光伏发电的原理（精选10篇）
光伏发电的原理 第1篇
关键词：光伏系统,并网发电,独立供电,工作模式,控制策略,最大功率点
1 主电路拓扑结构分析
光伏并网发电/独立供电系统是一种将有源逆变与无源逆变结合于一体的逆变装置,除了需要2种不同的控制策略外,还需要两套不同主电路拓扑结构,但是发现这2种逆变主电路的不同之处在于滤波环节不同,实际上可以通过对滤波参数进行整合折中,选用相同的滤波参数以满足需要,这样就能省去一套滤波装置,从而可以一机两用。本文采用了单相拓扑结构来实现两用功能。三相与单相实现原理一样,只是控制上要复杂些。
系统主电路根据实际设计有以下几种结构:
图1是一种比较简单实用的结构,他的主要构成有:光伏阵列、蓄电池组、双向全桥变换器、并网逆变和独立逆变共用的滤波电感L、工频变压器、直流平波电容、软起动电阻、以及若干接触器。他的具体工作原理是:光伏阵列和蓄电池的直流电能可以由双向全桥变换器变换成交流电能,提供给负载或电网;电网的交流电能也可以由双向全桥变换器变换成直流电能,给蓄电池充电。
图2 与图1基本相同,只是多了一个太阳能充电器环节,这个环节的增加,使得蓄电池既可以由太阳电池充电,又可以由电网整流充电。但是显然增加了系统的成本。图1通过一个二极管来代替接触器KM1,因为大容量的直流接触器价格比较昂贵,尽量少的使用接触器,可以降低成本,于是得到图3,由于系统在SPWM整流充电时需对直流电压控制,若太阳电池电压过高二极管导通,不利于直流电压控制。
2 系统的工作模式
从系统要求出发,要具备以下几种工作模式是:
2.1 并网逆变模式
这种工作模式的前提是天气晴好,且电网电压正常和蓄电池不需要充电。负载是交流电网和交流负载。
2.2 独立供电模式
这种工作模式的前提是电网电压故障。负载是交流负载。
2.3 整流充电模式
这种工作模式的前提是电网电压正常且蓄电池欠压。负载是交流负载和蓄电池。
2.4 太阳电池给蓄电池充电模式
这种工作模式的前提是电网故障,不能由电网进行整流充电,且天气晴好,这时逆变器工作在独立逆变状态,蓄电池处于边充边放状态,但这时一定要注意检测蓄电池的电压,不能过充,否则会损伤蓄电池。由于考虑成本因素没有加充电器环节,以及处于独立逆变工作状态蓄电池不能完全充满,只能根据蓄电池的电压和充电电流大小近似认为是否充满电,这只是一种附加充电方式。
2.5 电网给负载供电模式
天气转阴(或夜间)且蓄电池电已充满,则由电网给负载供电,逆变器不工作。
知道系统这5种工作模式后,如何进行各种模式之间的切换是需要认真解决的一个问题,由于考虑到成本问题,没有选用图1,2那种拓扑结构,这就使得太阳能给蓄电池充电模式不够理想,控制的可靠性方面不够完美,但如果采用高频逆变器作为并网和独立逆变的逆变器,从一方面考虑还是具有一定的可行性,因为高频逆变器中有一个DC/DC升压环节,正好可以利用这个升压环节作为太阳能给蓄电池充电的充电器,使的系统的充电控制策略更加完善,同时由于采用高频逆变器,可以省去笨重的工频变压器。但是在高频独立逆变时直流侧需要更多的蓄电池,同样也会增加成本。下面将在本文采用的拓扑结构下,介绍5种模式之间的7种切换过程。
(1) 并网逆变和独立逆变之间的切换
系统开机后首先检测电网电压、蓄电池电压和太阳电池电压,如果电网电压正常,且太阳电池电压正常,蓄电池电压也是满的,这时就可以进行并网发电,逆变器输出电压供给电网和交流负载,此时如果电网发生故障,则系统在检测到电网故障后会立即转入独立逆变状态,继续给负载供电,起到不间断电源的作用。当电网恢复后又继续并网发电。
(2) 并网发电和整流充电之间的切换
当电网正常时,在进行并网发电时若发现蓄电池电量不满,则可以通过手动开关发一个I/O信号给控制器,控制器发相应的命令实现整流充电,此时系统停止并网,当蓄电池充满电后,检测并网条件符合后则自动再转到并网发电模式。
(3) 并网逆变模式和太阳能充电模式之间的切换
当电网正常时,在进行并网发电时若发现蓄电池电量不满,则可以通过手动开关发一个I/O信号给控制器,控制器发相应的命令实现太阳能给蓄电池充电。当检测到蓄电池电压基本满时则检测是否符合并网条件,若符合条件,则继续并网发电。
(4) 独立供电模式和整流充电模式之间的切换
当系统工作在整流充电时,若电网发生故障,则系统检测到故障后立即转到独立供电模式。当系统工作在独立逆变状态时,电网恢复且蓄电池电量不足,这时系统又转到整流充电模式。
(5) 独立供电模式和太阳能给蓄电池充电模式之间的切换
当系统工作在独立供电模式时,若天气晴好则边给蓄电池充电边独立逆变;当天气转阴时或天黑时则由蓄电池提供能量进行独立供电。
(6) 独立供电和电网给负载供电模式之间的切换
当电网给负载供电时,突然电网发生故障,则系统会立即转入独立供电状态;当电网恢复时会继续转到由电网供电状态。
(7) 整流充电模式和太阳能充电模式之间的切换
当系统正在进行整流充电时,电网突然发生故障,则系统必须工作在独立供电模式,此时系统处于边充电边逆变状态,也即是太阳能充电模式,当电网恢复后,可以根据需要再转到整流充电模式。
在知道详细的切换过程后,还需要知道在各种工作模式下的控制方法,在并网模式时,需要控制与电网电压同步的并网电流,而且要保证太阳电池始终以最大功率输出;独立供电模式下,需要控制逆变器的交流输出电压;整流时需要控制交流输入电流,并且保证电流与电网电压反相,才能得到蓄电池的恒压、恒流控制。
3 蓄电池的充电管理
在独立供电模式下,铅酸蓄电池组工作在存储能量和释放能量状态。
天气晴好且电网故障时,系统工作在独立逆变状态,可以根据负载大小和太阳电池阵列容量给蓄电池充电;当天气转阴(或天黑)且电网故障时蓄电池能量可以经过逆变给负载供电,蓄电池组的在这种工作环境下工作,会存在以下缺点:
(1) 电源来自于光伏阵列接收到的太阳辐射能量,容量有限,并且受到时间、环境温度和太阳辐射强度等因素的影响,具有间断性的特点;
(2) 蓄电池组的充放电次数频繁,经常工作于充放电状态;
(3) 太阳辐射强度较高时,容易造成蓄电池组过充;太阳辐射强度较低时,又容易造成蓄电池组欠充。
这些缺点的存在可能使得昂贵的蓄电池组寿命减少,由于以上原因,为了保证系统正常供电和蓄电池的长期使用,必须采用合理优化的控制方法来减小这些因素对蓄电池的影响。在对蓄电池充放电时,应尽可能地按照蓄电池所提供的充放电特性曲线进行,充电时一般采用三段式充电方式,先恒流充电,然后恒压充电,再涓流充电;当蓄电池工作于放电状态时,须设置蓄电池的放电电压下限值,保证蓄电池的放电深度,不能过放。所以,在蓄电池工作时须检测蓄电池的充电电流和端电压,这样才能实现对蓄电池的三段式充电管理以及放电管理。同时,由于温度也会影响蓄电池的特性曲线,温度不同,其欧姆内阻和过充电压阈值也不同,因此,为了实现对蓄电池的有效管理,有时还须对蓄电池过充电压阈值进行温度补偿。
在了解了蓄电池的充放电要求后还需要根据太阳电池的特性来设计充电器,在设计充电器之前需要了解太阳电池的最大功率跟踪技术。
3.1 最大功率点跟踪技术
由于太阳电池本身的特性和成本比较昂贵,希望太阳电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能,以达到资源的最优利用,尤其是在大功率光伏并网系统中,最大功率点跟踪技术更显得重要。日照强度和电池结温是影响太阳电池阵列功率输出的2个重要参数,太阳电池结温和环境温度的关系依赖于日照强度,从太阳电池阵列的I-V特性(见图4)和不同日照量下的I-V和P-V特性曲线(见图5)可以看出在日照度不变的条件下,当环境温度升高时,太阳电池的开路电压将减小,短路电流将有微小的增大。在环境温度不变的条件下,当日照度高时,太阳电池的短路电流Isc将增大,开路电压Uoc将有微小的增大。考虑到日照度高时一般都具有较高环境温度,日照度低时一般都具有较低环境温度这一特点,太阳电池1天内最大功率点的轨迹接近于太阳电池某一恒电压处的功率轨迹。
(1) 短路电流(Isc):
在给定日照强度和温度下的最大输出电流;
(2) 开路电压(Voc):
在给定日照强度和温度下的最大输出电压;
(3) 最大功率点电流(Im):
在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流;
(4) 最大功率点电压(Vm):
在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压;
(5) 最大功率点功率(Pm):
在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率,Pm=Im·Vm。
因为太阳电池1天内最大功率点的轨迹接近于太阳电池某一恒电压处的功率轨迹。所以可以采用定电压控制方法实现最大功率点跟踪问题。
3.2 系统的充电控制策略
在了解太阳电池的最大功率点跟踪技术后,就可以设计适合铅酸蓄电池的充电器。由于这部分内容在有关文献中介绍比较多,在这里不再叙述。
蓄电池的充电主要有2种方式:一种是太阳电池阵列给蓄电池充电,另一种是利用双向变换器对电网电压通过SPWM整流对蓄电池充电。前一种充电方式由于需要光伏充电器,增加了系统的成本,但不加光伏充电器,会频繁的对蓄电池进行不完善充放电,且不能进行最大功率点跟踪,因此采用电网SPWM整流充电方式作为主要的充电方式;而太阳能给蓄电池充电模式只作为一种辅助的充电方式,一般不使用这种方式给蓄电池充电,只有在独立逆变时为防止太阳电池能量不足或过剩,作为一种提供能量和存贮能量的装置才可以设置采用这种充放电模式,而且这种模式下需要保证蓄电池电压不能过压,如果在前面加一级DC/DC充电器,这样可以对蓄电池进行合理的充电控制。符合蓄电池的使用要求,但成本高。
