光伏发电的关键技术（共10篇）
光伏发电的关键技术 篇1
摘要：随着船舶运输量的高需求,船舶数量的增加,船舶在运输过程中所释放的二氧化碳等污染气体以及船舶能源的消耗也与日俱增。为节能减排,将太阳能光伏发电技术应用到船舶是重要的手段之一。由于船舶运行环境及设备用电要求的特殊性,在太阳能光伏发电系统与船舶主电网构成并网供电系统中,运用MPPT控制模块技术的电导增量法及逆变器控制技术的主动调频方法是确保系统可靠运行的有效途径之一。
关键词：运输船舶,电力系统,光伏发电,技术,应用
海洋运输是国际、国内商品贸易交换中最重要的运输方式之一,船舶货物运输量大约占全部商品贸易交换货物的80%以上。我国沿海有许多优质的不冻港口,具有发展航海运输的有利条件。我国进出口货运总量的约90%都是利用海上运输,目前我国的港口货物吞吐量和集装箱吞吐量均已居世界第一位,已经成为了世界上最重要的海运大国之一。海洋运输船舶随着运输量的增加,船舶数量也与日俱增,据国际船舶网统计数据显示,2013年仅12月份全球新船订单1 628.98万载重吨,见图1[1]。
1光伏系统在船舶上的应用
营运中的船舶在运行过程中要消耗大量的能量,船舶副机不仅为主机各系统的循环泵、锚机、舵机、无线通信、导航等设备提供着电量,而且担负着船员的生活用电。辅机运行中不仅消耗着能源,而且在燃油燃烧中会排放二氧化碳、 一氧化碳、五氧化二氮等污染气体。为使船舶运行中节能、环保,世界造船业的主要研究方向开始集中在节能减排和探索新能源等方面,着手于大力发展船舶清洁可再生动力能源技术的研究。
太阳能是地球上资源最丰富、分布最广的可再生能源之一,太阳以光辐射的形式发射的能量中每年约1.8×l018k W·h的能量被地球接收。太阳能光伏发电作为当今世界开发利用可再生能源的主要形式之一,以其无污染、无噪音、维护简单等特点展示出无比广阔开发空间和应用前景,将是未来最重要的能源之一[2]。随着能源开发利用技术的进步和成本的降低,太阳能光伏发电已成为继水电、风电之后被世界各国大规模开发利用的新型清洁能源技术[3]。近年来,以太阳能为辅助电力能源的新型船舶获得广泛关注和研究,将环保、 节能的光伏发电系统应用于船舶之上已逐渐成为航运行业、企业探寻节能减排解决方案之一。
1.1船舶耗电负载及系统布置
船舶耗电负载包括主机用的冷却淡水泵、海水泵、鼓风机等;甲板机械中的锚机、舵机、起货机、起艇机、舷梯机、绞缆机等;舱室中的压载水泵、生活用水泵、消防泵、舱底泵、辅助锅炉等; 机修机械中的车床、钻床、电焊机、盘车机等;冷藏通风设备中的空调装置、伙食冷库等各种辅助机械、通风机等;甲板、舱室照明设备、航行灯、信号灯、电风扇等;厨房设备中的电灶、电烤箱、电茶炉的辅助机械等;无线电通信、导航、船内通信等设备;自动化装置、蓄电池充放设备、 艏侧推设备等等。根据这些负载能耗情况,将用电分为动力电、低压电、照明电、应急用电等, 分别连接到主配电板,再连接至各分配电盘(如动力配电板、应急配电板、照明配电板和蓄电池充放电板等)[4]。
1.2船舶电力系统结构
按照船舶供电要求,结合船舶运行的实际, 船舶电力系统的结构布置如图2所示。在正常航行时,船舶供电由1台或2台船舶发电机供电;船舶靠港时,有时借助码头的电力系统为船舶供电;另外还靠蓄电池应急供电。
2光伏发电系统的应用及问题
将光伏发电系统连接到图2所示的船舶电网,与整个船舶电网并联,同时像岸电系统一样, 用开关来控制,这样形成一个分布式发电系统。 无论采用何种供电方式,都能够保障船舶设备的正常用电。然而,光伏供电系统应用到船舶会存在以下问题。
2.1船舶的运行环境的影响
船舶航行于大海中,为满足企业运输的需要,每艘船的航线是不固定的,不同的航线其地理位置不同,同一航线各点所处的地理位置也不相同,地理位置不同,气候存在很大差异。同时船舶在一年四季航行中,季节不同,气候也不同。因此,在不同的气候中,其光辐射的强度、 气温不同;另外,船舶在运行中,正常航行与离靠港时,启用设备的数量是不同的,其耗电量也就不同。而船用电气设备的运行可靠性等级要求也高于陆用设备[5],设备的运行受到发电系统电压、电量的影响,所以船舶运行时依靠光伏发电供电,其供电的电压、电量必须满足设备的要求。
2.2光伏发电系统的缺陷
光伏发电系统并网存在“孤岛效应”,光伏并网系统开关自主或意外断开,并网发电系统与本地网络仍旧形成孤岛运行,由此会产生一系列危害:
1)电网系统中的电压、频率产生波动,致使船用电气设备运行受到危害,当电压、频率过高时使设备烧毁,当过低时难以保障设备的正常运行;
2)部分线路未断电,检修人员因不了解状态,其人身会遭到危害;
3)配电系统的保护开关动作程序受到影响;
4)可能由于因孤岛效应所产生的故障(如接地故障)不能清除或由于产生的冲击电流等,致使电网系统中的设备损坏,电网系统不能恢复。
3关键技术的应用
3.1MPPT控制模块技术的应用
光伏发电受外界环境的影响较大,光发电的功率、电流和电压随着环境温度和光照强度的变化而不同,通过实验,光伏发电单元—光伏电池所发出功率和电压、电流为非线性关系。同时, 光伏发电系统开路电压和短路电流不稳定,致使光伏发电系统的效率降低,如将光伏系统的电力引入船舶电站进行并网运行设备工作的可靠性降低,因此,在任何情况下都能保持光伏发电系统最大输出功率,确保电压输出的波形、幅值及相位与船舶副机发电系统一致是船舶光伏发电并网的关键。应用MPPT控制技术是解决问题的途径之一[6]。
光伏发电系统中,光伏电池的能量转换效率与光伏电池的内部结构特性有关,MPPT控制技术通过不断地检测光伏发电系统中电池的输出功率,运用控制算法来估算当前情况下系统输出的最大功率,通过调整当前的负载阻抗匹配来实现最大功率输出。这样就可以在光伏发电系统因气温升高而使得阵列输出功率降低时,仍可以保证整个系统在当前工况下运行于最佳的匹配状态。MPPT的控制算法包括电导增量法、最优梯度法、电压跟踪法、功率反馈法等[7]。其中,电导增量法具有能量损耗小、响应速度快、控制精度高的特点。在变化无常的船舶运行的环境中, 采用电导增量法控制系统能够使光伏电池能以稳定的方式跟踪其变化。它通过对光伏发电系统的电压和电流进行采样,比较光伏电池的电导增量和瞬时电导改变控制信号,以达到最大输出功率的条件[8]。一般光伏组件输出的功率与电压的P-V图如图3所示。
由图3的变化可知,最大输出功率点的斜率为零。由于光伏组件的瞬时功率P=IU,考虑到曲线斜率的关系,所以将公式两边求导得出:
最大功率点时有:dp /du=0,则
式(2)说明了电导增量与获取最大功率点的关系。
考虑DI /DU» dI/du,可以得出表1中所列出的结论。
电导增量控制方法,能够精确地控制光伏电池所产生的电流、电压幅值、波形、电压及相位与船舶副机的发电系统一致性。
3.2逆变器控制技术
船舶电力系统采用的是分布式供电结构,因此,其“孤岛效应”的检测需采用逆变器控制的自我检测(local detection)[9]。为了达到对电能质量影响小、稳定性高、检测时间短、盲区小或无盲区的检测效果,孤岛检测功能集成在逆变器内部。 采取对逆变器输出的电压电流等电量实施扰动及监测电路响应情况的监测方法,来判断逆变器是否与电网相连。该技术较普遍采用的方法有:
