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光伏系统应用中的误区

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:140

  摘要: 阐述了光伏系统设计的重要意义,讨论了光伏系统设计的原则,并针对光伏系统设计和建造中存在的问题进行了分析。
  关键词: 光伏系统 应用技术 最优化
  0 引言
  为了解决日益逼近的化石燃料储量逐渐枯竭和人类生态环境严重污染的危机局面,在能源领域中,实施可持续发展战略,加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源,已成为人们的共识。
  近年来,在不少国家实施“光伏屋顶计划”的推动下,光伏发电得到了迅速的发展,应用范围正从偏远地区进入城镇,开始涉足庞大的电力市场。相应地光伏技术的研究也在不断深入。然而,在我国,人们对高效率、低成本太阳电池制造技术的改进以及新型太阳电池的进展给予了很大的关注,而对光伏系统应用技术的研究却重视不够。
  光伏应用技术包括硬件和软件两方面,从硬件上来说,要配备性能可靠、价格合理的光伏配套部件,如蓄电池、控制器、逆变器等以及配套产品如灯具、水泵等。在软件方面,则要对光伏系统进行最优化设计,以确定最合适的太阳电池方阵和蓄电池组的配置及规模、对各部件的性能参数及匹配要求。这项工作十分重要,如果设计不当,即使太阳电池组件性能再好、价格再便宜,结果不是光伏系统不能正常运行,就是容量过大,造成很大浪费。所以,从一定意义上来讲,光伏系统设计要比光伏器件更加重要。因此,有必要大声疾呼,必须对光伏系统应用技术的研究给以足够的重视。
  1. 光伏系统设计的原则
  设计光伏系统时,应在满足负载用电需要的前提下,采用最少的光伏组件和蓄电池容量组合,以尽量减少投资费用[1~4]。对于可靠性要求,也有一定限度,有些用户盲目追求高可靠性,要求完全不能停电,这样将大大增加投资。实际上,这对一般用户并无必要。通常,负载缺电率只要取10-2~10-3即可[5]。所以,总的设计原则应该是:使光伏系统满足负载供电合理的可靠性同时,又有最佳的经济性。
  影响光伏系统正常运行的因素很多,牵涉面很广,太阳辐射量又有其随机性,所以,光伏系统的最优化设计比较复杂。不少人在设计时就只是大致估算,而不作最优化设计,这种“毛估估”现象,屡见不鲜。以下根据我们的体会,对在光伏系统设计和建造中常见的一些问题,进行分析讨论。
  2. 光伏系统设计和建造中常见的一些问题
  2.1 为了迎合造价低廉的要求,设计容量明显不足,有的甚至连最基本的能量守恒定律都不能满足
  如某厂生产的太阳能照明灯[6],灯具用8W日光灯,每天工作3小时,配备太阳电池4.2W,蓄电池用6V-3AH。试粗略计算一下:其工作电流为 I = 8÷6=1.33A,每天耗电量QL =1.33 x3=4AH,而蓄电池容量只有3AH,还要考虑充放电效率及放电深度等因素,蓄电池容量严重不足。此外,每天耗电 8W X 3H = 24WH,即使不计任何损耗,每天充电当天用完,其峰值日照时数也要Tm=24÷4.2=5.7小时,这在我国大部分地区是达不到的。
  这种现象在光伏户用电源或光伏照明电源中并不少见,经常出故障在所难免,严重影响了光伏产品的声誉。
  2.2 容量过大,增加了投资,造成浪费
  有些外国光伏公司在我国推销了很多工业应用的光伏电源系统,设计容量往往偏大,对于一般用途的光伏系统,蓄电池每月的荷电状态也几乎都是100%(即蓄电池放电深度为零),个别月份也都在80~90%以上。显然这种设计很不合理。究其原因,与其说是为了增加安全系数,不如说是利益的驱使,因为多数用户不懂光伏系统设计,最多只能在光伏组件的价格上讨价还价,却不知道在总投资上增加了很多不必要的支出。这种情况在一些国内光伏工程中也有存在。
  2.3 蓄电池容量偏大,容易形成充电不足
  原来的设计方法中,确定蓄电池容量等于全年各月光伏发电亏欠量总和,再加上当地连阴雨天数,这样使得蓄电池容量太大,相对而言光伏方阵规模太小,蓄电池本身还有自放电等消耗,会使得蓄电池经常处于欠充状态,系统很难正常工作。如某厂生产的ZH879-B型太阳能导航灯,工作电压为12 V,工作电流1.5 A,以每天平均工作12小时,航标灯占空比1:3计算,则每天负载耗电量为4.5 AH,或等于54 WH,实际所配备的太阳电池功率为23 W,蓄电池组的容量为60 AH,显然所配太阳电池功率太小,相对来说蓄电池容量偏大。
