光伏系統(tǒng)工程

內容概要

　　《國際電氣工程先進技術譯叢：光伏系統(tǒng)工程（原書第3版）》全面介紹了光伏系統(tǒng)設計方面的工程基礎知識，并從電氣、機械、審美三方面入手，闡述了與光伏系統(tǒng)設計相關的理論、原因和方法，深入淺出地介紹了能源生產和消費的背景，理解能源供需所用到的數(shù)學基礎，光伏系統(tǒng)能量捕獲、各種關鍵元件等的相關知識，不同光伏系統(tǒng)設計方法和實施過程。此外，本書附錄還給出了典型朝向的光伏陣列輸出數(shù)據(jù)和光伏設計方案推薦格式以供參考。
　　《國際電氣工程先進技術譯叢：光伏系統(tǒng)工程（原書第3版）》適合高等院校相關專業(yè)高年級本科生、研究生，以及國內光伏工程領域的產業(yè)技術人員和研發(fā)人員閱讀參考。

書籍目錄

譯者序
原書前言
致謝
關于作者
第1章 背景
1.1 介紹
1.2 人口與能源需求
1.3 能量單位
1.4 當前世界能源使用模式
1.5 指數(shù)增長
1.5.1 介紹
1.5.2 復利
1.5.3 倍增時間
1.5.4 累積
1.5.5 指數(shù)環(huán)境中的資源生命周期
1.6 哈伯特?高斯模型
1.7 凈能、英熱單位經濟和可持續(xù)性試驗
1.8 光伏實現(xiàn)的陽光向電力直接轉換
習題
參考文獻
推薦閱讀
第2章 太陽
2.1 介紹
2.2 太陽光譜
2.3 大氣層對太陽光的影響
2.4 太陽光照的規(guī)范
2.4.1 介紹
2.4.2 定義
2.4.3 地球軌道和自轉
2.4.4 跟蹤太陽
2.4.5 太陽光照測量
2.4.5.1 精密測量
2.4.5.2 較低準確度的測量
2.5 太陽光線捕獲
2.5.1 采光器的太陽輻射量最大化
2.5.2 遮擋
2.5.2.1 遮擋物的現(xiàn)場測試
2.5.2.2 確定遮擋的計算方法
2.5.3 特殊朝向考慮
2.5.3.1 水平安裝
2.5.3.2 非南向安裝
習題
參考文獻
推薦閱讀
第3章 光伏系統(tǒng)介紹
3.1 介紹
3.2 光伏電池
3.3 光伏組件
3.4 光伏陣列
3.5 能量存儲
3.5.1 介紹
3.5.2 鉛酸蓄電池
3.5.2.1 鉛酸蓄電池的化學原理
3.5.2.2 鉛酸蓄電池的特性
3.5.3 鎳鎘蓄電池
3.5.3.1 鎳鎘蓄電池的化學原理
3.5.3.2 鎳鎘系統(tǒng)的特性
3.5.4 其他蓄電池系統(tǒng)
3.5.5 氫儲能
3.5.6 燃料電池
3.5.7 其他儲能方式
3.6 光伏系統(tǒng)負荷
3.7 光伏系統(tǒng)的有效性
3.8 相關的系統(tǒng)電子部件
3.8.1 介紹
3.8.2 充電控制器
3.8.2.1 充電考慮因素
3.8.2.2 放電考慮因素
3.8.3 最大功率點跟蹤器和線性電流助推器
3.8.4 逆變器
3.8.4.1 方波逆變器
3.8.4.2 修正正弦波逆變器
3.8.4.3 脈寬調制逆變器
3.8.4.4 其他可取的逆變器特征
3.9 發(fā)電機
3.9.1 介紹
3.9.2 發(fā)電機類型和容量
3.9.3 發(fā)電機運行特性
3.9.3.1 轉速
3.9.3.2 效率
3.9.3.3 燃料類型
3.9.3.4 海拔的影響
3.9.3.5 波形諧波含量
3.9.3.6 頻率穩(wěn)定性
3.9.3.7 電壓幅值穩(wěn)定性
3.9.3.8 噪聲水平
3.9.3.9 起動類型
