太陽能發電系統組成及工作分析

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摘 要：光伏系統是由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、電子限荷保護、防雷隔離帶等設備組成。本文詳細論述了太陽能發電系統組成及其四種主要部件的工作情況。

關鍵詞：太陽能；光伏系統；組成

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0105-01

太陽能發電系統又稱為光伏系統，它是由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、電子限荷保護、防雷隔離帶等設備組成。

1 太陽能電池方陣的組成及工作分析

可做太陽能電池材料的材料有Si、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等，目前市場上的民用太陽能電池一般是單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池，它利用光生伏特效應，即在有光照情況下，電池吸收光能，使電池內部產生電動勢、電池兩端形成電壓差，即“光生伏特效應”，在此作用下，將光能轉換成電能[1]。

單體太陽能電池不能直接作為電源使用，若作為電源，必須將若干單體電池串、并聯連接和嚴密封裝成組件。每塊光伏組件應帶有正負出線、正負極連接頭和旁路二極管。自帶的串聯所使用的電纜線滿足抗紫外線、抗老化、抗高溫、防腐蝕和阻燃等性能要求，；接線盒應密封防水、散熱性好并連接牢固，引線極性標記準確、明顯；采用工業防水耐溫快速接插件，接插件防銹、防腐蝕等性能要求，并滿足符合相關國家和行業規范規程，滿足25年室外使用的要求[2]。

根據實際需要，太陽能電池方陣可由多個光伏組件通過并聯、串聯或者串并聯連接而成。

2 蓄電池組的工作

太陽能蓄電池是“蓄電池”在太陽能光伏發電中的應用，目前經常采用的為普通鉛酸蓄電池、鉛酸免維護蓄電池、堿性鎳鎘蓄電池和膠體蓄電池四種。目前國內被廣泛使用的太陽能蓄電池主要是：鉛酸免維護蓄電池和膠體蓄電池，對于太陽能蓄電池的使用和維護，應遵循以下幾點[3]。

（1）蓄電池組的工作溫度為15～20℃。（2）太陽能蓄電池組聯接的方法為：應將太陽能蓄電池的正極與正極、負極與負極聯接。另外太陽能蓄電池兩極柱切不可短路。（3）新安裝或者整修后進行第一次充電的太陽能蓄電池組，應進行較長時間的充電，為初充電，應按額定容量1/10的電流來進行充電。安裝前應該測量蓄電池是否充足，如電力不足，請在陽光充足的地方對蓄電池進行8到16小時以上充電或者用交流電先把蓄電池充足。（4）保持蓄電池組的整潔。安裝好的太陽能蓄電池組的極柱應該涂上凡士林，防止它被腐蝕。（5）應為太陽能蓄電池組采用在線監測管理措施，對太陽能蓄電池進行測量與分析，及時反饋蓄電池組的缺陷，以便進行維護。（6）冬季應該預防太陽能蓄電池凍裂，夏季應該避免陽光直曬。

3 充放電控制器

太陽能充放電控制器是用來控制光伏電池給蓄電池充電，并且為電壓靈敏的電器設備提供負載控制電壓的電子裝置。它對蓄電池的充、放電條件進行規定和控制，并按照負載的電源要求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能量的輸出，是整個光伏供電系統的核心部分。控制器的充電和負載控制電壓均可調，并且可以顯示出蓄電池、負載、太陽能方陣電壓和充電和負載電流。由蓄電池供電的太陽能發電系統，都應有一個太陽能充放電控制器，用來調節功率[4]。

太陽能充放電控制器是采用高速CPU微處理器和高精度A/D轉換器，可將多個子系統站進行集中管理和遠程控制。

4 逆變器的工作

逆變器是將直流電轉換成交流電的電器設備。蓄電池和太陽能電池輸出的是直流電源，日常生活中負載大部分是交流負載，因此太陽能發電系統必須用到逆變器。按照運行方式，逆變器可分為獨立運行的逆變器和并網運行的逆變器。獨立運行的逆變器用于獨立運行的太陽能電池發電系統，為獨立的用戶負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統。按輸出波型，逆變器可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器的電路比較簡單，造價較低，但諧波分量較大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的電路系統。另外正弦波逆變器成本高，可以適用于各種負載[5]。

