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微型逆變器在光伏建筑一體化中的解決方案
日期:2019-02-25   [復制鏈接]
責任編輯:dingyi 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]


1.微型逆變器與傳統逆變器的區別


對于優化太陽能光伏發電系統的效率和可靠性而言,一種較新的手段是采用連接到每個太陽能電池組件上的微型逆變器(micro-inverter)。為每塊太陽能電池配備單獨的微型逆變器使得系統可以適應不斷變化的負荷和天氣條件,從而能夠為單塊太陽能電池和整個系統提供最佳轉換效率。

微型逆變器的概念由來已久,但最初并沒有引起人們的注意,近年來隨著太陽能發電技術的發展以及技術的進步,使得微型逆變器十分具有吸引力。美國加州Petaluma的Enphase從2008年開始微型逆變器的商業化量產,并取得了不錯的銷售成績,使得微型逆變器獲得了更廣泛的認可,吸引了眾多公司紛紛加入到微型逆變器的研發行列。

采用微型逆變器結構的光伏發電系統可簡化布線,這也就意味著更低的安裝成本,提高太陽能發電系統的效率,使 “收回”最初投資所需的時間會縮短。

國內眾多的光伏并網逆變器生產廠商主要從事大功率集中并網逆變器產品的開發,隨著國內外微型逆變器市場的日益火熱,眾多廠商也開始微型逆變器產品的開發,英偉力(Involar)新能源科技公司是國內最早從事微型逆變器研究的公司,公司從2008年初開始微型逆變器技術的開發,經過近兩年的努力已完全自主掌握了微型逆變器的核心技術,并于2010年5月份成功發布了其第一代產品NAC250,目前該款微型逆變器產品已經推向市場。微型逆變器與傳統逆變器的區別如下:

1)逆變器輸入電壓低、輸出電壓高。單塊太陽能電池組件的輸出電壓范圍一般為20~50V,而電網的電壓峰值約為311V(220VAC)或156V(110VAC),因此,微型逆變器的輸出峰值電壓遠高于輸入電壓,這要求微型逆變器采用具備升降壓變換功能的逆變器拓撲;而集中式逆變器一般為降壓型變換器,其通常采用橋式拓撲結構,逆變器輸出交流側電壓峰值低于輸入直流側電壓。

2)功率小。單塊太陽能電池組件的功率一般在100W~300W,微型逆變器直接與單塊太陽能電池組件相匹配,其功率等級即為100W~300W,而傳統集中式逆變器功率通過多個太陽能電池組件串并聯組合產生足夠高的功率,其功率等級一般在1kW以上。

2.微型逆變器的優點

常見的光伏并網發電系統結構包括集中式、串式、多串式和交流模塊式等幾種方案。在集中式、串式和多串式系統中,都存在太陽能電池組件的串聯和并聯,因此系統的最大功率點跟蹤是針對整個串并聯太陽能電池陣列,無法兼顧系統中每個太陽能電池陣列,單個太陽能電池陣列利用率低、系統抗局部陰影能力差,且系統擴展靈活性不夠。光伏并網微型逆變器與單個太陽能電池組件相連,可以將太陽能電池組件輸出的直流電直接變換成交流電并傳輸到電網,具有以下優點:

1)保證每個太陽能電池組件均運行在最大功率點,具有很強的抗局部陰影能力。

2)將微型逆變器與太陽能電池組件集成,可以實現模塊化設計、實現即插即用和熱插拔,系統擴展簡單方便。

3)微型逆變器基本不獨立占用安裝空間,分布式安裝便于配置,能夠充分利用空間和適應不同安裝方向和角度的應用。

4)系統冗余度高、可靠性高,單個模塊失效不會對整個系統造成影響。

3.光伏建筑一體化

光伏建筑一體化,是應用太陽能發電的一種新概念,簡單地講就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力。根據光伏方陣與建筑結合的方式不同,光伏建筑一體化可分為兩大類:一類是光伏方陣與建筑的結合。另一類是光伏方陣與建筑的集成。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂等。在這兩種方式中,光伏方陣與建筑的結合是一種常用的形式,特別是與建筑屋面的結合。由于光伏方陣與建筑的結合不占用額外的地面空間,是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式,因而倍受關注。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級形式,它對光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求。“十二五”期間,將要創建2000家節約型公共機構示范單位。除了公共機構外,商業機構由于用電量較大,參與節能的意愿相對較高,而且具有資金優勢,也應該優先發展光伏建筑一體化模式。根據光伏方陣與建筑結合的方式不同,太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類:

1)光伏方陣與建筑的結合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上,建筑物作為光伏方陣載體,起支承作用。光伏方陣與建筑的進一步結合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃,目的是為了保護和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材,即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶,這樣既可用做建材也可用以發電,可謂物盡其美。對于框架結構的建筑物,可把其整個圍護結構做成光伏陣列,選擇適當光伏組件,既可吸收太陽直射光,也可吸收太陽反射光。目前已經研制出大尺度的彩色光伏模塊,可以實現以上目的,使建筑外觀更具魅力.