3.9.3.1 0過負荷特征
3.9.3.1 1功率因數(shù)的考慮
3.9.4 發(fā)電機的維護
3.9.5 發(fā)電機的選擇
3.1 0系統(tǒng)平衡部件（BOS）
3.1 0.1 開關、斷路器、熔斷器和插座
3.1 0.2 接地故障、浪涌和防雷保護
3.1 0.3 逆變器旁路開關和電源電路匯流箱
3.1 0.4 接地器件
習題
參考文獻
推薦閱讀
第4章 電網交互式并網光伏系統(tǒng)
4.1 介紹
4.2 應用規(guī)范和標準
4.2.1 國家電氣規(guī)范
4.2.1.1 介紹
4.2.1.2 電壓降和導線標準
4.2.2 IEEE1547-2003標準
4.2.2.1 介紹
4.2.2.2 具體要求
4.2.2.3 光伏逆變器與機械旋轉發(fā)電機的比較
4.2.2.4 孤島分析
4.2.3 其他議題
4.2.3.1 美觀性
4.2.3.2 電磁干擾
4.2.3.3 浪涌保護
4.2.3.4 結構考慮
4.3 直接并網光伏系統(tǒng)的設計考慮
4.3.1 確定系統(tǒng)能量輸出
4.3.2 陣列安裝
4.3.3 逆變器的選擇和安裝
4.3.4 其他安裝問題
4.4 基于年系統(tǒng)性能需求的系統(tǒng)設計
4.4.1 陣列定容
4.4.2 逆變器選擇
4.4.3 組件選擇
4.4.4 平衡系統(tǒng)
4.4.4.1 組件延長線、屋頂接線箱、組件與陣列框架的接地
4.4.4.2 從屋頂接線箱到逆變器的導線和導線管
4.4.4.3 直流斷路器、交流斷路器和過電流保護
4.4.4.4 公用電網連接點
4.4.4.5 最終系統(tǒng)電氣原理圖
4.5 基于有效屋頂空間的系統(tǒng)設計
4.5.1 陣列選擇
4.5.2 逆變器選擇
4.5.3 平衡系統(tǒng)
4.5.3.1 組件延長線、屋頂接線箱和組件及陣列框架接地
4.5.3.2 從屋頂接線箱到逆變器的導線和導線管
4.5.3.3 直流斷路器、交流斷路器與過電流保護
4.5.3.4 公用電網連接點
4.5.3.5 估計系統(tǒng)年性能
4.5.3.6 最終系統(tǒng)電氣原理圖
4.5.4 設計擴展到較低風速地區(qū)
4.6 基于微逆變器的系統(tǒng)設計
4.6.1 介紹
4.6.2 系統(tǒng)設計
4.6.3 警鈴和警哨（即監(jiān)控的可能性）
4.7 向三相配電箱饋電的一個額定21kW系統(tǒng)的設計
4.7.1 介紹
4.7.2 陣列配置
4.7.3 系統(tǒng)直流布線
4.7.4 系統(tǒng)交流布線
4.7.4.1 導線和過電流保護的大小
4.7.4.2 電壓降計算
4.7.4.3 連接到Y聯(lián)結277/480V電源
4.8 額定250kW系統(tǒng)的設計
4.8.1 介紹
4.8.2 配置陣列
4.8.3 源支路電壓降計算
4.8.4 直流斷路器和過電流保護
4.8.5 交流導線規(guī)格、斷路器和過電流保護
4.9 系統(tǒng)性能監(jiān)控
習題
參考文獻
第5章 機械性能考慮
5.1 介紹
5.2 材料的重要屬性
5.2.1 介紹
5.2.2 機械屬性
5.2.3 應力與應變
5.2.4 材料強度
5.2.5 長柱彎曲
5.2.6 熱脹冷縮
5.2.7 化學腐蝕與紫外線衰減
5.2.8 鋼的屬性
5.2.9 鋁的屬性
5.3 確立機械系統(tǒng)要求
5.3.1 機械系統(tǒng)的設計過程
5.3.2 功能要求
