太阳能发电系统组成及工作分析

易运池

摘 要：光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、电子限荷保护、防雷隔离带等设备组成。本文详细论述了太阳能发电系统组成及其四种主要部件的工作情況。

关键词：太阳能；光伏系统；组成

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）23-0105-01

太阳能发电系统又称为光伏系统，它是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、电子限荷保护、防雷隔离带等设备组成。

1 太阳能电池方阵的组成及工作分析

可做太阳能电池材料的材料有Si、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等，目前市场上的民用太阳能电池一般是单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，它利用光生伏特效应，即在有光照情况下，电池吸收光能，使电池内部产生电动势、电池两端形成电压差，即“光生伏特效应”，在此作用下，将光能转换成电能[1]。

单体太阳能电池不能直接作为电源使用，若作为电源，必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。每块光伏组件应带有正负出线、正负极连接头和旁路二极管。自带的串联所使用的电缆线满足抗紫外线、抗老化、抗高温、防腐蚀和阻燃等性能要求，；接线盒应密封防水、散热性好并连接牢固，引线极性标记准确、明显；采用工业防水耐温快速接插件，接插件防锈、防腐蚀等性能要求，并满足符合相关国家和行业规范规程，满足25年室外使用的要求[2]。

根据实际需要，太阳能电池方阵可由多个光伏组件通过并联、串联或者串并联连接而成。

2 蓄电池组的工作

太阳能蓄电池是“蓄电池”在太阳能光伏发电中的应用，目前经常采用的为普通铅酸蓄电池、铅酸免维护蓄电池、碱性镍镉蓄电池和胶体蓄电池四种。目前国内被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池，对于太阳能蓄电池的使用和维护，应遵循以下几点[3]。

（1）蓄电池组的工作温度为15～20℃。（2）太阳能蓄电池组联接的方法为：应将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负极联接。另外太阳能蓄电池两极柱切不可短路。（3）新安装或者整修后进行第一次充电的太阳能蓄电池组，应进行较长时间的充电，为初充电，应按额定容量1/10的电流来进行充电。安装前应该测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行8到16小时以上充电或者用交流电先把蓄电池充足。（4）保持蓄电池组的整洁。安装好的太阳能蓄电池组的极柱应该涂上凡士林，防止它被腐蚀。（5）应为太阳能蓄电池组采用在线监测管理措施，对太阳能蓄电池进行测量与分析，及时反馈蓄电池组的缺陷，以便进行维护。（6）冬季应该预防太阳能蓄电池冻裂，夏季应该避免阳光直晒。

3 充放电控制器

太阳能充放电控制器是用来控制光伏电池给蓄电池充电，并且为电压灵敏的电器设备提供负载控制电压的电子装置。它对蓄电池的充、放电条件进行规定和控制，并按照负载的电源要求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能量的输出，是整个光伏供电系统的核心部分。控制器的充电和负载控制电压均可调，并且可以显示出蓄电池、负载、太阳能方阵电压和充电和负载电流。由蓄电池供电的太阳能发电系统，都应有一个太阳能充放电控制器，用来调节功率[4]。

太阳能充放电控制器是采用高速CPU微处理器和高精度A/D转换器，可将多个子系统站进行集中管理和远程控制。

4 逆变器的工作

逆变器是将直流电转换成交流电的电器设备。蓄电池和太阳能电池输出的是直流电源，日常生活中负载大部分是交流负载，因此太阳能发电系统必须用到逆变器。按照运行方式，逆变器可分为独立运行的逆变器和并网运行的逆变器。独立运行的逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立的用户负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。按输出波型，逆变器可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器的电路比较简单，造价较低，但谐波分量较大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的电路系统。另外正弦波逆变器成本高，可以适用于各种负载[5]。

5 防雷接地系统

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少[6]。

5.1 地线是避雷、防雷的关键

防止雷电感应：控制机房内的全部金属物包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。

防止雷电波侵入：在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆，接地的方式可以采用电焊。另外所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此要实测数据，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。

电气设备的接地电阻R≤4欧姆，满足屏蔽接地和工作接地的要求。在中性点直接接地的系统中，要重复接地，R≤10欧姆。防雷接地应该独立设置，要求R≤30欧姆，且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上。引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8mm，扁钢的截面不应该小于4mm。接地装置：人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢。水平接地体宜采用扁钢或者圆钢。圆钢的直径不应该小于10mm，扁钢截面不应小于100mm2，角钢厚度不宜小于4mm，钢管厚度不小于3-5mm。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。根据实际情况安装电涌保护器。

5.2 直流侧防雷措施

组件支架应保证良好的接地，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。

5.3 交流侧防雷措施

并网逆变器交流输出线采用防雷箱一级保护（并网逆变器内有交流输出防雷器），有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，且所有的机柜要有良好的接地。

6 结语

环保能源和可持续发展是本世纪人类生存面临的重要问题，国家能源局“国能新能2016（166号）”强调，鼓励各省（区、市）发展改革委（能源局）建立招标、优选等竞争性方式配置光伏电站项目的机制，促进光伏发电技术进步，各级电网企业应配合地方能源主管部门落实年度建设实施方案。对列入实施方案中的光伏发电项目，应本着简化流程和提高效率原则，按照有关规定和时限要求，及时出具项目接网意见和开展配套送出工程建设，确保项目建成后及时并网运行，推动环保能源的快速发展。

参考文献

[1]（美）梅辛杰，王一波，译.光伏系统工程[M].机械工业出版社，2012.

[2]付跃强.风光互补发电系统教程[M].科学出版社，2013.

[3]周志敏.风光互补发电实用技术[M].电子工业出版社，2011.

[4]Geoff Stapleton，王一波.太阳能光伏并网发电系统[M].机械工业出版社，2014.

[5]夏庆观.风光互补发电系统实训教程[M].化学工业出版社，2012.

[6]瑞士〕麦克沃伊（McEvoy，A.）、Tom Markvart、Luis Castaner.实用光伏手册：原理与应用（原著第2版），科学出版社，2013.endprint