光伏概论教案(第五章太阳能光伏系统第一讲)

5.3.1独立光伏系统概述

独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的光伏发电系统。

独立太阳能光伏系统主要用于远离电网、不需并网和备用电源、夜间阴雨天不需

要电网供电而又必须电力的地方。常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动

式便携电源。

独立光伏系统有光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。

从太阳电池的输入输出特性可知，当电流增加时电压会降低，因此，太阳电池特

性存在最大功率时的最佳动作点，通过功率调节器件的调节，改变电压使功率向

增加的方向变化，将光伏组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负

载，使PV系统的系统能量利用效率尽可能高。

独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。它由光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。光伏阵列接收太阳能并转换为电能，发出的电能经逆变器变换成用电负载所需要的合格电力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)、能量管理和逆变器输出控制。太阳能发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在光伏发电系统中储能元件是必不可少的。工程上使用的储能元件主要是蓄电池，科学研究中也有使用超级电容器、超导储能器件的，但限于成本过高尚未达到实用。从负载用电时间上划分的光伏发电系统有白天用电的光伏发电系统、夜间用电的光伏发电系统和昼夜用电的光伏发电系统。

白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。理论上，供给此类负荷的光伏发电系统不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。在光照充足条件下，负载能正常工作。该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和用电是平衡的。负载用电受环境因素影响较大，工程实际中由于太阳光照、云层、风沙等天气因素变化较大，加之光伏电池负载特性较软，系统为了稳定运行往往也接人一定容量的储能元件，同时此储能元件也可以在一定程度上提高光伏电池发电的利用率，以应付负载的冲击性波动或冲击性启动等造成的电压剧烈波动。

夜间用电的光伏发电系统主要包括照明灯、电视机等。储能元件是必不可少的，白天光伏阵列所发电量除去自身系统所用外全部储存在储能元件中，夜间光伏电池停止发电，由储能元件向负载和自身系统供电，负载供电相对平稳。虽然太阳能发电受气象环境因素影响较大，但此种系统在考虑了阴天影响的基础上，只要发电容量和储能容量设计合理，从宏观上用电与发电可以达到平衡，由此受气象环境的影响较小。光伏发电系统的合理设计要根据负载用电情况、负载特性和当地年平均日照量而进行。

5.3.2独立光伏系统的种类及构成

独立光伏系统的分类：小型太阳能供电系统、简单直流系统、大型太阳能供电系

统、交直流供电系统、混合供电系统。

混合型系统的优点：按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最

佳的经济目标，构成一定的互补关系，克服光伏发电系统和风力发电电能供应不

稳定的问题，同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。

1、小型太阳能供电系统

该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、收录机等直流设备，用来解决无电地区家庭的基本照明。

2、简单直流系统

简单直流系统的特点是系统负载为直流负载，而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。系统结构简单，直接使用太阳电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。其常用于光伏水泵系统、一些白天临时设备用电和旅游设施中。

3、大型太阳能供电系统

与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组，常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。中国在西部地区实施的“光明工程”中，一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用这种形式；中国移动和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通信基站也采用了这种光伏系统供电。

如图所示的光伏路灯系统已经在国内外的许多城市中应用。这种系统是最典型的“光伏＋储能”系统。天气良好的白天光伏发电，所发电力向蓄电池充电，晚间蓄电池向用电负荷放电。有些照明负荷是直流的，有些负荷是交流的。如负荷是直流的，则无须增加逆变环节，否则需要加装逆变环节，增加逆变环节会带来额外的功率损耗。照明负荷往往用电电压是市电等级（即220V交流），因此必须使用升压变换电路，将低压的直流电力升高到220V的交流或等效直流。对白炽灯来说，220V交流和220V直流其照明工作原理和照明效果是基本相同的。但对内部含有电子镇流的节能灯来说，因电子镇流器工作原理是先将220V交流电整流成约280-310V的直流电，再供电给电子镇流器中的逆变环节。所以，此类供电负载可直接使用直流电源供电，而不必先将电源逆变成交流。只是使用直流电源供电时，应采用280-310V直流。故光伏照明系统输出供给照明环节的额定电压不能一概而论，即并非为固定的220V交流，要结合各种照明负载特性综合而定。

光伏路灯系统

值得说明的是，由于光伏发电系统造价的昂贵，照明负载的电光源应尽可能采用高效的节能灯或气体放电灯等高效光源。蓄电池由于节数限制，其输出一般要加升压电路。系统使用的蓄电池一般为铅酸免维护蓄电池，尽量不要使用会造成蓄电池极板记忆效应的镍福蓄电池。因为蓄电池每昼夜构成一次充放电循环，充电和放电都是不完全的，视天气和用电情况决定。使用铅酸蓄电池充放电，还要注意不要过充电也不要过放电，以免造成蓄电池的损伤和损坏。照明系统一般带有能量管理系统，用来控制蓄电池端电压或统计每日的充放电电量和控制照明的时间。

4、交流、直流供电系统

与上述的三种光伏系统不同的是，交流、直流供电系统这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电，以满足交流负载的需求川。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其他一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。

5、混合供电系统

混合供电系统，这种太阳能光伏系统中除了使用太阳电池组件阵列之外，还使用了其他发电系统作为备用电源。主要有：风光互补型系统、太阳光热互补型系统、光伏燃料电池系统。

使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。

比较典型的应用时风光互补型发电系统。风力发电和光伏发电都受自然条件、天气限制，带有一定的局限性，但它们之间存在一定的互补性。一般来说，白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行，夜间光伏停止发电。而中国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，因此二者发电正好构成一定的互补关系。另一方面，风力由于其能量密度相对较高，发电功率可以做得很大，现风力发电机组其容量已可达兆瓦级。风力发电单位装机容量的建设成本比光伏发电要低许多，但其发电运行稳定性比光伏发电要差。从稳定性考虑，风能是非常不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行，风力发电装置本身很难提供稳定的电能输出。为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的作法是：大中型风力发电机组（上百千瓦及以上）并入电网运行；小型风力发电机组（几十千瓦）或者并网运行或者与其他发电设备互补运行，如柴油发电机组或