发展, 电气自动化技术也随之快速发展, 出现了各种各样的自动化装置。现在很多光伏系统都引入了这种多功能的、智能化的自动化控制装置, 也就是我们常说的光伏系统控制器[3]。

在光伏系统中, 光伏系统控制器能够自动地对光伏系统的多路模拟信号进行采集处理, 从而达到对整个系统的工作状态进行检测和保护的功能。它能够对系统运行中出现的偏差进行自诊断、分析、自校正, 使系统自动调整工作状态, 也可以监视某些关键器件的工作状况, 避免因为某些器件工作出现问题而影响整个系统的情况出现。除了基本的功能以外, 现在很多控制器都设计得非常全面周到, 在起到普通控制器作用的同时, 也是一个系统和人机信息交换的中介。在一些要求比较高的系统中的控制器, 例如光伏电站中用的控制器能够对整个系统的运行状态进行优化调整, 对工作状态进行实时监控、报告;也可以很好地对人为指令进行理解、执行和回复;自动协调系统各部分正常工作, 确保系统安全、可靠运行的功能。现在的光伏系统中, 根据用的场合以及系统对控制器的作用、功能等的具体要求, 往往开发适合自己的控制器。

4 光伏系统逆变器

在光伏系统中逆变器是将太阳能电池的直流输出电能转变为交流[3]。对于需要向交流负载供电或者需要将电能馈送到交流电网的光伏发电系统来说, 逆变器成为系统中不可缺少的重要部分, 目前主要应用于交流供电的家庭、村落等供电系统, 其他有应用于通信基站、部队、铁路通信、信号以及电网无法延伸的野外场所。

逆变器有两大类, 即独立运行逆变器和并网逆变器。我国目前的光伏发电系统差不多都是独立运行系统, 所用的是独立运行的逆变器, 它可以在远离电网的地区单独运行。本文主要讨论的是光伏并网逆变器, 并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流, 一部分给当地负载供电, 剩余的电力将馈入商业电网。并网型逆变器通过内部的功率调节器将太阳能电池发出的电力最大限度地回馈给电网。

5 光伏系统平衡部分 (连接部分)

光伏系统平衡部件 (BOS) 指光伏系统中除光伏阵列以外的部分[3], 主要包括控制器、逆变器、最大功率跟踪器、工程数据采集、显示和远程监控、蓄电池、配电系统、支架和电缆等, 控制器和逆变器在前面已经涉及。平衡部件性能的改进对于提高系统的效率、可靠性, 提高系统的寿命、降低成本至关重要。加速百千瓦级控制器、逆变器的国产化进程, 研制高效、低成本的最大功率跟踪器和聚光系统, 并在大规模并网光伏示范项目中应用, 是平衡部件制造业的任务之一。