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光伏发电系统的分类介绍和”智能化”应用

太阳能发电分为光热发电和光伏发电,通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电,简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

光伏发电系统是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电系统。光伏发电系统通常由光伏方阵、蓄电池组、蓄电池控制器、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等设备组成,它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行。

目前,光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式光伏发电系统。

1、独立光伏发电系统

独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳电池组件、控制器、蓄电池组成,若要为交流负载供电,还需要配置交流逆变器,独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统、太阳能户用电源系统、通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

2、并网光伏发电系统

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。可以分为带蓄电池的并网光伏发电系统和不带蓄电池的并网光伏发电系统,带有蓄电池的并网光伏发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电;带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网光伏发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。

3、分布式光伏发电系统

分布式光伏发电系统又可分为集中式大型并网光伏电站和分布式光伏系统。集中式大型并网光伏电站的主要特点是能将所发电直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。而分布式光伏系统,有投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点。

太阳能光伏发电系统组成

太阳能光伏发电系统是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和光伏逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行。

光伏发电系统通常由光伏方阵、蓄电池组(可选)、蓄电池控制器(可选)、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等设备组成:高倍聚光光伏系统(HCPV)还包括聚光部分(通常为聚光透镜或者反射镜)。



太阳能光伏发电系统各部分设备的作用如下:

1、光伏方阵

光伏方阵(PV Array)称光伏阵列,是由若干个光伏组件或光伏板按一定方式组装在一起并且具有同定的支撑结构而构成的直流发电单元一在有光照(无论是太阳光,还是其他发光体产生的光照)的情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”。这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下,太阳电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,完成能量转换

2、蓄电池组(可选)

蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电:太阳电池发电对所用的蓄电池组的基本要求是:①自放电率低;②使用寿命长;③深放电能力强;④充电效率高;⑤少维护或免维护;⑥工作温度范同宽;⑦价格低廉。

3、蓄电池控制器(可选)

蓄电池控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的蓄电池控制器是必不可少的设备


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4、光伏逆变器

逆变器是将直流电转换成交流电的设备。当太阳电池和蓄电池是直流电源,而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的j逆变器按运行方式,可分为离网逆变器和并网逆变器。离网逆变器用于独立运行的太阳电池发电系统,为负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳电池发电系统。逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器方波逆变器的电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。

5、跟踪系统

由于相对于某一个同定地点的太阳能光伏发电系统来说,一年四季、每天日升日落,太阳光照角度时时刻刻都在变化,只有太阳电池板能够时刻正对太阳,发电效率才会达到最佳状态。

世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度,将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中,也就是靠计算太阳位置以实现跟踪采用的是电脑数据理论。需要地球经纬度地区的数据和设定,一旦安装,就不便移动或装拆,每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数。

光伏系统中”智能化”应用

回溯光伏发展的历史,我们可以清晰的洞见未来的发展趋势。在户用领域中,储能系统的发展正逐步赶上纯并网系统装机量。总的来说,光伏行业的发展可以被大致概括为三个阶段。

下图阐明了并网系统和储能系统的应用,显示了引发能量管理系统(EMS)发展的节点。本文我们就来聊一下的实现和发展,以及它们对行业未来的影响。

目前,户用并网光伏系统与储能光伏系统的发展可以分为以下三个阶段:

第一阶段:起步阶段—稳定而缓慢的光伏行业发展

在发展初期阶段,也就是在几十年前,那时光伏发电还是一个相对较新的概念,系统成本极高,经济型很低。

第二阶段:光伏行业的兴起—储能的起步

随着光伏系统成本的下降和大规模应用,光伏系统安装量迅速增加。电力需求快速增长,政府不断提供财政补贴支持。由于该阶段电池成本仍然很高,所以储能系统增长缓慢。

第三阶段:爆发点—能源管理系统

光伏系统装机量发展迅速,对公共电网系统的产生压力,并且很快达到极限。因此,政府补贴很快下降。在这种背景下,户用储能和防逆流的方案被广泛应用在新能源并网管理和增加自用率的需求中。因此,更加智能和电网友好型的能源管理系统逐渐变得越来越受欢迎;能量管理系统包含虚拟电厂、微网系统、频率控制,以及在特定市场如澳大利亚的FCAS、德国的RCR控制、日本的HEMS系统和美国的IEEE2030.5等要求。

在能源管理系统中,EMS中心通过实时数据库来进行动态调控,旨在通过无线通信或本地控制设备来满足能源存储系统的需求。系统还收集能源生产系统的实时数据,以便进一步和更精确的管理。

单个储能系统的管理

在单个储能系统中进行能量管理是非常简单的,因为储能系统通常可以实施智能能量控制逻辑,通过该逻辑,光伏产生的能量可以优先考虑用作负载消耗,并将多余的能量存储在电池中。如果电池充满电,则匮入电网。

所以在单个系统中,智能能量管理系统通常用于响应负载控制或户用负荷转移。一种典型的方法是通过DO端口来控制外部继电器来启动或关闭特定负载(大功率但不是必要负载),或与特定负载管理设备(如热控制器、太阳能泵或热辐射器等)一起工作以节省费用。

台安装设备之间的社区管理

政府、电网公司、投资商或承办商经常设立社区虚拟电厂或其他区域型能量管理的方法来节省电费,缓解电网压力。储能装置主要作用是调节区域电网频率或削减峰值功率需求。如下图所示,社区级管理系统可采用集中式或分布式安装方式。

具备能量管理功能的光伏储能系统正逐渐获得推广,该类型系统具有优化光伏能量使用和维持电网系统健康等功能。在澳洲,频率控制辅助功能(FCAS)是目前推动这一发展的主要因素。在欧洲,德国政府要求纹波控制功能(RCR),西班牙跟意大利市场也出台了政策明确支持社区虚拟电厂系统。

案例解析

第一阶段:电池以较低电费的电力充电,为峰值需求时间做准备。充电功率根据分时电价进行智能调整。

第二阶段:在峰值需求时间段,由电池而不是电网来供给负载。

第三阶段:多余的光伏能量给电池充电,为峰值需求使用做准备。

第四阶段:暴风雨即将来临—电池保持满电状态,为紧急使用做准备。




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