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技術文章|光伏安裝者必備電工知識—電學基本物

時間:2019-01-18 06:28:32

本章介紹光伏系統的基礎電工知識。
 
從事太陽能發電工作,我們不可避免要接觸到有關電方面的名詞、術語,也經常有很多用電方面的困惑。同樣的組件,同樣的安裝方式,是什么因素導致發電量不一樣?為什么會發生由用電引發的火災?晚上并網逆變器不工作,為什么隔離變壓器還會消耗電能?
 
很多經常聽到的,看似簡單,又不容易說清的問題,通過本章的學習都會有明確的答案。 
 
1、電量
 
自然界中的一切物質都是由分子組成的,分子又是由原子組成的,而原子是由帶正電荷的原子核和一定數量帶負電荷的電子組成的。在通常情況下,原子核所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數,原子對外不顯電性。但是,用一些辦法,可使某種物體上的電子轉移到另外一種物體上。失去電子的物體帶正電荷,得到電子的物體帶負電荷。物體失去或得到的電子數量越多,則物體所帶的正、負電荷的數量也越多。
 
物體所帶電荷數量的多少用電量來表示。電量是一個物理量,它的單位是庫侖,用字母C表示。1C的電量相當于物體失去或得到6.25×1018個電子所帶的電量。
 
光伏效應:太陽能電池的工作原理,太陽光照在半導體p-n結上,形成新的空穴-電子對,在p-n結電場的作用下,空穴由n區流向p區,電子由p區流向n區,接通電路后就形成電流。
 
 
2、電流
     
電荷的定向移動形成電流。電流有大小,有方向。
 
1)電流的方向:人們規定正電荷定向移動的方向為電流的方向。金屬導體中,電流是電子在導體內電場的作用下定向移動的結果,電子流的方向是負電荷的移動方向,與正電荷的移動方向相反,所以金屬導體中電流的方向與電子流的方向相反。
 
2)電流的大?。弘妼W中用電流強度來衡量電流的大小。電流強度就是l秒鐘通過導體截面的電量。電流強度用字母I表示,計算公式如下:
 

 
式中 I——電流強度,單位安培(A); 
Q——在t秒時間內,通過導體截面的電量數,單位庫侖(C);
t ——時間,單位秒(s)。
 
實際使用時,人們把電流強度簡稱為電流。電流的單位是安培,簡稱安,用字母A表示。如果1秒內通過導體截面的電量為1庫侖,則該電流的電流強度為1安培,習慣簡稱電流為1安。實際應用中,除單位安培外,還有千安(kA)、毫安(mA)和微安( μA)。
 
它們之間的關系為:1kA=103A ,1A=10m3A ,1mA=103µA。
 
電流又分正流電和交流電,太陽能組件,蓄電池等發出來的電是直流電,電流方向不變,但這種電大部分家用電器都用不了,大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫交流電,這是我們日常用的電,電流方向變化的快慢叫頻率,我國為50Hz,即每秒種變化50次,稱之為工頻,有一些國家為60Hz。再往上還有中頻和高頻。
 
由交流電變成直流電叫整流,這樣的設備叫整流器,反過來,由直流電變成變流電叫逆變,這樣的設備叫逆變器。
 
光伏逆變器就是把光伏組件發出來的直流電變成變流電,光伏組件如果沒有接入逆變器或者控制器,就形成不了一個回路,這時候沒有電流,只有電壓。
 
 
 
3、電壓
 
電壓用字母V表示,單位為伏特,電場力將1庫侖電荷從a點移到b點所做的功為1焦耳,則ab間的電壓值就是1伏特,簡稱伏,用字母V表示。常用的電壓單位還有千伏(kV),毫伏(mV)等。
 
它們之間的關系為:1 kV=103V,l V=103mV。
 
電壓與電流相似,不但有大小,而且有方向。對于負載來說,電流流人端為正端,電流流出端為負端。電壓的方向是由正端指向負端,也就是說負載中電壓實際方向與電流方向一致。對于直流電而言,有正極和負極,電壓就是正極和負極之間的電壓差,對于三相交流電而言,有相線和零線,相線和相線之間的電壓叫線電壓,我國為380Vac,相線和零線之間的電壓叫相電壓,我國為220Vac。
 
光伏組件有兩種電壓,開路電壓和工作電壓,如265W的組件,工作電壓一般為30.7V,開路電壓一般為38.2V。不同的組件電壓也不一樣,一般60片電池的組件,工作電壓一般為30V到31V之間,72片電池的組件,工作電壓一般為35V到36V之間。
 
常用電壓:一般手機充電器和USB電源是5Vdc,鉛酸蓄電池有2V、6V和12V等三種規格,36Vdc以下稱為安全電壓,這個電壓范圍內對人體沒有危害。
 
我國的交流電壓分為三種,單相220V,三相380V稱為低壓,一般是家用和工商業用。三相10kV,15kV,35kV稱為中壓,110kV、220kV、330kV、500kV,1000KV稱為高壓。
 
不同的國家電壓等級不一樣,如美國有110V,208V,480V等電壓等級,具體可以參考《世界各國電網結構與逆變器的選型》這篇文章。
 
光伏組件和逆變器配在一起,如果有陽光,并網逆變器接入電網,離網逆變器接入負載,就會有電壓和電流,形成一個回路,這時光伏組件和逆變器就形成一個電源。
 
 
 
