离网光伏供电系统的认识.doc

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1、离网光伏供电系统的认识一、任务导入在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到

2、必须开发新的能源。常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.54.5,最严重的后果是海平面将上升25 cm145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀

3、金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。二、相关知识学习情境1 我国太阳能资源的分布特点（一）太阳能太阳的基本结构是一个由炽热气体构成的球体，主要由氢和氦组成，其中氢占80，氦占19。

4、太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kWm2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kWm2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kWm2相当于有102000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源(地热能资源除外)。虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。地球上的风能、水

5、能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。我国太阳能资源十分丰富，全国有23以上的地区，年辐照总量大于502万kJm2，年日照时数在2000h以上。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700亿吨标准煤，但十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000W左右。同时，地面上太

6、阳能还受季节、昼夜、气候等影响，时阴时晴，时强时弱，具有不稳定性，限制了太阳能的有效利用。人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面聚焦太阳光来点火，利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：(1)它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2，可以说是取之不尽，用之不竭。(2)地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发的农村、海岛和边远地区更具有利

7、用的价值。(3)太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡。（二）我国太阳能资源分布的主要特点从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾地区的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云

8、量为4.8，太阳总辐射为816kJ(cm2a)，比全国其他省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤是四川盆地，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其他地区的太阳年辐射总量居中。中国太阳能资源分布的主要特点有：(1)太阳能的高值中心为青藏高原，四川盆地为低值中心。(2)太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。(3)由于南方多数地区云多雨多，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化

9、的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的升高而增长。（三）我国太阳能资源区域划分及城市标准日照时数1我国太阳能资源区域划分，如图2-1所示。图2-1 我国太阳能资源区域划分图表21 我国不同地区阳光光照条件区域划分丰富地区比较丰富地区可以利用地区贫乏地区年总辐射量（KJ/cm2.年）580500580420500420地域内蒙西部、甘肃西部、新疆南部、青藏高原新疆北部、东北、内蒙东部、华北、陕北、宁夏、甘肃部分、青藏高原东侧、海南、台湾东北北端、内蒙呼盟、长江下游、福建、广东、广西、贵州部分、云南、河南、陕西重庆、四川、贵州、广西、江西部分地区连续阴雨天数2375特征年日照3

10、000h百分率0.75年日照24003000h百分率0.60.7年日照1600 2400h百分率0.60.4年日照1600h百分率0.4为了按照各地不同条件更好地利用太阳能，根据各地接受太阳总辐射量的多少，将全国划分为如下5类地区：(1)一类地区。一类地区的全年日照时数为32003300h，辐射量在670837104kJ(cm2a)。相当于225285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部等地，是中国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。尤以西藏西部的太阳能资源最为丰富，全年日照时数达29003400h，年辐射总量高达70

11、008000MJm2，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉萨是世界著名的阳光城。(2)二类地区。二类地区的全年日照时数为30003200h，辐射量在586670104kJ(cm2a)，相当于200225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此地区为我国太阳能资源较丰富区，相当于印度尼西亚的雅加达一带。(3)三类地区。三类地区的全年日照时数为22003000h，辐射量在502586104kJ(cm2a)，相当于170200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林

12、、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部、天津、北京和台湾西南部等地。为中国太阳能资源的中等类型区，相当于美国的华盛顿地区。(4)四类地区。四类地区的全年日照时数为14002200h，辐射量在419502104kJ(cm2a)。相当于140170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。是中国太阳能资源较差地区，相当于意大利的米兰地区。(5)五类地区。五类地区的全年日照时数约l0001400h，辐射量在335419104kJ(cm2a)。相当于115140kg标

13、准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区，相当于欧洲的大部分地区。一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总量高于586kJ(cm2a)，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的23以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。中国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四川盆地和与其毗邻的地区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本、欧洲条件优越得多，特别是青藏高原的西部和东南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。近些年的研究发现，随着大气污染的加重，

