光伏單元發(fā)展背景

太陽能光伏電站按照運(yùn)行方式可分為獨(dú)立太陽能光伏電站和并網(wǎng)太陽能光伏電站。未與公共電網(wǎng)相聯(lián)接,獨(dú)立供電的太陽能光伏電站稱為獨(dú)立光伏電站,主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所,如為邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島、高原、沙漠的農(nóng)牧漁民提供照明、看電視、聽廣播等基本的生活用電,為通信中繼站、沿海與內(nèi)河航標(biāo)、輸油輸氣管道陰極保護(hù)、氣象電站、公路道班以及邊防哨所等特殊處所提供電源;與公共電網(wǎng)相聯(lián)接且共同承擔(dān)供電任務(wù)的太陽能光伏電站稱為并網(wǎng)光伏電站。它是太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成為電力工業(yè)組成部分的重要發(fā)展方向,是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。

光伏電站通常由若干個(gè)光伏發(fā)電單元組成，每個(gè)光伏發(fā)電單元配置一座箱式逆變器及一座箱式變壓器。在實(shí)際工程中，一個(gè)光伏發(fā)電單元的光伏裝機(jī)容量沒有定式，可按照 500 k Wp、1 MWp、2 MWp等規(guī)模來設(shè)計(jì)。MWp級光伏發(fā)電單元采用矩形布置，同時(shí)將箱式逆變器及變壓器布置于場區(qū)主干道兩側(cè)的方案的優(yōu)越性已經(jīng)在工程實(shí)例中得到印證。

太陽能光伏電站包含多個(gè)太陽能光伏發(fā)電單元,將發(fā)出的電能集中逆變供用戶使用。每個(gè)太陽能光伏發(fā)電單元主要由太陽能光伏陣列、蓄電池組和控制器組成。

太陽能光伏陣列由個(gè)太陽能電池組件組成,用支架固定支撐,支架起到固定太陽能電池組件的作用。

蓄電池組是太陽能光伏電站的貯能裝置。太陽能光伏電站中的蓄電池作為儲能裝置,是監(jiān)控系統(tǒng)的后備電源,也為照明、通信和設(shè)備維護(hù)提供了必要的電源保障。正確的選用蓄電池非常關(guān)鍵,其基本要求是:低自放電,長壽命,少維護(hù),高充電效率,價(jià)格低,便于運(yùn)輸。

太陽能光伏陣列中的光伏電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的一種能將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器件，它是光伏單元的工作核心。1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室用單晶硅材料制成了第一只具有實(shí)用價(jià)值的太陽能光伏電池。經(jīng)過發(fā)展,太陽能光伏電池在材料、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用等方面得到了長足的進(jìn)步。太陽能電池主要分為硅太陽能電池和化合物太陽能電池。

太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)，即當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。硅的外層電子受到太陽光輻射時(shí)成為自由電子，同時(shí)在它原來的地方留出一個(gè)空位即半導(dǎo)體中的“空穴”。由于電子和空穴的擴(kuò)散，在結(jié)合的P, N半導(dǎo)體的交界面處即PN結(jié)的兩邊形成內(nèi)建電場，又稱勢壘電場。當(dāng)太陽光照射PN結(jié)時(shí)，在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向N型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而使N型區(qū)有過剩的電子，P型區(qū)有過剩的空穴，形成了光生電場。在N型區(qū)與P型區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動勢，即光生伏打電動勢，接通外電路時(shí)便有電能輸出。

太陽能電池組件由若干片能獨(dú)立作為電源最小單元的太陽能電池單體組合而成,太陽能光伏陣列由若干個(gè)太陽能電池組件經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成,按照所需的電壓、電流,把太陽能電池組件按一定的方式聯(lián)接,可以是串聯(lián)、并聯(lián)或者串并相間的混聯(lián)。

光伏單元采用正方形布置格局

根據(jù)現(xiàn)場場地條件，可將光伏發(fā)電單元布置成矩形、圓形甚至不規(guī)則形狀。在面積一定的條件下，圓形的周長最短，正方形次之。布置成圓形時(shí)，光伏發(fā)電單元中的電纜布線可能比矩形的布置用量少，但是從實(shí)際工程角度考慮，圓形布置的光伏發(fā)電單元施工不便，且相鄰光伏發(fā)電單元之間的空地都被浪費(fèi)。因此，光伏發(fā)電單元應(yīng)盡量布置成規(guī)則的正方形格局。

光伏單元逆變小室居中布置

逆變小室可布置在光伏發(fā)電單元幾何中心，稱為居中布置，或布置在光伏發(fā)電單元外圍，稱為靠邊布置。按照居中布置形式，在逆變小室旁建設(shè)通道至主干道。按照靠邊布置的光伏發(fā)電單元中，逆變小室可直接布置在主干道旁，減少了道路建設(shè)成本。

光伏單元采用 1 MW 裝機(jī)規(guī)模

每個(gè)光伏發(fā)電單元的光伏組件裝機(jī)容量沒有典型設(shè)計(jì)方案，根據(jù)逆變小室盡可能布置在光伏發(fā)電單元幾何中心的原則，設(shè)計(jì) 500 k W、2 MW 和 3 MW 規(guī)模的發(fā)電單元和 1 MW 布置類似，區(qū)別僅在于容量越大的光伏發(fā)電單元占地面積更大，匯流箱相對而言更分散。綜合考慮對成本、發(fā)電量的影響采用 1 MW 裝機(jī)規(guī)模是一個(gè)較為典型的設(shè)計(jì)。