在采用太阳电池给蓄电池充电工作模式时,只能通过判断蓄电池电压来认为蓄电池是否充满,因为没有蓄电池正常的三段式充电过程,所以很难将蓄电池充满。本文充电系统主要是通过SPWM整流进行充电,这种充电方式可以很好的满足充电要求。下面介绍SPWM整流充电控制策略。
蓄电池的充电系统需要控制直流电流、直流电压、交流网侧电流3个量,因此,该系统的控制结构应包含有 3闭环控制,其结构如图6所示。
U*x为蓄电池充电电压指令值;Ux为蓄电池实际反馈电压;ASR为蓄电池电压调节器,电压误差调节输出为I*x;I*x为充电电流指令值;Ix为实际充电直流电流;ACR1为蓄电池直流电流调节器,ACR1的输出作为网侧电流的幅值给定,其正负决定了是并网还是充电,即其逆变器并网电流与电网电压是同相还是反相;TB为同步电压变换器;I*M与同步变换器输出U*net的乘积为I*B,I*B再作为网侧交流电流的给定;ACR2为网侧电流调节器,实现网侧电流I*B的跟踪控制;ACR1的输出I*M的正负变化可以反映系统处于充电状态还是并网发电状态,也即指令电流I*B与电网的对应相位是相同还是相差180°。因为是3闭环控制,要得到稳定的充电电压和电流就必须合理的设置3个调节器的参数,同时也要保证一定的快速性。
具体工作原理是:当蓄电池电压小于给定直流电压时,相当于蓄电池欠压;此时直流电压调节输出值增大,也就是直流电流给定值增大,于是直流电流调节器输出增大,也就是网测电流给定值增大,于是网测电流调节器值增大,变换器导通角增大,电网输入功率增大,反映到直流电压升高,直流电流也增大;当蓄电池电压高于直流给定电压时,直流电压调节器输出减小,也就是直流电流给定值减小,于是直流电流调节器输出也减小,网测电流给定值也减小,变换器导通角减小,网测输入功率减小,反映到直流电压也减小,直流充电电流减小。
由于这部分基本由软件实现,这里不再叙述。
4 结 语
随着光伏发电系统在我国的广泛推广和应用,相关电力变换系统及技术也会不断进步和发展,光伏并网逆变和独立逆变供电系统虽然其各有特点并分属不同应用场合,但两者结合一体的应用会更加受到用户欢迎。逆变器的模块化和多功能化是今后逆变技术的发展方向,不仅是并网发电和独立后备供电的两者控制的结合,而且还会有多机并联供电、多机并网群控等功能的集成。
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聊聊光伏发电的“超能力” 第2篇
光伏发电可以追溯到上个世纪的70年代，由于两次石油危机的影响，光伏发电在发达国家受到高度重视，发展较快。率先利用太阳能发电的是发达的欧美国家和日本。自1969年世界上第一座太阳能发电站在法国建成，太阳能发电的比例在欧美国家逐渐提高，太阳能光伏技术也得到了不断发展。
在太阳能发电系统中，并网发电和独立式发电应用系统已经实实在在地出现在我们的生活中。现在很多大中型城市、甚至一些偏远地区太阳能路灯的使用已经很是普及，还有住宅区的照明、机场照明、医院照明、公交站牌指示灯等等，完全不依赖城市电网供电，只用太阳能电池组件将光能直接转换成了电能，多余的电量被储存在蓄电池里，待需要时再释放出来。
在特殊天气和自然灾害来临时，光伏发电的独特优势更是显现无遗。由于各个组成部分相对密闭，且在生产时大都进行了抗强风、暴雨、地震、雪压等极端恶劣天气的试验，在面对灾害时，光伏独立发电产品往往能够平安度过，当传统电力系统无法供电时，这些太阳能发电设备却可以迅速恢复供电，成为救命的能源。
实践证明，太阳能光伏发电非常适合在偏远山区或牧区的应用。其既可以为农牧民提供家庭用电、又可以驱动水泵灌溉农田。这些地方光照强、遮挡少、太阳能资源丰富，独立式光伏发电系统的优势得到了充分的发挥。
光伏发电系统有能够充分发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，当然，同时对电网也会带来一定影响，包括电能质量和各种保护功能方面。由于光伏发电系统需要接入电网，光伏并网发电系统中光伏逆变器是光伏发电系统的核心部件。为保证公用电网和用户的安全，光伏并网系统应具备完善的保护措施。
因此，对于光伏系统内设备的监控和检测工作就显得极为重要。世界发达国家对光伏产业发展十分重视。目前，我国光伏产业发展正处在上升时期，中国电力科学研究院适时设立了针对光伏设备检测的实验室，目前正在有条不紊的配合相关部门进行光伏系统的检测与评估。其他省的一些电力科学研究院也都配备了相关检测装置。
中国可谓是具备了广泛应用光伏发电技术地理条件的名副其实的太阳能资源大国。我国的光照资源主要分布在西北地区。1平方公里可安装100兆瓦光伏阵列，每年可发电1.5亿度。我国有荒漠面积108万平方公里，如果开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于2003年全国一年的用电量。丰富的太阳能资源，为光伏发电技术的发展提供了可靠的基础能源，目前我国已成为全世界太阳能电池的生产大国。
值得欣慰的是，为鼓励新能源的开发和利用，国家近年内出台了一些关于发展新能源的政策，其中已公布实施的《关于实施金太阳示范工程的通知》引起相关专业人士的广泛注目。尤其2013年政策重点支持用户侧并网光伏发电、独立光伏发电、以家庭为单位使用太阳能光伏装置发电、大型并网光伏发电等示范项目建设和相关基础能力建设。近日国务院总理李克强在河北省考察时，专程来到光伏企业，实地了解企业经营中存在的困难。国家政策的扶持极大鼓舞了我国正在起步阶段的光伏发电技术。
谈太阳能光伏发电系统的原理与应用 第3篇
1)太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
2)太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。
3)光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸汽,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样,太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。
4)光—电直接转换方式。该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性3大优点。太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用。与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染。
2 太阳能光伏发电系统的组成
2.1 太阳能电池方阵
1)太阳能电池技术是太阳能发电技术的主要组成部分。太阳能电池主要有以下几种类型:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。各类型电池主要性能如表1。
2)晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件,两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件,也就是相同功率的电池组件,单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点。
3)非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好,成本相对于硅太阳能电池较低的优点。而碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性,其规模化生产受到限制。
4)我国从上世纪50年代起就开始对太阳能电池进行研究,上世纪80至90年代先后从国外引进多条太阳能电池生产线。近几年,太阳能电池的研究开发和生产飞跃发展。整体上看,我国不但在太阳能电池生产能力上进入国际先进行列,而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平,同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先成果。
5)目前,薄膜电池的转换效率达到6%~8%,近2a内可达到10%~12%,5a内有望达到18%,其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分高,即使在5月天照样能够发电。其技术正在成为太阳能电池主流技术,与晶体硅太阳能电池技术并驾齐驱。
2.2 控制器
1)太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器,是用于太阳能发电系统中,控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器,是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态,随时获得PV站的工作信息,又可详细积累PV站的历史数据,为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外,太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能,可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。太阳能控制器通常有6个标称电压等级:12V、24V、48V、110V、220V、500V。
2)控制器对整个系统实施过程控制,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,控制器还应具备温度补偿的功能。
