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光伏安装者必备电工知识—电学基本物理量

本章介绍光伏系统的基础电工知识。从事太阳能发电工作,我们不可避免要接触到有关电方面的名词、术语,也经常有很多用电方面的困惑。同样的组件,同样的安装方式,是什么因素导致发电量不一样?为什么会发生由用电引发的火灾?晚上并网逆变器不工作,为什么隔离变压器还会消耗电能?很多经常听到的,看似简单,又不容易说清的问题,通过本章的学习都会有明确的答案。

1.1、电量

自然界中的一切物质都是由分子组成的,分子又是由原子组成的,而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。在通常情况下,原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数,原子对外不显电性。但是,用一些办法,可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。失去电子的物体带正电荷,得到电子的物体带负电荷。物体失去或得到的电子数量越多,则物体所带的正、负电荷的数量也越多。

物体所带电荷数量的多少用电量来表示。电量是一个物理量,它的单位是库仑,用字母C表示。1C的电量相当于物体失去或得到6.25×1018个电子所带的电量。

光伏效应:太阳能电池的工作原理,太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。

1.2、电流

电荷的定向移动形成电流。电流有大小,有方向。

1)电流的方向:人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中,电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果,电子流的方向是负电荷的移动方向,与正电荷的移动方向相反,所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反。

2)电流的大小:电学中用电流强度来衡量电流的大小。电流强度就是l秒钟通过导体截面的电量。电流强度用字母表示,计算公式如下:

式中I——电流强度,单位安培(A);

Q——在t秒时间内,通过导体截面的电量数,单位库仑(C);

t——时间,单位秒(s)。

实际使用时,人们把电流强度简称为电流。电流的单位是安培,简称安,用字母A表示。如果1秒内通过导体截面的电量为1库仑,则该电流的电流强度为1安培,习惯简称电流为1安。实际应用中,除单位安培外,还有千安()、毫安()和微安()。它们之间的关系为:

电流又分正流电和交流电,太阳能组件,蓄电池等发出来的电是直流电,电流方向不变,但这种电大部分家用电器都用不了,大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交流电,这是我们日常用的电,电流方向变化的快慢叫频率,我国为50Hz,即每秒种变化50次,称之为工频,有一些国家为60Hz。再往上还有中频和高频。

由交流电变成直流电叫整流,这样的设备叫整流器,反过来,由直流电变成变流电叫逆变,这样的设备叫逆变器,光伏逆变器就是把光伏组件发出来的直流电变成变流电,光伏组件如果没有接入逆变器或者控制器,就形成不了一个回路,这时候没有电流,只有电压。

1.3、电压

电压用字母U表示,单位为伏特,电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳,则ab间的电压值就是1伏特,简称伏,用字母V表示。常用的电压单位还有千伏(kV),毫伏(mV)等。它们之间的关系为:

电压与电流相似,不但有大小,而且有方向。对于负载来说,电流流人端为正端,电流流出端为负端。电压的方向是由正端指向负端,也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。对于直流电而言,有正极和负极,电压就是正极和负极之间的电压差,对于三相交流电而言,有相线和零线,相线和相线之间的电压叫线电压,我国为380Vac,相线和零线之间的电压叫相电压,我国为220Vac。

光伏组件有两种电压,开路电压和工作电压,如265W的组件,工作电压一般为30.7V,开路电压一般为38.2V。不同的组件电压也不一样,一般60片电池的组件,工作电压一般为30V到31V之间,72片电池的组件,工作电压一般为35V到36V之间。

常用电压:一般手机充电器和USB电源是5Vdc,铅酸蓄电池有2V、6V和12V等三种规格,36Vdc以下称为安全电压,这个电压范围内对人体没有危害。我国的交流电压分为三种,单相220V,三相380V称为低压,一般是家用和工商业用。三相10kV,15kV,35kV称为中压,110kV、220kV、330kV、500kV,1000KV称为高压。不同的国家电压等级不一样,如美国有110V,208V,480V等电压等级,具体可以参考《世界各国电网结构与逆变器的选型》这篇文章。

