獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王悅霖

摘 要：加強(qiáng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究對提升太陽能源的利用效率，解決全球資源短缺問題具有極為重要的推動作用。文中對獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單介紹，并從光伏跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)以及逆變器設(shè)計(jì)三方面對獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，為進(jìn)一步完善光伏發(fā)電系統(tǒng)和提升光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率提供科學(xué)有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立運(yùn)行；光伏發(fā)電系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)研究

進(jìn)入21世紀(jì)之后，資源短缺已經(jīng)成為比較嚴(yán)重的世界性問題，各個(gè)國家紛紛提出節(jié)能環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略，并在此基礎(chǔ)上開始大力提倡可再生能源的開發(fā)利用。而在所有可再生資源中，太陽能無疑是其中最具代表性，并且最值得開發(fā)利用的一種。各國在很早之前就已經(jīng)對太陽能進(jìn)行開發(fā)利用，并且經(jīng)過這些年的發(fā)展，對太陽能的開發(fā)利用已經(jīng)取得了不錯(cuò)進(jìn)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建就是較為成功的一項(xiàng)研究成果，并被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)當(dāng)中。但是，由于受到科技水平相對較低和光伏發(fā)電成本較高等各方面因素的限制，一直以來，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效果都不是很理想，在一定程度上限制了其進(jìn)一步發(fā)展和提升。因此，為了能夠更好的推動光伏發(fā)電的進(jìn)展，相關(guān)研究人員提出了獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建概念，并一直為其發(fā)電技術(shù)水平的提升和系統(tǒng)的完善不斷努力著。接下來，文章就以進(jìn)一步完善獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)為主要目的，對其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

雖然太陽能是當(dāng)前比較受關(guān)注，對未來人類社會文明的進(jìn)步影響比較深遠(yuǎn)的主要可再生能源之一，但是，就目前其利用研究情況來看，光伏發(fā)電技術(shù)并沒有成熟和完善，尚有待進(jìn)一步提升。因此，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中，研究人員的主要研究精力也都放在如何提升光伏發(fā)電技術(shù)，提高光伏發(fā)電效率上，希望能夠通過該方法來有效解決當(dāng)前光伏廣泛發(fā)電系統(tǒng)所存在的構(gòu)建成本高，但是發(fā)電效率低的問題。

與光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建情況不同，同為新能源之一的風(fēng)力發(fā)電，其對發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建和研究的進(jìn)展就相對比較順利，尤其是近幾年來，其更是取得了實(shí)質(zhì)發(fā)展，成功通過對發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電單元以及其他相關(guān)系統(tǒng)單元進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的方式成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)發(fā)電功率的大幅度提升，在降低系統(tǒng)構(gòu)建成本的同時(shí)，大大提升了系統(tǒng)的發(fā)電能力[1]。因此，為了能夠加強(qiáng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，進(jìn)一步提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，相關(guān)研究人員在對光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究的同時(shí)，充分借鑒了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，然后在充分結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)其獨(dú)有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上不斷對光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

近幾年來看，隨著相關(guān)研究人員對光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的不斷深入以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究終于取得了比較喜人的進(jìn)展，在原有基礎(chǔ)上大幅度提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力和發(fā)電效率。

2 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理都是通過利用根據(jù)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)原理制成的光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化成電能來完成系統(tǒng)發(fā)電工作[2]。通常情況下，獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏電池組件、控制器、逆變器以及蓄電池等幾個(gè)基本組成結(jié)構(gòu)，其具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)圖的組成結(jié)構(gòu)圖

2.1 光伏電池組件

在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池組件是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分，對發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及系統(tǒng)的發(fā)電能力和發(fā)電效率具有極為重要的影響，因此，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建的過程中，一定要對光伏電池組件的設(shè)計(jì)和安裝引起足夠重視。當(dāng)前，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建中，光伏電池的應(yīng)用主要存在兩方面問題，一方面是當(dāng)前所使用的光伏電池組件對光能的轉(zhuǎn)換效率相對較低，另一方面是其應(yīng)用的成本比較高。