光伏單元光伏組件容量超配

光伏電站中光伏組件和逆變器的典型配置是使二者功率匹配，即每 500 kWp 的光伏裝機(jī)容量配置一臺500 kW 的逆變器。但從實(shí)際運(yùn)行狀況分析，受實(shí)際運(yùn)行條件、光伏資源條件的限制，1 MWp 裝機(jī)容量的光伏組件無法達(dá)到1 MW 的額定輸出功率，因此，逆變器絕大部分時(shí)間在小于額定功率的情況下運(yùn)行。如光伏資源越差的地區(qū)，光伏組件的輸出功率越小，逆變器實(shí)際使用的容量越低。查閱逆變器的說明書可知，光伏逆變器的輸入功率允許大于其額定功率。此外，根據(jù)逆變器的效率曲線分析，光伏逆變器的輸出功率在超過 50%以后，其效率變化很小，基本穩(wěn)定在同一個(gè)值，即在安全情況下增加逆變器輸入端的光伏組件裝機(jī)容量，不會降低逆變器的工作效率。因此，每臺逆變器可接入大于其額定功率的光伏組件，即使光伏組件因?yàn)樾实南拗七_(dá)不到額定功率，逆變器的總輸出功率也大于只配置 500 kWp 光伏組件時(shí)的輸出功率，且不會損壞逆變器。

光伏發(fā)電單元的維護(hù)目前主要依靠人工維護(hù)的方式。工作人員的日常維護(hù)工作是每日測量并記錄不同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的工作參數(shù),測量記錄內(nèi)容有:日期、記錄時(shí)間、天氣狀況、環(huán)境溫度、子方陣電流、電壓、記錄人等。電站巡檢工作由專業(yè)技術(shù)人員定期進(jìn)行,在巡檢過程中要全面檢查電站各設(shè)備的運(yùn)行情況和運(yùn)行現(xiàn)狀,并測量相關(guān)參數(shù)。并仔細(xì)查看電站操作人員對日維護(hù)、月維護(hù)記錄情況,對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,及時(shí)指導(dǎo)操作人員對電站進(jìn)行必要的維護(hù)工作。由電站的工作人員定期清理太陽能光伏陣列采光面上的灰塵和積雪,在少雨且風(fēng)沙較大的地區(qū),清洗時(shí)先用清水沖洗,然后用干凈的柔軟布將水跡擦干,保持光伏陣列采光面的清潔。

從圖1可以大致了解標(biāo)準(zhǔn)單元的種類。一般來說各種門電路，觸發(fā)器及各種I/O單元是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元庫所必須的配置，這些配置可以滿足一個(gè)純數(shù)字電路ASIC電路的設(shè)計(jì)需要，其他宏單元（含模擬宏單元）在許多工藝線往往有作為IP形式提供，所以也可以不完全納入標(biāo)準(zhǔn)單元庫中 。

圖1 單元庫種類

a）標(biāo)準(zhǔn)單元

標(biāo)準(zhǔn)單元包括反相器、與門、寄存器、選擇器、全加器等多種基本單元，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元對應(yīng)著多個(gè)不同尺寸(W/L)、不同驅(qū)動能力的單元電路，而且不同驅(qū)動強(qiáng)度電路都是基本尺寸或最小尺寸的整倍數(shù)。 單元庫的多樣性可以有效提髙綜合工具和自動布局布線工具的效率，同時(shí)也使得設(shè)計(jì)者可以更加自由地在性能、面積、功耗和成本之間進(jìn)行優(yōu)化。

為了實(shí)現(xiàn)工具的自動布局布線，建庫時(shí)即在標(biāo)準(zhǔn)單元版圖設(shè)計(jì)時(shí)有許多特殊的設(shè)計(jì)規(guī)則，大致如下：

1. 所有單元都是等髙的矩形,或者髙度是基本高度的整數(shù)倍，以確保電路設(shè)計(jì)階段不會使用其他非常規(guī)的尺寸。

2. 為保證各單元與其他單元放置時(shí)不引起 DRC錯誤,所有版圖要用預(yù)先定義的模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，

3. 由于經(jīng)典布線器采用基于網(wǎng)格的方法進(jìn)行布線連接，這一方法可以簡化布線工具的算法，減小計(jì)算機(jī)占用的內(nèi)存資源。 因此所有單元的輸人輸出端口的位置、大小、形狀都盡童滿足網(wǎng)格間距的要求，以提高布線器的效率.

4. 電源線和地線一般位于單元的上下邊界，以便于連接共享，減小芯片面積。

b) 模塊單元

模塊單元(block)包括各種規(guī)模的數(shù)字模塊:RAM、ROM、COT、IP、電壓比較器等，也包括模擬模塊:運(yùn)算放大器、ADC/DAC、鎖相環(huán)、振蕩器等。

模塊單元的版圖實(shí)現(xiàn)及其物理建庫與標(biāo)準(zhǔn)單元相似。對于 RAM 或 ROM模塊單元的建庫，可以仿照標(biāo)準(zhǔn)單元的過程，先建立RAM或ROM基本單元，再根據(jù)比特(bit)長和字(word)長，用半自動化的方法自底向上堆砌生成版圖。對于具有特殊要求的數(shù)字模塊，如IP和COT 模塊，則通過全定制的方法建立版圖供建庫使用。

c）I/O單元

芯片與印刷電路板通信的接口電路統(tǒng)稱為 I/O 電路。它作為芯片與外界通信的接口必須具有較大的驅(qū)動能力，抵御靜電放電的能力，抗噪聲干擾的能力以及足夠的帶寬和過電保護(hù)功能。 I/O 的種類包括輸入 1/0、輸出 I/O、雙向輸人輸出 I/O、供電 I/O 和接地 I/O。I/O的組成大致可分為三部分，即 PAD接口、信號緩沖電路和靜電放電保護(hù)電路 ESD。