[科普中國]-上海世博園光伏發(fā)電系統(tǒng)

簡(jiǎn)介

能源短缺、環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大難題， 制約著人類社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為新能源和可再生能源的一種，太陽能因其清潔環(huán)保、永不枯竭的特點(diǎn)，受到親睞。在世界各國政府的大力扶持下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。我國光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但在最近十幾年內(nèi)，隨著我國新能源政策的相繼出臺(tái)，光伏發(fā)電飛速發(fā)展， 取得了令世界矚目的成就。

2010年上海世博會(huì)主題館為世博園區(qū)永久性場(chǎng)館。本著創(chuàng)建更加清潔、更加高效的美好城市， 充分展示我國在可再生能源開發(fā)利用領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和綠色環(huán)保的理念， 世博會(huì)主題館采用光伏建筑一體化設(shè)計(jì)， 把太陽能光伏發(fā)電與主題館屋面有效結(jié)合。設(shè)計(jì)發(fā)電功率約為2.5MW，年發(fā)電量可達(dá)250萬kWh，每年可減少約2500噸CO2排放量、節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1000多噸，已成為目前國內(nèi)單體面積最大的太陽能屋面1。

光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，分為獨(dú)立運(yùn)行方式和并網(wǎng)運(yùn)行方式， 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又分為分散式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和集中式大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

分散式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是所發(fā)的電能直接分配到用電負(fù)荷上，多余或不足的電力通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。分散式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又可分為可逆流和不可逆流兩大類?？赡媪飨到y(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生剩余電能時(shí)將該電能送入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)電能不足時(shí)由電網(wǎng)補(bǔ)充供電；不可逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量始終小于或等于用戶的用電量，電能不夠時(shí)由電網(wǎng)提供，這種系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)送電的情況。

集中式大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力通過逆變裝置并入公用電網(wǎng)，把公用電網(wǎng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的載體，與公用電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的電能傳輸。

光伏發(fā)電系統(tǒng)組成（1）太陽能電池

太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能變換成為電能。把太陽能變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器， 就是太陽能電池。

太陽能電池種類繁多，根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽能電池、化合物半導(dǎo)體太陽能電池、有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池、薄膜太陽能電池等。目前，商業(yè)化多晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已提高到16%~20%，產(chǎn)量占太陽能電池總產(chǎn)量的47%左右；商業(yè)化單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已提高到15%~18%，產(chǎn)量占44 % 左右。可見，目前大規(guī)模生產(chǎn)的太陽能電池多為硅太陽能電池，其工藝技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定可靠，光電轉(zhuǎn)換效率高，使用壽命長(zhǎng)。最近幾年，薄膜太陽能電池的研發(fā)也取得了新的進(jìn)展，已經(jīng)投入了商業(yè)化批量生產(chǎn)，隨著薄膜太陽能電池市場(chǎng)份額的增加，相信太陽能電池的平均生產(chǎn)成本會(huì)進(jìn)一步降低。

太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為15mm×15mm 到20mm×20mm不等。太陽能電池單體的工作電壓為0.45~0.5 V，工作電流為20~25 mA/cm2。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾W 、幾十W、甚至100~300W，作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣。

（2）蓄電池

其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時(shí)所發(fā)出的電能，向負(fù)荷供電太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)對(duì)所用蓄電池組的基本要求是：自放電率低；使用壽命長(zhǎng)；深放電能力強(qiáng)；充電效率高；少維護(hù)或免維護(hù)；工作溫度范圍寬； 價(jià)格低廉。目前我國與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。

（3）充放電控制器

充放電控制器能防止蓄電池過充電或過放電，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電控制器一般應(yīng)具備如下功能：信號(hào)檢測(cè)、蓄電池最優(yōu)充電控制、蓄電池放電管理、設(shè)備保護(hù)、故障診斷定位、運(yùn)行狀態(tài)指示等。

（4）并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，與獨(dú)立逆變器不同，它不僅將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，而且還要對(duì)交流電的頻率、電壓、電流、相位、同步等進(jìn)行控制。并網(wǎng)逆變器必須具備以下功能：

a . 輸出的電能質(zhì)量應(yīng)滿足公用電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)要求。光伏發(fā)電系統(tǒng)提供給公用電網(wǎng)的電能，在電壓偏差、頻率、諧波和波形畸變、功率因數(shù)、三相電壓不平衡度、直流分量等方面應(yīng)滿足公用電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)要求。

b . 使太陽能電池方陣工作在最大功率點(diǎn)。太陽能電池方陣的輸出功率與日照、溫度、負(fù)載的變化有關(guān)， 這就要求逆變器具有最大功率跟蹤功能。

c . 在電網(wǎng)失電后， 并網(wǎng)逆變器能夠立即停止工作；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，并網(wǎng)逆變器并不會(huì)立即投入運(yùn)行，而是持續(xù)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)一段時(shí)間確保電網(wǎng)完全正常后，才重新投入運(yùn)行。其主要目的是防止“孤島效應(yīng)”，保證檢修人員的安全。

d. 具有較高的工作效率及可靠性。

上海世博會(huì)主題館光伏發(fā)電系統(tǒng)（1） 屋面太陽能電池

上海世博會(huì)主題館（以下簡(jiǎn)稱主題館）屋頂面積達(dá)60000 m2，為了體現(xiàn)與世博園區(qū)的協(xié)調(diào)，主題館屋面以上海城市屋面肌理為構(gòu)思的出發(fā)點(diǎn)，采用了大量的異型太陽能電池組件，菱形和三角型搭配在屋頂，層層疊疊，猶如風(fēng)過水面，漣漪片片。其中30000m2結(jié)合屋面一體化設(shè)計(jì)鋪設(shè)太陽能電池板，是充分利用世博主題館屋頂空間的最大創(chuàng)意。

主題館屋面太陽能電池主要采用多晶硅太陽能電池組件，結(jié)構(gòu)形式分為普通型和雙面玻璃封裝透光型兩種，全部布置在主題館的屋面。其中普通型多晶硅太陽能電池組件峰值功率為2597kW，雙面玻璃封裝透光型多晶硅太陽能電池組件峰值功率為228kW。屋面承重要考慮組件自重、支撐次龍骨自重、活荷載等因素，本項(xiàng)目按100N/m2取值計(jì)算。

（2）光伏發(fā)電變配電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用集中式大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電變配電系統(tǒng)由太陽能電池組件、并ORMS_TRACK網(wǎng)逆變器、升壓變壓器、計(jì)量裝置及配電系統(tǒng)組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電經(jīng)逆變器逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率、同相位的380V交流電后，再通過升壓變壓器升壓至10kV并入電網(wǎng)。與光伏發(fā)電配套的變配電及升壓站設(shè)置于主題館地下一層，內(nèi)設(shè)有升壓變壓器室、開關(guān)室、無功補(bǔ)償及濾波裝置室、控制室、逆變器室等，其中10kV側(cè)無功補(bǔ)償及濾波裝置室為本期工程預(yù)留設(shè)備用房，不安裝設(shè)備2。