2.1.1 第一代光伏電池

第一代光伏電池是以硅片為主要材料制成的，由于硅的特性完全符合光伏電池的需求，所以第一代光伏電池不論是發(fā)電性能還是應(yīng)用技術(shù)都比較符合光伏發(fā)電系統(tǒng)對于光伏發(fā)電的要求，所以取得了比較不錯(cuò)的應(yīng)用效果。但是由于硅材料需要從二氧化硅中進(jìn)行提純，其提純成本比較高，所以導(dǎo)致硅電池的制造價(jià)格也比較高，大大增加了發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建成本，不適合大范圍推廣應(yīng)用[3]。

2.1.2 第二代光伏電池

第二代光伏電池是在硅材料上鋪設(shè)光電材料薄膜，通過降低光伏材料中硅材料的使用量來降低光伏電池的成本，進(jìn)而使其能夠得到廣泛應(yīng)用。前期所用薄膜為非晶硅薄膜，由于其在一定程度上降低了光伏電池的性能和轉(zhuǎn)換效率，所以很快便被淘汰。后期所用薄膜為多晶硅薄膜，其不僅具有無毒無污染的特性，還能夠進(jìn)一步提升電池的性能，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

2.1.3 第三代光伏電池

第三代光伏電池是在第二代多晶硅薄膜電池的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來，其不僅能夠進(jìn)一步降低光伏電池的成本，還能夠在原有基礎(chǔ)上再一次提升電池的性能。目前，第三代光伏電池尚處于試用階段，并沒有普及應(yīng)用。

2.2 控制器

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器主要包括兩種，一種是充放電控制器，一種是MPPT控制器。其中，充放電控制器的主要作用是對系統(tǒng)蓄電池的充放電情況進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)蓄電池的充放電需要以及蓄電池本身的狀態(tài)情況對蓄電池的充放電進(jìn)行控制。MPPT控制器，屬于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心模塊，其主要作用監(jiān)測光伏電池輸出的電壓和電流，然后在基于MPPT控制算法的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保發(fā)電系統(tǒng)能夠一直以最大功率運(yùn)行。

2.3 逆變器

逆變器的主要作用是對發(fā)電系統(tǒng)的電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將由光伏電池和蓄電池輸送出來的直流電轉(zhuǎn)換成能夠適合普通設(shè)備使用的交流電，以保證其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。除了轉(zhuǎn)化電流功能之外，逆變器還能夠?qū)ο到y(tǒng)電壓進(jìn)行控制，使其處于穩(wěn)定水平，確保系統(tǒng)供電質(zhì)量。

2.4 蓄電池

同光伏電池一樣，蓄電池也是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，對整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力和發(fā)電效率具有比較重要的影響[4]。蓄電池與光伏電池相連，其主要作用是將由光伏電池轉(zhuǎn)化來的電能進(jìn)行儲存，以負(fù)責(zé)供電使用。

在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池和蓄電池是最重要的兩個(gè)組成部分之一，其質(zhì)量好壞和性能高低能夠直接影響到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力和發(fā)電效率，因此，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一定要注重對這兩個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

3 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，最重要的任務(wù)就是對光伏電池和蓄電池進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，但是，由于在當(dāng)前的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，光伏電池多使用多晶硅薄膜光伏電池，蓄電池多使用技術(shù)成熟的鉛酸蓄電池，所以就不多做介紹。

3.1 光伏跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要目的是對光伏跟蹤器進(jìn)行控制，確保讓光伏發(fā)電系統(tǒng)的接受面對太陽位置進(jìn)行跟蹤，最大限度的吸收太陽光輻射所帶來的太陽能。當(dāng)前，按照部件結(jié)構(gòu)的不同，光伏跟蹤控制系統(tǒng)主要分為兩種，一種是開環(huán)伺服系統(tǒng)，一種是閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

3.1.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)是采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，系統(tǒng)中不具備位置反饋裝置和校正控制裝置，在跟蹤過程中，接受面跟蹤精度的控制主要依賴于布距角和傳動結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在其運(yùn)行過程中，需要將光敏器件按照規(guī)定角度安裝在遮光板下方，確保光敏器件可以通過對陽光照射強(qiáng)度的感應(yīng)來控制跟蹤器對太陽進(jìn)行跟蹤。正常情況下，陽光會直接照射到遮光板上，這樣光敏器件就會正好位于遮光板所形成的陰影中[5]。而如果太陽位置發(fā)生偏移，陽光無法直接照射在遮光板上，光敏器件無法被遮光板所形成的陰影籠罩，就會暴露在陽光下，就會感受到陽光的照射并將陽光的照射強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成微電流信號輸送到系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)會根據(jù)信號的強(qiáng)弱對太陽的位置進(jìn)行判斷，調(diào)整跟蹤器角度完成跟蹤。由于在該系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)對開環(huán)的控制容易受到負(fù)載的影響，經(jīng)常發(fā)生丟步和過沖等問題，會降低系統(tǒng)跟蹤性能，所以當(dāng)前該系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已不常用。