5 防雷接地系統

為了保證本工程光伏并網發電系統安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導致系統器件的損壞等情況發生，系統的防雷接地裝置必不可少[6]。

5.1 地線是避雷、防雷的關鍵

防止雷電感應：控制機房內的全部金屬物包括設備、機架、金屬管道、電纜的金屬外皮都要可靠接地，每件金屬物品都要單獨接到接地干線，不允許串聯后再接到接地干線上。

防止雷電波侵入：在出線桿上安裝閥型避雷器，對于低壓的220/380V可以采用低壓閥型避雷器。要在每條回路的出線和零線上裝設。架空引入室內的金屬管道和電纜的金屬外皮在入口處可靠接地，沖擊電阻不宜大于30歐姆，接地的方式可以采用電焊。另外所有接地都要連接在一個接地體上，接地電阻滿足其中的最小值，不允許設備串聯后再接到接地干線上。光伏電站對接地電阻值的要求較嚴格，因此要實測數據，接地機的根數以滿足實測接地電阻為準。

電氣設備的接地電阻R≤4歐姆，滿足屏蔽接地和工作接地的要求。在中性點直接接地的系統中，要重復接地，R≤10歐姆。防雷接地應該獨立設置，要求R≤30歐姆，且和主接地裝置在地下的距離保持在3m以上。引下線采用圓鋼或者扁鋼，宜優先采用圓鋼直徑≥8mm，扁鋼的截面不應該小于4mm。接地裝置：人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或者圓鋼。水平接地體宜采用扁鋼或者圓鋼。圓鋼的直徑不應該小于10mm，扁鋼截面不應小于100mm2，角鋼厚度不宜小于4mm，鋼管厚度不小于3-5mm。人工接地體在土壤中的埋設深度不應小于0.5mm，需要熱鍍鋅防腐處理，在焊接的地方也要進行防腐防銹處理。根據實際情況安裝電涌保護器。

5.2 直流側防雷措施

組件支架應保證良好的接地，經過多級防雷裝置可有效地避免雷擊導致設備的損壞。

5.3 交流側防雷措施

并網逆變器交流輸出線采用防雷箱一級保護（并網逆變器內有交流輸出防雷器），有效地避免雷擊和電網浪涌導致設備的損壞，且所有的機柜要有良好的接地。

6 結語

環保能源和可持續發展是本世紀人類生存面臨的重要問題，國家能源局“國能新能2016（166號）”強調，鼓勵各省（區、市）發展改革委（能源局）建立招標、優選等競爭性方式配置光伏電站項目的機制，促進光伏發電技術進步，各級電網企業應配合地方能源主管部門落實年度建設實施方案。對列入實施方案中的光伏發電項目，應本著簡化流程和提高效率原則，按照有關規定和時限要求，及時出具項目接網意見和開展配套送出工程建設，確保項目建成后及時并網運行，推動環保能源的快速發展。

參考文獻

[1]（美）梅辛杰，王一波，譯.光伏系統工程[M].機械工業出版社，2012.

[2]付躍強.風光互補發電系統教程[M].科學出版社，2013.

[3]周志敏.風光互補發電實用技術[M].電子工業出版社，2011.

[4]Geoff Stapleton，王一波.太陽能光伏并網發電系統[M].機械工業出版社，2014.

[5]夏慶觀.風光互補發電系統實訓教程[M].化學工業出版社，2012.

[6]瑞士〕麥克沃伊（McEvoy，A.）、Tom Markvart、Luis Castaner.實用光伏手冊：原理與應用（原著第2版），科學出版社，2013.endprint