任務2.6 太陽能光伏發電系統應用實例
【任務目標】
（1）了解光伏發電站的基本概念和分類。
（2）掌握光伏發電站的組成及原理。
（3）能說明光伏電站各組成部分及作用。
（4）能識別光伏發電站的主要設備。
【相關知識】
2.6.1 光伏發電站簡介
通過光伏陣列將太陽能輻射能轉換為電能的發電站稱為太陽能光伏發電站。太陽能光伏發電站按照運行方式可分為獨立太陽能光伏發站和并網太陽能光伏發電站。
未與公共電網相連接獨立供電的太陽能光伏電站稱為離網光伏發電站。主要應用于遠離公共電網的無電地區和一些特殊場所，如為邊遠偏僻農村、牧區、海島、高原和沙漠的農牧漁民提供照明、看電視及聽廣播等基本的生活用電。獨立系統由光伏陣列、系統控制器、蓄電池組與交流逆變器等組成。
與公共電網相連接共同承擔供電任務的太陽能光伏發電站稱為并網光伏發電站。它是太陽能光伏發電進入大規模商業化發電階段、成為電力工業組成部分的重要發展方向，是當今世界太陽能光伏發電技術發展的主流趨勢。并網系統由光伏陣列、系統控制器與并網逆變器等組成。
光伏發電站根據容量大小可分為小型光伏發電站（100kW以下）、中型光伏發電站（100kW～1MW）、大型光伏發電站（1～10MW）和超大型光伏發電站（10MW以上）。光伏發電有兩種應用方式：一種是在城鎮的建筑屋頂或其他窄地建設，與低壓配電網并聯，光伏發電站發出的電力直接被用戶消耗，多余部分輸送到電網；另一種在荒漠建設，與高壓輸電網并聯，通過輸電網輸送，降壓后再供給用電負載。
2.6.2 光伏發電站的組成及原理分析
光伏發電站的組成示意圖如圖2.44所示。光伏陣列將太陽能轉換成直流電能，通過匯流箱匯流，再經逆變器將直流電轉換成交流電，根據光伏發電站接入電網技術規定的光伏發電站容量，確定光伏發電站接入電網的電壓等級，由變壓器升壓后，接入公共電網。
1.光伏陣列
在實際使用中，往往一塊組件并不能滿足使用現場的要求，常將若干個組件按一定方式（串、并聯）組裝在組件支架上，形成太陽能電池方陣（Solar Array或PV Array），也稱為光伏陣列。
圖2.44 光伏發電站的組成示意圖
光伏陣列的安裝方式可分為固定式和跟蹤式。固定式指的是陣列朝向固定不變，不隨太陽位置變化而變化。這種安裝方式簡單快捷，光伏支架部分的成本較低，但由于光伏組件固定不動，不能隨陽光的移動而轉動，無法保證獲取到最大的陽光輻射，所以發電量相對偏低。其優點是抗風能力強，安裝方式簡易，工作可靠，造價低，如圖2.45所示。
跟蹤式光伏陣列通過相應的機電或液壓裝置使光伏陣列隨著太陽的高度和方位角的變化而移動，使得在接近傘日照過程中太陽光線都與光伏陣列垂直，由此提高太陽能光伏陣列的發電能力。與固定式相比，在相同日照條件下，光伏陣列效率提高達20%～30%。跟蹤式光伏陣列按照旋轉軸的個數可分為單軸跟蹤系統（圖2.46）和雙軸跟蹤系統（圖2.47）。單軸跟蹤系統只能圍繞一個旋轉軸旋轉，光伏陣列只能跟蹤太陽運行的方位角或者高度角兩者之一的變化。雙軸跟蹤系統可沿兩個旋轉軸運動，能同時跟蹤太陽能的方位角與高度角的變化，但也存在結構復雜、造價相對較高、維護成本高等問題。
圖2.45 水泥柱基礎固定式的實景圖
圖2.46 單軸跟蹤系統
圖2.47 雙軸跟蹤系統
2.光伏陣列防雷匯流箱
在太陽能光伏發電系統中，為了減少太陽能光伏陣列與逆變器之問的連線，方便維護，提高可靠性，一般在光伏陣列與逆變器之間增加光伏陣列防雷匯流箱，其實物圖和電路圖如圖2.48所示。用戶可以將一定數量、規格相同的光伏組件串聯起來，組成一個個光伏串列，然后再將若干個光伏串列并聯接入光伏陣列防雷匯流箱，在光伏陣列防雷匯流箱內匯流后，通過直流斷路器輸出與光伏逆變器配套使用，從而構成完整的光伏發電系統，實現與市電并網。為了提高系統的可靠性和實用性，存光伏陣列防雷匯流箱里配置了光伏專用的直流防雷模塊、直流熔斷器和斷路器等。
圖2.48 光伏陣列防雷匯流箱實物圖和電路圖
（a）實物圖；（b）電路圖
1—直流正極匯流輸出；2—直流負極匯流輸出；3—接地端；4—直流正極匯流板；5—直流負極匯流板；6—斷路器；7—防雷器
3.直流防雷配電柜