5.3.3 運行要求
5.3.4 約束條件
5.3.5 折中考慮
5.4 設計和安裝導則
5.4.1 標準與規(guī)范
5.4.2 建筑規(guī)范要求
5.5 光伏陣列的作用力
5.5.1 結構負載因素
5.5.2 靜荷重
5.5.3 動荷重
5.5.4 風載荷
5.5.5 雪載荷
5.5.6 其他載荷
5.6 陣列安裝系統(tǒng)的設計
5.6.1 介紹
5.6.2 陣列安裝系統(tǒng)的設計目標
5.6.2.1 安裝成本最小化
5.6.2.2 建筑集成的考慮因素
5.6.2.3 陣列?屋頂配置的成本和耐久性
5.6.3 增強陣列性能
5.6.3.1 輻射增強
5.6.3.2 遮擋
5.6.3.3 陣列散熱
5.6.3.4 防止人為破壞
5.6.4 屋頂安裝陣列
5.6.4.1 框架式安裝
5.6.4.2 支架式安裝
5.6.4.3 集成式安裝
5.6.4.4 直接式安裝
5.6.5 地面安裝陣列
5.6.5.1 支架式安裝
5.6.5.2 桿式安裝
5.6.5.3 跟蹤式安裝
5.6.6 美觀性
5.7 計算機械載荷和應力
5.7.1 介紹
5.7.2 回撤載荷
5.7.3 拉伸應力
5.7.4 彎曲
5.8 框架式屋頂安裝范例
5.8.1 ASCE?7風載荷分析表格法介紹
5.8.2 陣列安裝設計：高風速情況
5.8.3 陣列安裝設計：低風速情況
5.8.4 暴露度C、暴露度D及其他校正因子
習題
參考文獻
推薦閱讀
第6章 具有蓄電池備用的并網光伏系統(tǒng)
6.1 介紹
6.2 蓄電池備用系統(tǒng)設計基礎
6.2.1 介紹
6.2.2 負荷確定
6.2.3 逆變器定容
6.2.4 蓄電池定容
6.2.5 光伏陣列定容
6.3 基于待機負荷的單逆變器120V蓄電池備用系統(tǒng)設計
6.3.1 待機負荷的確定
6.3.2 逆變器的選擇
6.3.3 蓄電池的選擇
6.3.4 光伏陣列的定容
6.3.5 充電控制器和光伏組件選擇
6.3.6 BOS的選擇和完成設計
6.3.6.1 光伏陣列安裝設備
6.3.6.2 屋頂接線箱
6.3.6.3 支路匯流箱和浪涌保護裝置
6.3.6.4 直流側導線和斷路器的規(guī)格
6.3.6.5 交流側導線和斷路器的規(guī)格
6.3.6.6 待機負荷布線
6.3.6.7 設備的接地導體和接地電極導體尺寸
6.3.7 逆變器和充電控制器的程序控制
6.3.8 化石燃料發(fā)電機連接的選擇
6.4 基于可用屋頂空間的120/240V蓄電池備用系統(tǒng)
6.4.1 介紹
6.4.2 光伏組件選擇和源電路設計
6.4.3 源支路匯流箱和充電控制器選擇
6.4.4 逆變器的選擇
6.4.5 待機負荷的確定和蓄電池的選擇
6.4.6 BOS選擇和完成設計
6.4.6.1 屋頂接線盒
6.4.6.2 源支路匯流箱和浪涌保護裝置
6.4.6.3 直流側導線和斷路器選型
6.4.6.4 交流側線路和斷路器選型
6.4.6.5 待機負荷的接線
6.4.6.6 設備接地導體和接地電極導體的規(guī)格
6.5 使用串聯(lián)逆變器的18kW蓄電池備用系統(tǒng)
6.5.1 介紹
6.5.2 逆變器和充電控制器選擇
6.5.2.1 逆變器選擇
6.5.2.2 充電控制器
6.5.3 組件選擇和陣列布局
6.5.3.1 組件選擇
6.5.3.2 陣列布局
6.5.3.3 陣列性能
6.5.4 蓄電池和BOS選擇
6.5.5 導線規(guī)格