1)采取对逆变器输出电路的阻抗变化进行监测的方法。在欧盟的EN 50330—1标准中规定:光伏发电系统中的阻抗变化1 Ω时即可认为形成孤岛。需要在5 s内切断电网。在电网断开后,公共点频率偏离正常范围。
2)采用对输出电压正反馈(sandia voltage shift,SVS)的方法。其做法是对逆变器所输出电流有效值或有功调节环施加正反馈,使电网断开后,公共点电压能很快地偏离正常范围,从而检测出孤岛状态。该方法不影响电能质量,但会造成功率损失,且由于扰动周期比较长,孤岛检测时间较慢。
3)采用无功补偿检测(reactive power compensation)的方法。对同时输出有功和无功的逆变器,随时检测并网运行时的负载无功需求,对负载作部分无功补偿或波动无功补偿以打破无功平衡,使电网断开后,公共点频率能很快地偏离正常范围。此方法基于功率控制,控制策略比较复杂。
4)采用主动频率(frequency techniques)的方法。逆变器对输出电流的频率做正反馈扰动, 在电网断开后,将公共点频率快速推离正常范围。该方法具有对电能质量影响小、易于实现等优点,多机并网系统中同样有效。该技术的检测盲区主要集中在负载品质因数Qf(quality factor) 较高时,高Qf的谐振电路将阻止逆变器的输出频率偏离谐振频率,Qf越大,其阻尼作用越强。
由于船舶设备的运行可靠性的要求要比陆地上高,同时船舶电网具有多机并网的特点,而且频率检测比电压检测灵敏有效,所以船舶光伏发电并网的孤岛检测采用主动频率的方法作为监测技术。
4结论
太阳能光伏发电在船舶上的应用目前处于研究阶段,在大型远洋船舶上的应用较少。随着科学技术的进步,光伏发电技术的日益成熟,光伏发电系统并入船舶电力系统势在必行。然而为保障船舶设备运行的可靠性,采用MPPT控制模块技术及逆变器控制技术将是最有效的途径之一。
太阳能光伏发电技术 篇2
【关键词】太阳能光伏发电；光伏电池
将光能转变为电能的光伏技术是一项非常重要的技术。相对而言，目前这项技术的发展还处在初期阶段，到2030年之后将会有很稳定和很高的增长率，会成为可行的电力供应者。
光伏发电技术已有几十年的发展历史，全世界的光伏实验室也有几百家，一直处于一种高研究、低生产的状态，不乏出色的科研人才。在国内，虽然光伏产业在近几年有了很大发展，但大多技术落后、设备陈旧，而且多数是直接引进技术和人才，这个局面直接限制了我国光伏科研水平的提高。
日本从1995年开始就已经实施了政府对光伏发电的补助计划，从而促使日本的光伏产业在后来几年的时间里，得到了长足的发展，太阳能电池产量几乎占了全球总产量的1/2；德国也出台了对光伏产业的优惠政策，使光伏产业迅速发展壮大，目前德国太阳能电池的产量已经超过全球产量的1/4。从日本、德国的例子来看，在这个领域，政府的推动非常重要。现在，西班牙、美国各州以及其他许多发达国家都开始用政策激励的方式大规模发展本国的光伏产业。中国虽然是发展中国家，但政府历来重视新能源的开发和利用，《可再生能源法》这时候能够出台也是顺应了时代要求，时机选择非常准确，充分证明了中国政府在能源和环保问题上的态度是明智的。
作为屋顶光伏发电工程的主角，上海市政府、江苏省政府等无疑为国内各省的光伏普及做了表率。但有关专家们认为，光伏发电因为成本高而无法与常规能源竞争的时候，政府采用的补贴电价、规定电网企业收购比例等扶持办法，对启动光伏发电规模市场将起到很好的带头、促进作用。
其实，此种方法在国外早就有了先例。2004年，德国实施“购电法”安装了10万个太阳能屋顶；日本采用“补贴法”安装了近7万个太阳能屋顶，并计划到2010年，安装100万个太阳能屋顶；此外，美国加州50%的新建住宅都要安装太阳能屋顶；西班牙、意大利等许多发达国家先后出台高价收购太阳能光伏电力的政策，鼓励居民安装太阳能屋顶。据了解，“上海十万太阳能屋顶计划”很可能采用日本的模式---初装“补贴法”，这正是“他山之石，可以攻玉”之所在。
国外的实践证明，光伏发电的成本在技术发展的推动下，正在努力突破高成本的制约瓶颈。如果在技术和规模上再有大的突破，中国的光伏产业赶超日本、欧洲等国家将大有可能。有专家预测，在“十一五”期间，很可能会出现国外光伏产业链大规模向中国转移的浪潮，这无疑会给中国经济注入新的活力因素。光伏发电有望在30年内成为中国重要的电力能源之一。
中国光伏，由说到做
2008年北京奥运会提出了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念，光伏发电开始融入奥运建筑。目前，环保、健康已经成为每个中国人关注的话题。
清华大学BP清洁能源研究和教育中心主任李钲认为，全球问题是气候问题，但对中国来说，常规的污染是主要问题。据了解，我国虽然不是全球最大的汽车使用国，却是全球第二大石油消耗国。从我国单车油耗量来看，我国平均单车所耗油的实际值是2.28吨，比美国高10%～20%，比日本高出1倍。不可否认，中国正在一天天地繁荣起来，但同时环境污染也在一天天加剧。全国大多数地区较差的空气质量就是我们依赖煤炭、石油等燃料的恒定指示物。
上海等城市的太阳能屋顶工程，无疑在能源应用方面迈出了很大一步。据了解，仅上海的“十万屋顶”并网光伏系统，每年至少发电4.3亿千瓦时，这不啻为一个天文数字。据相关部门统计，每生产1千瓦时电，大约需要350克左右的煤，4.3亿千瓦时电就相当于给能源紧缺的中国每年节省2万吨左右的煤炭资源。
由深圳市政府投资6188万元建设的太阳能光伏电站，是目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站，它的建成昭示着我国利用太阳能发电的美好前景。该电站于今年2月开始承建，8月建成发电。电站采用国际上最先进而又成熟的技术，迄今运行状况良好，并通过业主、设计、监理、质检、供电等相关部门的验收。电站总容量达1兆瓦（即MWp，太阳能光伏发电专业术语），年发电能力约为100万千瓦时，运行20年后仍具发电能力。专家们称，这一电站是我国并网光伏发电领域的成功典范，填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设的空白，具有里程碑式的意义。
从《可再生能源法》的颁布到“十万屋顶工程”的启动，再到太阳能光伏电站的建立，中国的光伏产业已经从“说”走向了“做”，把建设“绿色城市”、“可持续发展”城市真正的第一次落在了实处，也是中国太阳能发电普及应用的添彩之笔。
参考文献：
[1]王长贵，王斯成，太阳能光伏发电实用技术，北京：化学工业出版社，2005
[2]于静、车俊铁、张吉月，太阳能发电技术综述，世界科技研究与发展出版社，2008年版。
[3]高嵩、侯宏娟，太阳能热发电系统分析，华电技术出版社，2009年版，国防工业出版社，1999年版
光伏发电的关键技术 篇3
太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、环境温度、负载等变化而变化的不稳定直流电,是难以满足用电负载对电源品质要求的“粗电”[1],为此需要应用电力电子变流技术对其进行直流-直流(DC-DC)或直流-交流(DC-AC)变换,以获得稳定的高品质直流电或交流电供给负载或电网,如图1所示。
