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高效非逆变光伏技术理论基础
作者:均益安联 明夷    发布于:2017-01-09 16:17:59    文字:【】【】【
 

长期以来,光伏应用的主流技术是围绕逆变并网的电站方式发展的。但是,平价光电的预测是建立在电站二十多年无故障运行的假设上面的。严格意义上说,多晶硅,非晶硅因为晶界缺陷的影响,参数偏析严重。单晶硅电池,也必须精选。逆变并网需要电池片规模化串并联,参数高度一致的电池片出品率不高。大量的负片和残片加工成组件,流向大系统电站应用,严重危害电站的寿命。高效非逆变光伏技术是应用成功的技术方案。特此介绍相关理论基础。

非逆变不是简单的直流应用

自从半导体器件问世以来,低压、直流电源就成为最普通的电路了。直流电力的来源一种就是化学电池,一种就是把交流电降压整流。这两种方式都可以提供相对稳定、持续和所需功率的直流电。但是,光伏电力是与这两类方式都很不相同的一种直流电源。光伏发电的输出参数是随太阳光照强度不断变化的,它提供的电功率也是变化的;负载的变化也会改变光电池的输出参数,影响着光电池使用效率。由于光电池是半导体器件,非线性使最大输出功率特性尤其复杂。而应用又希望获得最大的功率效益,所以,光伏发电与我们通常使用的两种方式直流电不同,不能持续、稳定地提供给负载使用。

虽然,蓄电池、电容器也都可以作为直流光伏电力的负载,并可以平衡电压,输出应用。可蓄电池的介入非但没有降低光伏应用的难度,反而使问题更复杂。因为产品化的蓄电池性能参数也是按照长期在市电条件下应用去设计的,不经过专门技术处理,光伏发电直接对蓄电池充电既降低了效率,又损坏了电池。带蓄电池的光伏系统,工作不了多久就报废的主要原因就是蓄电池的失效。电容器的储电量有限,应用上也还在摸索。光伏电力的直流应用,长期以来没有进展的原因实质上已经揭示出技术上的困难。逆变应用的主流地位在持续,也是有这方面道理的。非逆变就是试图突破种种技术阻碍,使光伏电力实现低损耗、低成本的直流应用。如果不能深入了解到光伏电力直流应用技术比逆变技术更复杂,就解释不了为什么逆变并网技术存在着高压损坏、污染电网、孤岛效应、并网同步……这么多的问题,还在不停地投入试验。

非逆变技术是在逆变并网技术发展过程中产生的新观念,是对逆变应用的否定。逆变应用曾经为了规模化,一度否定了光伏简单的直流应用,非逆变就是技术发展中否定之否定规律的进程。当然不同于曾经的在计算器等小家电上简单应用的直流光伏技术。

高效是光伏应用技术的精髓

研究非逆变技术的目标是明确的,就是要提高光伏电力的应用效率,提高光伏应用的经济效益。减少逆变损耗,。按普遍认同的逆变系统效率70%来看,95%以上的直流应用相当于提高光伏发电能力的1.3595/70)倍。实践证明,70%的逆变系统效率都是很难实现的。主要原因也是光伏电力输出的不稳定性。逆变装置满足最大功率的要求,又长期在远离额定功率的小功率条件下运行;采用高压串连的光伏矩阵由于内外的原因,都不可避免产生偏析;偏析的电池板很快就会发生效率急剧下降;因谐波降低网电质量和并网同步参数、逆变器故障等都是降低效率的重要原因,不能以理论上的可能状态去代表实际情况。

研究表明,屋顶光伏系统的经济功率目前应该在千级峰瓦范围。直流系统的电池组件如不采用大系统高压方案。问题是较高的楼层上应用较大功率系统,会产生相应的压降损失,这个损失同样是降低了光伏发电的效率。然而,这是可以改变的,而且是很容易解决。例如,24V使用的普通电池板规格开放电压是41伏。其中考虑到防反充二极管的降压和电池充电时的电压差,以及高于电池和小功率发电保持相应的电压等等。但是往返200*2=400米线损压降就没有算进去。当接近最大功率点输出时,80安的电流在0.05欧的线路上会有4伏的压降。而通常采用的导线,不经过严格的选用,电阻会在0.1欧以上。这就需要预先使电池板的开放电压提高,提高到多少为合适。均益安联在大量的案例的实践计算中,找到了屋顶电站光伏组件的电压配置的最优值。