6.5.6 最終設計
6.6 交流耦合蓄電池備用系統(tǒng)
6.6.1 介紹
6.6.2 120/240V蓄電池備用逆變器和240V直接并網逆變器
6.6.3 120V蓄電池備用逆變器和240V直接并網逆變器
6.6.4 120/208V三相交流耦合系統(tǒng)
6.7 蓄電池的連接
習題
參考文獻
光伏系統(tǒng)工程目錄ⅩⅦⅩⅧ
第7章 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)
7.1 介紹
7.2 最簡單的配置：組件和風扇
7.3 光伏驅動的水泵系統(tǒng)
7.3.1 介紹
7.3.2 系統(tǒng)元件的選擇
7.3.3 簡單水泵系統(tǒng)的設計
7.3.3.1 水泵運行電流和電壓的選擇
7.3.3.2 光伏組件選擇
7.4 光伏停車場照明系統(tǒng)
7.4.1 照明負荷的確定
7.4.2 停車場照明設計
7.4.2.1 燈泡瓦數(shù)和燈座每日負荷的確定
7.4.2.2 蓄電池儲能需求的確定
7.4.2.3 光伏陣列容量的確定
7.4.2.4 系統(tǒng)最終方案
7.4.2.5 結構設計
7.5 陰極保護系統(tǒng)
7.5.1 介紹
7.5.2 系統(tǒng)設計
7.6 便攜式高速公路指示標志
7.6.1 介紹
7.6.2 確定平均可用功率
7.7 具有重要需求的制冷系統(tǒng)
7.7.1 介紹
7.7.2 負荷確定
7.7.3 蓄電池定容
7.7.4 陣列容量
7.7.4.1 固定式陣列
7.7.4.2 跟蹤式陣列支架
7.7.4.3 特殊情況
7.7.5 BOS部件選擇
7.7.6 整體系統(tǒng)設計
7.8 光伏供電的山地小屋
7.8.1 簡介
7.8.2 負荷確定
7.8.3 蓄電池的選擇
7.8.4 陣列容量和傾角
7.8.5 控制器和逆變器的選擇
7.8.5.1 充電控制器
7.8.5.2 逆變器
7.8.6 BOS部件的選擇
7.8.6.1 導線、斷路器和開關的選擇
7.8.6.2 其他部件
7.9 混合供電的離網住宅
7.9.1 介紹
7.9.2 負荷匯總
7.9.3 蓄電池的選擇
7.9.4 陣列設計
7.9.5 發(fā)電機的選擇
7.9.6 發(fā)電機運行時間和運行成本
7.9.7 充電控制器和逆變器的選擇
7.9.8 導線、斷路器和分斷裝置的選擇
7.9.9 BOS部件的選擇
7.9.1 0系統(tǒng)的總體設計
7.1 0設計過程總結
習題
參考文獻
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第8章 經濟性考慮
8.1 介紹
8.2 生命周期成本
8.2.1 資金的時間價值
8.2.2 現(xiàn)值因素和現(xiàn)值
8.2.3 生命周期成本
8.2.4 年生命周期成本
8.2.5 單位電力成本
8.3 資金借貸
8.3.1 介紹
8.3.2 貸款年償還額的確定
8.3.3 貸款對生命周期成本的影響
8.4 回報分析
8.5 外部因素
8.5.1 介紹
8.5.2 補貼
8.5.3 外部因素和光伏
習題
參考文獻
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ⅩⅨⅩⅩ
第9章 外部因素與光伏
9.1 介紹
9.2 外部因素
9.3 能源的環(huán)境影響
9.3.1 介紹
9.3.2 空氣污染