4、電源
 
電源是利用非電力把正電荷由負極移到正極的,它在電路中將其他形式能轉換成電能。電動勢就是衡量電源能量轉換本領的物理量,用字母E表示,它的單位也是伏特,簡稱伏,用字母V表示。  
 
電源的電動勢只存在于電源內部。人們規定電動勢的方向在電源內部由負極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細實線表示電動勢的方向,當電源兩端不接負載時,電源的開路電壓等于電源的電動勢,但二者方向相反。
 
可以用測量組件電壓的辦法,來判斷組件的好壞,比如在有陽光的情況下測得組件正負極之間的電壓是35Vdc,證明組件是正常工作,如果測出來是0Vdc,則證明組件是壞的。
 
電源又分為電壓源和電流源,離網逆變器是電壓源,其特點是輸出電壓保持恒定,輸出電流隨負載而變化,離網逆變器要配蓄電池才給正常工作,因為光伏輸入不穩定,負載也不穩定,需要用蓄電池穩定電壓,當光伏輸入功率大于負載的功率時,多余的電能進入蓄電池儲存起來,防止系統電壓升高,當光伏輸入功率小于負載的功率時,不足的電能由蓄電池來補充,防止系統電壓降低。并網逆變器是電流源,電壓跟隨電網電壓,電流是跟隨陽光輻射量等因素變化而變化。
 
從電源到負載,需要電纜做為導體來傳遞電能,由于電纜都有電阻,會產生電壓降,所以盡管我國低壓的單三相電壓等級是220/380V,但并網逆變器做為電源,其單三相輸出額定電壓為230/400V。
 
 
 
5、電阻
 
一般來說,導體對電流的阻礙作用稱為電阻,用字母R表示。電阻的單位為歐姆,簡稱歐,用字母Ω表示。如果導體兩端的電壓為1伏,通過的電流為1安,則該導體的電阻就是1歐。常用的電阻單位還有(kΩ)、兆歐(MΩ)。它們之間的關系為:1 kΩ=103Ω,1 MΩ=103kΩ。
 
應當強調指出:電阻是導體中客觀存在的,它與導體兩端電壓變化情況無關,即使沒有電壓,導體中仍然有電阻存在。實驗證明,當溫度一定時,導體電阻只與材料及導體的幾何尺寸有關。對于二根材質均勻、長度為L、截面積為S的導體而言,其電阻大小可用下式表示:
 

 
式中  R——導體電阻,單位為歐(Ω);
L——導體長度,單位為米(m);
s——導體截面積,單位為平方毫米(mm2);
ρ——電阻率,單位為歐·米(Ω·m)。
 
式中電阻率是與材料性質有關的物理量。電阻率的大小等于長度為1m,截面積為1mm2的導體在一定溫度下的電阻值,其單位為歐米(Ω:m)。
 
例如,銅的電阻率為1.7×10-8Ω·m,就是指長為1m,截面積為1mm2的銅線的電阻是1.7×10-8Ω。
 
銅和鋁的電阻率較小,是應用極為廣泛的導電材料。以前,由于我國鋁的礦藏量豐富,價格低廉,常用鋁線作輸電線。由于銅線有更好的電氣特性,如強度高、電阻率小,現在銅制線材被更廣泛應用。
 
分布式光伏系統直流電纜和交流電纜一般都采用銅電線或者銅電纜。這是由于銅線內阻少,消耗的電功也比較少。
 
 
 
6、電功、電功率
 
電流通過用電器時,用電器就將電能轉換成其他形式的能,如熱能、光能和機械能等。
 
我們把電能轉換成其他形式的能叫做電流做功,簡稱電功,用字母W表示,電功是一個瞬時值。 電壓單位為伏,電流單位為安,電阻單位為歐,時間單位為秒,則電功單位就是焦耳,簡稱焦,用字母J表示。電流在單位時間內通過用電器所做的功稱為電功率,用字母P表示,電功率是一個帶時間軸的二維值。
 
功率計算方法如下:
直流功率=直流電壓*直流電流。單相交流功率=交流電壓*交流電流;三相交流功率=線電壓*電流*1.732,如一臺三相逆變器,輸出額定電壓是400V,輸出額定電流為64.5A,輸出功率為400*64.5*1.732,約為44.7kW。
 
電功單位為焦耳,時間單位為秒,則電功率的單位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特,簡稱瓦,用字母W表示。在實際工作中,常用的電功率單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它們之間的關系為:1kW=103W,1W=103mW。
 
1)當用電器的電阻一定時,電功率與電流平方或電壓平方成正比。若通過用電器的電流是原來電流的2倍,則電功率就是原功率的4倍;若加在用電器兩端電壓是原電壓的2倍,則電功率就是原功率的4倍。
 
2)當流過用電器的電流一定時,電功率與電阻值成正比。對于串聯電阻電路,流經各個電阻的電流是相同的,則串聯電阻的總功率與各個電阻的電阻值的和成正比。
 
3)當加在用電器兩端的電壓一定時,電功率與電阻值成反比。對于并聯電阻電路,各個電阻兩端電壓相等,則各個電阻的電功率與各電阻的阻值成反比。
 
在實際工作中,電功的單位常用千瓦小時(kW·h),也叫“度”。1千瓦小時是1度,它表示功率為1千瓦的用電器1小時所消耗的電能,即1kW·h=1kW×1h。
 
 
 

 
 

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