高效直流系统的另一关键部件是蓄电池,蓄电池的关键问题是变功率充电的效率问题。在市电条件下的稳压、恒流充电模式不适用了。解决这个问题必须从双向入手,一方面根据光伏电力的输出特性研制新型宽效率范围的蓄电池,在种类繁多的为市电生产的蓄电池中,的确很难找到合适的品种。另一方面要用控制蓄电池的状态来解决。从某种意义上讲,蓄电池在市电条件下经常是处在低效状态的,过去很少有使用者关注到这个问题,电池厂商也从不提供产品的效率特性参数函数曲线。在直流光伏系统研究中蓄电池的效率,技术内容被丰富,这个问题直到均益安联研发了晶络纳米硅的光伏专用蓄电池才被解决。

多种不同形式能源的互补性

高效非逆变系统,是一个充分考虑效率的光伏、联网市电、蓄电池三元供电,蓄电池、负载二元用电的全智控系统。蓄电池的作用至关重要。蓄电池在系统中,即是供电元,又是负载元,蓄电池的特性决定着系统的配电状态。

当多元供电局面形成时,优先选供就取决于系统的长远经济特性。肯定地说,除非光伏电力的价格比市电经过降压整流后提供的直流电价格还高,光伏电力不经过蓄电池,直接供给负载是最经济的方式。精心的设计完全可以实现光伏直流电平价甚至低价。光伏电有多余时才补充给蓄电池。蓄电池越出高效区间时,就需要及时的控制纠正。蓄电池有四种情况会越出高效区间:一,电压低于某个界限;二,输出功率超过某个界限;三,电压高过某个界限;四,充电功率超过某个界限。针对上述问题第一、二条,采用联网就可以解决;对于第三条要及时让一个有效负载投入使用;对于第四条,解决的方法很多,可最好的方法,是设计中就已经充分考虑到避免产生,这就是所谓的配置问题。不过,对于一个逐年衰减的光伏系统,最初的状态,肯定就是最容易出现第四种状况,而多年以后,又逐渐产生多种状况并存的现象。

非逆变联网是对光伏系统固有缺陷的弥补。从纯技术观点出发,多种不同形式能源的优势互补,可以相得益彰。高效非逆变系统既不是追求完全太阳能电力的独立系统,也不是依附于网电设施的馈电寄生系统。高效非逆变系统发挥光伏发电的直流、低压、安全、方便的优越特性,也发挥出高效蓄电池稳定、应急、储能和可大范围高效变功率输出的优越特性。在各种电力形式价格成本相接近的条件下,高效非逆变构建出一个实用的电力应用系统。

动态工程和静态设计相对立

高效非逆变系统是一个电气动态系统。所谓动态系统就是指它的功率变化范围很大,变化的频率较高。把变化的功率与时间相乘,就是一个能量在不断变化的系统。电池矩阵输出功率就是这样,这是光伏系统的又一个特征,它是一个能量变化供应系统。这种系统只能与同样是变功率工作的负载相匹配,才能充分发挥功效。

通常在市电系统中,负载是额定功率的电器。而许多低压直流的电器,都需要专门的电源。设计额定功率电器的电源比较容易,而设计一个大范围变化的低压直流电器,就难以得到高效率。当电源的负载也是一个随时变化耗电功率的系统,瞬间功率匹配的效率问题就必须依靠储能器件去解决。光伏供电系统和用电系统结合设计,却不能再使用常规方法进行功率设计,而必须进行能量匹配设计。不可忽略的是,能量设计中必须还要认真考虑到光伏发电系统的衰减和与其连接的负载的变化。因为双方的变化都会造成系统适配恶化而降低效率或功能失效。

静态设计与动态工程之间对立统一的关系,是客观存在。是短期效益和长期效益的矛盾,也是建造单位和用户单位的矛盾。处理得好,光伏应用前景广阔。处理不当,能严重破坏光伏应用市场。失败的光伏路灯示范已经使人们对光伏应用持怀疑态度了。

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