9.3.2.1 美國清潔空氣法案和美國國家環(huán)境保護局
9.3.2.2 溫室氣體
9.3.3 水體和土壤污染
9.3.4 基礎設施惡化
9.3.5 量化外部因素的成本
9.3.5.1 CO2成本
9.3.5.2 樹木的CO2抵消作用
9.3.5.3 清潔電力估計
9.3.5.4 商品交易的能力水平
9.3.5.5 補貼
9.3.6 健康與安全作為外部因素
9.4 光伏系統(tǒng)相關的外部因素
9.4.1 光伏系統(tǒng)制造的環(huán)境影響
9.4.2 光伏系統(tǒng)部署和運行的環(huán)境影響
9.4.3 光伏系統(tǒng)退役的環(huán)境影響
習題
參考文獻
第10章 光伏電池的物理特性
10.1 介紹
10.2 光的吸收
10.2.1 介紹
10.2.2 半導體材料
10.2.3 光子吸收產生EHP
10.2.4 光電導體
10.3 非本征半導體和pn結
10.3.1 非本征半導體
10.3.2 pn結
10.3.2.1 漂移和擴散
10.3.2.2 結的形成和內建電勢
10.3.2.3 被照亮的pn結
10.3.2.4 外部偏壓的pn結
10.4 最大化光伏電池性能
10.4.1 介紹
10.4.2 最小化反向飽和電流
10.4.3 光電流優(yōu)化
10.4.3.1 最小化入射光子的反射
10.4.3.2 最大化少數(shù)載流子擴散長度
10.4.3.3 最大化結寬
10.4.3.4 最小化表面復合速度
10.4.3.5 光電流的最終表達式
10.4.4 最小化電池電阻損耗
10.5 奇異結
10.5.1 介紹
10.5.2 緩變結
10.5.3 異質結
10.5.4 肖特基結
10.5.5 多結
10.5.6 隧道結
習題
參考文獻
第11章 當前及建議的光伏電池與系統(tǒng)
11.1 介紹
11.2 硅光伏電池
11.2.1 高純硅的生產
11.2.2 單晶硅電池
11.2.2.1 硅片的制造
11.2.2.2 結的制備
11.2.2.3 接觸
11.2.2.4 減反射涂層
11.2.2.5 組件
11.2.3 全背接觸高效硅電池
11.2.4 多晶硅電池
11.2.5 其他超薄硅電池
11.2.6 非晶硅電池
11.2.6.1 制造
11.2.6.2 電池性能
11.3 砷化鎵電池
11.3.1 介紹
11.3.2 純電池組分的制造
11.3.2.1 鎵
11.3.2.2 砷
11.3.2.3 鍺
11.3.3 砷化鎵電池的制備
11.3.4 電池性能
11.4 銅銦（鎵）硒電池
11.4.1 介紹
11.4.2 純電池成分的制造
11.4.2.1 銅
11.4.2.2 銦
11.4.2.3 硒
11.4.2.4 鎘
11.4.2.5 硫
11.4.2.6 鉬
11.4.3 CIS電池的制備
11.4.4 電池性能
11.4.4.1 暫態(tài)效應
11.5 碲化鎘電池
11.5.1 介紹
11.5.2 純碲的制造
11.5.3 CdTe電池的制造
11.5.4 電池性能
11.6 新興技術
11.6.1 硅技術的新發(fā)展
11.6.2 基于CIS族的吸收器
11.6.3 其他Ⅲ?Ⅴ族和Ⅲ?Ⅳ族新興技術
11.6.4 其他技術
11.6.4.1 熱光伏電池
11.6.4.2 中間帶太陽電池
11.6.4.3 超疊層電池
11.6.4.4 熱載流子電池
11.6.4.5 光學上轉換和下轉換
11.6.4.6 有機光伏電池
11.7 系統(tǒng)設計的新發(fā)展