2.3 逆变器
1)由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,当负载是交流负载时,逆变器是将直流电转换成交流电的必不可少的设备。逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电;并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统;正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。
2)逆变器是一种电源转换装置,太阳能逆变器的作用是将太阳能电池产生的DC电压转换成为电网兼容的AC输出。太阳能发电系统对逆变器的主要要求是可靠、效率高、波形畸变小、功率因数高。在可靠性和可恢复性方面,要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能。
3 太阳能光伏发电系统的分类
目前,太阳能光伏发电系统大致可分为2类:离网(独立)光伏发电系统与光伏并网发电系统。
3.1 离网光伏发电系统
太阳能离网发电系统包括太阳能控制器、太阳能蓄电池组、太阳能逆变器。
1)太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存,当所发的电不能满足负载需要时,太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后,控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时,太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池。控制器的性能不好时,对蓄电池的使用寿命影响很大,并最终影响系统的可靠性。
2)太阳能蓄电池组的任务是贮能,以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
3)太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电,供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻,维护困难,为了提高光伏风力发电系统的整体性能,保证电站的长期稳定运行,对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外,由于新能源发电成本较高,太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。
4)太阳能离网发电系统主要有产品分类A、光伏组件B、风机C、控制器D、蓄电池组E、逆变器F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。
5)离网光伏蓄电系统是一种常见的太阳能应用方式,系统简单,适应性广,但因其蓄电池的体积偏大和维护困难,限制了使用范围,其系统结构示意图如图1。
3.2 光伏并网发电系统
1)有逆流并网光伏发电系统
有逆流并网光伏发电系统:当太阳能光伏系统发出的电能充裕时,可将剩余电能馈入公共电网,向电网供电(卖电);当太阳能光伏系统提供的电力不足时,由电能向负载供电(买电)。由于向电网供电时与电网供电的方向相反,所以称为有逆流光伏发电系统。
2)无逆流并网光伏发电系统
无逆流并网光伏发电系统:太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电,但当太阳能光伏系统供电不足时,则由公共电网向负载供电。
3)切换型并网光伏发电系统
所谓切换型并网光伏发电系统,实际上是具有自动运行双向切换的功能。一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时,切换器能自动切换到电网供电一侧,由电网向负载供电;二是当电网因为某种原因实然停电时,光伏系统可以自动切换使电网与光伏系统分离,成为独立光伏发电系统工作状态。有些切换型光伏发电系统,还可以在需要时断开为一般负载的供电,接通对应急负载的供电。一般切换型并网发电系统都带有储能装置。
4)有储能装置的并网光伏发电系统
有储能装置的并网光伏发电系统:就是在上述几类光伏发电系统中根据需要配置储能装置。带有储能装置的光伏系统主动性较强,当电网出现停电、限电及故障时,可独立运行,正常向负载供电。因此带有储能装置的并网光伏发电系统可以作为紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要或应急负载的供电系统。
并网光伏发电系统结构示意图如图2。
4 光伏发电系统优缺点
4.1 优点
1)太阳能发电安全可靠,不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。
2)太阳能随处可处,可就近供电,不必长距离输送,避免了长距离输电线路的损失。
3)太阳能不用燃料,运行成本很低。
4)太阳能发电没有运动部件,不易损坏,维护简单,特别适合于无人值守情况下使用。
5)太阳能发电不会产生任何废弃物,没有污染、噪声等公害,对环境无不良影响,是理想的清洁能源。
6)太阳能发电系统建设周期短,方便灵活,而且可以根据负荷的增减,任意添加或减少太阳能方阵容量,避免浪费。
4.2 缺点
1)地面应用时有间歇性和随机性,发电量与气候条件有关,在晚上或阴雨天就不能或很少发电。
2)能量密度较低,标准条件下,地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m2。大规格使用时,需要占用较大面积。
3)价格比较贵,为常规发电的3~15倍,初始投资高。
5 应用领域
1)用户太阳能电源:(1)小型电源10~100W不等,用于边远无电地区,如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电;(2)3~5k W家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉;(4)太阳能净水器:解决无电地区的饮水、净化水质问题。
2)交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
3)通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
4)石油、海洋、气象领域:石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
5)家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、野营灯、垂钓灯、黑光灯、节能灯、投射灯等。
6)光伏电站:10k W~50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。
7)太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来发展方向。
8)其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。
6 小结
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。中国太阳能资源非常丰富,理论储量达每年17 000×108t标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。在中国广阔的土地上,大多数地区年平均日辐射量在每平方米4k W·h以上,西藏日辐射量最高达每平方米7k W·h。年日照时数大于2000h。与同纬度的其他国家相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,因而有巨大的开发潜能。
由于我国是一个能源消耗大国,并且人口分布极不合理,因此,发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性,以及分散人口地区居民用电具有重要意义。科学合理地利用太阳能,在节能环保方面也有重大的意义。
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光伏发电并网运行应用的研究 第4篇
太阳能发电是传统发电形式的补充形式，但是，太阳能发电其优势要远远超出传统发电，太阳能属于可再生能源，清洁无污染，在保护自然环境、维护生态平衡中发挥着至关重要的作用。我国目前正在加大对光伏发电并网运行的支持力度。众所周知，光伏发电，可以灵活选择功率，维护工作也非常简单，拆卸也更加方便，光伏发电系统的应用领域不断得到拓展。我们当前需要的是正视光伏发电并网运行应用中存在的问题，并且及时改善和优化控制策略，全面提升光伏发电并网运行的稳定性。以下是我结合自己的工作实践，提出自己的几点拙见。
关于光伏发电并网运行的分析
光伏发电得以并网运行，是需要必要条件的，那就是必须要保证逆变器所输出的电流相位、频率和整个电网电压的相位、频率是有着高度的一致性的。在现阶段的光伏发电系统中，并网形式主要有两种：一是分散式的光伏发电并网运行形式，二是集中式的光伏发电并网运行形式。我将就集中式的光伏发电并网运行形式进行深入的分析：
之所以单独提出集中式的光伏发电并网运行形式，其原因就在于这种并网形式有着一个非常重要的优势，它能够直接将电能传送到大电网当中，而且还可以根据大电网的调度来传输和使用电能。大电网和集中式光伏发电，二者之间是单向的电能传输，其原理是将逆变器380v交流电连接到升压之前的母线之上，在此基础上升压入电网，这样整个系统的升压比为0.4/10.5kv，集中式光伏发电并网运行系统的应用范围是比较大或者大型的电站并网上面。