众所周知,电力电子电路功率变换技术是和电力电子器件同步发展的[2]。1957年硅晶闸管(SCR)问世,标志着以半控型电力电子器件(SCR)为主的传统电力电子技术形成;而自20世纪80年代以来,以全控型电力电子器件(GTO,GTR,功率MOSFET,IGBT,MOS场控晶闸管(MCT),集成门极换流可关断晶闸管(IGCT))及功率集成电路为主的现代电力电子技术发展尤为迅速,DC-DC变换(降压、升压、降压-升压、升压-降压)电路拓扑、DC-AC变换(逆变)控制技术(SPWM,SVPWM)及逆变器多电平、多重化技术均得到长足发展。
事实上,电力电子功率变换器及其控制技术是实现光伏发电系统能够理想地向负载或电网提供电力这一最终目标的重要物质基础之一。
本文阐述了光伏直流变换电路、光伏逆变电路的的基本结构和工作原理,综述了光伏发电系统中电力电子变流技术的发展现状及发展趋势。
1 光伏直流变换电路
光伏电池是一种输出特性迥异于常规电源的直流电源,对电压接受型负载(如蓄电池)、电流接受型(如永磁直流电动机)、纯阻性负载3种不同类型的负载,其匹配特性也迥然相异[3]。随着天气(辐照度、温度)变化,实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处,降低负载失配功率损失,实现“最大功率点跟踪(MPPT)”是光伏直流变换电路的主要功能之一。
光伏直流变换电路主要有脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)两种方法,其中,PWM为常用控制方法。光伏直流变换器主电路分直接变换(直流斩波器,无变压器隔离)和间接变换(开关电源型DC/DC变换器,有变压器隔离)两大类[1],如表1。
Buck(降压)、Boost(升压)主电路是最基本的变换器拓扑,由此可派生出多种组合结构。表1所列4种直流斩波器的输入输出的一根线均是共用的,故统称为“三端开关式稳压器”[4]。
带高频变压器隔离的多种间接变换器拓扑分别派生于各基本DC-DC变换器,亦称为直-交-直变换器,其克服了直流斩波器输入输出不隔离、输入输出电压或电流比受限制、不能实现多路输出的局限,常用于直流光伏输电线路、逆变器和负荷间的电压匹配变换等场合。表1中的全桥、半桥、正激、推挽变换器是基于Buck的隔离变换器拓扑;反激式变换器则是Buck- Boost变换器的隔离方案。
2 光伏逆变电路
“逆变”是将直流电变换为极性周期改变的交流电,其为“整流”的“逆向”过程。逆变电路有多种分类方法[1,2,3]:按直流侧滤波器,分为电压源型(采用大电容滤波)和电流源型(采用大电感滤波);按主电路拓扑,分为推挽、桥式(全桥、半桥)、组合式、多电平逆变器;按输出电压波形要求,分为方波、阶梯波、正弦波逆变器。
离网型光伏发电系统中的逆变器多采用电压源型逆变器。随着全控型电力电子器件和脉宽调制技术的进步,采用桥式主电路、以标准正弦波作为PWM调制波的正弦脉宽调制(SPWM)技术是目前应用最广泛的电压源逆变器控制技术,为了使逆变器输出电压滤波后尽量正弦化,出现了选择性消谐波等优化的PWM技术[2]。在此基础上,进一步出现了以控制输出电流正弦化为目标的电流瞬时值滞环跟踪PWM控制技术和针对三相桥式电压型逆变器的电压空间矢量PWM(SVPWM)技术。SVPWM具有直流电压利用率高、动态响应快、开关损耗低、输出电压波形的总谐波畸变率低等优点[5],在三相电压型逆变器控制中的应用日益广泛。
2.1 离网型光伏发电逆变电路
离网型光伏发电逆变电路一般采用电压源型逆变器。图6为单相全桥电压源型逆变器结构示意图。
图6中,CS为直流侧滤波电容,L1、C1为交流输出滤波器,T为变压器。
离网型三相光伏发电系统中的逆变器主要有两种形式[5]:其一,采用图6所示的三个单相全桥逆变器组合(例如并联)为三相电压源逆变器,其存在元器件多、成本高、体积大的缺点;其二,采用图7所示的三相半桥电压源型逆变器,其利用三桥臂构成的变换器取替三组单相全桥逆变器,具有结构简单、成本低、体积小的优点,应用广泛。
2.2 并网型光伏发电逆变电路
并网型光伏发电逆变电路的控制目标是使逆变器输出电压幅值、频率、相位与电网一致,输出电流波形谐波小,实现向电网无扰动平滑供电[6]。按功率级数,并网型光伏发电系统中的功率变换器有单级式、两级式两种结构,其中,单级式结构简单,无DC-DC环节,光伏阵列直接经逆变器并网,但电网与光伏发电系统直流母线间无能量解耦环节,使实现MPPT、逆变、并网控制的算法复杂;如图1(b)所示,两级式先通过前级的DC-DC变换实现MPPT,然后再经后级的DC-AC变换进行逆变、并网控制,两级控制可以解耦,控制算法较为简单易行。按逆变器输出与电网之间是否接有隔离变压器分为隔离型和非隔离型,隔离型不仅提高了安全性,且可通过选择隔离变压器变比调节电压变换范围,增大了直流母线电压的输入范围,故可根据场地要求进行光伏阵列优化设计[7]。图8为电压源型三相大功率并网逆变器的结构示意图。
3 光伏发电中电力电子技术的发展
3.1 光伏发电中的多电平逆变器
在交流大功率变换领域,常采用开关器件串/并联、多重化(功率变换装置串/并联)及多电平变换等技术以解决电力电子器件耐压与功率变换电压等级的矛盾,其中,多电平变换技术已成为研究热点[2]。传统的逆变器亦称为二电平逆变器,其在一个开关周期内逆变桥臂的相电压输出电平仅为二电平。多电平技术源于日本学者1981年提出的中点箝位型多电平逆变电路。目前,多电平逆变电路主要有二极管箝位型、电容箝位型和独立直流源级联型3种拓扑类型。
光伏阵列可灵活组合,故光伏并网系统易实现3电平和级联方式并网以改善并网电流波形[1]。为了解决阴影问题和光伏模块之间不匹配问题,一些学者提出采用二极管箝位型多电平逆变器、级联H桥型变换器实现独立控制每一个光伏模块,使其各自工作在最大功率点,从而提高系统效率,减少输出电压谐波[8]。
3.2Z源光伏并网逆变器
目前,应用中的并网型光伏发电逆变电路拓扑以电压源型逆变器为主。电压源型、电流源型逆变器存在的共同缺点为[9]:输出交流电压受到限制;桥臂开关器件的开关状态受限,均需加入相应死区时间。对传统逆变器直流侧的单级储能电路(并联电容或串联电感)采用如图9所示的Z源(阻抗源)储能网络替换,则构成“Z源逆变器”[9]。
由图9可见,Z源逆变器的直流侧储能电路是由电感、电容组成的对称交叉型阻抗源网络,其结合了传统电压源型、电流源型逆变器直流侧缓冲和储能电路的特点,从而满足了逆变电路桥臂可开路和短路的条件,克服了传统逆变器的局限。因Z源逆变器可靠性高、效率高、结构简单,且具有升降压变换功能,故在光伏发电系统中应用前景广阔。文献[10]提出基于Z源逆变器的单相离网型光伏发电系统的电流滞环跟踪控制策略,兼有电流瞬时值滞环跟踪PWM控制和Z源的优点。针对常规Z源光伏并网发电系统中,为实现升压,Z源储能网络中的电容电压需高于输入电压的问题,文献[11]在并网型光伏发电系统中引入串联型Z源逆变器,提高了系统的功率密度。
摘要：阐述了太阳能光伏发电系统中电力电子功率变换器的基本结构和工作原理,综述了国内外光伏发电系统中电力电子变流技术的发展现状及发展趋势。
关键词：电力电子技术,变换器,光伏发电系统
参考文献
[1]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005,第1版.
