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,光伏发电技术和系统设计,光伏产业发展与投资政策分析培训班,1、光伏发电的应用和市场 2、光伏发电系统的设计,目 录,1. 光伏发电的特点、和趋势,4,太阳电池的结构和品种,5,1.体积小、重量轻。单位重量比功率:50-1000W/kg; 2.寿命长:20-50年(工作25年,效率下降20%); 3.零排放:无燃料消耗,无噪声,无污染; 4. 发电不用水(高倍聚光电池也如此):可以在荒漠地区建设; 5. 运行可靠:无机械转动部件,使用安全,免维护,无人值守; 6.太阳能资源永不枯竭(至少50亿年):各地区差异不大,分布式电站; 7. 生产资料丰富:硅材料储量丰富,为地壳上除氧之外的丰度排列第二,达到26%之多; 8. 不单独占地:可以安装到建筑上(BIPV); 9. 与峰值负荷重叠,起到削峰作用,属于“黄金电力”; 10.规模大小皆宜:10W-100GW,可以“搭积木”式建设和安装; 11.安装简单:建设周期短,安装成本低; 12.能量回收期短:0.8-3.0年;能量增值效应明显:8-30倍 13.规律性强,可预测:调度比风力发电容易; 14.降价潜力大:系统造价:1$/Wp,发电成本:6/Kwh,太阳能光伏发电的优点,4、光伏发电系统设计,并网光伏发电系统的设计步骤,1、在考察的基础上进行预可行性研究(RetSchreen); 2、技术方案确定和设备选型(太阳电池、逆变器、监控、其它设备、运行方式等); 3、工程设计:与建筑结合、土建施工方案、抗风能力、防雷接地、电网接入系统; 4、特殊设计: 1) 对于BIPV和BAPV:并网方式、遮挡计算、专用BIPV组件 的安装设计、 造型和美观等; 2) 对于大型光伏电站:占地计算、场地、基础、机房、围栏、 自动跟踪系统等。,系统的预可行性研究,9,www.RETS网站主页,11,RETScreen 软件所能完成的工作, Minister of Natural Resources Canada 2001 2002.,1、资源评估:太阳辐射数据、环境温度、10米风速、气压等; 2、不同安装和运行方式下的辐射量计算:固定安装,不同朝向和不同倾角,单轴跟踪,双轴跟踪等; 3、设备选型和容量计算:太阳电池、蓄电池、系统各个环节的效率、发电量测算; 4、成本分析:可研、设计、设备、土建、运输、安装、运行维护、周期性投资等; 5、温室气体减排分析:按照IPCC标准; 6、财务评估:贷款、赠款、利息、税收、CDM、光伏电价测算、IRR、现金流、资金回收期等; 7、敏感性分析:影响电价或IRR的主要因素分析。,12,温室气体减排应当按照各国混合燃料综合减排指数来测算。,各国都要将分类燃料减排指数和混合燃料减排指数上报IPCC。,Source: IEA PVPS T10-01-2006,13,太阳能资源评估,14,太阳辐射传输过程示意,反射,散射,吸收,直射,地面反射,15,中国气象局地面观测网日照,16,中国目前可以取得的太阳辐射资料,我国1953年开始测量太阳辐射,气象台站数量从解放初的70个发展到现在的2610个,其中气象站2300个(县级气象站),气象台310个。 县级气象站的主要任务是对风(台风)、气温、湿度、降雨、雪、雹、地温等参数的观测和预报,与太阳辐射相关的数据只有“日照时数”。 日照时数的测量是用感光纸记录光强大于120W/m2的时间,分辨率为10分钟。 从国家气象局网站上可以查到全国122个气象台1957-2007年的辐射数据(不包括台湾、香港和澳门)。1993年以前, 全国有66个气象台有水平面太阳总辐射和散射辐射的数据,1993年以后,全国只有17个气象台有水平面太阳总辐射和散射辐射的数据。,17,18,布格-朗伯定律: SD= S0Fm S0 = 1350W/m2 余弦定律: ST = SDCOS Z m=1/Sin * P/P0 Sin = SinSin+Cos Cos Cos N =23.5Sin(360*(284+N)/365) DT = Dp(1+CosZ)/2 RT = Qp(1-CosZ)/2 S QT = ST+DT+RT,19,太阳能资源的单位换算,1992年以前的太阳辐射单位:Kcal/cm2 1992年以后:MJ/m2 光伏设计用辐射单位:kWh/m2 1卡= 4.18焦耳,1焦耳 = 1ws 甘肃武威水平面年辐射量: 6141.6MJ/m2 6141.6106/3600/1000 = 1706kWh/m2 1706kWh/m2/365 = 4.70 kWh/天 甘肃武威水平面年辐射量: 147Kcal/cm2 1471034.1810000/3600/1000 = 1706.8kWh/m2 1706kWh/m2/365 = 4.70 kWh/天,20,太阳能资源数据 (10 年平均值 MJ/m2 (kcal/cm2),水平面上的太阳能资源 太阳电池方阵倾斜面上的太阳能资源 方阵倾斜面上的太阳辐射量由计算机辅助设计软件完成( RetScreen). 对于独立光伏系统:优化设计太阳电池方阵的倾角有利于增加冬天的充电电流,适当减少 夏季的充电电流,从而有效避免蓄电池的过充电和过放电,也有利于减少蓄电池的冬季储备容量,减少初投资。 对于并网光伏系统,追求全年发电量最大,倾角的选择又不相同。 对于聚光太阳电池,要求DNI(Direct Normal Inrradiation)的辐射数据,我们国家没有。