任务2.6 太阳能光伏发电系统应用实例
【任务目标】
（1）了解光伏发电站的基本概念和分类。
（2）掌握光伏发电站的组成及原理。
（3）能说明光伏电站各组成部分及作用。
（4）能识别光伏发电站的主要设备。
【相关知识】
2.6.1 光伏发电站简介
通过光伏阵列将太阳能辐射能转换为电能的发电站称为太阳能光伏发电站。太阳能光伏发电站按照运行方式可分为独立太阳能光伏发站和并网太阳能光伏发电站。
未与公共电网相连接独立供电的太阳能光伏电站称为离网光伏发电站。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原和沙漠的农牧渔民提供照明、看电视及听广播等基本的生活用电。独立系统由光伏阵列、系统控制器、蓄电池组与交流逆变器等组成。
与公共电网相连接共同承担供电任务的太阳能光伏发电站称为并网光伏发电站。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网系统由光伏阵列、系统控制器与并网逆变器等组成。
光伏发电站根据容量大小可分为小型光伏发电站（100kW以下）、中型光伏发电站（100kW～1MW）、大型光伏发电站（1～10MW）和超大型光伏发电站（10MW以上）。光伏发电有两种应用方式：一种是在城镇的建筑屋顶或其他窄地建设，与低压配电网并联，光伏发电站发出的电力直接被用户消耗，多余部分输送到电网；另一种在荒漠建设，与高压输电网并联，通过输电网输送，降压后再供给用电负载。
2.6.2 光伏发电站的组成及原理分析
光伏发电站的组成示意图如图2.44所示。光伏阵列将太阳能转换成直流电能，通过汇流箱汇流，再经逆变器将直流电转换成交流电，根据光伏发电站接入电网技术规定的光伏发电站容量，确定光伏发电站接入电网的电压等级，由变压器升压后，接入公共电网。
1.光伏阵列
在实际使用中，往往一块组件并不能满足使用现场的要求，常将若干个组件按一定方式（串、并联）组装在组件支架上，形成太阳能电池方阵（Solar Array或PV Array），也称为光伏阵列。
图2.44 光伏发电站的组成示意图
光伏阵列的安装方式可分为固定式和跟踪式。固定式指的是阵列朝向固定不变，不随太阳位置变化而变化。这种安装方式简单快捷，光伏支架部分的成本较低，但由于光伏组件固定不动，不能随阳光的移动而转动，无法保证获取到最大的阳光辐射，所以发电量相对偏低。其优点是抗风能力强，安装方式简易，工作可靠，造价低，如图2.45所示。
跟踪式光伏阵列通过相应的机电或液压装置使光伏阵列随着太阳的高度和方位角的变化而移动，使得在接近伞日照过程中太阳光线都与光伏阵列垂直，由此提高太阳能光伏阵列的发电能力。与固定式相比，在相同日照条件下，光伏阵列效率提高达20%～30%。跟踪式光伏阵列按照旋转轴的个数可分为单轴跟踪系统（图2.46）和双轴跟踪系统（图2.47）。单轴跟踪系统只能围绕一个旋转轴旋转，光伏阵列只能跟踪太阳运行的方位角或者高度角两者之一的变化。双轴跟踪系统可沿两个旋转轴运动，能同时跟踪太阳能的方位角与高度角的变化，但也存在结构复杂、造价相对较高、维护成本高等问题。
图2.45 水泥柱基础固定式的实景图
图2.46 单轴跟踪系统
图2.47 双轴跟踪系统
2.光伏阵列防雷汇流箱
在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏阵列与逆变器之问的连线，方便维护，提高可靠性，一般在光伏阵列与逆变器之间增加光伏阵列防雷汇流箱，其实物图和电路图如图2.48所示。用户可以将一定数量、规格相同的光伏组件串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏阵列防雷汇流箱，在光伏阵列防雷汇流箱内汇流后，通过直流断路器输出与光伏逆变器配套使用，从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。为了提高系统的可靠性和实用性，存光伏阵列防雷汇流箱里配置了光伏专用的直流防雷模块、直流熔断器和断路器等。
图2.48 光伏阵列防雷汇流箱实物图和电路图
（a）实物图；（b）电路图
1—直流正极汇流输出；2—直流负极汇流输出；3—接地端；4—直流正极汇流板；5—直流负极汇流板；6—断路器；7—防雷器
3.直流防雷配电柜
直流防雷配电柜主要将直流汇流箱输出的直流电流进行汇流，再接到逆变器上。直流防雷配电柜主要包括直流输入断路器、避雷器、防反二极管和电压表等，其实物图、接线图和原理图如图2.49所示。
图2.49 直流防雷配电柜实物图、接线图和原理图
（a）实物图；（b）接线图；（c）原理图
4.并网逆变器
并网逆变器的作用是将电能转化为与电网同频、同相的正弦波电流，馈入公共电网。并网逆变器的实物图如图2.50所示。
图2.50 并网逆变器的实物图
对逆变器的要求如下：
（1）具有较高的效率。目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。
（2）具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的冗器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护、交流输出短路保护以及过热和过载保护等。
（3）直流输入电压有较宽的适应范同。太阳能电池的端电压随负载和日照强度的变化而变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范同内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。
（4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求。当中、大容量的光伏发电系统并网运行，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波。
5.交流配电柜
交流配电柜（实物图和原理接线图如图2.51所示）的作用是将逆变器输出的交流电接入后，经过断路器接入电网，以保证系统的正常供电，同时还能对线路电能进行计量。配电单元含并网侧断路器、防雷器，配置发电计量表、逆变器并网接口及交流电压、电流表等装置。
6.计算机监控系统
计算机监控系统的主要作用是监控整个发电站的运行状况（包括光伏组件的运行状态、逆变器的工作状态、系统的工作电压、电流等数据），还可以根据需要将相关数据直接发送至互联网，以便远程监控发电站的运行情况。
图2.51 交流配电柜实物图和原理接线图
（a）实物图；（b）原理接线图
2.6.3 光伏发电站实例
1.实例1
2004年，深圳建成目前亚洲最大的并网太阳能光伏发电站，该光伏发电站总容量1MW，年发电能力约为100万kW·h。电站设计及安装与深圳综合展馆、花卉展馆等建筑融为一体，堪称国内绿色建筑的典范。深圳大型光伏发电站如图2.52所示。
图2.52 深圳大型光伏发电站
2.实例2
日月坛·微排大厦位于山东德州市，总建筑面积达7.5万m2，不仅是全球最大太阳能办公大楼，也是目前世界上最大的集太阳能光热、光伏、建筑节能于一体的高层公共建筑。日月坛·微排大厦是2010年第四届世界太阳城大会的主会场，目前已将展示、科研、办公、会议、培训、宾馆、娱乐等功能集于一身。它综合应用了多项太阳能新技术，如吊顶辐射采暖制冷、光伏发电、光电遮阳、游泳池节水、雨水收集、中水处理系统、滞水层跨季节蓄能等技术，节能效率高达88%，被誉为全球低碳中心。日月坛·微排大厦如图2.53所示。
图2.53 日月坛·微排大厦
【任务实施】
（1）查阅资料，了解光伏发电站。
（2）查阅资料，了解我国光伏发电站投资计划。
【思考与练习】
（1）简述太阳能电池的工作原理。
（2）说明光伏发电系统的组成及各部分的作用。
（3）说明下列蓄电池的型号所表示的含义：GFM-1000、3-FM-2006、6-GFM-150、6-TM-60。
（4）什么是逆变？太阳能光伏发电系统中为什么要使用光伏逆变器？
（5）光伏控制器的功能是什么？