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太阳能光伏发电技术及其应用 篇4
关键词：太阳能；光伏发电技术；应用
伴随着化工产业的高速发展，石油、煤矿等化学能源的储量越来越少，太阳能作为可再生的清洁能源，众多国家对其都给予了足够的重视，其具有的发展前景不可估量。多年来，国家投入了大量的人力与资金对太阳能光伏发电技术的应用进行了大力的研究，太阳能在各个领域的使用越来越广泛，其由于效率高以及干净等特点被众多使用者喜爱，其相关技术的发展也受到了社会各界的密切关注。
一、太阳能光伏发电主要技术
1.1.太阳能电池技术
太阳能电池是太阳能发电系统的主要构成部分，其主要作用是将太阳辐射转化为电流，在太阳能系统中，电池一般不独立使用，其主要是利用并联以及串联等多种连接方式将所有独立的小电池单元连接使用，其作为一个整体的系统功率可高达上百瓦。由于电池技术是由太阳能电池连接而成，因此，其需要面对两个方面的问题，一是降低技术成本，在电池技术发展的初期，其都是以硅片作为电池的原材料，其成本较高，而近些年，则主要利用薄膜技术进行电池的生产，由于其生产成本低，且生产技术简单，因此，其得到了广泛的使用，其对于成本的降低具有极其主要的作用。而另一方面则是提升系统工作效率，目前，国外已经研发出了效率较高、价格便宜的太阳能电池，与此同时，还有部分电池采用新兴结构通过减少电能损耗增大使用效率，其在提升电池效率方面也得到了很大的利用。
1.2.聚光光伏技术
在一般情况下，经过云层折射、散射等到达地面的阳光其能量较低，因此，提升太能源的使用率成为相关科研人员急需解决的问题之一。为了提升太阳能的利用率，当下采用了聚光光伏技术，其在很大程度上提升了其利用率。关于聚光光伏技术的使用，其主要两个方面提升其利用率，第一，增强单位面积内太阳能辐射的强度，其主要是通过减小聚光电池的面积，将太阳能聚集到小面积的聚光电池上，从而提升阳光强度。第二，降低材料成本，使用较为便宜的聚光器，而不是价格较高的太阳能电池，其能够在一定程度上降低成本。目前，我国2009年研发的新型聚光器，其凭借着价格低、个头小、使用率高等优势得到广泛使用。
1.3.最大功率点跟踪技术
光伏阵列的最大功率点主要是由于伴随着太阳强度的变化，光伏阵列的功率输出也会产生一定的变化，当光伏阵列达到最大功率时，其就是最大功率点。当其使用电压大于最大功率点所需要的电压时，则光伏阵列的工作功率就会降低，但是当使用电压低于最大功率点所需要的电压时，其工作效率与输入电压的大小成正比变化，因此，为了提升工作效率，同时降低不必要的电能损耗，就应该使得工作电压与最大功率点相适应，其就是最大功率点的追踪技术。
二、太阳能光伏发电技术的应用
2.1.光伏电站
光伏电站主要是利用太阳能进行供电，其需要较大的占地面积，因此，我国大部分的光伏电站主要分布在土地资源较为充裕的西部地区，并且，由于我国西部地区的海拔较高，太阳能资源丰富，其为我国光伏电站的发展提供了极大的地理优势。目前，由于我国西部地区人员稀疏，且煤矿资源丰富，因此，我国西部光伏电站产生的电能一般通过变电站向东部发达地区传送，其为东部地区的经济发展做出了极其巨大的贡献。在沙漠，土地资源丰富，且阳光较大，并且，我国的沙漠面积较为广阔，因此，未来我国光伏电站的建设具有不可限量的发展前景。
2.2.光伏建筑
在部分发达城市，由于经济发展速度快，且用电需求大，因此，甚至有部分城市到了夏天往往采取拉闸的方式来限制电量的使用，其对于城市居民的生活以及生产工作都造成了极大的不便，因此，在建筑上安装光伏电池成为了解决城市用电紧张的重要方法之一。其主要是通过在建筑上安装光伏电池，提供建筑内部的用电需求，缩短电量供应的距离，在很大程度上降低损耗，同时，节约了电量传输线路建造的成本，建设光伏建筑已经成为目前我国发达城市解决用电紧张的主要方法之一。
2.3.农村用电
太阳能光伏发电技术在很大程度上解决了农村偏远地区的用电问题。在以前，部分山村由于位置偏远、地势艰险，其对于电力的运输造成了极大的困难，因此，众多偏远山村往往都用不上电。而太阳能光伏发电技术则解决了农村的问题，目前，许多偏远山村通过建设小型的光伏发电站或者建设用户自己的发电系统，以实现供电的目的，与此同时，还减少了电力运输的大量的线路铺设成本，降低了由于长距离运输电量造成的电力损耗。
三、结论
综上所述，太阳能是二十一世纪人们可以大力使用的新型的清洁能源，对于其技术的研究以及应用也受到了相关科研人员的重視，太阳能作为一种清洁的、用之不尽的可再生能源，其具有无限美好的发展前景，因此，本文主要根据当下太阳能光伏发电的相关技术的发展，对太阳能电池技术、聚光光伏技术以及光伏阵列的最大功率点跟踪技术进行简答介绍，并对太阳能光伏发电技术在光伏电站、光伏建筑以及农村用电等领域的应用进行相关介绍，希望能为我国太阳能光伏发电技术的发展与进步具有一定的帮助作用。
参考文献：
[1]赵争鸣.太阳能光伏发电技术现状及其发展[J]-《电气应用》-2014（26）
[2]张兴.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[J]-《机械工业》-2013（39）
光伏发电技术的实际应用 篇5
1项目理论分析
1) 光伏发电原理及系统组成。a.光伏组件数组:其作用是利用光生伏特效应将太阳辐射的能量转换为直流电, 系统向电网输送的所有电能均由其提供。b.并网光伏逆变器:其作用是将光伏组件数组输出的直流电通过电力电子转换装置转换成符合上网要求的交流电。c.公共电网:其作用是吸收并网光伏逆变器产生的电能, 通常可以将其看作一个无限大的交流储能装置。d.并网光伏发电系统中一般还都配有直流汇流箱及直流配电柜、交流配电柜、监控系统等设备。对于大功率的并网光伏系统, 通常还配有大容量变压器以将其产生的电能直接送入高压电网。
2) 项目建设意义。本项目设置在LS公司厂区内, 可以将发出的电能就近使用, 减少了因电能在传输的过程中产生的损耗。 项目的建设符合产业政策的发展方向, 带来较好的社会效应。
3) 项目发电量预测及分析。LS公司目前由110k V变电站出LN线供电, 工厂日平均峰值功率为12709k W, 本次将建设的光伏项目本期光伏项目建设规模为6.09MWp, 光伏组件全部安装厂区屋顶。可知:工厂可直接消纳完光伏发电容量。当园区内用电负荷较低时 (节假日休息) , 光伏发电富余电量将送入当地公共电网。光伏电站建成后, 全年理论发电量约等于:744.198万k Wh。 光伏发电系统总效率为:78%, 全年理论上网电量约等于: 744.198万k Wh×78%=580.474万k Wh。第一年发电等效利用小时数为:5804740k Wh÷6090k W=749小时。
4) 并网接入方案。由于厂区面积大, 用电负荷分散, 供电距离长, 采用10k V并网接入时, 可减少远距离送电的损耗。减少并网接入点, 减少低压电缆的长度, 减少低压线路损耗。
5) 接入系统主要一次设备组成。本期工程各厂房屋面光伏组件产生直流电通过逆变器将原直流电转换为三相交流电后送至交流电汇流箱, 通过电缆送至升压变压器, 通过升压变压器将光伏发电转换为标称电压为10k V电源送至接入点并网送电。并网路径为:光伏发电箱式变压器→光伏发电户外开关站→LS公司变电站LN线进线变电所→110k V变电站。原理框图如图1所示。
6) 接入点相关变电站10k V母线无功分析。本项目采用的逆变输出功率因子可以在超前0.85到滞后0.85之间可调, 逆变器设备的功率因子正常标准设置为滞后0.99。接入点110k V变电站10k V母线无功满足要求, 该线路光伏发电产生的无功功率不大, 其数值均小于变电站母线无功补偿容量, 都可以由变电站10k V母线无功补偿装置进行调节, 因此不会影响变电站的运行。
2 光伏发电对拟接入电力系统的影响
2.1光伏电站接入系统谐波分量控制
在将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中, 会产生谐波。并网发电后, 将在发电段进行谐波检测, 根据检测结果进行针对性治理, 主要依靠并网逆变器来保证。并网逆变器在出厂时都经过严格检测, 控制系统产生的谐波分量满足GB/T-14549-1993要求及满足国家光伏发电系统接入电网的相关技术规定。对接入电力系统的影响满足规范要求。
2.2发电系统短路电流
逆变器通过触发相位的控制来实现快速和多种方式的调节, 当被并网的交流系统短路故障, 控制系统瞬间关断逆变器的输出, 即光伏发电系统不会向交流短路点提供短路电流。因此, 电网侧相关交流电气设备短路电流方面的校核可不考虑光伏发电系统并网的影响。
3光伏发电系统自动化控制
3.1调度关系
本工程光伏电站由佛山配网自动化系统 (DMS) 进行调度管理, 站内远动信息送佛山配网自动化系统 (DMS) 主站, 电能质量监测信息送佛山电能质量监测系统主站。
3.2自动化监控系统
本工程为10k V并网光伏电站, 监控系统按照“无人值班, 少人值守”的运行管理模式设计。自动化监控系统分为站控层和间隔层, 站控层网络采用单以太网结构。1) 站控层采用集中监控方式, 由监控室运行人员通过监控系统的操作员站人机接口, 对光伏电站内所有逆变器、升压变压器和交/ 直流配电装置进行集中监视和控制。2) 间隔层按发电单元和配电间隔配置, 实现就地监控功能。3) 由于逆变器、汇流箱分散与集中监控室的距离较远, 屏蔽线的传输衰减过大, 需采用光纤网络进行传输:汇流箱、 逆变器经RS485屏蔽双绞线接至逆变器通信柜内规约转换装置, 规约转换装置通过网络线连接至屏内交换机, 交换机经光缆连接至监控系统本地交换机, 接入监控系统。