11.7.1 微網
11.7.2 智能電網
11.7.3 逆變器性能增強
11.8 總結
習題
參考文獻
附錄
附錄A 所選城市的平均日輻照量
附錄B 設計評審與清單檢查

章節(jié)摘錄

　　3.3 光伏組件 為了得到足夠的輸出電壓，光伏電池串聯(lián)形成光伏組件。硅電池單體在25℃時的典型開路電壓接近0.6V，最大功率點電壓接近0.5V。從歷史上看，大多數(shù)光伏系統(tǒng)是具有備用蓄電池的獨立系統(tǒng)，這就要求串聯(lián)足夠數(shù)量的電池，從而實現(xiàn)高效率充電。由于額定電壓12V的鉛酸蓄電池充電電壓范圍為14—16V，為了使光伏組件能夠在高溫下工作，多年來均以36塊電池的組件作為規(guī)范。當給12V鉛酸蓄電池充電時，這些組件接近最大功率點運行。然而，近期的兩件事情改變了光伏組件的設計參數(shù)。首先，自1999年以來，全世界用于并網光伏系統(tǒng)的光伏組件比獨立系統(tǒng)更多。在無備用蓄電池的直接并網系統(tǒng)中，現(xiàn)在普遍設計成光伏陣列，使最大開路電壓處于直流600V以下。這些陣列直接連接到最大功率點跟蹤（MPPT）逆變器的輸入端。因此，許多組件具有54～72塊電池，有時甚至更多，對應的開路電壓更高，組件額定功率也更高。另一個變化在于充電控制器技術。當本書第1版出版時，充電控制器將陣列按蓄電池電壓直接連接到蓄電池。因此，陣列被設計運行在蓄電池額定充電電壓附近，近似于最大功率運行。然而，現(xiàn)代充電控制器與MPPT輸入電路相配合，從而使光伏陣列能夠運行在高于蓄電池電壓的最大功率電壓，并且還可通過充電控制器提供正確的蓄電池充電電壓。與光伏電池串聯(lián)相關的一個重要現(xiàn)象是單塊光伏電池的遮擋。如果組件中任何一塊光伏電池被遮擋，則該光伏電池性能將會衰減。由于光伏電池串聯(lián)，如果其他無遮擋的組件之間并聯(lián)，則意味著該電池可能正向偏置，導致該電池發(fā)熱。這個現(xiàn)象會造成光伏電池過早失效。為了保護系統(tǒng)不發(fā)生這類失效，一般用旁路二極管來保護組件。如果光伏電流不能從組件中的一塊或多塊光伏電池中流過，則可以流過旁路二極管。當光伏電池裝進組件時，通常覆蓋有防反射涂層，并且覆蓋有特殊層壓板從而阻止電池接頭的退化。組件邊框通常是金屬，為組件提供了物理強度。光伏電池裝進組件后，可在電池額定工作溫度（NOCT）條件下描述其特性。NOCT是指，在環(huán)境溫度20℃、AM1.5、輻照度G=0.8kW／m2和風速小于1m/s的條件下，電池開路運行的溫度。對于環(huán)境溫度和輻照度的變化，電池溫度可用線性近似式來準確估計，即 TC= TA+（NOCT-20/0.8）G 輻照度和環(huán)境溫度對光伏電池性能的綜合影響值得認真考慮。由于硅光伏電池開路電壓按2.3mV℃降低，組件開路電壓將按2.3nmV℃降低，其中n是組件中串聯(lián)電池的數(shù)量。因此，舉例而言，當G=08kW／m2時，如果一個36塊光伏電池的組件voc=19.40VNOCT為46℃，那么當環(huán)境溫度上升到30℃、G升高到1 kW／m2時，光伏電池溫度將升高到62.5℃。光伏電池溫度升高了15℃，將引起開路電壓降低到16.3V，降低了16%。此外，電池溫度過高有可能導致電池過早失效。

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