14、各地的太阳辐射量呈下降趋势。上述中国太阳能资源分布，主要是依据20世纪80年代以前的数据计算得出的，因此其代表性已有所降低。为此，中国气象科学研究院根据20世纪末期最新研究数据又重新计算了中国太阳能资源分布。各地区资源分类见表2-2。表2-2 各地区资源分类类型地区年照时间数/h年辐射总量（kcal/cm2 *a）1西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部280033001602002西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部300032001401603新疆北部、甘肃东南部、山西南部、山西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部

15、、江苏北部、安徽北部220030001201404湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、山西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江140022001001205四川、贵州10001400801002全国各大城市标准13照时数全国各大城市标准日照时数见表2-3。表2-3 全国各大城市标准日照时数城市纬度斜面日均辐射量(kJ/m2)日辐射量H(kJ/m2)最佳倾角哈尔滨45.5815 83812 703+3长春43.9017 12713 572+1沈阳41.7716 56313 793+1北京39.8018 03515 251+4天津39.1016 72214 356+5呼和浩特40.782

16、0 07516 574+3太原37.7817 39415 061+5乌鲁木齐43.78659414 461+12西宁36.7519 61716 777+1兰州36.0515 84214 966+8银川38.4819 61716 553+2西安34.3012 95212 781+14上海31.1713 69112 760+3南京32.0014 20713 099+5合肥31.8513 29912 525+9杭州30.2312 37211 668+3南昌28.6713 71413 094+2福州26.0812 45112 001+4济南36.6815 99414 043+6郑州34.7214 55

17、813 332+7武汉30.6313 70713 201 +7长沙28.2011 58911 377 +6广州23.1312 70212 110+0海口20.0313 51013 835+12南宁22.8212 73412 515+5成都30.6710 30413 392+2贵阳26.5810 23510 327+8昆明25.0215 33314 194+0拉萨29.7024 15121 301+63太阳能光照时间对照表在计算太阳能电池的工作时间时，不应把日照时间看作每天有太阳光的时间，若选择计算时间为8h左右。将导致光伏发电系统不能稳定运行。设计中应根据不同的地区的光照条件，要分别区分太阳能

18、电池的有效工作时间，根据太阳光照时间对照表(见表2-4)进行计算。只有根据这些参数才能准确计算各地区的光照时间，和准确计算光伏发电部分所用的太阳能电池组件的数量和可靠系数。表2-4 太阳光照时间对照表地区分类年光辐照量/（KW/m2）平均峰值时间/h丰富地区5865.105.42比较丰富地区5025864.464.78可以利用地区4195023.824.14贫乏地区 l0kW)，很多并行的光伏单元的输出端被连到同一台集中逆变器的直流输入端，功率大的逆变器使用三相的IGBT功率模块，功率较小的逆变器使用场效应晶体管，同时使用具有DSP的控制器来控制逆变器输出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。

19、集中逆变器的最大特点是系统的功率高，成本低。集中逆变式光伏发电系统受光伏组件的匹配和部分遮影的影响，使整个光伏发电系统的效率下降。同时整个光伏发电系统的可靠性也受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器拓扑连接，以获得集中逆变式光伏发电系统的高效率。SolarMax（索瑞麦克）集中逆变器可以附加一个光伏阵列的接口箱，对每一个光伏组件进行监控，如光伏阵列中有一个光伏组件工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一光伏组件停止工作，从而不会因为某一个光伏组件故障而降低和影响整个光伏系统的功率输出。2组串逆变器组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器，组串逆变器基于模块化基础，每个光伏单元组(15kW)通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流瑞与公共电网并网。许多大型太阳能光伏发电厂都使用组串逆变器。组串逆变器的优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引入“主一从”概念，使系统在单组光伏组件不能满足单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组件连在一起，让其中一个或几个组件工作，从而产出更多的电能。最新的概念为几个逆变器相互组成