,21,中国水平面太阳辐射分布图,22,光伏电站的系统构成和设备选型,系统配置 太阳电池组件 (品种和安装) 蓄电池 (品种、质量和运行维护) 充电控制器 (功能和品种) 直流/交流逆变器 (品种、质量、效率和容量选择) 备用电源的考虑 整流充电设备(功能和品种) 其他部件 (端子、导线、包装、说明书),23,光伏电站的系统构成和设备选型,24,太阳电池,25,商品化的太阳电池组件和效率,26,导体 绝缘体 半导体 N P,F,G,P,N,N P,N- P+,I,27,太阳电池的结构,28,太阳电池、组件和方阵,29,太阳电池的I-V特性及功率曲线,I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压,标准条件: AM=1.5 Q=1000W/m2 T=25C 光强 I 温度 V (-2.5mV/ C),30,太阳光强与开路电压和短路电流的关系,I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压,31,温度的影响,随着太阳电池温度的增加,开路电压减少,在20-100C范围,大约每升高1C每片电池的电压减少2mV;而光电流随温度的增加略有上升。总的来说,温度升高太阳电池的功率下降,典型功率温度系数为0.35%/C。也就是说,如果太阳电池温度每升高1C,则功率减少0.35%。,32,光强的影响,光强与太阳电池组件的光电流成正比,在光强由100W/m2 - 1000W/m2范围内,光电流始终随光强的增长而线性增长;而光强对光电压的影响很小,在温度固定的条件下,当光强在400W/m2 - 1000W/m2范围内变化,太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。,33,串联回路太阳电池的热斑现象,d点,此时工作电流为零,组开路电压VGd等于电池1和电池2的开路电压之和; c点,电池1和电池2都有正的功率输出; b点,此时电池1仍然工作在正功率输出,而受遮挡的电池2已经工作在短路状态,没有功率输出,但也还没有成为电池1的负载; a点,此时电池1仍然有正的功率输出,而电池2上的电压已经反向,电池2成为电池1的负载; 应当注意到,并不是仅在电池组处于短路状态才会发生“热斑效应”,从b点到a点的工作区间,电池2都处于接收功率的状态,如旁路型控制器在蓄电池充满时将通过旁路开关将太阳电池短路,此时就很容易形成热斑。,34,并联回路太阳电池的热斑现象,a点,此时电池组的工作电压为零,短路电流Isc等于电池1和电池2的短路电流之和; b点,电池1和电池2都有正的功率输出; c点,此时电池1仍然工作在正功率输出,而受遮挡的电池2已经工作在开路状态,没有功率输出,但也还没有成为电池1的负载; d点,此时电池1仍然有正的功率输出,而电池2上的电流已经反向,电池2成为电池1的负载,此时电池1的功率全部加到了电池2上,如果这种状态持续时间很长或电池1的功率很大,也会在被遮挡的电池2上造成热斑损伤。 应当注意到,从c点到d点的工作区间,电池2都处于接收功率的状态。,35,防止热斑现象发生,防止热斑现象的办法就是加装旁路二极管和阻断二极管。 旁路二极管的作用是在被遮挡组件一侧提供电流通路; 阻断二极管的作用是阻断被遮挡组件上的反向电流。,36,蓄电池,37,蓄 电 池,蓄电池种类:固定式防酸蓄电池、工业型密封电池、小型密封电池、汽车/摩托车启动电瓶,38,逆变器,并网逆变器的要求,组件高压绝缘技术 逆变器转换效率 可靠性(元器件选择、保护功能) 输出电流总谐波 电子兼容技术(电磁干扰、防雷、接地、浪涌、漏电等) 最大功率点跟踪技术(MPPT) 电网锁相技术 孤岛检测和防护 并网电路拓扑结构 并网系统的群控、监控及调度技术,并网逆变器的效率,euro = 0.035% + 0.0610% + 0.1320% + 0.1030% + 0.4850% + 0.20100%,太阳电池的最大功率跟踪(MPPT),要求:快速、准确和稳定,42,孤岛现象和防护,孤岛现象: 当电网的部分线路因故障或检修而停电时,停电线路由所连的并网发电装置继续供电,并连同周围的负载构成一个自给供电的孤岛。,IEC 62116 ed 1.0(2005) 光伏并网逆变器防孤岛测试方法 Testing Procedure-Islanding Prevention Measures for Power Conditioners used in grid connected photovoltaic (PV) generation systems,并网逆变器的可靠性,并网逆变器的防雷和接地,太阳电池方阵的线路防雷,逆变器交流侧和直流侧的线路防雷,并网逆变器的拓扑结构 (自身带有隔离变压器),并网逆变器的拓扑结构 (通过升压变压器并入高压电网),并网逆变器的拓扑结构 (大功率逆变器的功率级并联),48,大型并网荒漠光伏电站的其它考虑,1、电站有功功率调节能力; 2、电站无功功率补偿的能力; 3、有载变压器分接头切换能力; 3、对光伏电站最大功率变化率的要求; 4、低电压穿越的能力; 4、必须反馈给调度中心的必要信息(接入点电压、电流、诱供功率、功率因数、频率、电量等); 5、要求可以接受调度中心的指令,有调度中心进行远程控制和调节。,按照 GBZ19964-2005 “光伏电站接入电力系统技术规定(在发电侧与高压电网并网)除了常规光伏电站建设需要考虑的问题,还需要考虑如下电网公司要求的功能:,太阳电池组件的抗风沙能力。,与建筑结合的光伏系统BIPV和BAPV,关键设备和技术难点:太阳电池、特殊BIPV组件、逆变器、数据采集和监控、与建筑结合的设计。,50,什么地方可以安装太阳电池,附加的特性: 太阳电池与建筑结合后还具有最为重要的特性发电。 传统的建筑材料被太阳电池组件替
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