10k V进线、并网点保护测控经以太网线连接至控制室通信接口柜内交换机, 经规约转换装置接入监控系统。
本项目应具备遥测、遥信、遥控、遥调功能, 相关远动信息应上传至电网调度机构配网自动化系统 (DMS) , 并接受和执行调度指令。
4结语
光伏作为新兴的分布式能源, 在未来必将有长足的发展, 在设计和设备方面必然日新月异。
摘要：本文以南海LS公司的光伏项目介绍了光伏技术的实践应用和设计主要思路, 论述了光伏发电技术主要设备组成原理、系统接入、继电保护、自动化控制等。
关键词：光伏,系统接入
参考文献
光伏发电的关键技术 篇6
关键词：太阳能,光伏电池,光伏阵列,光伏发电系统
0 引言
众所周知,太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源,每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量[1],太阳能开发与利用正逐步成为各国政府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。“光伏发电”是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式,正在全球范围内迅猛发展,其不仅要替代部分化石能源,而且未来将成为世界能源供应的主体,是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理,综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。
1 光伏电池的原理及发展现状
1839年,法国的Edmond Becquerel发现了“光伏效应”,即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P-N结接受太阳光照产生光伏效应,直接将光能转换成电能的能量转换器。1954年,美国Bell实验室的G. Pearson等发明了单晶硅光伏电池,其原理如图1所示。
图1中,太阳光照射到光伏电池表面,其吸收具有一定能量的光子,在内部产生处于非平衡状态的电子-空穴对;在P-N结内建电场的作用下,电子、空穴分别被驱向N,P区,从而在P-N结附近形成与内建电场方向相反的光生电场;光生电场抵消P-N结内建电场后的多余部分使P,N区分别带正、负电,于是产生由N区指向P区的光生电动势; 当外接负载后,则有电流从P区流出,经负载从N区流入光伏电池。
图2为光伏电池等效电路,其中,Iph为与光伏电池面积、入射光辐照度成正比的光生电流(1cm2硅光伏电池的Iph值为16～30mA[1]);ID,Ish分别为P-N结的正向电流、漏电流;串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成(RS一般<1Ω);旁漏电阻Rsh由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致(Rsh一般为几kΩ);RL为外接负载电阻,IL,UO分别为光伏电池输出电压、电流;当负载开路(RL=∞)时, UO即为开路电压Uoc,其与环境温度成反比、与电池面积无关(在100mW/cm2的光谱辐照度下,硅光伏电池的Uoc一般为450～600mV[2])。
与图2对应的光伏电池解析模型为[1]:
上式中,Isc为RL=0时的短路电流(A);T为环境温度(K);Tref为参考温度(一般取298K);S为实际太阳光辐照度(W/m2); CT为温度系数(A/K);q=1.6×10-29C;k=1.38×10-23J/K;n,ID0分别为二极管排放系数、反向电流;Eg为表征半导体禁带宽度的常量(V)。
实用中,为了满足负载需要的电压、电流,需将多个容量较小的单体光伏电池串、并联成数瓦到数百瓦的光伏模块(其输出电压一般在十几～几十V),进一步可将多个光伏模块串、并联成光伏阵列。图3为在环境温度25℃(T=298K) ,太阳光辐照度S=1000W/m2条件下某光伏模块(其解析模型参数参见文献[1])的仿真输出特性。
图3表明,一定的温度、照度下,光伏电池对应存在一个可能的最大功率输出运行点(Pmax=UpmaxIpmax),但实际工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。图3(a)中,给出了3条不同阻值RL1,R*L,RL2的电阻负载伏安特性(RL1<R*L<RL2),其与光伏电池伏安特性的3个交点A,M,B则为对应的3个实际工作点,只有当负载电阻RL=R*L时光伏电池才运行在最大功率点M,输出最大功率Pmax(UpmaxIpmax)。事实上, 光伏电池的短路电流与辐照度成正比,开路电压与温度成反比, 辐照度增加、温度降低将使其最大功率增加[1,2,3,12],故随着天气(辐照度、温度)变化,应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处,以实现“最大功率点跟踪(MPPT)”。
自1954年实用光伏电池问世至今,晶体硅光伏电池占了光伏电池总产量的80%以上,广泛应用的单晶硅光伏电池光电转换效率已接近25%;多晶硅光伏电池的光电转换效率虽较低,但其材料成本较低,可望成为主导产品之一[1,2,5]。随着光伏产业的迅猛发展,具有半导体材料消耗少、易批量生产、低成本、对弱光转化率高、易实现光伏建筑一体化等优势的薄膜光伏电池成为第二代光伏电池研发的重点,其中,1976年问世的非晶硅薄膜光伏电池实验室效率已达12.8%[2];20世纪80年代兴起的铜铟硒(CIS) 多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近20% [5]。进入21世纪,以提高光电转换效率、降低成本为目标的第三代光伏电池,如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方兴未艾[1,5]。
2 光伏发电系统的结构和工作原理
2.1 离网型光伏发电系统
离网型光伏发电系统亦称为独立光伏发电系统,图4为其典型结构示意图。
图4中的蓄电池是离网型光伏发电系统中必不可少的储能器件,光伏阵列受太阳光照发出的电能通过控制器、DC/DC变换器对蓄电池进行高效、快速充电;而蓄电池储存的电能可通过放电器向直流负载馈电或经DC/AC变换向交流负载供电。控制器根据当前工况通过对DC/DC变换器控制调整光伏阵列等效负载的大小,实现MPPT; 另一方面,控制器采用正弦波调制(SPWM)或空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术对电压源型DC/AC逆变器进行控制以输出总谐波畸变率低、稳定可靠的交流电。防反充二极管可防止蓄电池对光伏阵列放电,以避免反向电流损坏光伏阵列。
离网型光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无电地区[2]或容量较小(一般不超过几百瓦)的户用光伏系统[1]。
2.2 并网型光伏发电系统
并网型光伏发电系统与公共电网相联接,其典型结构示意图如图5所示。
图5中,实现MPPT的前级DC/DC变换控制与实现逆变、并网控制的后级DC/AC PWM控制独立,降低了后级逆变器并网工作与光伏阵列输出功率的相互影响,在提高太阳能利用率的同时,提高并网电流品质[12]。
并网型光伏发电系统具有太阳能利用率高、可省略蓄电池储能环节、发电成本较独立型光伏发电显著降低等优点[10],其是光伏发电技术发展的趋势,主要有大型联网光伏电站和住宅联网型光伏系统两大类,其中,光伏系统与建筑相结合(BAPV)的住宅屋顶联网型光伏系统已成为光伏产业的一个热点[2,4]。
并网型光伏发电系统的关键技术包括光伏阵列MPPT、逆变、并网控制、并网保护及孤岛效应检测等[1,11,12]。
3 光伏发电技术的发展趋势
光伏发电技术研究始于1839年“光伏效应”的发现。1954年, G. Pearson 等开发出光电转换效率为6%的单晶硅光伏电池,其为现代晶体硅光伏电池的雏形。目前,高效晶体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业的热点之一[1,2,3]。
在光伏发电技术开发之初的20世纪70年代,由于制造成本高,光伏发电仅用于人造卫星、海岛灯塔等场所,1976年全球光伏电池 年产量仅几百千瓦[2]。20世纪80年代以来,随着光伏电池技术的不断进步、成本不断降低(2003年,国际市场光伏模块的售价已降至2.5～3美元/瓦;2008年,美国First Solar公司CdTe薄膜光伏电池成本为1美元/瓦),光伏产业迅猛发展, 1997年全球光伏电池年产量为163.3MW,2007年则增至3733MW[1,2]。近年来,世界光伏产业以每年超过30%的速度递增,成为发展速度最快的行业之一。到2009年底,全球光伏发电装机容量累计达2300万千瓦,当年新增装机约为700万千瓦[6]。
