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微型逆变器在光伏建筑一体化中的解决方案
日期:2019-02-25   [复制链接]
责任编辑:dingyi 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]


1.微型逆变器与传统逆变器的区别


对于优化太阳能光伏发电系统的效率和可靠性而言,一种较新的手段是采用连接到每个太阳能电池组件上的微型逆变器(micro-inverter)。为每块太阳能电池配备单独的微型逆变器使得系统可以适应不断变化的负荷和天气条件,从而能够为单块太阳能电池和整个系统提供最佳转换效率。

微型逆变器的概念由来已久,但最初并没有引起人们的注意,近年来随着太阳能发电技术的发展以及技术的进步,使得微型逆变器十分具有吸引力。美国加州Petaluma的Enphase从2008年开始微型逆变器的商业化量产,并取得了不错的销售成绩,使得微型逆变器获得了更广泛的认可,吸引了众多公司纷纷加入到微型逆变器的研发行列。

采用微型逆变器结构的光伏发电系统可简化布线,这也就意味着更低的安装成本,提高太阳能发电系统的效率,使 “收回”最初投资所需的时间会缩短。

国内众多的光伏并网逆变器生产厂商主要从事大功率集中并网逆变器产品的开发,随着国内外微型逆变器市场的日益火热,众多厂商也开始微型逆变器产品的开发,英伟力(Involar)新能源科技公司是国内最早从事微型逆变器研究的公司,公司从2008年初开始微型逆变器技术的开发,经过近两年的努力已完全自主掌握了微型逆变器的核心技术,并于2010年5月份成功发布了其第一代产品NAC250,目前该款微型逆变器产品已经推向市场。微型逆变器与传统逆变器的区别如下:

1)逆变器输入电压低、输出电压高。单块太阳能电池组件的输出电压范围一般为20~50V,而电网的电压峰值约为311V(220VAC)或156V(110VAC),因此,微型逆变器的输出峰值电压远高于输入电压,这要求微型逆变器采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑;而集中式逆变器一般为降压型变换器,其通常采用桥式拓扑结构,逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压。

2)功率小。单块太阳能电池组件的功率一般在100W~300W,微型逆变器直接与单块太阳能电池组件相匹配,其功率等级即为100W~300W,而传统集中式逆变器功率通过多个太阳能电池组件串并联组合产生足够高的功率,其功率等级一般在1kW以上。

2.微型逆变器的优点

常见的光伏并网发电系统结构包括集中式、串式、多串式和交流模块式等几种方案。在集中式、串式和多串式系统中,都存在太阳能电池组件的串联和并联,因此系统的最大功率点跟踪是针对整个串并联太阳能电池阵列,无法兼顾系统中每个太阳能电池阵列,单个太阳能电池阵列利用率低、系统抗局部阴影能力差,且系统扩展灵活性不够。光伏并网微型逆变器与单个太阳能电池组件相连,可以将太阳能电池组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网,具有以下优点:

1)保证每个太阳能电池组件均运行在最大功率点,具有很强的抗局部阴影能力。

2)将微型逆变器与太阳能电池组件集成,可以实现模块化设计、实现即插即用和热插拔,系统扩展简单方便。

3)微型逆变器基本不独立占用安装空间,分布式安装便于配置,能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度的应用。

4)系统冗余度高、可靠性高,单个模块失效不会对整个系统造成影响。

3.光伏建筑一体化

光伏建筑一体化,是应用太阳能发电的一种新概念,简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同,光伏建筑一体化可分为两大类:一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中,光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式,特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间,是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式,因而倍受关注。光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级形式,它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。“十二五”期间,将要创建2000家节约型公共机构示范单位。除了公共机构外,商业机构由于用电量较大,参与节能的意愿相对较高,而且具有资金优势,也应该优先发展光伏建筑一体化模式。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同,太阳能光伏建筑一体化可分为两大类:

1)光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上,建筑物作为光伏方阵载体,起支承作用。光伏方阵与建筑的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃,目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材,即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户,这样既可用做建材也可用以发电,可谓物尽其美。对于框架结构的建筑物,可把其整个围护结构做成光伏阵列,选择适当光伏组件,既可吸收太阳直射光,也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块,可以实现以上目的,使建筑外观更具魅力.