直流防雷配電柜主要將直流匯流箱輸出的直流電流進行匯流，再接到逆變器上。直流防雷配電柜主要包括直流輸入斷路器、避雷器、防反二極管和電壓表等，其實物圖、接線圖和原理圖如圖2.49所示。
圖2.49 直流防雷配電柜實物圖、接線圖和原理圖
（a）實物圖；（b）接線圖；（c）原理圖
4.并網逆變器
并網逆變器的作用是將電能轉化為與電網同頻、同相的正弦波電流，饋入公共電網。并網逆變器的實物圖如圖2.50所示。
圖2.50 并網逆變器的實物圖
對逆變器的要求如下：
（1）具有較高的效率。目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽能電池，提高系統效率，必須設法提高逆變器的效率。
（2）具有較高的可靠性。目前光伏發電系統主要用于邊遠地區，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結構，嚴格的冗器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護、交流輸出短路保護以及過熱和過載保護等。
（3）直流輸入電壓有較寬的適應范同。太陽能電池的端電壓隨負載和日照強度的變化而變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范同內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩定。
（4）在中、大容量的光伏發電系統中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發電系統的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高的要求。當中、大容量的光伏發電系統并網運行，為避免與公共電網的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波。
5.交流配電柜
交流配電柜（實物圖和原理接線圖如圖2.51所示）的作用是將逆變器輸出的交流電接入后，經過斷路器接入電網，以保證系統的正常供電，同時還能對線路電能進行計量。配電單元含并網側斷路器、防雷器，配置發電計量表、逆變器并網接口及交流電壓、電流表等裝置。
6.計算機監控系統
計算機監控系統的主要作用是監控整個發電站的運行狀況（包括光伏組件的運行狀態、逆變器的工作狀態、系統的工作電壓、電流等數據），還可以根據需要將相關數據直接發送至互聯網，以便遠程監控發電站的運行情況。
圖2.51 交流配電柜實物圖和原理接線圖
（a）實物圖；（b）原理接線圖
2.6.3 光伏發電站實例
1.實例1
2004年，深圳建成目前亞洲最大的并網太陽能光伏發電站，該光伏發電站總容量1MW，年發電能力約為100萬kW·h。電站設計及安裝與深圳綜合展館、花卉展館等建筑融為一體，堪稱國內綠色建筑的典范。深圳大型光伏發電站如圖2.52所示。
圖2.52 深圳大型光伏發電站
2.實例2
日月壇·微排大廈位于山東德州市，總建筑面積達7.5萬m2，不僅是全球最大太陽能辦公大樓，也是目前世界上最大的集太陽能光熱、光伏、建筑節能于一體的高層公共建筑。日月壇·微排大廈是2010年第四屆世界太陽城大會的主會場，目前已將展示、科研、辦公、會議、培訓、賓館、娛樂等功能集于一身。它綜合應用了多項太陽能新技術，如吊頂輻射采暖制冷、光伏發電、光電遮陽、游泳池節水、雨水收集、中水處理系統、滯水層跨季節蓄能等技術，節能效率高達88%，被譽為全球低碳中心。日月壇·微排大廈如圖2.53所示。
圖2.53 日月壇·微排大廈
【任務實施】
（1）查閱資料，了解光伏發電站。
（2）查閱資料，了解我國光伏發電站投資計劃。
【思考與練習】
（1）簡述太陽能電池的工作原理。
（2）說明光伏發電系統的組成及各部分的作用。
（3）說明下列蓄電池的型號所表示的含義：GFM-1000、3-FM-2006、6-GFM-150、6-TM-60。
（4）什么是逆變？太陽能光伏發電系統中為什么要使用光伏逆變器？
（5）光伏控制器的功能是什么？