近年来,并网光伏发电的应用比例快速增长,已成为光伏发电的主导市场。1996年,并网光伏系统比例仅为7.9%,而2007年则增加至80%左右。目前,光伏与建筑相结合的分布式并网系统市场份额远大于大型联网光伏电站;而大型联网光伏电站是可再生能源发电的重要发展方向,其容量可达MW或GW级,所发电能可直接并入高压电网[7,11]。据国际能源组织(IEA)预测[13]:2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1%,2040年则占总发电量的20%。
我国对光伏电池的研究始于1958年。20世纪80年代以前,光伏电池年产量一直低于10kW。进入21世纪以来,我国光伏产业的生产能力快速扩大,2000年光伏电池年产量猛增至3MW;2007年,成为世界最大的光伏电池生产国,占世界总产量的27.2%;2008年产量达2000MWP,仍居世界第一[15]。2007年,无锡尚德位居世界光伏电池生产厂产量第3。2007年,我国光伏发电装机容量累计达10万千瓦;2008年约为15万千瓦;2009年则增为31万千瓦。目前,我国光伏发电系统主要为离网型,今后将逐步向并网型光伏发电系统方向发展。据《可再生能源中长期规划》,到2020年全国建成2万个屋顶光伏发电项目,总容量100万千瓦[2]。
综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程,呈现出如下发展趋势[1,2,13,14,15,16,17]:晶体硅光伏电池光电转换效率和生产技术水平持续提高; 随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不断降低,硅材料消耗不断减小,光伏电池生产成本大幅降低; CdTe、非晶硅、CIS等薄膜光伏电池已逐步进入市场,随着薄膜光伏电池技术不断进步,薄膜光伏电池的市场份额将快速增长;多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光伏电池,成本远低于晶体硅光伏电池,发展前景广阔;叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子光伏电池等方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限,且有原材料丰富、无毒等优点;光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步,光伏电池生产规模及生产能力快速增长,光伏模块价格大幅降低;并网型光伏发电的应用比例不断增加,逐步成为光伏发电的主流, 光伏系统与建筑相结合的太阳能建筑逐步进入商品化生产时期。
尽管与传统发电方式相比,目前光伏发电的成本仍偏高,尚不具备大规模商业开发的条件,但以太阳能为主体的新能源将成为21世纪世界能源供应的主体,可以预测随着光伏产业的快速发展,光伏发电的成本将不断下降并逐步逼近传统发电成本的水平,从而成为具备竞争能力的可再生能源[13]。
太阳能光伏发电并网技术的应用 篇7
一、概括
早在80年代初期光伏合并网就已经开始, 有很多国家都做出了很大的贡献, 例如意大利、日本、德国和美国这些国家, 并且由当时的理解, 并且大多都是大型光伏合并网型电站, 规模形式也是从1MW和100KW不等, 并且都是由政府部门投资的用来试验的电站。研究结果也是在一些技术方面取得成功, 但是有一些经济性内容不是十分的让人称赞, 原因是由于一些由太阳能资源的成本费用高, 虽然属于可再生能源, 带来环境方面的效益, 但是太阳能发电的昂贵费用难以被电力方面的公司纳用。到90年代后, 一些发达的国外有更好的技术, 从而带来了光伏合并网模式的探究高潮, 然而, 这一次探究的重点并没有围绕光伏合并电站的建造, 转而更加发展“屋顶的光伏电站系统”因为, 人们想利用房顶的空地来安装太阳能, 既能更好的吸收太阳, 更好的利用能量中密度比较低的优点, 而且具有经济性与方便灵活性特点, 与光伏发电相比太阳能源更有利于广泛普及和保护能源的有效安全利用, 因此应当得到各个地方的重视。
二、太阳能光伏发电系统组成
太阳能光伏发电系统主要包括:太阳能电池组件 (阵列) 、控制器、蓄电池、逆变器、用电负载等。其中, 太阳能电池组件和蓄电池为电源系统, 控制器和逆变器为控制保护系统, 负载为系统终端。太阳能光伏发电系统的组成如图1所示。
用太阳作为能源来发电这一系统有独立的系统和用交流电与网络的联系模式系统两大类别组成。独立的系统有太阳作为可再生能源发电的根本的系统形式。同时又被叫做太阳能资源的原型模式。这种模式较多被与市区离得较远的地方, 例如坐落于海上的灯塔、漂浮着的浮标与山顶上的无线接收电台等, 都可以作为供电的电源。
与电网 (系统) 联系系统的构造如图2所示。该系统的特点是当太阳能电池阵列发出的电功率超过负荷需要时, 可以通过自动控制输向交流市电电网, 即向电力公司卖出电力。从电力系统的术语来说, 称为“逆潮流”运行或通俗地称为“卖电”。反之, 对电力公司来说正常运行是向用户供电, 称为“正潮流”。系统联系型太阳能发电系统的优点是, 当阴雨天气或夜间太阳能发电量不足时, 可以通过系统联系直接向市电电网买电。系统联系系统的另一重要优点是可以取消蓄电池, 使成本降低, 且加强了供电的稳定性和可靠性。
三、光伏并网逆变器的研究现状及方向
光伏并电系统中的逆变器是很重要的一个部件, 因为逆变器可以把直流电转换成交流电, 可以决定输出两种电流成波形以及是否提高系统之间的效率。在逆变器中最常用的拓扑结构式全桥的结构, 所以为了减少光伏并网系统的费用, 现在又一部分国家都在尽最大能力的探索提高逆变器的效率, 就当前在国际上有一部分知名企业的逆变器的机器效率已经上升为93%~95%。
光伏合并网系统逆变器有下列五个特点:
l、并网型系统的逆变器是由正弦波为输出方式。普遍情况下可以使用脉带协调方法或者是“伪正弦”方法, 因为这些办法可以使许多负载的用户得到满足, 一定程度还可以对谐波进行负载等特殊情况要求, 一般促进输出的波形有好的质量是靠变压器或者是电感等方法, 但是一定程度上会带来动态较差和效率的低下, 并且其造价较高, 系统比较笨重等缺点。现在一些外国的合并电网的条形规定里指出逆变器的波形不仅要有很好的动态特点, 其中总谐波的因数不能大于5%, 并且每一次的谐波都不能大于3%。
2、并网型系统的逆变器具有降低轻载和空载损耗的优点, 同时提高了机器转化的效率。例如ADVANCEDENERGY Inc.中的MM-5000, 这种产品的空载逆变器中的损耗是小于20W, 最大逆变器的效率抵94%以上, 而在刚输出的时候效率为90%, 一半的额定输出的时候为92%
3、并网型系统的逆变器应该具备较高的可靠性;
4、并网型系统的逆变器中的功率包含的因数应与1接近;
5、并网型系统的逆变器要包括电网中电压的跌落、频率的故障、输入超过电压、电压缺少、输入与输出过流、反接的故障、风扇冷却的故障和独自在岛效应等多种保护措施。
现在国外的并网系统逆变器成为一种相比较下来在市场里成熟的产品, 像欧洲的光伏合并网中逆变器产业市场里有simens, SMA, Sputnik, Fronius和Sun Power等众多公司中产品具有市场化特点, 在其中SMA具有一半的产业市场的份额。
然而在我国, 利用光伏开发电资源相关的起步较晚, 一些研究探索技术也比较落后, 一些著名大学像上海交大, 燕山大学, 安徽合肥工业大学针对能源探究所和中科院研究中心对官府逆变器有一些相关研究。另外还有安徽合肥阳光有限公司与北京索英电气有限公司与山东皇明太阳能有限公司也开始进行探索, 其中前面的两家有限公司还推出一些关于逆变器相关产品。
并网型光伏电系统在我国目前还没有开始形成像一些商业化的产品运行, 而现在都是一些被称为模范型工程的光伏发电工程正在进行, 其中逆变器的科技还大部分是靠合作与进口取得, 促使整个系统的造价成本费用高, 进行大规模的实施非常困难。
在并网型逆变器中也会有很多损耗, 其中像在开关小器件中损耗、对电路控制的损耗、变压器的隔离中间的损耗还有滤波器、电容和电感的损耗, 然而损耗占最大的是开关器件, 在开关中的损耗主要是开通与断开损耗和在开通状态下的损耗以及对二极管逆向的损耗恢复。
由IGBT作为例子, 在初级的电流时I=52A电压U=520V, 功率P0=11k W工作时的频率f=20k Hz作为前提条件下预算得到的数据:
开通时候的损耗是:P1=12W;断开时候的损耗是:P2=56.6W;得出使用时候的损耗是:P3=53.8W。
由此可以看出若想减少开关的损耗, 要在一定程度上提高逆变器的使用效率。
当今提升逆变器的效率可以用这几种措施:应用软件开发技术、提高逆变器相关结构和改良操控方法。
四、统领上文
就目前来说, 用太阳作为能源的地区还仅仅占初级的时段, 但是若用太阳能资源发电更健康长久的发展, 要提前做好以下内容:1.继续研究开发用太阳能来作为电池里的新材料, 加快太阳能电池光纤电转化的效率, 2.探究用太阳作为资源的电池提高功率的跟踪计算方法, 从而实现太阳能资源的跟踪功率;3开发光伏和太阳能资源的结合算法, 有利于实现光伏能源和太阳能的效率高的组合;4.为了降低光伏对一些电网有冲击, 进行开发太阳能和光伏的并网科技;5.研究并发掘建筑与太阳能源光伏电的有效结合, 达到建筑进行自我的供电与绿色能源发电;6.为了更好的可持续的利用太阳能资源产业, 研究并制定保护这一宝贵资源的相关法律政策, 对太阳能资源进行保护。
参考文献
[1]王长贵, 王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M], 北京:化学工业出版社, 2005, 8-195.