光伏发电并网运行系统的发电量
电池的安装方向。通常情况下，电池的朝向不同，发电量也会存在着不同，我建议，将光伏电池安装在向南倾斜纬度角的位置上面，其他位置的发电量都会存在着不同程度的减少。
电池升温。经过科学的研究表明，光伏电池一般由晶体硅构成，以27度为基础，每上升1度，功率就会损失5%左右，所以，我们必须要将光伏电池的通风问题考虑到位，切忌因为温度的问题而降低了光伏电池的发电功率。
辐射量。众所周知，太阳光子的分布是存在着非常大的不确定型的，这就会产生一个非常严重的现象，那就是在不同的时间段，光伏发电系统当中的光伏电池组所接受的太阳辐射是不同的，这对于我们的工作来说是一个非常大的阻碍因素，我们必须要严格根据光伏电池组的倾斜角度，再配合气象台提供的水平面上的辐射量来进行科学的估算，但是，其精准性还是难以得到有效的把控。
光伏发电并网运行在实际的应用过程中出现的问题分析
谐波。光伏发电的并网逆变器在电能的转化过程中会产生非常大量的谐波，这就要求我们在其技术的实际应用过程中必须要进行科学合理的监测，这样做的目的在于此系统在运行过程中能够控制好畸变率，在光伏发电并网运行的过程中，一旦将直流电并入到电网，可能其产生的畸变率还处于国家电网标准中所规定的允许范围，但是，我们需要注意的是电压在变入电流时会因为接入点的原因而产生非常多的谐波，渐渐地，畸变率越来越高，最终超出电网标准规定中的上限，因此，我们在使用该项技术时必须要做好监测工作。
电压波動。我们都知道，光照强度是影响光伏发电系统的输出功率的重要因素，不同季节、不同天气下光照强度是完全不同的，因此，必然会产生光伏发电输出功率不稳定的现象。在我国电网的相关技术原则中，有着非常明确的规定，一定要充分考虑清楚从电网中瞬间脱离会对系统电压产生什么样的影响，这必然会直接影响到光伏发电并网运行系统的使用周期、安全性能以及稳定性能。
影响到电网的控制。光伏电网有着非常显著的不稳定性，在配电网中接入光伏发电系统之后，电网中的电源点数必然会增加很多，但是这些电源点并不是均匀分布其中的，相反，它们会非常分散地分布其中，这就会大大增加协调和控制电源的难度，一些常规的电压和无功补偿方式很难再适用其中，所以，当光伏发电系统大规模地进入到配电网之后，对于配电网的整体控制能力来说会是一个非常大威胁因素。
如何全面提升光伏发电并网运行的发电效率
首先，纵观我国目前的发展情况，在我国太阳比较充足的城市和地区，太阳能光伏发电已经得到了非常广泛的引用，但是，对于我国而言，太阳能光伏发电项目还属于一个新兴产业，这也就意味着我们必须要为此投入更多的时间、精力、财力和人力，专门去研究关于太阳能电池板的新材料，借助太阳能电池板来推动光伏发电效率的提升。
然后，在投入资源的基础上，我们还需要继续加大太阳能电池板本身阵列的优化研究力度，从太阳能电池板本身着手来提高太阳能光伏发电系统的发电效率。
最后，我们必须要高度重视起此项目的重要价值和意义，加大推广力度，更加积极地投入到光伏发电并网运行技术的研究工作当中，为我国光伏发电事业贡献自己的一份力量。
光伏发电的效率计算 第5篇
如今人们对能源需求越来越高, 对生活质量的要求也越来越高。然而大量的能源消耗不仅造成了资源枯竭, 更污染了环境, 使得人们的这些要求成为了一对矛盾。光伏发电作为新能源发电的重要组成部分, 无疑是解决这一矛盾的有效途径。当今各国已加大了研究和投资力度, 大力发展这一产业[1]。虽然太阳能无处不在、用之不竭, 但将其作为主要的电力来源还有很多技术挑战。其中最大的瓶颈就是其效率问题[2]。如何最大限度的利用太阳能, 提高效率成为问题的关键所在。然而在研究如何提高效率之前, 应先分析每一环节的效率和能量损失的机制, 这样才能从每一部分入手, 综合全面的理解效率问题, 为提高效率打下基础。
1 光伏电站的效率分析
光伏电站由这几部分组成:光伏阵列———汇流箱———逆变器———升压变压器。每一个环节都有能量损失, 因此最终的效率将是经过4处损耗后的效率。
太阳能电池利用的是P-N结的光生伏打效应将太阳能转化为电能。当由于入射了太阳光子使得P-N产生正向电压时, 内电场就会使P层的空穴移动到N层。在穿过P-N层的过程中, P型材料中的空穴漂移电流就变成了N型材料中的电子电流;而N型材料中的电子漂移电流变成了P型材料中的空穴电流。空穴和电子电流的总和就是总电流密度。而当空穴接近P-N结时, 其与电子复合, 抵消了一部分电量, 降低了总的电流密度, 这也是导致其效率降低的因素之一。太阳能电池中材料体的电阻和界面处载流子的电阻还有材料之间的接触电阻可等效为串联内阻。串联内阻对太阳能电池最大功率点的位置有着较大影响, 且太阳能电池效率随串联内阻呈指数减少的趋势[3]。此外, 电池片的遮光面积、光伏阵列表面沉积的灰尘、原材料本身的缺陷等, 都能导致其光电转换效率降低。再考虑了以上因素后, 光伏阵列的效率约为84%。
汇流箱的作用是将一定数量、规格相同的太阳能电池所发出的电能汇聚起来, 再通过后续配套的设配与光伏发电系统连接, 实现并网。汇流箱的运行需要电源, 其有两种供电方式:外部供电和自供电。其中, 自供电是汇流箱内部直接取用直流电, 并通过电源开关转换为所需的工作电压 (通常为24V) 。因其电量小, 所造成的损耗非常小, 可以忽略不计。
衡量逆变器效率有两个常用的指标:最大转换效率和欧洲效率。最大转换效率是指逆变器所能达到的最高效率。欧洲效率指按照在不同功率点效率根据加权公式计算出的效率。对逆变器的设计而言, 欧洲效率的最大化更为重要。因为逆变器受天气变化和其他因素的影响, 不可能时时运行在最大效率点。而欧洲效率考虑了光强的变化, 能更加准确的衡量逆变器的性能。它是由不同负载情况下的效率, 按照加权累加得到的。其中50%负载率时的效率占了其最大组成部分。为了提高欧洲效率, 仅仅降低额定负载时的功率损耗是不够的, 必须要同时提高不同负载率是的效率。由于大多数逆变器使用的开关器件是IGBT, 它的导通压降是非线性的, 其不会随电流的增加而显著增大。这样可以保证逆变器在最大负载率的情况下, 仍然保持较低的损耗和较高的效率。但是欧洲效率中占比重最大负载率的却是负载较轻时的效率。而轻载时, IGBT的导通压降并无明显降低, 这相当于降低了欧洲效率。而MOSFET的导通压降呈线性, 负载越轻, 损耗越小。并且它还具有很好的高频工作能力。因此MOSFET被越来越多的应用到新型逆变器的设计当中。
逆变器作为光伏发电中的核心环节, 其效率起着举足轻重的作用。逆变器的损耗由3部分组成:功率器件的导通损耗、功率开关器件的开关损耗和输出滤波电感损耗。导通损耗是指当开关器件上流过电流时, 在其内阻上会产生一定的导通压降, 这一导通压降和其流过的电流的乘积就产生了功率损耗。在一个基波周期内, 将所有开关器件的功率损耗累加, 再除以工频周期, 就是导通损耗功率。所以在计算导通损耗时, 需要知道功率器件上的导通压降、导通时间和电流。
开关损耗是指在IGBT开通关断和反并联二极管关断的过程中, 因电压电流不能突变, 需要一定时间, 这就产生了交叠面积, 从而形成了开关损耗。其大小可由下式求得:
其中, Vdc为逆变器实际输入的直流电压, Vdc*为数据手册给出的开关损耗测试参考直流电压。
输出滤波电感损耗可分为两部分:磁芯损耗和绕线损耗。磁芯损耗可根据厂商提供的磁芯损耗曲线查到。绕线损耗可由下式求得:
其中, IArms为负载电流iA的有效值, rCu为铜线电阻率, NCu为并绕股数。
逆变器的这三类损耗中, 开关损耗占主要部分, 频率越高, 其所占的比例越大。在频率为5k Hz时, 开关损耗占总损耗的40%。而在频率为20k Hz时, 开关损耗可达总损耗的78%。导通损耗不随频率的改变而变化, 占总损耗的12%。滤波电感损耗随频率的增高而降低, 所占总损耗的比重较小。因此, 要提高逆变器的工作效率, 关键在于减小功率器件中的开关损耗。
变压器损耗主要为两部分:空载损耗和负载损耗。空载损耗也称铁耗, 由磁滞损耗和涡流损耗构成, 它的大小是固定的, 不随负载而变化[4]。负载损耗也称铜耗, 是由变压器的电阻产生的, 其大小与电流的平方成正比。当变压器的铜损等于铁损时, 其效率最高[5]。这是的负载率称为最佳负载率。计算式为:
其中, K为变压器的无功损耗对网络造成的有功损耗系数, 一般取0.02-0.1;P0为空载损耗, Pk为铜耗。
经以上分析并计算, 可得整个光伏电站的总体效率约为:
2 结束语
影响光伏电站效率的因素非常多, 且各因素是不断变化的。其效率受天气、环境、所选设备型号、负载情况、控制策略等因素影响, 因此效率无法固定在某一个值上。以上分析只是选取了某些条件, 并且忽略的诸多因素得出的结果, 其具体效率应当结合工程实际来计算, 过程也会复杂的多。但是其分析过程和损耗产生的机理, 对于研究如果提高光伏电站的效率仍具有借鉴意义。
摘要：光伏发电被认为是当今最具发展前景的新能源技术, 世界各国已将发展光伏发电作为可持续发展的战略决策之一。发电效率作为光伏发电最核心的问题, 则成为太阳能技术研究的重点。文章通过分析光伏发电的各个部分和设备的工作特点及其原理, 分别计算了各自的效率, 明确了损耗的来源和机制, 并从整体上得到了光伏发电的整体效率。
关键词：光伏发电,效率,逆变器,损耗
参考文献
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[4]胡景生.变压器能效与节电技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.