2)光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现,光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。

与建筑相结合的光伏系统,可以作为独立电源或者以并网的方式供电当系统参与并网时,可以不需要蓄电池。但需要与电网的装置,而与并网发电是当今光伏应用的新趋势。将光伏组件安装在建筑物的屋顶或外墙,引出端经过控制器与公共电网相连接需要向光伏阵列及电网并联向用户供电,这就组成了并网光伏系统。光伏建筑一体化系统具有以下优点:

1)绿色能源。太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源,是应用太阳能发电,不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的,开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源,取之不尽,用之不竭。

2)不占用土地。光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上,无需额外占用土地,这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要;夏天是用电高峰的季节,也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期,对电网可以起到调峰作用。

3)太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统,不需要配备蓄电池,既节省投资,又不受蓄电池荷电状态的限制,可以充分利用光伏系统所发出的电力。

4)起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体得热和室内空调冷负荷,所以也可以起到建筑节能作用。因此,发展太阳能光伏建筑一体化,可以“节能减排”。

虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、经济、环保等诸多优点,但光伏建筑还未进入寻常百姓家,使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存在以下缺点:

1)造价较高。太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高,在科研技术方面还有待提升。

2)成本高。太阳能发电的成本高。太阳能发电的成本是每度2.5元,比常规发电成本每度1元翻倍。

3)不稳定。太阳能光伏发电不稳定,受天气影响大,有波动性。这是由于太阳并不是一天24小时都有,因此如何解决太阳能光伏发电的波动性,如何储电也是亟待解决的问题。

4.微型逆变器解决方案

在光伏建筑一体化(BIPV)系统中,太阳能电池组件的安装首先涉及到太阳能电池组件的安装角度和安装方向问题,安装角度就是太阳能电池组件的倾角问题,倾角的选择直接关系到太阳能电池组件的发电效率。同一块太阳能电池组件,选择不同的安装角度接收到的辐射量是不一样的,由于各个墙面朝向的问题,不同安装位置的太阳能电池组件其安装角度和方向不可能完全一致,这就决定了其发电效率、发电的瞬时功率无法保证完全一致。

BIPV系统中需要解决的另一个关键问题是阴影遮挡问题,产生阴影的原因是多种多样的,阴影的产生有随机的,也有系统的。阴影主要来自于周围建筑物、树木的遮挡、各个太阳能电池组件之间的相互遮挡、云层等。太阳能电池组件的输出特性决定了受到局部遮挡或阴影后,其发电效率将会大大减小,从而对整个系统的发电量产生显著影响。

为了使BIPV系统的发电效率最大化,除了在安装时尽量做好规划设计外,还需要采用合适的光伏发电系统结构。图1为目前BIPV系统中常用的电气结构示意图。

在图1中,集中式系统首先根据设计的电压和功率等级,把大量太阳能电池组件通过串联或并联等方式连接起来,然后经过一个集中式逆变器将太阳能电池阵列输出的直流电能转换为交流电能;串式和多串式系统将多个太阳能电池组件串联形成太阳能电池组件串,每个串经过一个DC-DC变换器升压后,再经逆变器输出交流电能。上述三种系统中,均存在太阳能电池组件的串联或并联,系统的最大功率点跟踪时针对整个串进行的,因此无法保证每个组件均运行在最大功率点,也无法获得每个太阳能电池组件的状态信息;另一方面,由于建筑表面各个太阳能电池组件的安装方向和角度不同,各个太阳能电池组件的发电效率彼此各不相同,采用集中式的最大功率点跟踪,将大大降低系统的发电效率;当部分太阳能电池组件受到遮挡时,整个系统的发电效率更会严重降低,大大降低了系统的能量转换效率,甚至可能形成热斑,导致系统损坏。

微型逆变器技术提出将逆变器直接与单个太阳能电池组件集成,为每个太阳能电池组件单独配备一个具备交直流转换功能和最大功率点跟踪功能的逆变器模块,将太阳能电池组件发出的电能直接转换成交流电能供交流负载使用或传输到电网。

将微型逆变器应用于BIPV系统可以完全适应建筑集成光伏发电系统的应用需求,适应不同太阳能电池组件安装角度和方位,避免局部阴影对系统发电效率产生的影响,实现BIPV系统发电效率的最大化。采用微型逆变器的建筑光伏发电系统的结构如图2所示。

在图2中,微型逆变器直接与太阳能电池组件相连,将太阳能电池组件发出的电能直接传输到电网或供本地负载使用,多个微型逆变器直接并联接入电网,各个微型逆变器和太阳能电池组件之间相互没有任何影响,单个模块失效也不会对整个系统产生影响。

将微型逆变器技术与电力线载波通信技术相结合,通过电网交流母线就可以采集各个微型逆变器和太阳能电池组件的输出功率和状态信息,很方便的实现整个系统的监控,同时不需要额外的通信线路,对系统连线没有任何负担,极大的简化了系统结构。

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来源:电力行家
 
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