太阳能光伏发电技术的发展前景 篇8
1 太阳能光伏发电技术研究意义
太阳能作为一种新型能源, 取之不尽、用之不竭、可再生, 环保性强, 零污染, 对传统化石能源有非常好的替代作用, 太阳能资源必定成为人类将来可赖以生存的重要能源。
光伏发电技术经历了从认识发现到当今技术已日趋成熟的历程, 已经成为一种政府大力倡导的新型清洁能源, 采用光伏发电替代化石能源能够解决化石能源在使用过程中出现的环境问题。开发和利用新型可再生能源, 是世界各国实施可持续发展的一项非常重要的措施。
2 太阳能光伏发电原理
太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源, 也是一种能够规模应用的现实能源, 可用来进行独立发电和并网发电。
太阳能光伏发电技术是将太阳光辐射能源转换为电能的新型发电技术。太阳能光伏发电原理采用光生伏特效应。当太阳光照射到太阳能电池板上时, 电池吸收光能, 产生光生电子—空穴对。在内电场作用下, 光生电子和空穴被分离, 电池两端出现不同付好电荷的积累, 就产生光生电压。此时, 在内电场的两侧引出电极并接上负载, 负载上就有“光生电流”流出, 从而获得功率输出, 这样就得到了电能。
工作原理可概括为如下3个主要过程:
(1) 太阳能电池吸收光子, 半导体内产生电子—空穴对, 即“光生载流子”, 两者的电性相反, 电子带负电, 空穴带正电。
(2) 极性相反光生载流子被半导体P—N结所产生的静电场分离开。
(3) 光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集, 并在外电路中产生电流, 从而获得电能。
3 太阳能光伏发电装置系统简介
太阳能光伏发电最小系统框图如图1所示。
(1) 光伏电池。在标准测试条件下, 光伏电池按照规定连接方式串并联, 组成光伏电池组件, 构成光伏电池方阵, 达到负载要求输出功率。
(2) 防反充二极管。避免光伏电池在无太阳光照不发电时, 蓄电池通过光伏电池方阵放电而引发短路故障。作用是保护光伏电池组件。
(3) 蓄电池组。作用为存储光伏电池方阵所输出电能。当光伏电池方阵产生电能不足时, 给负载供电。
(4) 控制器。为光伏发电最小系统核心。光伏发电系统的控制器作用:管理蓄电池放电;控制蓄电池充放电;检测信号功能, 检测光伏发电系统的工作情况和相关参数, 为控制器实现相关控制策略和保护提供依据;保护设备, 防止设备损坏。
(5) 逆变器。作用是将直流电变成交流电。
4 结束语
光伏发电的关键技术 篇9
【摘 要】分布式光伏发电是一种新型的，具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题，然而分布式光伏发电对如何保证电网安全提出了更高的要求。针对分布式光伏发电存在的问题提出了改善分布式光伏发电安全运行的技术措施，具有实际应用价值。
【关键词】光伏发电；问题；技术措施；研究
分布式光伏发电是指位于用户附近，所发电能就地利用，以10（20）千伏及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的光伏发电项目。分布式光伏发电具有资源分散、项目容量小、用户类型多样、发电出力具有波动性和间歇性等特点。
目前国家明确了分布式光伏发电项目接入系统典型设计共13个方案。其中，分布式光伏发电项目单点接入系统典型设计共8个方案，分布式光伏发电组合接入系统典型设计共5个方案。
1.分布式光伏发电存在的问题
近年来，为响应国家可再生能源发展战略，促进光伏产业发展，10千伏（20千伏）、380伏（220伏）分布式光伏发电项目陆续在全国建成并网运行。虽然这些分布式光伏发电项目配置了相应的安全保护自动装置，但是相应的运维管理和安全管理制度尚不健全，为有源配电网安全、稳定运行埋下隐患。
（1）作为新兴产业，受检测设备、检测水平及光伏发电特有的波动性、间隙性特征和部分电能质量超标指标等多方面条件制约，光伏发电项目入网前的测试与评估工作存在诸多薄弱环节。
（2）对分布式光伏发电并网的工作流程和要求进行了规定，对分布式光伏电站孤岛运行时存在向系统倒送电的安全风险提出了相关技术要求。但是，对投运后对分布式光伏电站安全自动装置的运行维护责任没有进行具体明确，对由于安全自动装置运维不到位、不能发挥应有功能而引起各类事故的安全责任没有进行具体明确规定。
（3）由于非计划性孤岛现象的不可预知性，孤岛运行的电网严重威胁电网设施运维人员已经用户的人身安全；同时，由于主网不能控制孤岛中的电压和频率，从而导致孤岛运行电网损坏供电范围内的公共配电设备和用户设备。
（4）随着国家对分布式光伏电源发电项目上网电价补贴政策的出台，分布式光伏电源发电项目将越来越多，配电网中的分布式电源点将越来越多，尤其是380伏接入的分布式光伏电站，该项目具有接入方式简单、便捷，价格便宜的特点，但大多数一线配电运维人员受专业知识限制，对该项目不太熟悉，对广大一线配电生产人员在日常运维、抢修工作存在极大的安全风险。
2.改善分布式光伏发电的技术措施
（1）修订完善《分布式光伏发电并网管理规定》，将管理职责章节中明确各级安全质量监督管理部门的职责，重点体现在出台各类针对分布式光伏电站并网的相关安全管理制度；参与审查分布式光伏电站接入方案，对接入方案中的安全自动装置配置方案和功能等进行审查等。
（2）明确对接入分布式光伏电站的配电网停电检修施工涉及的停电申请办理流程，特别是涉及380V分布式光伏电站产权分界点开关设备停电操作停电申请办理流程，重点是是否要在停电申请书上反映停电范围内分布式光伏电站的并网接入情况。另外，在各类设备操作流程及权限、安全措施设置要求等方面需进行明确。
（3）完善、改进现有防孤岛保护装置、安全自动装置及其控制策略，提高保护装置、安全自动装置可靠性，降低非计划性孤岛发生几率。分析、研究非计划性孤岛电网运行可能给人身、电网、设备造成的危害以及可能产生的安全风险；根据各类安全风险制定相应的预控措施、应对措施、危机处理措施或事故应急现场处置方案。
（4）供电企业和光伏电站均应加强相关管理人员、技术人员与运维人员的培训工作，制定培训计划，定期组织开展业务培训，学习与光伏项目有关的国家、行业或企业规章制度、方案、标准等知识，学习与光伏设备有关的现场运维管理、设备管理、检修管理、调度管理等知识，取得国家、行业或电力企业颁发的有效工作证件。
3.结语
光伏发电的关键技术 篇10
随着全球经济的发展,能源问题日益尖锐,越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问题。光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点,因而越来越受关注[1]。但是由于光伏系统本身非线性和光电池制造工艺复杂的特点,导致其转换效率一般为14%～15%。为了让太阳能电池阵列在同样日照、温度的条件下输出更多的电能,提出了最大功率点跟踪(MPPT)问题[2]。
MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率,以及比较它们之间的变化关系,决定当前工作点与峰值点的位置关系,然后控制电流(或电压)向当前工作点与峰值功率点移动,最后控制电流(或电压)在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。模糊控制适应性强,鲁棒性好,作为一种新的控制思想,非常适合用在对于太阳能光伏发电这种包含许多不确定量,而且很难用精确的数学模型描述出来的系统。
1 光伏特性
光伏电池相当于具有与受光面平行的极薄PN截面的大面积等效二极管,其等效电路如图1所示[3]。
