光伏單元優(yōu)化設(shè)計(jì)

光伏單元采用正方形布置格局

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(zhǎng)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(chēng)為居中布置，或布置在光伏發(fā)電單元外圍，稱(chēng)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(méi)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(lèi)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(duì)而言更分散。綜合考慮對(duì)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(tái)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(wú)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(shuō)明書(shū)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(guò) 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(huì)降低逆變器的工作效率。因此，每臺(tái)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(huì)損壞逆變器。

太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能光伏電池。經(jīng)過(guò)發(fā)展,太陽(yáng)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(zhǎng)足的進(jìn)步。太陽(yáng)能電池主要分為硅太陽(yáng)能電池和化合物太陽(yáng)能電池。

太陽(yáng)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(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。硅的外層電子受到太陽(yáng)光輻射時(shí)成為自由電子，同時(shí)在它原來(lái)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(chǎng)，又稱(chēng)勢(shì)壘電場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射PN結(jié)時(shí)，在勢(shì)壘電場(chǎng)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(guò)剩的電子，P型區(qū)有過(guò)剩的空穴，形成了光生電場(chǎng)。在N型區(qū)與P型區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，即光生伏打電動(dòng)勢(shì)，接通外電路時(shí)便有電能輸出。

太陽(yáng)能電池組件由若干片能獨(dú)立作為電源最小單元的太陽(yáng)能電池單體組合而成,太陽(yáng)能光伏陣列由若干個(gè)太陽(yáng)能電池組件經(jīng)過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成,按照所需的電壓、電流,把太陽(yáng)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)。

太陽(yáng)能光伏電站包含多個(gè)太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電單元主要由太陽(yáng)能光伏陣列、蓄電池組和控制器組成。

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

蓄電池組是太陽(yáng)能光伏電站的貯能裝置。太陽(yáng)能光伏電站中的蓄電池作為儲(chǔ)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(zhǎng)壽命,少維護(hù),高充電效率,價(jià)格低,便于運(yùn)輸。

太陽(yáng)能光伏電站按照運(yùn)行方式可分為獨(dú)立太陽(yáng)能光伏電站和并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站。未與公共電網(wǎng)相聯(lián)接,獨(dú)立供電的太陽(yáng)能光伏電站稱(chēng)為獨(dú)立光伏電站,主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無(wú)電地區(qū)和一些特殊場(chǎng)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(tīng)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(yáng)能光伏電站稱(chēng)為并網(wǎng)光伏電站。它是太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

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(méi)有定式，可按照 500 k Wp、1 MWp、2 MWp等規(guī)模來(lái)設(shè)計(jì)。MWp級(jí)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(chǎng)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。

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(cè)量并記錄不同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的工作參數(shù),測(cè)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(zhuān)業(yè)技術(shù)人員定期進(jìn)行,在巡檢過(guò)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(cè)量相關(guān)參數(shù)。并仔細(xì)查看電站操作人員對(duì)日維護(hù)、月維護(hù)記錄情況,對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,及時(shí)指導(dǎo)操作人員對(duì)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(yáng)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(lèi)。一般來(lái)說(shuō)各種門(mén)電路，觸發(fā)器及各種I/O單元是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)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(kù)中 。

圖1 單元庫(kù)種類(lèi)

a）標(biāo)準(zhǔn)單元

標(biāo)準(zhǔn)單元包括反相器、與門(mén)、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(duì)應(yīng)著多個(gè)不同尺寸(W/L)、不同驅(qū)動(dòng)能力的單元電路，而且不同驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度電路都是基本尺寸或最小尺寸的整倍數(shù)。 單元庫(kù)的多樣性可以有效提髙綜合工具和自動(dòng)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(dòng)布局布線，建庫(kù)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(huì)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(cuò)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(jiǎn)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(kù)與標(biāo)準(zhǔn)單元相似。對(duì)于 RAM 或 ROM模塊單元的建庫(kù)，可以仿照標(biāo)準(zhǔn)單元的過(guò)程，先建立RAM或ROM基本單元，再根據(jù)比特(bit)長(zhǎng)和字(word)長(zhǎng)，用半自動(dòng)化的方法自底向上堆砌生成版圖。對(duì)于具有特殊要求的數(shù)字模塊，如IP和COT 模塊，則通過(guò)全定制的方法建立版圖供建庫(kù)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(chēng)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(dòng)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(guò)電保護(hù)功能。 I/O 的種類(lèi)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(hào)緩沖電路和靜電放電保護(hù)電路 ESD。