离网太阳能光伏发电系统构成及优势
2017-11-25
1.离网太阳能光伏发电系统构成
离网太阳能光伏发电系统在自己的闭路系统内部形成电路，是通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。并网发电系统通过太阳能电池组将接收来的太阳辐射能量转换为电能，再经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。
太阳能光伏发电系统的规模和应用形式各异，系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏发电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏发电系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。离网的太阳能光发电伏光伏系统由太阳能电池方阵;蓄电池;控制器;DC/AC变换器;用电负载构成。离网太阳能光伏发电系统构成如图1所示。
(1)光伏组件方阵
在太阳能光伏发电系统中最重要的是太阳能电池，是收集太阳光的核心组件。大量的太阳能电池合成在一起构成光伏组件或太阳能电池光伏组件方阵。太阳能电池主要划分为：晶体硅电池(包括单晶硅Monoc-Si、多晶硅Multi-Si、带状硅Ribbon/Sheetc-Si)、非晶硅电池(a-Si)、非硅电池(包括硒化铜铟CIS、碲化镉CdTe)。太阳能电池的类型及特性见表1。
表1 太阳能电池的类型及特性
类型单晶硅多晶硅非晶硅
转换效率12~17%10~15%6~8%
使用寿命15~20年15~20年5~10年
平均价格昂贵较贵较便宜
稳定性好好差(会衰减)
颜色黑色深蓝棕
主要优点转换效率高、工作稳定，体积小。工作稳定，成本低。使用广泛。价低，弱光性好，多数用于计算器，电子表等
主要缺点成本高转换效率较低转换效率最低，会衰减。相同功率的面积比晶体硅大一倍以上。
由于技术和材料原因，单一太阳能电池的发电量是十分有限的，实用中是将单一太阳能电池经串、并联组成的太阳能电池系统，称为太阳能电池组件。近年来，作为太阳能电池主流技术的晶体硅电池的原材料价格不断上涨，从而致使晶体硅电池的成本大幅攀升，这使得非晶硅电池成本优势更加明显。另外，薄膜电池(大大节约原材料使用，从而大幅降低成本)已成为太阳能电池的发展方向，但是其技术要求非常高，而非晶硅薄膜电池作为目前技术最成熟的薄膜电池，是目前薄膜电池中最富增长潜力的品种。
(2)蓄电池
蓄电池组是离网太阳能光伏发电系统中的贮能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来，以供负载应用。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。太阳能电池产生的电能以化学能的形式储存蓄电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。蓄电池的特性直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足负载用电的前提下，把白天太阳能电池组件产生的电能尽量存储下来，同时还要能够存储预定的连续阴雨天时用电负载需要的电能。
蓄电池容量受到末端负载需用电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的负载需用电量和连续无日照时间决定，因此蓄电池的性能直接影响着太阳能光伏发电系统的工作特性。目前离网太阳能光伏发电系统常用的是阀控密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。
(3)控制器
控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效安全可靠地工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按照负载的用电需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载输出电能，是整个太阳能光伏发电系统的核心部分。通过控制器对蓄电池充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能光伏发电系统的设计来说，控制器充放电控制电路的质量至关重要。
控制器的主要功能是使太阳能光伏发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术，即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当蓄电池缺电、系统故障，如蓄电池开路或接反时切断开关。目前研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器，将固定太阳能电池组件的效率提高了50%左右。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、变换器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。
(4)DC/AC变换器
在太阳能光伏发电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用DC/AC变换器，将太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电经逆变主电路的调制、滤波、升压后，得到与交流负载额定频率、额定电压相同的正弦交流电提供给用电负载使用。逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。逆变器具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。逆变器种类及特点见表2。
