离网光伏系统关键器件选型(完整电子文档,配习题).pdf

1 离网光伏系统关键器件选型（完整电子文档，配习题）离网系统主要由太阳能电池、光伏控制器、蓄电池、逆变器等部件组成本章节主要讲述离网光伏发电系统结构及各部件选配重点分析电池组件容量、蓄电池容量、 光伏控制器、离网逆变器的选配方法4.1 离网系统电池组件选型与配置4.1.1电池组件特性1. 电池主要参数指标与硅太阳能电池的主要性能参数类似，太阳能电池组件的性能参数也主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等这些性能参数的概念与前面所定义的硅太阳能电池的主要性能参数相同，只是在具体的数值上有所区别1) 短路电流IS当将太阳能电池组件的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是电池组件的短路电流，短路电流的单位是A ，短路电流随着光强的变化而变化2) 开路电压Uo 当太阳能电池组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压就是开路电压，开路 电压的单位是V太阳能电池组件的开路电压随电池片串联数量的增减而变化3) 峰值电流Im 峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流峰值电流是指太阳能电池组件输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是A4) 峰值电压Um 峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。

峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V5) 峰值功率Pm 峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率峰值功率是指太阳能电池组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：Pm =ImUm峰值功率2 的单位是W 太阳能电池组件的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和组件的工作温度，因此太阳能电池组件的测量要在标准条件下进行，测量标准为：辐照度lkW/mz、光谱AMl.5 、测试温度256) 填充因子填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值填充因子是反应太阳能电池组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明所用太阳能电池组件输出特性越趋于矩形，电池组件的光电转换效率越高太阳能电池组件的填充因子系数一般在0.5 0.8 之间，也可以用百分数表示ocscmUIPFF2. 太阳能电池的效率太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。

太阳能电池的转换效率定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：%100%100inmminmpVIpp其中mmVI在 I V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形I-V 特性曲线如下图4-1所示电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电压最大功率矩形取值点Pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是I V曲线上坐标相乘的最大值点短路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义ocscmmVIVI为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7 0.8之间3 图 4-1 电压电流曲线太阳能电池本质上是一个pn 结，因而具有一个确定的禁带宽度从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化Si太阳能电池的最大效率大致是28左右影响太阳能电池效率还有其它因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等综合考虑起来，太阳能电池组件的能量转换效率大致在15左右3. 太阳能电池温度特性除了太阳能电池的光谱特性外，温度特性也是太阳能电池的一个重要特征。

对于大部分太阳能电池，随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减少，转换效率降低下图4-2为非晶硅太阳能电池片输出伏安特性随温度变化的一个例子0C25C50C75CU(V)I(A)U(V)P(V)0C25C50C75CI-V 特性曲线P-V特性曲线图 4-2 温度对非晶硅太阳能电池片的输出特性影响下表 4-1 给出了单晶硅、 多晶硅、非晶硅太阳能电池输出特性的温度系数( 温度变化1对应参数的变化率，单位为：%/ ) 测定的一次实验结果可以看出，随着温度变化开路电压变小， 短路电流略微增大，导致转换效率的变低单晶硅与多晶硅转换效率的温度系数几乎相同，而非晶硅因为它的间隙大而导致它的温度系数较低表 4-1 单晶硅与非晶硅电池特性4 ( 表中的数值表示温度变化1的变化率（ %/） ) 种类开路电压VOC短路电流ISC填充因子FF转换效率 单晶硅电池-0.32 0.09 -0.10 -0.33 多晶硅电池-0.30 0.07 -0.10 -0.33 非晶硅电池-0.36 0.10 0.03 -0.23 在太阳能电池板实际应用时必须考虑它的输出特性受温度的影响，特别是室外的太阳能电池， 由于阳光的作用，太阳能电池在使用过程中温度可能变化比较大，因此温度系数是室外使用太阳能电池板时需要考虑的一个重要参数。

4.1.2 电池热斑效应1. 太阳能电池组件的热斑效应当太阳能电池组件或某一部分被鸟粪、树叶、阴影、 灰尘覆盖的时候，被覆盖部分不仅不能发电， 还会被当作负载消耗其他有光照的太阳能电池组件的能量，引起局部发热， 这就是热斑效应 这种效应能严重地破坏太阳能电池，严重的可能会使焊点熔化、封装材料破坏，甚至会使整个组件失效产生热斑效应的原因除了以上情况外，还有个别质量不好的电池片混入电池组件， 电极焊片虚焊、 电池片隐裂或破损、 电池片性能变坏等因素，需要引起注意a) 阴影遮挡 (b) 灰尘覆盖图 4-3 组件遮挡2. 太阳能电池组件的串、并联组合太阳能电池方阵的连接有申联、并联和串、 并联混合几种方式当每个单体的电池组件性能一致时， 多个电池组件的串联连接，可在不改变输出电流的情况下，使方阵输出电压成比例的增加； 而组件并联连接时，则可在不改变输出电压的情况下，使方阵的输出电流成比例的增加；串、并联混合连接时，即可增加方阵的输出电压，又可增加方阵的输出电流但是，组成方阵的所有电池组件性能参数不可能完全一致，所有的连接电缆、插头插座接触电5 阻也不相同， 于是会造成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件；而各并联电池组件的输出电压又会被其中电压最低的电池组件钳制。