浅析光伏发电的远景 第6篇
当今环境不断恶化、燃料逐渐紧张, 太阳能是一种安全、清洁的可循环再生的自然资源, 将变成化石燃料的代替品。由于太阳能光伏发电的发展和进步、国家在政策上的扶持、光伏发电成本不断的降低, 我国光伏发电将得以高速的发展。当前在中国能源的消费构成上光伏发电将占有愈来愈大的份额, 对缓解我国能源缺乏、改善自然环境有着特殊的意义。
1 光伏发电基本原理与特性
光伏发电是利用太阳能电池光生伏打的效应 (当半导体的表面受太阳的照射, 内部会产生一定量的电子, 电子在电场的作用之下运动而产生直流电) , 把太阳光所辐射的光能转化为电能的一种发电形式。按照应用的场合不同, 可将系统分成离网光伏发电系统与并网光伏发电系统。
1.1 离网系统
离网光伏发电系统不连接电网, 而是使用蓄电池作为储能装置。离网光伏发电系统规模一般较小, 主要用于无电网、人口分散的边远地区或用以满足某些特别需要, 应用十分灵活。
1.2 并网系统
光伏发电并网系统是把太阳电池所产生的电流通过逆变器变成与电网的要求相符的交流电后, 直接并到公用电网, 光伏电池组件产生电力除提供交流电负载之外, 将多余电能反馈到电网。在夜晚或是阴雨天, 电池组件未有电能产出或产生的电能无法满足电流负载的需要时, 则由电网进行供电。因为太阳能光伏发电供给电网, 可免除蓄电池装置, 省掉蓄电池的储能与释能过程, 降低能量损耗。但系统需并网专用逆变器, 确保电力输出达到电网对于频率、电压的要求。但由于逆变器的效率问题, 将会造成能量的部分损失。
2 我国光伏发电发展存在问题
我国光伏发电产业的主要问题是“两头在外”, 大量高纯多晶硅需要进口, 大量的太阳电池组件出口。由于欧洲市场的拉动, 太阳电池组件的需求迅速增长, 造成高纯多晶硅材料的短缺, 价格也一路攀升。另外, 在偏远地区独立光伏电站的后期维护管理没有保障。一些地区电站普遍存在业主不明确, 保修期已经结束但仍然由电站的安装公司无偿提供维护服务等问题。
3 我国光伏发电问题解决措施
太阳能光伏发电可解决我国目前电力紧缺地域电力工程建设的局面, 并在电力并网系统市场上扮演着重要角色, 因此, 一定要对其予以重视;由于硅材料的短缺, 给目前光伏发电产业发展造成障碍, 如今大量硅材料均需进口, 但这一问题可能被缓解;外在市场据有较大的危险性, 充分开发国内材料市场才是持续性发展的重点问题;加强《可再生能源法》的落实是推动我国光伏并网发电系统的关键, 另外也是解决光伏独立发电站后期维护所需资金的一大途径。尽早解决偏远地区光伏独立发电电站维护运行资金, 扩宽融资通道, 减少投资风险, 太阳能光伏发电仅仅凭借政府的投入或是仅仅凭借企业、个人是不具现实性, 而目前对依靠电价上网补贴的形式, 无法有效地减少项目投资风险, 进而会影响业主和有关企业投资积极性。为解决这一问题, 应把政府和企业、个人利益形成互锁的关系, 且要提供企业和个人更多样性的融资通道, 进而压低投资初期门槛;并且, 可以将光伏发电等可再生能源的发电产业当作电力制度革新的一个突破口, 在太阳能光伏发电地区率先实现电力试点型交易。充分利用好光伏发电推广的机会, 加快有关区域电力制度革新, 将具有竞争性电网企业进行业务分离, 实现配电和销售的分离。另外, 电网企业可随分布式发电推广趋势, 实现业务创新与转型, 变成相应服务方。在分布式光伏发电应用大规模扩大的情形之下, 电网企业仍然在一定的程度上有着确保电网安全及电力质量的责任。所以, 电网企业应根据市场形势变化不断创新管理制度及服务模式, 加强质量监督和技术评估等业务, 给分布式光伏发电供求方提供更好的服务, 在确保电网安全和电力质量的前提下, 通过有关服务来赢得效益, 使得电网企业可以随着分布式光伏发电规模不断扩大的过程中拥有更多发展机会。
4 光伏发电发展远景
光伏发电技术将在不久以后占据能源消费的重要地位, 其发展将替代一些常规型能源, 且将成为能源的主体供应方式。预计在2030 年, 对于可再生能源消耗量将占到能源总消耗量的百分之三十以上, 其中光伏发电也将占世界电力供应比例的百分之十以上;而到2040 年时, 可再生能源的消耗量将占能源消耗总量的百分之五十以上, 其中光伏发电可占到总电力百分之二十以上;二十一世纪末, 可再生能源的消耗量将占到能耗总量的百分之八十以上, 而太阳能光伏发电可占至百分之六十。这些数据足以表明光伏发电产业发展的前景和在能源方面所占据的重要位置。有关报道称, 至2020 年时, 我国会力争将太阳能光伏发电容量到达180 万KW, 至2050 年可达60000 万KW。预计至2050 年, 可再生能源发电装机可占我国发电装机总容量的百分之二十五, 其中太阳能电力装机可占百分之五左右。在未来的十几年里, 将会是我国光伏发电产业的一个迅猛发展阶段。
5 结语
随着光伏发电技术的飞速发展, 光伏组件效率不断提高、化石燃料价格飞涨, 常规电价上升。太阳能光伏发电技术将是21 世纪人类面对化石燃料加速枯竭和应对气候变化、实现可持续发展最理想的选择之一。我国应从根本上加大光伏发电关键技术问题的研发, 降低光伏发电成本, 缩小与发达国家光伏发电技术的差距;从政策和法律层面继续完善光伏市场, 而不满足于只是作为高耗能和污染的太阳能电池生产大国, 两头在外 (硅原材料大量依赖进口、光伏组件绝大部分出口) , 从而解决我国光伏发电与常规能源发电的矛盾, 以改善我国能源消费结构。
参考文献
[1]陈炜, 艾欣, 吴涛, 刘辉.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备, 2013 (02) :26-32+39.
[2]梁双, 胡学浩, 张东霞, 王皓怀, 方鑫.光伏发电置信容量的研究现状与发展趋势[J].电力系统自动化, 2011 (19) :101-107.