表2 逆变器种类及特点
种类方波逆变器修正波逆变器正弦波逆变器
交流电压波形方波阶梯波正弦波
优点线路简单，价格便宜，维修方便。比方波有明显改善、高次谐波含量减少，当阶梯达到17个以上时输出波形可实现准正弦波，当采用无变压器输出时，整机效率很高。输出波形好、失真度很低，对收音机及通信设备干扰小、噪声低，此外还有保护功能齐全，整机性能高等优点
缺点高次谐波多，损耗大，噪声大，对收音机及通信设备干扰大。线路比较复杂，对收音机和某些通信设备仍有一些高频干扰。线路相对复杂、对维修技术要求高、价格较昂贵。
(5)用电负载
太阳能光伏发电系统按负载性质分为：直流负载系统和交流负载系统。其系统框图如图2所示。离网光伏发电系统目前面临以下两个问题：
1)能量密度不高，整体的利用效率较低，前期的投资较大。
2)离网发电系统的储能装置一般以铅酸蓄电池为主，蓄电池成本占太阳能光伏发电系统初始设备成本的25%左右，若对于蓄电池的充放电控制比较简单，容易导致蓄电池提前失效，增加了系统的运行成本。蓄电池在20年的运行周期中占投资费用的43%，大多数蓄电池并不能达到设计的使用寿命，除了蓄电池本身的缺陷和管理维护不到位外，蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因。
因此对于离网太阳能光伏发电系统，提高能量利用率，研究科学的系统能量控制策略，可以降低离网光伏发电系统的投资费用。
2.太阳能光伏发电的优势
通过对生物质能、水能、风能和太阳能等几种常见新能源的对比分析，可以清晰地得出太阳能光发电伏具有以下独特优势：
1)光伏发电具有经济优势。可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更加明显。如果说20世纪是石油世纪的话，那么21世纪则是可再生能源的世纪(太阳能的世纪)。
从太阳能光伏发电站建设成本来看，随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用，每kW太阳能光伏发电的建设成本在2015年可达到5000元～1万元，相比其他可再生能源已具有同样的经济优势。
2)太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳能可源源不断供给地球的时间可以说是无限的，这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。从我国可开发的资源蕴含量来看，学者和专家比较公认的数字是：生物质能1亿kW，水电3.78亿kW，风电2.53亿kW，而太阳能是2.1万亿kW，只需开发太阳能资源的1%即达到210亿kW;从其比例看，生物质能仅占0.46%，风电占1.74%，水电1.16%，而光电为96.64%。
3)对环境没有污染。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。由于传统化石燃料(煤、石油和天然气)在使用过程中排出大量的有毒有害物质，会对水、土壤和大气造成严重污染，形成温室效应和酸雨，严重危害到人类的生存环境和身体健康，因此急需开发出新的比较清洁的替代能源，而太阳能作为一种比较理想的清洁能源，正受到世界各国的日益重视。
从目前各种发电方式的碳排放来看，不计算其上游环节：煤电为275g，油发电为204g，天然气发电为181g，风力发电为20g，而太阳能光伏发电则接近零排放。并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害物质，不会污染环境。
4)转换环节最少最直接。从能量转换环节来看，太阳能光伏发电是直接将太阳辐射能转换为电能，是所有可再生能源利用中太阳能光伏发电的转换环节最少、利用最直接。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加整个系统的建设和运行成本和不稳定性。目前，晶体硅太阳能电池的转换效率实用水平在15～20%之间，实验室水平最高目前已达35%。
5)最经济、最清洁、最环保。从资源条件尤其是土地占用来看，生物能、风能是较为苛刻的，而太阳能则很灵活和广泛的。如果说太阳能光伏发电要占用土地面积为1的话，风力则是太阳能的8～10倍，生物能则达到100倍。而水电，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十到上百平方公里的土地。相比而言，太阳能光发电伏不需要占用更多的土地，屋顶、墙面都可成为太阳能光伏发电利用的场所，还可利用我国广阔的沙漠，通过在沙漠上建造太阳能光伏发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减少蒸发量，进而使植物的存活和生长在相当程度上成为可能，稳固并减少了沙丘，又向自然索取了需要的清洁可再生能源。
6)可免费使用，且无需运输。人类可以通过专门的技术和设备将光能转化为热能或电能，就地加以利用，无需运输，为人类造福。而且人类利用这一取之不尽的能源也是免费的。虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用，这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