2)光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現,光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。

與建筑相結合的光伏系統,可以作為獨立電源或者以并網的方式供電當系統參與并網時,可以不需要蓄電池。但需要與電網的裝置,而與并網發電是當今光伏應用的新趨勢。將光伏組件安裝在建筑物的屋頂或外墻,引出端經過控制器與公共電網相連接需要向光伏陣列及電網并聯向用戶供電,這就組成了并網光伏系統。光伏建筑一體化系統具有以下優點:

1)綠色能源。太陽能光伏建筑一體化產生的是綠色能源,是應用太陽能發電,不會污染環境。太陽能是最清潔并且是免費的,開發利用過程中不會產生任何生態方面的副作用。它又是一種再生能源,取之不盡,用之不竭。

2)不占用土地。光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上,無需額外占用土地,這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要;夏天是用電高峰的季節,也正好是日照量最大、光伏系統發電量最多的時期,對電網可以起到調峰作用。

3)太陽能光伏建筑一體技術采用并網光伏系統,不需要配備蓄電池,既節省投資,又不受蓄電池荷電狀態的限制,可以充分利用光伏系統所發出的電力。

4)起到建筑節能作用。光伏陣列吸收太陽能轉化為電能,大大降低了室外綜合溫度,減少了墻體得熱和室內空調冷負荷,所以也可以起到建筑節能作用。因此,發展太陽能光伏建筑一體化,可以“節能減排”。

雖然太陽能光伏建筑一體化有高效、經濟、環保等諸多優點,但光伏建筑還未進入尋常百姓家,使用該技術的民宅社區并未出現。這是由于太陽能光伏建筑一體化存在以下缺點:

1)造價較高。太陽能光伏建筑一體化建筑物造價較高。一體化設計建造的帶有光伏發電系統的建筑物造價較高,在科研技術方面還有待提升。

2)成本高。太陽能發電的成本高。太陽能發電的成本是每度2.5元,比常規發電成本每度1元翻倍。

3)不穩定。太陽能光伏發電不穩定,受天氣影響大,有波動性。這是由于太陽并不是一天24小時都有,因此如何解決太陽能光伏發電的波動性,如何儲電也是亟待解決的問題。

4.微型逆變器解決方案

在光伏建筑一體化(BIPV)系統中,太陽能電池組件的安裝首先涉及到太陽能電池組件的安裝角度和安裝方向問題,安裝角度就是太陽能電池組件的傾角問題,傾角的選擇直接關系到太陽能電池組件的發電效率。同一塊太陽能電池組件,選擇不同的安裝角度接收到的輻射量是不一樣的,由于各個墻面朝向的問題,不同安裝位置的太陽能電池組件其安裝角度和方向不可能完全一致,這就決定了其發電效率、發電的瞬時功率無法保證完全一致。

BIPV系統中需要解決的另一個關鍵問題是陰影遮擋問題,產生陰影的原因是多種多樣的,陰影的產生有隨機的,也有系統的。陰影主要來自于周圍建筑物、樹木的遮擋、各個太陽能電池組件之間的相互遮擋、云層等。太陽能電池組件的輸出特性決定了受到局部遮擋或陰影后,其發電效率將會大大減小,從而對整個系統的發電量產生顯著影響。

為了使BIPV系統的發電效率最大化,除了在安裝時盡量做好規劃設計外,還需要采用合適的光伏發電系統結構。圖1為目前BIPV系統中常用的電氣結構示意圖。

在圖1中,集中式系統首先根據設計的電壓和功率等級,把大量太陽能電池組件通過串聯或并聯等方式連接起來,然后經過一個集中式逆變器將太陽能電池陣列輸出的直流電能轉換為交流電能;串式和多串式系統將多個太陽能電池組件串聯形成太陽能電池組件串,每個串經過一個DC-DC變換器升壓后,再經逆變器輸出交流電能。上述三種系統中,均存在太陽能電池組件的串聯或并聯,系統的最大功率點跟蹤時針對整個串進行的,因此無法保證每個組件均運行在最大功率點,也無法獲得每個太陽能電池組件的狀態信息;另一方面,由于建筑表面各個太陽能電池組件的安裝方向和角度不同,各個太陽能電池組件的發電效率彼此各不相同,采用集中式的最大功率點跟蹤,將大大降低系統的發電效率;當部分太陽能電池組件受到遮擋時,整個系統的發電效率更會嚴重降低,大大降低了系統的能量轉換效率,甚至可能形成熱斑,導致系統損壞。

微型逆變器技術提出將逆變器直接與單個太陽能電池組件集成,為每個太陽能電池組件單獨配備一個具備交直流轉換功能和最大功率點跟蹤功能的逆變器模塊,將太陽能電池組件發出的電能直接轉換成交流電能供交流負載使用或傳輸到電網。

將微型逆變器應用于BIPV系統可以完全適應建筑集成光伏發電系統的應用需求,適應不同太陽能電池組件安裝角度和方位,避免局部陰影對系統發電效率產生的影響,實現BIPV系統發電效率的最大化。采用微型逆變器的建筑光伏發電系統的結構如圖2所示。

在圖2中,微型逆變器直接與太陽能電池組件相連,將太陽能電池組件發出的電能直接傳輸到電網或供本地負載使用,多個微型逆變器直接并聯接入電網,各個微型逆變器和太陽能電池組件之間相互沒有任何影響,單個模塊失效也不會對整個系統產生影響。

將微型逆變器技術與電力線載波通信技術相結合,通過電網交流母線就可以采集各個微型逆變器和太陽能電池組件的輸出功率和狀態信息,很方便的實現整個系統的監控,同時不需要額外的通信線路,對系統連線沒有任何負擔,極大的簡化了系統結構。

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來源:電力行家
 
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