如何提高光伏发电的效率 第7篇
1 光伏发电的原理
光伏发电整个体系的核心是太阳能, 还包括其他的一些组成部件, 比如太阳能电池、蓄电池、电子控制系统、逆变器、充放电控制器等。光伏发电的原理实质上是光能转化为电能, 在太阳能电池受到太阳光的照射时, 会吸收一些光子, 这里的能量会被电池中的硅原子吸收, 进而使得电池中的电子发生变化, 通过将太阳能电池与外部电路相连接, 就会产生一定的输出功率。因此, 太阳能电池是能量转换的载体, 将多个电池按照一定的连接方式组成电池组, 就能形成可用的直流电, 将电池组与外部的蓄电池连接好, 并通过转换装置将直流电转换为交流电, 再通过输出装置将电能输送到电网中去, 供人们使用。
2 影响太阳能光伏发电效率的因素
2.1逆变器整机效率对发电效率的影响。逆变器在光伏发电体系中有着非常重要的作用, 是影响发电效率的重要因素。逆变器在达到满载的时候, 必须达到99%的效率, 即使供电压力较低的情况下, 运行效率仍然会达到很高。光伏发电体系的发电成本和发电量都与逆变器的效率有着很大的联系, 太阳能光伏发电体系必须使用专用的逆变器, 必须保证增体效率的提高和减少自身的损耗。在选择逆变器的时候, 要选择具备最大功率点跟踪控制作用的, 可以保持与太阳能辐射度的对应变化, 这样能够提升机器的输出效率。逆变器还要设计光感自动调节功能, 能够自动感知白天与夜晚, 进行开关的控制。
2.2最高功率峰值跟踪对发电效率的影响。逆变器在光伏电池组产生的阵列中的点的位置决定着输入的直流电流的功率大小, 在最好的情况下, 逆变器应该处在最高的功率峰值上, 这是保证光伏发电高效率的正常要求。但是因为周边的环境是在每一天当中都是变化着的, 比如温度、辐射强度等, 这些因素导致了每一天的最高功率峰值在一天当中的不同时刻是有差异的。逆变器可以利用一个具备最高功率峰值的机器部件和光伏电视组产生的阵列相互连接, 使电能的转移量达到最大。在一定的外界环境下和人为控制的一定时间内, 逆变器在太阳能光伏阵列中得到的能量与理想条件下最高功率峰值在太阳能光伏阵列中得到的能量的比率就是其最大的效率值。这样的算法依然存在缺点, 这些缺点使得在一定的外部环境下, 最高功率峰值跟踪的效率会出现不同程度的降低。比如, 当温度较低, 能见度较低, 太阳辐射度较小的情况下, 最高功率峰值点不容易被标出, 影响运算。所以说, 最高功率峰值跟踪也是发电效率产生影响的因素。
2.3自然条件的影响
2.3.1太阳照射时间的影响。太阳光的照射时间是影响光伏发电效率的一个重要的因素, 当太阳光照射时间长的时候, 光伏发电装置获取的太阳辐射量就多, 产生的电量就会增多, 光伏发电效率就会得到提高。反之, 太阳照射时间越短, 光伏发电效率就越低。
2.3.2大气透明度和太阳高度角的影响。大气透明度指的是阳光穿透大气的一个指标, 在天气状况良好的情况下, 大气透明度指标就会很高, 光伏发电装置就会获得更多的辐射量, 发电效率也就得到了提高, 反之则低;太阳的辐射还包括辐射强度, 而辐射强度与太阳高度角直接相关, 太阳高度角大的地区, 太阳光辐射强度比较强, 这些地区大多数是低纬度地区。
2.3.3地理纬度和海拔高度的影响。纬度较高的地区, 太阳角度比较小, 照射到地面的强度就弱, 这是影响光伏发电效率的一个重要因素, 所以, 建设太阳能光伏发电装置应该在低纬度地区展开, 这样更能提高光伏发电的效率;除了地区的纬度, 地区海拔高度也是影响发电效率的因素, 与海拔高度低的地区相比, 海拔高的地区大气透明度更高, 空气更稀薄, 太阳光辐射量和辐射强度也更高, 所以, 建设太阳能光伏发电装置应该在高海拔地区展开。
3 提高光伏发电效率的具体措施
3.1提高光伏发电站工作人员的技术水平, 加强器件维护力度。目前, 很多的太阳能光伏发电站工作人员专业技术不达标, 没有专业的检修队伍。当发电站的装置出现损坏的时候, 只能由值班人员进行简单的处理, 等待专业人员的到来, 这样, 光伏发电站损坏装置处理时间就被延长, 不能及时的排除故障, 在很大的程度上影响了光伏发电的效率。除此之外, 在平常的维护当中, 由于工作人员专业度低, 对器件的重要度不了解, 例如, 光伏组件是发电装置的重要部分, 是影响发电量的主要部件, 需要工作人员严加重视。对电器装置的日常维护也需要工作人员增强责任心, 保证发电站的正常运行。
3.2优化光伏组件, 增加辐射量。太阳能光伏发电装置是获取太阳辐射的部件, 也是影响发电效率的因素。太阳光的来源包括直接和间接照射到光伏组件的光照, 在直接获取辐射量上, 可以通过发电站选址 (高海拔、低纬度) 来提高;在间接获取辐射量上, 要增加除太阳光之外的其他光照, 保证太阳能光伏组件能得到更多的光照, 进一步提高辐射量和辐射强度, 具体可以在光伏装置上安装反射器件, 使更多的太阳光被反射到太阳光组件上, 并且使反射器件设置为自动可旋转器件, 这样可以根据太阳方位的变化及时调整。还可以在光伏组间隔处建立光滑面, 使这部分区域也能照射到太阳光。
3.3研发新材料、新技术。我们处在光伏发电的初级阶段, 要想提高光伏发电效率, 要不断的研究新材料, 提高光能与电能的转化效率;优化光伏组件的排列组合, 获得更高的太阳辐射量;研究太阳能光伏电池最高功率跟踪算法, 实现太阳能功率峰值最大化;在电能输出方面, 减小对电网的冲击力度, 研究软并网技术。
结束语
太阳能是可再生的清洁性能源, 取之不尽、用之不竭, 是现在乃至未来都需要开发的新型能源, 我国地域辽阔, 拥有很多的太阳能资源等待开发。像西藏、新疆地区, 太阳能资源丰富, 需要我国建立光伏发电站, 造福人民。只要我们不断研究, 解决影响光伏发电效率的问题, 就能更好的利用太阳能, 满足人们的用电需求。
摘要：随着社会的不断发展和进步, 人们对新型能源的重视程度越来越高, 来应对出现的资源减少和环境污染的问题。在不断研发的新型能源当中, 太阳能无疑是最受人们青睐的, 太阳能在发电领域的应用, 更是为人们的生活带来了很大的便利, 但是目前我国光伏发电的效率受到一些因素的影响不是很高。本文就光伏发电的原理进行了阐述, 对影响太阳能光伏发电效率的因素进行了分析, 并提出了提高光伏发电效率的具体措施。
关键词：提高,光伏发电,效率
参考文献
[1]耿欣, 林中达, 蔡小燕.提高光伏发电效率的现状及发展趋势[J].上海电力, 2010 (7) .