因此方阵组合会产生组合连接损失，使方阵的总效率总是低于所有单个组件的效率之和组合连接损失的大小取决于电池组件性能参数的离散性，因此除了在电池组件的生产工艺过程中，尽量提高电池组件性能参数的一致性外，还可以对电池组件进行测试、筛选、组合， 即把特性相近的电池组件组合在一起例如， 串联组合的各组件工作电流要尽量相近，每串与每串的总工作电压也要考虑搭配得尽量相近，最大幅度地减少组合连接损失因此，方阵组合连接要遵循下列几条原则：(1) 串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；(2) 并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路中串联防反充二极管；(3) 尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线；(4) 严格防止个别性能变坏酌电池组件混入电池方阵4.1.3 太阳电池板倾斜角设置1. 倾斜面电池板入射能量设计安装光伏发电系统时当然要掌握当地的太阳能资源情况设计计算时需要的基本数据如下：(1) 现场的地理位置，包括地点、纬度、经度、海拔等；(2) 安装地点的气象资料， 包括逐月太阳总辐射量，直接辐射及散射量 （或日照百分比） ，年平均气温，最长连续阴雨天，最大风速及冰雹、降雪等特殊气候情况。

这些资料一般无法作出长期预测，只能根据以往十到二十年观察到的平均值作为依据但是几乎没有离网运行的光伏发电系统建在太阳辐射数据资料齐全的城市，且偏远地区的太阳辐射数据可能并不类似于其附近的城市因此，在只能采用邻近城市的气象资料或类似地区气象观测站所记录的数据类推时，要把握好可能偏差的因素需知太阳能资源的估算会直接影响到离网光伏系统的性能和造价从气象部门得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射量，要设法换算到倾斜面上的辐射量下面给出计算方法射向太阳电池方阵的入射能量，包括直接辐射、散射辐射和地面反射量三部分设水平面全天太阳总辐射量为IH，它由直接辐射量IHO 和水平面散射量IHS组成那么，射向与地平面成倾斜角设置的太阳电池板倾斜面总太阳辐射量It ，由下式计算得到01cos1coscossincoth cos()22tHOHOHIIII上式右边第一项是直射分量，第二项是散射分量，第三项是地面的反射分量 为地面反射率，不同的地表状态的反射率可由下表可得工程计算中，取 的平均值0.2 ，有雪覆盖地面时取0.7 为太阳方位角， 为电池板方位角6 表 4-2 地面反射率地表状态地面反射率地表状态地面反射率沙漠24-28 湿砂地9 干裸地10-20 干草地15-25 湿裸地8-10 湿草地14-26 干黑士14 新雪81 湿黑土8 残雪4670 干砂地18 冰面69 2. 离网光伏发电系统组件倾斜角设置从水平面上的太阳能辐射量计算太阳电池方阵倾斜面所接收到的太阳辐射能，工作量较大。

目前，通常使用由加拿大环境能源署和美国宇航局(NASA)共同开发的光伏系统设计软件RETScreen通过这一软件，可以方便地计算方阵的固定倾角、地平坐标方位轴跟踪、赤道坐标极轴跟踪以及方位角、倾角双轴精确跟踪等多种运行方式下太阳电池方阵面上所接收到的太阳辐射能如若采用计算机辅助设计软件，应预先进行方阵倾斜角度的优化设计，要求全年的总辐射量尽可能大， 而在冬天和夏天辐射量的差异尽可能地小，两者统筹兼顾 这一点对高纬度地区尤为重要这是因为高纬度地区冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大只有权衡考虑， 选择最佳倾角， 太阳电池方阵面上的冬夏季辐射量之差就会减小，蓄电池容量设计可以减少，系统造价降低，设计较为合理一般来讲，固定倾角太阳电池方阵面上的辐射量要比水平面辐射量高5%-1 5% ，直射分量越大、纬度越高，倾斜面比水平面增加的辐射量越大在小型离网光伏发电系统的设计中，对于固定设置方阵的倾角和方位角的确定，处于北半球的中国， 方位角应正南设置但是， 由于某种限制不能正南，只要在正南20 度之内，方阵输出功率不会降低多少非正南设置， 功率输出大致按照一个余弦函数减少至于方阵倾角， 一般都采用按当地纬度的整数固定设置。

如果考虑为了冬季能多发电，方阵倾角可适当比当地纬度加大一些，一般在+5 度 15 度之内对于离网光伏发电系统，倾斜角宜使光伏方阵的最低辐射量月份倾斜面上受到较大的辐射量下表为 2012-2015 年浙江杭州辐射量最差1 月份不同倾斜角的平均辐射量（平均日照时数 h） 当倾斜角为47 度时，倾斜面可获得最大峰值日照时数表 4-3 杭州 1 月份不同倾斜角辐射量倾斜角0 10 20 30 40 45 46 47 48 h 2.17 2.40 2.59 2.72 2.79 2.80 2.81 2.81 2.81 倾斜角49 50 51 52 53 54 55 h 2.80 2.80 2.80 2.80 2.79 2.79 2.78 7 4.1.3 电池组件选型与配置1. 电池组件选型与配置原则(1) 光伏组件应根据类型、峰值功率、转换效率、温度系数、组件尺寸、重量、功率辐照度特性等技术条件进行选择2) 光伏组件依据太阳辐射量、气候特性、场地面积等因素，经技术经济比较确定3) 太阳能辐射量较高、直射分量较大的场地宜采用晶体硅光伏电池或聚光光伏组件4) 太阳能辐射量较低、散射分量较大、环境温度较高的地区宜采用薄膜光伏组件。

2. 电池组件容量及串并联分析在前面章节中已经阐述过离网系统电池组件容量分析方法，再次我们重点分析电池组件串并联数分析计算太阳。