  2.4安装时不注意光伏方阵的方向及倾角
  对于固定式光伏方阵,通常都要求朝向赤道,倾斜安装。这样有两个好处:一是全年方阵面上接收的太阳辐射量要比水平放置的多;二是由于蓄电池有额定容量的限制,夏季太阳辐射量大,蓄电池充满后,就不能再充,这会造成能量的浪费。而冬天往往由于太阳辐射量小而使得蓄电池充电不足。在方阵倾斜放置时,会使方阵面上冬季月份接收的太阳辐射量增加,夏季月份接收的太阳辐射量削弱,使得全年趋于均衡,这样对蓄电池充电有利。所以,在独立光伏电源系统中,除了光伏方阵安装在车、船等运动的底座上,由于无法保证方阵面随时朝向赤道,只能水平放置外,一般情况下方阵面都应倾斜安装,其倾角根据使用地点不同而有个最佳值[7]。
  然而,有些厂家生产的太阳能庭院灯等产品,竟然将太阳电池方阵水平安装,显然这是不合理的。
  在上海等城市的街头,安装了一些太阳能钟,这为行人掌握时间提供了方便,也是光伏产品很好的示范场所。然而常常有些钟走得不准,甚至不走。仔细观察可以发现不少太阳电池板表面蒙上了一层厚厚的灰尘,有些太阳电池板处在树荫或建筑物的阴影之中,甚至有的竟是朝北安装,这样使得光伏电力不足,钟当然不会走得准。
  此外,由于光伏系统多数用于偏远地区,使用者文化水平较低,常出现太阳电池板放置方向不对,或有树木遮挡,有的甚至将太阳电池板垂直挂在外墙上等,这些都会影响光伏系统的正常工作[8]。
  对于较大容量的光伏系统,方阵所占面积较大,有时无法避免全天中有部分时间阳光被遮挡,这时每块组件上要安装旁路二极管,以免过分降低方阵输出功率。
  2.5 不重视太阳电池组件的性能匹配
  在较大容量的光伏系统中,往往要将许多太阳电池组件串、并联,以满足负载的需要。由于制造过程中,各片太阳电池的性能参数不可能完全保持一样,所以在封装组件时,要将单体太阳电池进行选配,使工作电流相近的串成一组。否则,只要有一片太阳电池的工作电流偏低,就会影响整串电池的电流输出。同样,在安装较大容量的光伏系统时,由于各块组件的性能有差别,也应将工作电流相近的串在一起,在并联时挑选工作电压相近的,否则会影响总的输出功率。这点在实际安装时常常容易忽视。
  目前常用的光伏组件一般都是由36片太阳电池串联起来,给12V蓄电池充电,由于晶体硅太阳电池的电压温度系数大约为 -2.3mv/ 0c,随着温度升高,最佳工作电压会下降,所以有的生产厂家将组件中的单体太阳电池片增加到38片串联,以保证夏天高温时充电的需要。其实,在多数情况下并无必要,因为在标准测试条件下,一块组件的峰值工作电压约为17.3V,当温度上升到60 0C时,峰值工作电压降为14.4V,仍可勉强充电,当然这时充电效率会下降,但应考虑到夏天天热时,太阳辐射量也大,有一定补偿作用。而且对一般地区而言,夏天高温天数毕竟不多,每个组件要增加1/18的成本,全年可能得不偿失。所以除了常年高温的热带地区以外,没有必要采用38片太阳电池的组件。
  2.6 控制器功能不适当
  对于光伏系统的正常运行,控制器起着相当大的作用。不同用途和规模的光伏系统,对控制器功能的要求不一样,一般的光伏系统只要具有防止过充、过放等基本功能即可,不应求大求全。有的中小学光伏电源系统还配备有遥测遥控等功能,这样将大大增加投资。除非有特殊需要,否则大可不必。
  2.7 线路安排不当,接触不良
  光伏方阵发出的是低压直流电,如果连接负载的线径较细,线路太长,就可能造成线路末端压降太大,以至负载不能正常工作。所以连线要尽量粗而短。
  此外,在连接处应尽可能采用焊接,如用接线柱,导线端最好焊上接线鼻。由于接线处螺钉未拧紧而形成松动,或因为腐蚀、生锈等原因造成连接处接触不良,甚至断路等故障情况时有发生。所以安装时一定要保证连接牢靠。
  3.结束语
  光伏系统设计等应用技术,直接影响到光伏系统的工作可靠性和经济性,一定要加以足够的重视,必须改变重器件轻系统的观念。
  在建立光伏系统时,一定要经过仔细的最优化设计,以确定最适当的光伏方阵和蓄电池组的容量匹配,尽量做到可靠、经济、合理。任何疏忽,都可能造成严重后果。
  可以预期,随着光伏发电的大量应用,光伏系统应用技术也将不断改进,从而将进一步促进光伏系统的推广和发展。
  摘自:上海电力学院

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