3.1.2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)

相比開環(huán)伺服系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)的跟蹤精度要高很多。閉環(huán)系統(tǒng)中除了設(shè)有控制器之外，還設(shè)有傳感檢測裝置，可以對跟蹤位置進(jìn)行反饋和檢測，保證跟蹤精度。其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)接受面接受太陽輻射時(shí)，傳感裝置會將接受到的傳感信號傳遞會控制系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)會通過對信號進(jìn)行分析和計(jì)算，對跟蹤精度進(jìn)行評估，并針對評估結(jié)果對跟蹤器位置進(jìn)行調(diào)整，保證跟蹤精度。

由于系統(tǒng)吸收的太陽能越多，光伏電池轉(zhuǎn)化電能的效果就越高，蓄電池儲存的電能就越多，所以，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一定要對光伏跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引起足夠重視，以提升系統(tǒng)的發(fā)電能力。

3.2 控制器的設(shè)計(jì)

在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器的主要作用是對蓄電池的充放電進(jìn)行控制，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在對控制器設(shè)計(jì)的過程中，最重要的工作就是對控制器進(jìn)行選型，而在對控制器進(jìn)行選型的過程中，主要需要注意以下幾個(gè)方面。

（1）控制器的系統(tǒng)電壓應(yīng)該與蓄電池電壓一致，當(dāng)前默認(rèn)為220V。

（2）控制器的最大電流取決于太陽能電池方陣的電流，通常情況下，其以短路電流作為電池陣列的最大電流值。

輸入最大電流=電池組件的短路電流×并聯(lián)數(shù)=8.23A×14=115.22（A）。

（3）控制器的輸出最大電流取決于輸出負(fù)載的電流，通常以是逆變器的電流為準(zhǔn)。

（4）控制器應(yīng)該能對蓄電池的過充電和過放電進(jìn)行保護(hù)，將其控制在允許的范圍內(nèi)，并應(yīng)該帶有通信以及數(shù)據(jù)收集等輔助功能。如表1所示，即為控制器選型時(shí)的主要技術(shù)參數(shù)。

3.3 逆變器的設(shè)計(jì)

在對逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，其主要任務(wù)也是對逆變器進(jìn)行選型，在選型的過程中，通常需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）逆變器的輸入直流電壓應(yīng)該與系統(tǒng)電壓一致，通常默認(rèn)為220V。同時(shí)，還要對逆變器電流轉(zhuǎn)化的效率進(jìn)行選擇，盡可能選擇轉(zhuǎn)化效率高的逆變器，以降低系統(tǒng)發(fā)電成本[6]。

（2）逆變器的額定輸出電壓應(yīng)該與負(fù)載的交流電壓一致，通常默認(rèn)為380V。同時(shí)，還要確保逆變器的可靠性，保證其運(yùn)行效率。

（3）逆變器容量應(yīng)該與負(fù)荷容量一致，并且，根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該選擇不同的額定容量。比如，系統(tǒng)的負(fù)載功率為7kW，日工作時(shí)間為10小時(shí)，額定容量則應(yīng)該為100kVA。

（4）逆變器輸出的電壓波形應(yīng)該為正弦波。在對光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器進(jìn)行選型的過程中，具體參考技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器選型的主要技術(shù)參數(shù)

以上即為光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)注意事項(xiàng)，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，盡可能在遵循以上技術(shù)要求的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以更好地提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

4 結(jié)束語

太陽能作為重要的可再生能源之一，加強(qiáng)其開發(fā)和利用對進(jìn)一步改善人們的生活質(zhì)量和生活水平具有極為重要的影響作用。因此，在對太陽能源進(jìn)行開發(fā)和利用的過程中，一定要加強(qiáng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，并通過加強(qiáng)對光伏跟蹤控制系統(tǒng)、控制器、逆變器以及光伏電池和蓄電池進(jìn)行研究，在降低系統(tǒng)構(gòu)建成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的發(fā)電能力和發(fā)電效率，更好的解決資源短缺問題。

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