在图1中,I为太阳能电池输出电流;Id为二极管工作电流;IRsh为漏电流;ILG为光电池电流源;Rsh为光伏电池的并联等效电阻;Rs为光伏电池的串联等效电阻。由图1得到光伏电池的输出特性方程为:
式中:
前式表明,并联电阻Rsh越大,越不会影响短路电流的数值。所以设计中可忽略Rsh,而得到简化的光伏电池输出特性方程:
式(1)～式(4)中:I为光伏电池输出电流;V为光伏电池输出电压;IOS为光伏电池暗饱和电流 T为光伏电池的表面温度;K为波尔兹曼常数 (1.38×10-23 J/K);λ为日照强度;q为单位电荷(1.6×10-19C);k1为短路电流的温度系数;ISCR为标准测试条件(光伏电池温度25 ℃,日照强度为1 000 W/m2)下,光伏电池的短路电流;ILG为光电流;EGO为半导体材料的禁带宽度;Tr为参考温度(301.18 K);Ior为Tr下的暗饱和电流;A,B为理想因子,一般介于1和2之间。
当负载RL从0变化到无穷大时,即可得到如图2所示太阳能电池的输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值Rm时,在曲线上得到一点M,其对应的工作电压和工作电流之积最大,即Pm=ImVm。现将此M点定义为最大功率输出点(MPP)。
2 光伏系统的最大功率点跟踪
在光伏系统中,通常要求光伏电池的输出功率保持在最大,也就是让光伏电池工作在最大功率点,从而提高光伏电池的转换效率[4]。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程,它不需要知道光伏阵列精确的数学模型,而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值,使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近,使光伏系统运作在峰值功率点附近。
对于电阻型负载,其负载线与I-V曲线的交叉点决定了光伏电池的工作点。不同的负载RL决定了不同的工作点。因此在不同温度、日照强度条件下,当最大功率点发生漂移时,可通过调整负载使光伏电池重新工作在最大功率点处。关于光伏电池的最大功率点跟踪算法,先前许多文献已提出过多种方法,如电压回授法、扰动观察法、功率回授法、直线近似法、实际测量法和增量电导法。
然而,在光伏组件环境变化复杂的情况下,这些方法不能即时追踪,迅速反应。常规方法只能收敛到局部最高运行点,却不是P-V曲线的真正最高点。于是提出了占空比扰动法。图3为一般光伏发电系统的结构,MPPT控制器通过调整PWM信号的占空比D,来调节输入/输出关系,从而达到阻抗匹配的功能。
3 基于模糊控制的MPPT实现
3.1 模糊控制基本原理
模糊控制建立的基础是模糊逻辑,它比传统的逻辑系统更接近于人类的思维和语言表达方式。在一些复杂系统,特别是系统存在定性的不精确和不确定信息的情况下,模糊控制的效果常优于常规控制[5]。模糊控制系统基本结构如图4所示。
模糊控制系统一般按输出误差和误差的变化对过程控制进行控制,其首先将实际测量的精确量误差e和误差变化Δe经过模糊处理而变换成模糊量,在采样时刻k,定义误差和误差变化为:
式中:yr和yk分别表示设定值和k时刻的过程输出;ek为k时刻的输出误差。用这些量来计算模糊控制规则,然后又变换成精确量对过程进行控制。
3.2 模糊控制器的设计
模糊逻辑控制器的设计主要包括以下几项内容:
(1) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量;
(2) 归纳和总结模糊控制器的控制规则;
(3) 确定模糊化和反模糊化的方法;
(4) 选择论域并确定有关参数[6]。
模糊化的设计,其解答往往不是惟一的,在很大程度上要运用启发式和试探方法以求取得最佳的选择。对于初始设计可先模拟,若控制性能达不到要求,则需要重新确定隶属函数,有时甚至要重新确定输入/输出量。
3.2.1 输入/输出量模糊子集及论域
模糊系统的输入输出变量有输入功率变化量E;输入上次步长量A(n-1);输出步长量A(n)。将语言变量E和A分别定义为8个和6个模糊子集,即:
E= {NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}
A= {NB,NM,NS,PS,PM,PB}
式中:NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB分别表示负大、负中、负零、正零、正小、正中、正大等模糊概念,并且它们的论域规定为14个和12个等级,即:
E= {-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}
A= {-6,-5,-4,-3,-2,-1,+1,+2,+3,+4,+5,+6}
3.2.2 MPPT的模糊控制算法
图5中e(n)表示第n时刻与第n-1时刻输出功率之差的实际值;E(n)表示这个差值对应于模糊集论域中的值;a(n)表示第n时刻步长的实际值;A(n)表示这个步长值对应于模糊集论域中的值;Ke,Ka分别为量化因子。
通过对光伏电池输出P与占空比D之间的特性曲线分析,并且考虑到外界环境因素对光伏电池输出功率的影响,对实际仿真结果进行调整得到的最终控制规则如表1所示。
4 系统建模与仿真
Matlab的模糊逻辑工具箱拓展了Matlab对模糊逻辑系统的设计能力,已经成为运用模糊手段解决工程问题的重要工具。在此结合Matlab7.1中的模糊逻辑工具箱进行辅助设计。模糊逻辑工具箱在默认状态下给出了mamdani型控制器,选择“交”方法为min;“并”方法为max;推理方法为min;聚类方法为max;解模糊方法为重心法。图6为模糊逻辑工具箱界面。
模糊控制器设计完毕后,利用Simulink搭建光伏电池模型,如图7所示。
其次搭建MPPT模糊控制系统如图8所示。
图中,subsystem为光伏电池模型;S函数只实现D(n)=D(n-1)+a(n)的功能。其中,经过反复试验,量化因子Ka取0.01;Ke取10。模拟外界因素强度从600 W/m2突然增大到900 W/m2,表面温度T=25 ℃,并设置仿真最大步长时间为0.025 s,运行时间为10 s。由此得到输出功率波形如图9所示。
图10为扰动观察法输出功率的跟踪波形。通过比较可以发现,采用模糊逻辑控制跟踪光伏电池最大功率点,不仅跟踪迅速,而且达到最大功率点后基本没有波动,即具有良好的动、稳态性能。
5 结 语
在太阳能发电系统中进行最大功率点跟踪时,根据跟踪情况和电池表面温度、日照强度等外界因素的变化,利用模糊控制来智能地调整步长。
运用Simulink建立模型并进行仿真,其结果表明,将模糊控制运用于最大功率跟踪是可行的,并且表现出良好的控制性能。
摘要：介绍了太阳能光伏发电系统中最大功率点(Maximum Power Point,MPP)的原理及获取最大功率点的常规方法。模糊控制具有适应性强,鲁棒性好,不依赖被控对象精确模型的特点,适合光伏发电系统输出的非线性特征。这里提出利用模糊控制策略实现光伏发电系统最大功率点的跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT),论述模糊控制器的结构、规则生成、模糊决策与推理。并在此基础上建立仿真模型,对模糊控制器进行验证和分析。仿真结果表明,基于模糊策略的光伏系统具有优良的动态和稳态性能。
关键词：光伏发电,模糊控制,最大功率跟踪,最大功率点
参考文献
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