单相光伏发电并网的研究 第8篇
1 最大功率点跟踪原理
最大功率点跟踪( MPPT) 就是通过一定的控制方法使光伏电池对外电路输出达到在当前环境条件下的最大功率值。光伏电池输出为直流电能,可将其等效为含有内阻r的直流电源,输出侧接电阻R。由电路原理中的最佳匹配原则,当负载电阻等于电源内阻时,电路具有最大功率输出。所以,可通过合理的控制手段,改变外电路的负载特性,以达到和电源内阻的匹配。本文通过DC - DC变换器对输出侧电压的调节作用改变外电路的负载特性。
利用DC - DC变换器调节直流侧负载特性,如图所示。DC - DC变换器在电路中的作用类似于变压器,通过其的控制作用,可使变换器的输入电压Uin和输出电压Uout成固定的比例关系,假设为n = Uin/ Uout,则输出侧电流Iout为输入侧电流Iin的n倍,即n = Iin/Iout,从而有输出侧电阻R的表达式为
由式( 1) 可得,光伏电池外电路可等效为电阻Rref,大小为n2R。这样外电路便可简化为只有电阻Rref的纯电阻电路。如果Rref和电池内阻r匹配就可输出最大功率。所以,只需通过DC - DC变换器调整n的大小即可调节外电路负载特性,从而使外电路负载特性与光伏电池内阻匹配。通过对DC - DC变换器的分析可知,n与DC - DC变换器的占空比Dc存在相互对应的函数关系,所以只要调节占空比Dc便可调节负载特性,从而控制光伏电池输出最大功率。
2 PFC技术
PF是功率因数校正的缩写,其全称为Power Factor。国际符号为 λ,PF的定义为有功功率P和视在功率S的比值[7],公式如下
式中,P1表示基波做功的功率; S是视在功率。当在输入端加正弦波输入时,除基波做功功率P1外,其他次谐波做功功率为0,则上式简化为
式中,Vi表示输入电压有效值; I表示输入电流有效值; I1表示输入电流基波分量有效值; φ 表示输入电压和输入电流之间的相位角差值。Kd= I1/ I表示波形畸变因数; Kα= cosφ 表示相移因数。
PFC可使交流输入电流更好地跟随输入电压,使得电流与电压之间的相位差基本不存在,从而大幅提高了电源的功率因数,减小电网的谐波污染,改善供电质量。单级PFC校正则是将PFC变换和DC /DC变换合为一体,复合掉一个功率开关管,利用一个功率开关管和一个控制系统实现对输入电流相位的调整以及输出电压的稳定输出。从而大幅度简化了电路,减少了电路元件并降低了成本复杂度。近年来,单级PFC校正的研究引起了广泛关注。因此,本文采用单级PFC校正。
3 设计的总体构想
本设计模拟光伏并网的运行,要实现最大功率跟踪和功率因数校正。当负载电阻等于电源内阻时,电路具有最大功率输出,此时负载两侧的电压是电源两端电压的1 /2,所以可对电源电压进行采样,通过改变Boost控制电路开关管的通断,使得负载电压为电源电压的1 /2,从而改变负载特性。
对输出电压与电流同样进行采样,通过STM32 进行调整使得输出电压与电流同相位,实现了功率因数校正。总体设想框图如图2 所示。
4 主电路的设计
用直流稳压电源Ud和电阻RL模拟光伏电池,而逆变器部分将使用电压型单相全桥逆变电路。如图3所示的电压型逆变电路有以下特点:
( 1) 直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗;
( 2) 由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,且与负载阻抗角无关,交流侧输出电流的波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同[8]。
滤波电容C的作用是和滤波电感一起用来滤除输出电压中的高次谐波,电容C大,则输出纹波小。但电容C增大的同时,逆变器的无功功率也要增加,从而增加了逆变器的电流容量,使系统效率降低。滤波电容的选取原则是在保证输出纹波满足要求的情况下,取值尽量小。
由于逆变器输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感两端,故增加滤波器电感量可更好地抑制低次谐波、减小输出电流的脉动量。然而滤波电感越大,电感电流的变化则越慢,动态时间越长,波形畸变越严重。故电感值的选取,应综合考虑其稳态与动态性能。选择合适的气息以防止负载时磁芯的饱和问题,且选择粗导线以降低电阻损耗。
5 软件的控制设计
系统的搭建是基于STM32 为控制芯片。其对输入电压进行采样处理实现最大功率跟踪。对输出电压电流进行采样实现锁频锁相,从而实现功率因数校正。并控制开关管实现电路的保护。当有过压过流现象时,切断电路安全可靠,也可实现电网的分部工作。
注:flag开始设置0。
6 仿真验证
图7 为系统的仿真图,仿真输出电压220 V,频率50 Hz。从图8 可看出,输出电压电流波形平滑符合要求,且电压电流同频同相实现了功率因数校正。Boost的输入波形行对稳定为输入电压的1 /2 实现了最大功率跟踪,验证了本设计的正确性。图10 为采样电流与电压电路实现锁频锁相的图形。图11 为实物做出的小功率验证图。
图11 为最终输出电压电流波形,可看出,当逆变器正常运行时,逆变器输出电流与电网电压同频同相,功率因数为1,电流THD功率THD用FLUKE 43B质量分析仪测量,电流总谐波含量最大为1. 8% ,各次谐波均< 1. 2% 。
7 结束语
以STM32 控制芯片为核心,仿真设计单相光伏并网逆变器,介绍了MPPT与PFC的工作原理和主回路以及STM32 的控制思想。通过该装置仿真运行,结果表明本文所设计的逆变器输出电流总谐波畸变率低、波形质量好,具有工作效率高、稳定性好等优点。
摘要：针对如何提高太阳能光伏发电系统的转化效率,对具有最大功率控制的系统进行研究,提出了一种双环控制方式。并以STM32为控制器,给出了其控制方法。通过Matlab建模设计光伏输出后的控制系统,新的控制系统实现了最大功率跟踪与功率因数校正。仿真表明,该方式具有简单、控制方便、效率高的优点。并通过实物加以验证该方法的可行性,该控制策略可应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制,且实现了系统的高效率并网运行。
关键词：单相光伏发电,最大功率点跟踪,双环PID控制,功率因数校正
参考文献
[1]孙志松.光伏并网发电系统的Matlab仿真研究[D].南昌:南昌航空大学,2012.
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[7]刘洋.基于单级PFC技术的开关电源研究与设计[D].成都:电子科技大学,2013.
光伏发电的原理 第9篇
关键词：光伏发电；光伏并网；电能质量
中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）20-0095-01
光伏发电作为一个新兴的发电市场，对于我国电能质量治理领域来讲有着极为重要的涵义，光伏发电是一种利用太阳能电池串联成太阳电池组件再配以功率控制器等部件，形成光伏发电装置将光能直接转化为电能的一种先进技术，在目前发电能源缺乏的情况之下，光伏发电将代替风力发电、潮汐发电、水能发电、煤炭发电及核能发电成为新兴的可再生发电形式。
1光伏发电带来的电能质量问题
随着近年来我国能源资源的不断减少，即将面临的资源枯竭问题日益严重，因而各行业各部门都在积极寻找新的可再生资源来维持生产生活活动，随着全球对太阳能的重视和不断研发，光伏发电技术得以快速发展，人们开始将光伏电源接入现有的电力系统之中，其通过大量的电力电子器件与传统的发电网路进行并联，不仅是对传统发电技术的一次重大冲击，也是现有电网的一次重大突破，现有的电网将会迎来许多新的电能质量问题，光伏发电并网所带来的电能质量问题将成为一个极具研究价值的新论点。光伏发电并网将会产生的电能质量问题主要有电压波动、闪变、谐波等，并且影响有功和无功潮流、频率控制等特性。要了解光伏发电并网所带来的电能质量问题，首先要明确影响太阳能发电的几个因素。
1.1影响太阳能发电的因素
太阳能虽然作为一种可再生且绿色环保的新型能源，但受到各方面因素的影响极不稳定，影响太阳能发电的因素很多，主要包括有周期性，即白天和黑夜的交替，太阳能发电的时间只停留在白天；阴雨雪天与晴天的交替也会影响到太阳能发电；光伏板上的灰尘，光伏板安装的位置以及角度，对其也有一定的影响；整个环境的温度亦是影响太阳能发电的一个因素。如在多云的天气中，太阳能发电受气温的影响较大，在气温急剧回升的10点到15点间，发电输出的功率会出现快速变化。