光伏组件和逆变器配在一起,如果有阳光,并网逆变器接入电网,离网逆变器接入负载,就会有电压和电流,形成一个回路,这时光伏组件和逆变器就形成一个电源。

1.4、电源

电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的,它在电路中将其他形式能转换成电能。电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量,用字母E表示,它的单位也是伏特,简称伏,用字母V表示。

电源的电动势只存在于电源内部。人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向,当电源两端不接负载时,电源的开路电压等于电源的电动势,但二者方向相反。

可以用测量组件电压的办法,来判断组件的好坏,比如在有阳光的情况下测得组件正负极之间的电压是35Vdc,证明组件是正常工作,如果测出来是0Vdc,则证明组件是坏的。

电源又分为电压源和电流源,离网逆变器是电压源,其特点是输出电压保持恒定,输出电流随负载而变化,离网逆变器要配蓄电池才给正常工作,因为光伏输入不稳定,负载也不稳定,需要用蓄电池稳定电压,当光伏输入功率大于负载的功率时,多余的电能进入蓄电池储存起来,防止系统电压升高,当光伏输入功率小于负载的功率时,不足的电能由蓄电池来补充,防止系统电压降低。并网逆变器是电流源,电压跟随电网电压,电流是跟随阳光辐射量等因素变化而变化。

从电源到负载,需要电缆做为导体来传递电能,由于电缆都有电阻,会产生电压降,所以尽管我国低压的单三相电压等级是220/380V,但并网逆变器做为电源,其单三相输出额定电压为230/400V。

1.5、电阻

一般来说,导体对电流的阻碍作用称为电阻,用字母R表示。电阻的单位为欧姆,简称欧,用字母表示。如果导体两端的电压为1伏,通过的电流为1安,则该导体的电阻就是1欧。

它们之间的关系为:

应当强调指出:电阻是导体中客观存在的,它与导体两端电压变化情况无关,即使没有电压,导体中仍然有电阻存在。实验证明,当温度一定时,导体电阻只与材料及导体的几何尺寸有关。对于二根材质均匀、长度为L、截面积为S的导体而言,其电阻大小可用下式表示:

铜和铝的电阻率较小,是应用极为广泛的导电材料。以前,由于我国铝的矿藏量丰富,价格低廉,常用铝线作输电线。由于铜线有更好的电气特性,如强度高、电阻率小,现在铜制线材被更广泛应用。

分布式光伏系统直流电缆和交流电缆一般都采用铜电线或者铜电缆。这是由于铜线内阻少,消耗的电功也比较少。

1.6、电功、电功率

电流通过用电器时,用电器就将电能转换成其他形式的能,如热能、光能和机械能等。我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功,简称电功,用字母W表示,电功是一个瞬时值。电压单位为伏,电流单位为安,电阻单位为欧,时间单位为秒,则电功单位就是焦耳,简称焦,用字母J表示。电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率,用字母P表示,电功率是一个带时间轴的二维值。功率计算方法如下:

直流功率=直流电压*直流电流。单相交流功率=交流电压*交流电流;三相交流功率=线电压*电流*1.732,如一台三相逆变器,输出额定电压是400V,输出额定电流为64.5A,输出功率为400*64.5*1.732,约为44.7kW。

电功单位为焦耳,时间单位为秒,则电功率的单位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特,简称瓦,用字母W表示。在实际工作中,常用的电功率单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它们之间的关系为:

1)当用电器的电阻一定时,电功率与电流平方或电压平方成正比。若通过用电器的电流是原来电流的2倍,则电功率就是原功率的4倍;若加在用电器两端电压是原电压的2倍,则电功率就是原功率的4倍。

2)当流过用电器的电流一定时,电功率与电阻值成正比。对于串联电阻电路,流经各个电阻的电流是相同的,则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。

3)当加在用电器两端的电压一定时,电功率与电阻值成反比。对于并联电阻电路,各个电阻两端电压相等,则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。

在实际工作中,电功的单位常用千瓦小时(kW•h),也叫“度”。1千瓦小时是1度,它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能,即:1kW•h=1kW×1h。

来源:古瑞瓦特
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