1.2逆变器控制方式的影响
要将光伏电源接入到现有的电网之中，并网所需的应用器材便是逆变器，逆变器的使用能有效地对光伏发电并入电网的质量品质进行控制，目前并网中逆变器的功率因素为0.99，是最大利用逆变器的容量和最大发电量。当然，逆变器的使用并不是十分完美的，在光伏电站装机容量增加之后，光伏发电的功率就会受到影响，从而出现波动现象，高功率因数的运行将对整个电网的稳定造成不可估量的威胁甚至破坏；另外，逆变器的安装使用还需要额外的无功来维持电压，这也是造成电能质量问题的又一因素。
逆变器的大规模安装及运行也会带来多台逆变器之间“孤岛保护”问题，PV容量相对于负载比例较小时，电压、频率会在电网消失之后快速减弱，从而使得孤岛得以准确地检查；但是当PV容量不断增加之后，就容易出现发电功率与负载基本平衡的状况，孤岛检测的时间会受此影响而不断延长，甚至可能出现孤岛检测失败的现象，这一现象在PV由多种类型的并网逆变器并入同一并网点时尤为明显，主要原因在于并入同一并网点各逆变器间的相互干扰过于强烈，就容易导致孤岛检测时间的延长甚至失败。
1.3大规模PV对配电网的影响
大规模PV的载入容易带来对系统电压形态、网损、电压闪变、谐波、电路元件热负荷、短路电流、频率控制、动态稳定等影响。PV的接入改变了电网潮流的方向，对于现有电网的规划、调度运行方式都产生了影响，并且在调度运行时，PV单元由于不具备自动调度的功能，因而不能够参与电网频率、电压的调整，在对加大电网控制和调度运行之上也产生了一定的难度。另外，随着太阳光照强度的变化，PV发电功率也会产生变化，也将对电网的负荷特性产生影响。
2可行的解决方案
光伏发电并网系统中电能质量问题的产生主要表现为稳定发电问题、无功问题、谐波问题和多类型并网逆变器的孤岛保护问题。光伏发电的发电功率取决于太阳的光照辐射量上，受气候环境的影响极大，因而具有不稳定和不确定性的特点；另外在逆变器功率因数超过0.99时，有功不变的情况下需要额外的无功进行电网频率和电压调节；并且受逆变器开关元件技术所限，并网之后的电流中将产生谐波电流并注入电网；多种类型逆变器接入同一并网中所产生的孤岛问题也将成为亟待解决的电能质量问题。另外，考虑到我国现目前光伏发电并网所应达到的标准（涉及对电压、波形、频率、想为、谐波等）与国际标准之间的差距，国内光伏发电的发展模式与国外的差异，都会对电能质量产生影响。
要做到有效解决光伏发电并网所带来的电能质量问题，就要应对不同的问题作出相应的对策。首先，对于大规模集中开发、中高压电源的并入和分散开发的就地接入，对不同电压进行电压等级的评估以明确电压的偏差，从而对其作出规定；其次，由于光伏发电在大规模设置上具有较强的频率耐受力，以此决定了我国光伏发电站的发电频率所允许的偏差较大；因此，为了适应大规模、高容量的PV并入电网运行之中，又要保证电网的稳定与安全，就有必要对于光伏发电并网所要求的新技术进行研发，这也延伸出了新技术研发的相关内容，即储能技术、谐波抑制、新型并网逆变器等研究方向。
①储能技术。储能技术作为一种更加适用于高比例、大容量PV系统的未来电力系统中的重要新技术，其主要的储能设备包括蓄电池、超级电容器、超导储能装备以及压缩空气储能等，不仅可以进行能量的释放和储能，以实现对频率的调节，也可以平衡和控制电网功率的波动，提高电网系统的稳定性和安全性。
②谐波抑制。谐波抑制主要是通过将电网进行标准化控制，将逆变器进行标准化统一及安置，从而实现电力的真正绿色化。针对现有的并网逆变器，谐波抑制的控制方式有“群控技术（多台逆变器并联运行）”和“综合补偿控制（在逆变器中使用交流滤波器APF）”两种，这两种控制方式都需要数据采集器来完成。
③无谐波输入电网的实现可以通过高性能并网逆变器来实现，需要考虑光伏发电接入的配电保护算法、光伏发电的无功控制以及配电无功调节装置的协调。
参考文献：
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理想与现实的光伏发电补贴 第10篇
《意见稿》与期待存在差距
近日, 国家发展改革委向部分政府机构、相关光伏发电企业下发《关于完善光伏发电价格政策通知》征求意见稿 (以下简称《意见稿》) , 《意见稿》一方面对电网企业提出了要求, 电网企业“要积极为光伏发电项目提供必要的并网接入、计量等电网服务, 及时与光伏发电企业按规定结算电价。同时, 要及时计量和审核光伏发电项目的发电量和上网电量, 并根据其计量和审计结果申请电价补贴。”另外一方面则是对分布式发电和大型地面电站发电的补贴方式和电价进行了区分。《意见稿》中表示:分布式发电自发自用部分电价补贴为0.35元每度, 并入电网的电量部分按照当地燃煤发电标杆上网电价进行收购。另外, 关于大型光伏发电标杆上网电价, 《意见稿》针对四类地区给出了四个不同的上网电价。
《关于完善光伏发电价格政策通知》的征求意见稿的发布, 即意味着一直备受关注的个人光伏补贴政策即将揭开神秘的面纱, 即将正式出台。
但是《意见稿》公布的补贴价格与之前一直所猜测和期待的存在着比较大的差距。任凯说如果收购电价为1元, 投资3万, 8年能够收回成本, 则居民对个人光伏发电就具有投资价值, 能够拉动个人对光伏发电的积极性。而《意见稿》中对个人光伏发电补贴分为两部分, 一是自发自用部分, 电价补贴为0.35元每度;而并入电网的电量部分, 则按照当地燃煤发电标杆上网电价进行收购。这显然跟之前对国家补贴政策的期待存在着一定的落差。根据这个补贴政策再来算一笔账, 如果全部自发自用, 每度电补贴0.35元, 再加上自用节省的居民用电价格0.48元, 每度电综合电价为0.83元, 低于北京地区的集中式上网标杆电价。与预期的1元的电价存在着差距。任凯计算, 电价1元则8年回本, 回报率为12.5%。而如今根据补贴政策全部自发自用按0.83元的价格则需要超过9年的时间才能回本, 回报率为11.1% (不考虑银行利率的情况下) 。况且由于不能保证全部能够自用, 比如白天家里没人, 上传电网只给0.4元脱硫煤电价, 那样投资回报时间更会加长。
但是对于工业和商业企业, 由于原本电价是1～1.5元, 如果再加上0.35元补贴, 每度电综合价格能到1.35～1.85元, 远高于光伏上网标杆电价, 经计算投资回报只需6年, 回报率为16.7% (不考虑银行利率的情况下) , 那就具有足够的投资吸引力了。
相对于国家发展改革委公布的《关于完善光伏发电价格政策通知》的征求意见稿, 德国的可再生能源法也规定了该国具体的光伏发电的补贴办法。对于屋顶光伏和地面光伏等各类光伏发电的应用模式, 对不同的规模采取不同的补贴力度。德国光伏发电补贴政策采取的是具有差异性、逐年递减的固定上网电价。差异性上网电价可保证分布式光伏发电的投资者能够拥有合理的投资回报率。德国从2009年开始鼓励用户自发自用, 对自用电量进行额外补贴, 自用电量比例越大, 补贴程度越高。换句话说, 就是让用户合理确定自家光伏发电的装机容量, 尽量减少余电上网, 降低配电网改造费用的投入。这样一来, 光伏发电自发自用的投资回报率就非常高。
峰回路转?
《意见稿》的发布, 在行业内引起轩然大波, 业内甚至怀疑此《意见稿》将严重影响光伏行业未来的发展, 原因即为《意见稿》中发布的补贴政策与行业之前预期的存在着较大差距。
但是, 从另外一方面来说, 所幸这只是一份“意见稿”, 即意在通过征求各方意见, 以此尽快推出国内光伏电价的补贴政策, “意见稿”也不是最终的政策规定, 还有改动的余地。
也有消息说, 《意见稿》中“分布式发电自发自用部分电价补贴为0.35元每度, 并入电网的电量部分按照当地燃煤发电标杆上网电价进行收购”是误读。此次征求意见稿所补贴的是光伏发电的全部发电量, 而并非之前被误传的只补自发自用部分。这意味着, 光伏发电自发自用部分与上网部分均可以享受到每度电0.35元的补贴价格。
如果说个人光伏发电不管是自发自用部分, 还是上网部分均能享受到每度电0.35元的补贴价格, 那尽管与期待的每度电1元存在差距, 但对比之前的自发自用与上网享受不同的补贴政策还是要强一些。
对于我国目前, 只有当国家价格补贴到位, 具有一定的经济吸引力, 具有盈利空间, 个人光伏发电才能得到明显的发展。绝大部分居民都不会单纯地想为国家环保做出点自己的贡献而不考虑投资回报, 尤其是对于广大农村地区而言, 而广大农村地区因为其住房条件却恰恰是我国个人光伏发电的最大潜力区。